計算機系統(tǒng)組成和工作原理

1、第2章 計算機系統(tǒng)的組成和工作原理教學(xué)重點：計算機的組成教學(xué)難點：計算機的工作原理授課課時：4學(xué)時 運算器運算器 中央處理器中央處理器 主主 機機 控制器控制器 內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器 硬件硬件 外存儲器外存儲器 外部設(shè)備外部設(shè)備 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 語言處理程序語言處理程序 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 軟件軟件 科學(xué)計算程序科學(xué)計算程序 信息管理程序信息管理程序 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 輔助設(shè)計程序輔助設(shè)計程序 文字處理程序文字處理程序 過程控制程序等過程控制程序等計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 2.1 計算機系統(tǒng)的組成計算機系統(tǒng)的組成2.1.1 計算機系統(tǒng)概述圖圖1

2、 計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的基本組成硬件：硬件：是組成計算機的物理設(shè)備的總稱，由各種器件和電子線路組成。是計算機進行工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件：軟件：是在硬件設(shè)備上運行的各種程序以及有關(guān)資料的總稱。“裸機裸機”：沒有軟件的計算機通常稱為“裸機”。計算機能夠完成的基本操作和主要功能： 1、輸入 2、處理 3、輸出 4、存儲裸機裸機操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)各種語言處理程序各種語言處理程序各種實用程序軟件包各種實用程序軟件包用戶用戶圖圖2 計算機系統(tǒng)層次圖計算機系統(tǒng)層次圖2.1.2 計算機系統(tǒng)的層次關(guān)系v用形式表示數(shù)據(jù)和指令v程序和數(shù)據(jù)一樣存放在存儲器中v計算機系統(tǒng)由、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成 1.

3、運算器運算器（算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件ALU） 執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算。例如：執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算。例如：5+7*2 2. 控制器控制器 控制器是計算機的指揮中心，它的主要作用是按控制器是計算機的指揮中心，它的主要作用是按照人們預(yù)先確定的操作步驟，控制微機各部件步調(diào)一照人們預(yù)先確定的操作步驟，控制微機各部件步調(diào)一致地自動工作。致地自動工作。五大功能部件：運算器、控制器、存儲器、輸五大功能部件：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。入設(shè)備和輸出設(shè)備。 3. 存儲器存儲器 存儲器是計算機用來存儲信息的重要功能部件。存儲器是計算機用來存儲信息的重要功能部件。主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。主要功能

4、是存放程序和數(shù)據(jù)。 四個組成部件：程序計數(shù)器四個組成部件：程序計數(shù)器PC、指令寄存器、指令寄存器IR、指、指令譯碼器令譯碼器ID、操作命令產(chǎn)生部件、操作命令產(chǎn)生部件 運算器和控制器合稱為中央處理器運算器和控制器合稱為中央處理器CPU。 從存儲器中取出信息稱為讀出；將信息存入存儲器稱為寫從存儲器中取出信息稱為讀出；將信息存入存儲器稱為寫入。存儲器讀出信息后，原內(nèi)容保持不變；向存儲器寫入入。存儲器讀出信息后，原內(nèi)容保持不變；向存儲器寫入信息后，則原內(nèi)容被新內(nèi)容所代替。信息后，則原內(nèi)容被新內(nèi)容所代替。存儲器分為三種：存儲器分為三種： 內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器（主存儲器）（主存儲器） 外存儲器外存儲器（輔助存

5、儲器）（輔助存儲器） 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器cache1) 只讀存儲器只讀存儲器(ROM)(ROM)：只能讀出不能寫入，用于存放內(nèi)容不變的信息，斷電后信息不會丟失。2) 隨機存儲器隨機存儲器(RAM)(RAM)：可隨機存取，用于存放現(xiàn)場的程序和數(shù)據(jù)，斷電后信息一般會立即消失。內(nèi)存內(nèi)存 內(nèi)存和外存的區(qū)別：內(nèi)存和外存的區(qū)別： 內(nèi)存用于存放計算機當(dāng)前正待運行的程序和數(shù)據(jù)，速內(nèi)存用于存放計算機當(dāng)前正待運行的程序和數(shù)據(jù)，速度較快、容量較小，可直接與中央處理器度較快、容量較小，可直接與中央處理器CPU交換信息。交換信息。 外存用于存放暫時不用的程序和數(shù)據(jù)，速度相對較慢，外存用于存放暫時不用的程序和數(shù)

6、據(jù)，速度相對較慢，容量較大，價格較低，不能直接與中央處理器容量較大，價格較低，不能直接與中央處理器CPU交換信交換信息，但它可以與內(nèi)存交換信息。因此，外存儲器中的程序息，但它可以與內(nèi)存交換信息。因此，外存儲器中的程序和數(shù)據(jù)必須先調(diào)入內(nèi)存方可被和數(shù)據(jù)必須先調(diào)入內(nèi)存方可被CPU訪問。訪問。 中央處理器中央處理器CPU和內(nèi)存儲器合稱為主機。和內(nèi)存儲器合稱為主機。 4. 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 輸入設(shè)備用來接收用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將輸入設(shè)備用來接收用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并將它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能識別的形式（二進制數(shù)）存放到內(nèi)存它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能識別的形式（二進制數(shù)）存放到內(nèi)存中。常用的輸入設(shè)備有鍵盤

