《大學計算機基礎》課件-第2章 計算機系統(tǒng)基礎

計算機系統(tǒng)組成1計算機硬件系統(tǒng)2計算機工作原理3第二章計算機系統(tǒng)基礎計算機軟件系統(tǒng)5微型計算機系統(tǒng)

4程序設計語言

6計算機系統(tǒng)組成1一臺完整的計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)(Hardware)是組成計算機的各種物理設備的總稱，又稱機器系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)(Software)是為運行、管理和維護計算機而編制的各種程序、數(shù)據(jù)和文檔的總稱，又稱程序系統(tǒng)。只有硬件而沒有軟件的計算機稱為裸機，裸機是無法工作的。計算機的功能豐富程度不僅取決于硬件系統(tǒng)，在更大程度上是由其所安裝的軟件系統(tǒng)所決定的。軟硬件關系是：①硬件和軟件互相依存。②硬件和軟件無嚴格界線。③硬件和軟件協(xié)同發(fā)展。馮·諾依曼于1945年首先提出了以二進制數(shù)據(jù)為基礎的存儲程序自動控制思想，奠定了現(xiàn)代電子數(shù)字計算機的發(fā)展基礎。他的基本思想可簡要地概括為以下三點：①五大部件結構體系。計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五個基本部分組成。②采用二進制指令操作。③存儲程序自動控制。存儲器運算器控制器輸入設備輸出設備數(shù)據(jù)信息流控制信息流圖2.1計算機的硬件系統(tǒng)結構

微機由主機+顯示器+鍵盤+鼠標構成計算機硬件系統(tǒng)組成22.1計算機系統(tǒng)硬件2.2計算機主要性能指標

1.字長：字長(Word)是指微處理器內(nèi)部一次可以并行處理二進制代碼的位數(shù)，如16位、32位、64位等。2.主機頻率：主機頻率指專門配備給微CPU工作的時鐘信號。主頻以赫茲為單位，一般記為4.77MHz，800MHz，1.0GHz，3.0GHz等。3.存儲容量：微機內(nèi)部存儲器能存儲二進制信息量大小的容量。存儲容量一般以字節(jié)為最基本的計量單位。一個字節(jié)記為1B，1024個字節(jié)記為1KB，1024KB記為1MB，1024MB記為1GB(吉字節(jié)，GigaByte)，而1024GB記為1TB(太字節(jié)，TeraByte)。4.指令系統(tǒng)：CPU所固有的基本指令集合，稱為該計算機的指令系統(tǒng)。一臺計算機的指令系統(tǒng)一般有幾十到幾百條。

5.運算速度：指計算機執(zhí)行一條指令所需的平均時間，其長短反映了計算機執(zhí)行一條指令運行速度的快慢。技術指標計算機的工作原理

3計算機的工作就是執(zhí)行指令的過程。指令執(zhí)行過程分以下4個步驟：①取指令：按照程序計數(shù)器中的地址(如：0100H)，從內(nèi)存儲器中取出指令(如：070270H)，并送往指令寄存器。②分析指令：對指令寄存器中存放的指令(070270H)進行分析，由譯碼器對操作碼(07H)進行譯碼，將指令的操作碼轉換成相應的控制電位信號；由地址碼(0270H)確定操作數(shù)地址。③執(zhí)行指令：由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需要的一系列控制信息，去完成該指令所要求的操作。例如做加法指令，取內(nèi)存單元(0270H)的值和累加器的值相加，結果還是放在累加器。④一條指令執(zhí)行完成，程序計數(shù)器加1或將轉移地址碼送入程序計數(shù)器，然后回到①繼續(xù)執(zhí)行。具體工作原理見下圖所示。

(1)確定解題方法（建立數(shù)學模型），即找出計算的方法；

(2)編寫計算程序并送入存儲器中；

(3)讓計算機執(zhí)行程序獲得計算結果。用計算機的解題過程BeginPi=3.1415Input“r=”,rS=pi*r^2Print“s=”,send計算程序人工輸入存入內(nèi)存，啟動運行自動計算處理處理結果，顯示、打印輸出微型計算機系統(tǒng)4微型機是由微處理器（運算器與控制器）、存儲器（內(nèi)存、外存）和輸入輸出（I/O）設備，采用總線與接口構成的一個完整的計算機系統(tǒng)。2.3微型計算機的硬件結構一、微處理器（CPU）

