計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成和工作原理

1、第2章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和工作原理教學(xué)重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)的組成教學(xué)難點(diǎn)：計(jì)算機(jī)的工作原理授課課時(shí)：4學(xué)時(shí) 運(yùn)算器運(yùn)算器 中央處理器中央處理器 主主 機(jī)機(jī) 控制器控制器 內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器 硬件硬件 外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)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(yǔ)言處理程序語(yǔ)言處理程序 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng) 軟件軟件 科學(xué)計(jì)算程序科學(xué)計(jì)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(jì)程序輔助設(shè)計(jì)程序 文字處理程序文字處理程序 過(guò)程控制程序等過(guò)程控制程序等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 2.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成2.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述圖圖1

2、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成硬件：硬件：是組成計(jì)算機(jī)的物理設(shè)備的總稱，由各種器件和電子線路組成。是計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。軟件：軟件：是在硬件設(shè)備上運(yùn)行的各種程序以及有關(guān)資料的總稱?！奥銠C(jī)裸機(jī)”：沒(méi)有軟件的計(jì)算機(jī)通常稱為“裸機(jī)”。計(jì)算機(jī)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(chǔ)裸機(jī)裸機(jī)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)各種語(yǔ)言處理程序各種語(yǔ)言處理程序各種實(shí)用程序軟件包各種實(shí)用程序軟件包用戶用戶圖圖2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次圖計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次圖2.1.2 計(jì)算機(jī)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(chǔ)器中v計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成 1.

3、運(yùn)算器運(yùn)算器（算術(shù)邏輯部件算術(shù)邏輯部件ALU） 執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。例如：執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。例如：5+7*2 2. 控制器控制器 控制器是計(jì)算機(jī)的指揮中心，它的主要作用是按控制器是計(jì)算機(jī)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(jī)各部件步調(diào)一照人們預(yù)先確定的操作步驟，控制微機(jī)各部件步調(diào)一致地自動(dòng)工作。致地自動(dòng)工作。五大功能部件：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸五大功能部件：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)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(chǔ)器存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)信息的重要功能部件。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)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(gè)組成部件：程序計(jì)數(shù)器四個(gè)組成部件：程序計(jì)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(yùn)算器和控制器合稱為中央處理器運(yùn)算器和控制器合稱為中央處理器CPU。 從存儲(chǔ)器中取出信息稱為讀出；將信息存入存儲(chǔ)器稱為寫(xiě)從存儲(chǔ)器中取出信息稱為讀出；將信息存入存儲(chǔ)器稱為寫(xiě)入。存儲(chǔ)器讀出信息后，原內(nèi)容保持不變；向存儲(chǔ)器寫(xiě)入入。存儲(chǔ)器讀出信息后，原內(nèi)容保持不變；向存儲(chǔ)器寫(xiě)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(chǔ)器分為三種：存儲(chǔ)器分為三種： 內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器（主存儲(chǔ)器）（主存儲(chǔ)器） 外存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器（輔助存

5、儲(chǔ)器）（輔助存儲(chǔ)器） 高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器cache1) 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器( (ROM)ROM)：只能讀出不能寫(xiě)入，用于存放內(nèi)容不變的信息，斷電后信息不會(huì)丟失。2) 隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器( (RAM)RAM)：可隨機(jī)存取，用于存放現(xiàn)場(chǎng)的程序和數(shù)據(jù)，斷電后信息一般會(huì)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(jì)算機(jī)當(dāng)前正待運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，速內(nèi)存用于存放計(jì)算機(jī)當(dāng)前正待運(yùn)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(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)，速度相對(duì)較慢，外存用于存放暫時(shí)不用的程序

6、和數(shù)據(jù)，速度相對(duì)較慢，容量較大，價(jià)格較低，不能直接與中央處理器容量較大，價(jià)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(chǔ)器中的程序息，但它可以與內(nèi)存交換信息。因此，外存儲(chǔ)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(wèn)。訪問(wèn)。 中央處理器中央處理器CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器合稱為主機(jī)。和內(nèi)存儲(chǔ)器合稱為主機(jī)。 4. 輸入設(shè)備輸入設(shè)備 輸入設(shè)備用來(lái)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(lái)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?jì)算機(jī)能識(shí)別的形式（二進(jìn)制數(shù)）存放到內(nèi)存它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能識(shí)別的形式（二進(jìn)制數(shù)）存放到內(nèi)存中。常用的輸入設(shè)備有