7、、鼠標(biāo)、掃描儀等。中。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。 5. 輸出設(shè)備輸出設(shè)備 輸出設(shè)備用于將存放在內(nèi)存中由計算機處理的結(jié)果轉(zhuǎn)輸出設(shè)備用于將存放在內(nèi)存中由計算機處理的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯芙邮艿男问?。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打變?yōu)槿藗兯芙邮艿男问?。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀等。印機、繪圖儀等。 磁盤及磁盤驅(qū)動器磁盤及磁盤驅(qū)動器是計算機中的常用設(shè)備，計算機既是計算機中的常用設(shè)備，計算機既能從它上面讀取數(shù)據(jù)（輸入），也能把數(shù)據(jù)保存到它上面能從它上面讀取數(shù)據(jù)（輸入），也能把數(shù)據(jù)保存到它上面（輸出）。（輸出）。 2.3.1 計算機軟件概述 軟件：計算機系統(tǒng)中各程序、有關(guān)文件及運軟件：計

8、算機系統(tǒng)中各程序、有關(guān)文件及運 行行時所需的數(shù)據(jù)的總稱。時所需的數(shù)據(jù)的總稱。 程序：是指以計算機可以識別和執(zhí)行的操作 表示的處理步驟。 文檔：是指用自然語言或者形式化語言所編寫的用來描述程序內(nèi)容、組成、設(shè)計、功能、規(guī)則、開發(fā)情況、測試結(jié)構(gòu)和使用方法的文字資料和圖表。2.3 計算機軟件系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)2.3.2 計算機軟件的分類 軟件按其功能可以分為軟件按其功能可以分為系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件和和應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件兩大類。兩大類。1. 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 參與構(gòu)成計算機系統(tǒng)、供用戶直接使用，以擴展計算參與構(gòu)成計算機系統(tǒng)、供用戶直接使用，以擴展計算機硬件功能，使其管理協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)，彌補用戶操作習(xí)慣機硬件功能

9、，使其管理協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)，彌補用戶操作習(xí)慣與計算機硬件、計算機設(shè)備的操作方法之間的鴻溝的軟件。與計算機硬件、計算機設(shè)備的操作方法之間的鴻溝的軟件。 系統(tǒng)軟件一般是由計算機廠家或?qū)I(yè)軟件開發(fā)商提供系統(tǒng)軟件一般是由計算機廠家或?qū)I(yè)軟件開發(fā)商提供的，是計算機系統(tǒng)的一個重要的組成部分。的，是計算機系統(tǒng)的一個重要的組成部分。它主要包括操它主要包括操作系統(tǒng)（作系統(tǒng)（DOSDOS、UNIXUNIX、Win98Win98、Win2000Win2000、WinNTWinNT、WindowsXPWindowsXP等等）、程序設(shè)計語言。）、程序設(shè)計語言。 文字處理軟件文字處理軟件 Word WPS表格處理軟件表格處理

10、軟件 Excel輔助設(shè)計軟件輔助設(shè)計軟件 AutoCAD實時控制軟件實時控制軟件2. 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 它是它是為計算機在特定領(lǐng)域中的應(yīng)用而開發(fā)的專為計算機在特定領(lǐng)域中的應(yīng)用而開發(fā)的專用軟件，是用軟件，是用戶為解決各類實際應(yīng)用問題而編制用戶為解決各類實際應(yīng)用問題而編制的專用軟件的總稱。的專用軟件的總稱。2.3.3 計算機軟件的發(fā)展 1、匯編語言的出現(xiàn) 2、高級語言的出現(xiàn) 3、操作系統(tǒng)的形成 4、網(wǎng)絡(luò)軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的出現(xiàn) 2.3.4 計算機語言的發(fā)展計算機語言的發(fā)展 計算機語言就是用戶用來編寫程序的語言，它是人計算機語言就是用戶用來編寫程序的語言，它是人們與計算機之間交換信息的工具，實際上

11、也是人們們與計算機之間交換信息的工具，實際上也是人們指揮計算機工作的工具。指揮計算機工作的工具。 計算機語言的發(fā)展分為計算機語言的發(fā)展分為4 4個階段：個階段： 機器語言、匯編語言、高級語言和智能性語言機器語言、匯編語言、高級語言和智能性語言。(1) (1) 第一代語言第一代語言機器語言機器語言定義：是最初級且依賴于硬件的語言。是由定義：是最初級且依賴于硬件的語言。是由0 0和和1 1組成組成的二進制代碼表示的語言，是計算機唯一能直的二進制代碼表示的語言，是計算機唯一能直接識別并執(zhí)行的語言。接識別并執(zhí)行的語言。特征：特征：“面向機器面向機器”的語言，可以被計算機直接接收的語言，可以被計算機直接