2.CPU性能指標

(1)

CPU執(zhí)行指令的速度：即CPU每秒所能執(zhí)行的指令的條數(shù)。

(2)

CPU的“字長”：即CPU一次所能處理數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)。

(3)指令本身的處理能力：即CPU所能處理指令數(shù)量與復雜度。

CPU(CentralProcessingUnit)是微型機的核心，是將運算器和控制器做在一個芯片上，稱為微處理器。是信息加工處理的中心部件，主要完成各種算術及邏輯運算，并控制計算機各部件協(xié)調地工作。1.CPU的基本結構①一組稱為“寄存器”的高速存儲單元，主要用于在CPU內(nèi)部進行數(shù)據(jù)和其它信息存儲。②一個或幾個執(zhí)行基本算術邏輯動作的計算部件，稱為“算術邏輯單元”(ALU)或“運算器”，主要負責用來執(zhí)行具體的算術運算和邏輯運算任務。③一個作為CPU控制中心的程序控制單元，稱為“控制器”，負責處理各種指令、控制各部件的活動。二、（內(nèi)）存儲器的結構與性能1．內(nèi)存儲器又可分為：隨機訪問存儲器(RandomAccessMemory，簡寫為RAM)與只讀存儲器(Read-onlyMemory，簡寫為ROM)。通常所說的計算機內(nèi)存一般是指隨機存儲器RAM。2．ROM與RAM的區(qū)別：ROM中的信息只能讀出不能寫入，在計算機斷電后，ROM中存儲的內(nèi)容保持不變。在RAM中既可寫入信息，也可讀出信息，但在計算機斷電后，RAM中存儲的內(nèi)容將消失。3．內(nèi)存儲器的地址：即為了查找存儲器中的數(shù)據(jù)而為每個存儲單元按一定方式（線性）編排的“位置”碼。4．內(nèi)存儲器的性能指標：主要是容量與它的訪問速度。

存儲器是用來存放計算機程序和數(shù)據(jù)的電子（磁性）器件。一般分為內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器也稱為主存(mainmemory)，它和微處理器一起構成了微型機的主機部分。三、總線與接口1．總線：將計算機中的各個部件（包括CPU、存儲器和輸入輸出設備）通過一條公共信息通路連接起來，這條信息通路就稱為總線。（1）總線的功能（2）總線的電路組成（3）數(shù)據(jù)總線的寬度(傳輸線的根數(shù))：是指數(shù)據(jù)總線一次能傳遞的二進制位數(shù)①和存儲器之間交換信息；②和輸入/輸出設備之間交換信息；③為了系統(tǒng)工作而接收和輸出必要的信號。①數(shù)據(jù)總線（DB）：用于在各部件之間傳遞數(shù)據(jù)(包括指令、數(shù)據(jù)等)信息，為雙向總線。②地址總線（AB）：指示欲傳數(shù)據(jù)的來源地址或目的地址信息。③控制總線（CB）：用于在各部件之間傳遞各種控制信息。2．接口：用以將計算機和外部設備連接并進行信息交換的電路裝置（卡）。常見的有：（1）I/O接口：又分為并行接口與串行接口兩種。（2）硬盤接口：主要有IDE、EIDE、SCSI等（3）通用串行總線接口USB目前，微型機上常用的外存儲器有磁盤和光盤兩種。四、外存儲器1.磁盤：是一個封裝起來的涂附著磁性材料的塑料圓盤片。目前常用的軟盤是直徑8.89cm(簡稱3寸盤)的，如下圖所示。盤片容量計算：若分為18個扇區(qū)，80個磁道，則：C=（18扇*80道*512字節(jié)）*2面