7、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀等。中。常用的輸入設(shè)備有鍵盤(pán)、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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)、繪圖儀等。印機(jī)、繪圖儀等。 磁盤(pán)及磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器磁盤(pán)及磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器是計(jì)算機(jī)中的常用設(shè)備，計(jì)算機(jī)既是計(jì)算機(jī)中的常用設(shè)備，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)軟件概述 軟件：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各程序、有關(guān)文件及運(yùn)軟件

8、：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各程序、有關(guān)文件及運(yùn) 行行時(shí)所需的數(shù)據(jù)的總稱。時(shí)所需的數(shù)據(jù)的總稱。 程序：是指以計(jì)算機(jī)可以識(shí)別和執(zhí)行的操作 表示的處理步驟。 文檔：是指用自然語(yǔ)言或者形式化語(yǔ)言所編寫(xiě)的用來(lái)描述程序內(nèi)容、組成、設(shè)計(jì)、功能、規(guī)則、開(kāi)發(fā)情況、測(cè)試結(jié)構(gòu)和使用方法的文字資料和圖表。2.3 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)2.3.2 計(jì)算機(jī)軟件的分類(lèi) 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(lèi)。兩大類(lèi)。1. 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 參與構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、供用戶直接使用，以擴(kuò)展計(jì)算參與構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、供用戶直接使用，以擴(kuò)展計(jì)算機(jī)硬件功能，使其管理協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)用戶操作習(xí)慣機(jī)硬件

9、功能，使其管理協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)，彌補(bǔ)用戶操作習(xí)慣與計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)設(shè)備的操作方法之間的鴻溝的軟件。與計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)廠家或?qū)I(yè)軟件開(kāi)發(fā)商提供系統(tǒng)軟件一般是由計(jì)算機(jī)廠家或?qū)I(yè)軟件開(kāi)發(fā)商提供的，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分。的，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)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(jì)語(yǔ)言。）、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。 文字處理軟件文字處理軟件 Word WPS表格處理軟件表格

10、處理軟件 Excel輔助設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)軟件 AutoCAD實(shí)時(shí)控制軟件實(shí)時(shí)控制軟件2. 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 它是它是為計(jì)算機(jī)在特定領(lǐng)域中的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的專為計(jì)算機(jī)在特定領(lǐng)域中的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的專用軟件，是用軟件，是用戶為解決各類(lèi)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題而編制用戶為解決各類(lèi)實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題而編制的專用軟件的總稱。的專用軟件的總稱。2.3.3 計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展 1、匯編語(yǔ)言的出現(xiàn) 2、高級(jí)語(yǔ)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(kù)管理系統(tǒng)的出現(xiàn) 2.3.4 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言就是用戶用來(lái)編寫(xiě)程序的語(yǔ)言，它是人計(jì)算機(jī)語(yǔ)言就是用戶用來(lái)編寫(xiě)程序的語(yǔ)言，它是人們與計(jì)算機(jī)之間交換信息的工具，實(shí)

11、際上也是人們們與計(jì)算機(jī)之間交換信息的工具，實(shí)際上也是人們指揮計(jì)算機(jī)工作的工具。指揮計(jì)算機(jī)工作的工具。 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展分為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展分為4 4個(gè)階段：個(gè)階段： 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言和智能性語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言和智能性語(yǔ)言。(1) (1) 第一代語(yǔ)言第一代語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言定義：是最初級(jí)且依賴于硬件的語(yǔ)言。是由定義：是最初級(jí)且依賴于硬件的語(yǔ)言。是由0 0和和1 1組成組成的二進(jìn)制代碼表示的語(yǔ)言，是計(jì)算機(jī)唯一能直的二進(jìn)制代碼表示的語(yǔ)言，是計(jì)算機(jī)唯一能直接識(shí)別并執(zhí)行的語(yǔ)言。接識(shí)別并執(zhí)行的語(yǔ)言。特征：特征：“面向機(jī)器面向機(jī)器”的語(yǔ)言，可以被計(jì)算機(jī)直接接收的語(yǔ)言，可以被計(jì)算機(jī)

12、直接接收?qǐng)?zhí)行。由它編寫(xiě)的程序不易閱讀，而且指令代執(zhí)行。由它編寫(xiě)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(yǔ)言第二代語(yǔ)言匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言定義：是用字母和符號(hào)等助記符表示指令和操作數(shù)地址的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言,又稱為又稱為符號(hào)語(yǔ)言符號(hào)語(yǔ)言。特征：便于閱讀和書(shū)寫(xiě)，編程速度、檢查調(diào)試有進(jìn)步，但仍然是“面向機(jī)器”的語(yǔ)言，但計(jì)算機(jī)不能但計(jì)算機(jī)不能識(shí)別和直接運(yùn)行匯編程序。識(shí)別和直接運(yùn)行匯編程序。 機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言都是面向機(jī)器的語(yǔ)言，機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言都是面向機(jī)器的語(yǔ)言，一般稱為低級(jí)語(yǔ)言。一般稱為低級(jí)語(yǔ)言。 (3)(3)第三代語(yǔ)言第三代語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言定義：人工創(chuàng)造的各種計(jì)算機(jī)都通用的