12、接收執(zhí)行。由它編寫的程序不易閱讀，而且指令代執(zhí)行。由它編寫的程序不易閱讀，而且指令代碼不易記憶。碼不易記憶。 (2)(2)第二代語言第二代語言匯編語言匯編語言定義：是用字母和符號等助記符表示指令和操作數(shù)地址的計算機語言,又稱為又稱為符號語言符號語言。特征：便于閱讀和書寫，編程速度、檢查調(diào)試有進步，但仍然是“面向機器”的語言，但計算機不能但計算機不能識別和直接運行匯編程序。識別和直接運行匯編程序。 機器語言和匯編語言都是面向機器的語言，機器語言和匯編語言都是面向機器的語言，一般稱為低級語言。一般稱為低級語言。 (3)(3)第三代語言第三代語言高級語言高級語言定義：人工創(chuàng)造的各種計算機都通用的、接

13、近于人類“自然語言”的程序設(shè)計語言，又稱“算法語言”。特征：各種計算機都通用，源程序必須翻譯成二進制代碼方可執(zhí)行，面向過程的語言，不依賴于機器。獨立于計算機的硬件，各類計算機都通用，易于人們的理解和掌握。例如：例如：FortranFortran、CobolCobol、PascalPascal、BasicBasic、C C圖圖3 翻譯過程翻譯過程高級語言源程序高級語言源程序機器語言目標(biāo)程序機器語言目標(biāo)程序輸入輸入編譯編譯/ /解釋解釋輸出輸出高級語言可分為3類：說明做什么，怎么做。 （如C 、Fortran、Basic 、 Pascal） 指出做什么、數(shù)據(jù)的輸入和輸出形式。能夠描述同一類對象的共

14、同屬性和行為。 VB C+ Java(4)(4)第四代語言第四代語言智能性語言智能性語言特征：具有一定的智能。特征：具有一定的智能。 重要應(yīng)用于商品化人工智能系統(tǒng)、專家系統(tǒng)和面重要應(yīng)用于商品化人工智能系統(tǒng)、專家系統(tǒng)和面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等領(lǐng)域。向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等領(lǐng)域。例如：例如：Lisp Prolog Gemstone Lisp Prolog Gemstone 等。等。常見的語言常見的語言機器語言(由二進制形式的指令代碼組成，不直接編程)高級語言匯編語言(面向機器的程序設(shè)計語言，采用助記符代替二進制)匯編程序面向過程：BASIC、Pascal、FoxPro、FORTRAN、C等面向?qū)?/p>

15、象：C+ 、 Java、Visual Basic、PB 等1代代 2代代 3代代 4代代 智能性語言如PROLOG2.3.5 幾種高級程序設(shè)計語言簡介幾種高級程序設(shè)計語言簡介1. Basic語言語言 簡單易學(xué)，對話功能強，適用于科學(xué)計算和編制應(yīng)用簡單易學(xué)，對話功能強，適用于科學(xué)計算和編制應(yīng)用軟件軟件2. Pascal語言語言 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，數(shù)據(jù)類型豐富、編譯緊湊高結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言，數(shù)據(jù)類型豐富、編譯緊湊高效、格式書寫自由，適用于教學(xué)。效、格式書寫自由，適用于教學(xué)。3. C語言語言 程序可讀性較強、編程效率較高，適用于編制系統(tǒng)程序可讀性較強、編程效率較高，適用于編制系統(tǒng)軟件等軟件等 4.

16、 C+語言語言 具有抽象數(shù)據(jù)和面向?qū)ο蟮哪芰?，是對C語言的擴充。 5. Java語言語言 基于C+，一次編寫，處處運行。 6. Visual Prolog語言語言 適合于專家系統(tǒng)和其他相關(guān)問題的求解，是智能程序設(shè)計語言中具有代表性且在發(fā)達國家應(yīng)用較多的一種語言。指令：指令：讓計算機完成某個操作所發(fā)出的命令。指令格式指令格式:操作碼地址碼OPA2.4 計算機的工作原理2.4.1 指令及指令系統(tǒng)操作碼（操作碼（OP）：表示一條指令的操作特性和功能）：表示一條指令的操作特性和功能地址碼（地址碼（A）：給出參與操作的數(shù)據(jù)在存儲器中的地址。）：給出參與操作的數(shù)據(jù)在存儲器中的地址。指令含義：指令含義：A OP(A) 取出地址取出地址A中的數(shù)據(jù)進行指令規(guī)中的數(shù)據(jù)進行指令規(guī)定的定的OP操作，再把操作送回地址操作，再把操作送回地址A中。中。3. 指令系統(tǒng)：指令系統(tǒng)：計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合。 指令的分類指令的分類 按功能劃分為4類: 數(shù)據(jù)傳輸類指令：包括寄存器與寄存器之間、寄存器與存數(shù)據(jù)傳輸類指令：包括寄存器與寄存器之間、寄存器與存儲單元之間、存儲單元與存儲單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。儲單元之間、存儲單元與存儲單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。運算類指令：算術(shù)運算指令和邏輯運算指令。運算類指令：算術(shù)運算指令和邏輯運算指令。程序控制類指令：用于控制程序的流向，包括轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)程序控制類指令：用于控制程序的流向