=1.44MB盤片上的信息是按磁道和扇區(qū)進行存儲的。關于磁道與扇區(qū)：磁道是同心圓，由外向里編號（從0開始）。將磁道分成若干等份，每一等份稱為扇區(qū)。磁盤的存儲容量：等于磁道總數(shù)、每個磁道的扇區(qū)數(shù)、每個扇區(qū)的存儲容量三者的乘積。例如，一個雙面3寸盤的容量是：512×18×82×2=1.44MB2.硬磁盤硬磁盤是將若干片(一般有二至八片)同樣大小的金屬圓盤片固定在同一個軸上并同時高速旋轉的機械裝置。通常固定安裝在微機機箱內(nèi)。其內(nèi)部構造見下圖所示。磁頭驅動機構磁頭驅動臂工作時直線電機驅動磁頭向里、外直線移動定位，盤片高速運轉，讀/寫數(shù)據(jù)。3.光盤光盤存儲器(簡稱“光盤”)：是利用激光原理存儲和讀取信息的媒介。光盤片是由塑料覆蓋的一層鋁薄膜，通過鋁膜上極細微的凹坑記錄信息。最常見的光盤是直徑12.7cm(5英寸，簡稱5寸)的只讀光盤，可以存放650MB的信息，稱為CD-ROM盤。4.磁帶等其它外存儲器：磁帶機也是一種外存儲器。磁帶存儲信息的方式與錄音機磁帶相仿，但記錄的是二進制形式的信息而不是模擬信息五、常用輸入輸出設備1．鍵盤(Keyboard)：是由一組按鍵排成的開關陣列，每按下一個鍵就會產(chǎn)生一個相應的掃描碼，然后由主機將鍵盤掃描碼轉換成ASCII碼進行處理。鍵盤是計算機必備的輸入設備，目前絕大部分計算機使用標準101鍵或102鍵的鍵盤，專用的文字處理或便攜式、筆記本式計算機等。2．鼠標(Mouse)：主要分機械式和光電式兩種，一般有兩個鍵和三個鍵，大多數(shù)鼠標采用串行接口或USB接口。3．掃描器(Scanner)：是一種光電轉換裝置，它能把整幅圖像信息掃描后輸入到計算機中，轉換為二進制數(shù)字化信息存儲起來。4．顯示器(Monitor)

：是主要的輸出設備，主要參數(shù)是分辨率。5．打印機(Printer)：打印機也是常用的輸出設備，主要種類有擊打式的針式打印機與非擊打式的激光打印和噴墨打印機。

6.其他輸入輸出設備：繪圖儀（輸出）、數(shù)字化儀（輸入）、話筒（輸入）、音箱（輸出）等。典型微型計算機硬件系統(tǒng)

一臺典型的微型計算機硬件系統(tǒng)由主機、顯示器、鍵盤、鼠標等組成，如圖2.5所示。主機的外部是機箱，有臥式和立式兩種。在機箱的正面，有電源開關、復位按鈕、硬盤指示燈、軟盤插口、光驅插口、USB接口以及音視頻插口等；在機箱的背面，有電源插座、并行口、串行口、PS-2口、接口卡插口、USB接口以及音視頻插口等；在機箱的內(nèi)部，裝有系統(tǒng)主板(又叫主機板，簡稱主板)、硬盤、光驅、電源等。計算機軟件系統(tǒng)

5計算機軟件分類：系統(tǒng)軟件+應用軟件有代表性的系統(tǒng)軟件有：①操作系統(tǒng)(OperatingSystem—OS)：操作系統(tǒng)是最基本的系統(tǒng)軟件，負責管理計算機硬件資源并且管理其上的信息資源(程序和數(shù)據(jù))，為用戶提供操作界面，還支持計算機上各種軟、硬件之間的運行和相互通信。是用戶與計算機之間的接口。目前常用的操作系統(tǒng)有：MS-DOS、WINDOWS、UNIX系統(tǒng)等。②編譯系統(tǒng)：計算機在執(zhí)行程序時，首先要將存儲在存儲器中的程序指令逐條地取出來，并經(jīng)過編譯后執(zhí)行規(guī)定的操作。③數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能是有組織地、動態(tài)地存儲并管理大量的數(shù)據(jù)信息，為用戶提供方便、高效地使用這些數(shù)據(jù)信息的方法。1.系統(tǒng)軟件：是指管理、控制和維護計算機及其外部設備、提供用戶與計算機之間操作界面等方面的軟件。2.應用軟件：是指專門為解決某類具體問題而編制的軟件(或實用程序)。目前常見的應用軟件有：①文字處理軟件②信息管理軟件③計算機輔助設計軟件④實時控制軟件