13、、接近于人類(lèi)“自然語(yǔ)言”的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，又稱“算法語(yǔ)言”。特征：各種計(jì)算機(jī)都通用，源程序必須翻譯成二進(jìn)制代碼方可執(zhí)行，面向過(guò)程的語(yǔ)言，不依賴于機(jī)器。獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的硬件，各類(lèi)計(jì)算機(jī)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(guò)程翻譯過(guò)程高級(jí)語(yǔ)言源程序高級(jí)語(yǔ)言源程序機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序輸入輸入編譯編譯/ /解釋解釋輸出輸出高級(jí)語(yǔ)言可分為3類(lèi)：說(shuō)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(lèi)對(duì)象

14、的共同屬性和行為。 VB C+ Java(4)(4)第四代語(yǔ)言第四代語(yǔ)言智能性語(yǔ)言智能性語(yǔ)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(kù)管理系統(tǒng)等領(lǐng)域。向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等領(lǐng)域。例如：例如：Lisp Prolog Gemstone Lisp Prolog Gemstone 等。等。常見(jiàn)的語(yǔ)言常見(jiàn)的語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言(由二進(jìn)制形式的指令代碼組成，不直接編程)高級(jí)語(yǔ)言匯編語(yǔ)言(面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，采用助記符代替二進(jìn)制)匯編程序面向過(guò)程：BASIC、Pascal、FoxPro、FORTRAN、C等面

15、向?qū)ο螅篊+ 、 Java、Visual Basic、PB 等1代代 2代代 3代代 4代代 智能性語(yǔ)言如PROLOG2.3.5 幾種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言簡(jiǎn)介幾種高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言簡(jiǎn)介1. Basic語(yǔ)言語(yǔ)言 簡(jiǎn)單易學(xué)，對(duì)話功能強(qiáng)，適用于科學(xué)計(jì)算和編制應(yīng)用簡(jiǎn)單易學(xué)，對(duì)話功能強(qiáng)，適用于科學(xué)計(jì)算和編制應(yīng)用軟件軟件2. Pascal語(yǔ)言語(yǔ)言 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，數(shù)據(jù)類(lèi)型豐富、編譯緊湊高結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，數(shù)據(jù)類(lèi)型豐富、編譯緊湊高效、格式書(shū)寫(xiě)自由，適用于教學(xué)。效、格式書(shū)寫(xiě)自由，適用于教學(xué)。3. C語(yǔ)言語(yǔ)言 程序可讀性較強(qiáng)、編程效率較高，適用于編制系統(tǒng)程序可讀性較強(qiáng)、編程效率較高，適用于編制系統(tǒng)軟件等軟件等

16、4. C+語(yǔ)言語(yǔ)言 具有抽象數(shù)據(jù)和面向?qū)ο蟮哪芰?，是?duì)C語(yǔ)言的擴(kuò)充。 5. Java語(yǔ)言語(yǔ)言 基于C+，一次編寫(xiě)，處處運(yùn)行。 6. Visual Prolog語(yǔ)言語(yǔ)言 適合于專家系統(tǒng)和其他相關(guān)問(wèn)題的求解，是智能程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中具有代表性且在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較多的一種語(yǔ)言。1. 指令：指令：讓計(jì)算機(jī)完成某個(gè)操作所發(fā)出的命令。2. 指令格式指令格式:操作碼地址碼OPA2.4 計(jì)算機(jī)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(chǔ)器中的地址。）：給出參與操作的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的地址。指令含義

17、：指令含義：A OP(A) 取出地址取出地址A中的數(shù)據(jù)進(jìn)行指令規(guī)中的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令的集合。4.指令的分類(lèi)指令的分類(lèi) 按功能劃分為4類(lèi):數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)指令：包括寄存器與寄存器之間、寄存器與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)指令：包括寄存器與寄存器之間、寄存器與存儲(chǔ)單元之間、存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。單元之間、存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。運(yùn)算類(lèi)指令：算術(shù)運(yùn)算指令和邏輯運(yùn)算指令。運(yùn)算類(lèi)指令：算術(shù)運(yùn)算指令和邏輯運(yùn)算指令。程序控制類(lèi)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(lèi)指令：用于控制程序的流向