①

硬件和軟件互相依存：硬件是物質基礎，軟件運行靈魂。②硬件和軟件無嚴格界線：即計算機的某些功能既可以由硬件實現(xiàn)，也可以由軟件來實現(xiàn)。③硬件和軟件協(xié)同發(fā)展：計算機軟件隨硬件技術的發(fā)展而發(fā)展，而軟件的不斷發(fā)展又促進硬件的更新。④嵌入式系統(tǒng)3.硬件與軟件的關系軟硬件的層次關系按層次觀點，計算機系統(tǒng)的組成如圖2.6所示。其中最內(nèi)層的裸機是指沒有任何軟件的(純硬件)機器。各層次的關系是：內(nèi)層是外層的支撐，而外層可以不必了解內(nèi)層細節(jié)，只需按約定使用內(nèi)層提供的服務。從總體上來說，無論是系統(tǒng)軟件還是應用軟件，都朝著外延進一步“傻瓜化”，內(nèi)涵進一步“智能化”的方向發(fā)展，即軟件本身越來越復雜，功能越來越強，但用戶的使用越來越簡單，操作越來越方便。計算機中的程序設計語言61.程序設計語言分類

程序設計語言就是人與計算機之間進行交流的某種“語言”。分為三類：

1.機器語言：指令在形式上是由“0”和“l(fā)”代碼組成的，且能被計算機直接理解和執(zhí)行的語言。被稱為機器（指令）語言。

2.匯編語言：用助記符代替機器（指令）碼而構成的計算機符號語言，稱之為匯編語言。

3.高級語言：是一種類似于“數(shù)學表達式”、接近自然語言、又能為機器所接受的計算機程序設計語言。常見的高級語言有：①FORTRAN語言②BASIC語言③Pascal語言④C、C++、VC、C#語言

⑤JAVA語言⑥.net語言匯編語言的執(zhí)行過程為了符合人類的思維習慣，人們開始使用一些容易記憶和辨別的有意義的符號代替機器指令，這就是匯編語言（assemblylanguage），又稱符號語言。例如用ADD表示加法（Addition），用SUB表示減法（Subtraction）等。同時又用變量（即符號名）取代各類地址，例如用Addr取代地址碼。這樣構成的計算機匯編語言。例如，計算A＝16+3的匯編語言程序如下：MOVAX,16 ；把16放入累加器A中ADDAX,3 ；將3與累加器A中的值相加，結果仍放入A中HLT ；結束，停機注：匯編指令中的“AX”表示CPU中的數(shù)據(jù)寄存器。高級語言的執(zhí)行過程高級語言是一種接近人類語言，與自然語言和數(shù)學語言相似的程序設計語言。程序員就可以集中精力來解決問題本身，即使對計算機內(nèi)部結構毫無所知的非計算機專業(yè)工作者，也能學會使用高級語言編寫程序去解決他們需要計算機處理的問題。例如，計算算術表達式A＝16+3的C語言程序如下：main（）{ intA; /*定義變量A*/A=16+3; /*計算A，常量16和3的和賦予A*/printf（“%d”,A）; /*輸出結果A*/}高級語言執(zhí)行過程高級語言的執(zhí)行過程有兩種工作方式：解釋方式和編譯方式，相應的翻譯工具也分別稱為解釋程序和編譯程序。①解釋方式

(1)XBASE數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

(2)Oracle數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

(3)Informix數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)四、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(Database—DB)是為了滿足一定范圍里許多用戶的需要，在計算機里建立的一組互相關聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。2.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DatabaseManagementSystems，簡記為DBMS)是用于創(chuàng)建和管理數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)軟件，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心組成部分。其主要功能有：定義數(shù)據(jù)庫的結構及其中數(shù)據(jù)的格式，規(guī)定數(shù)據(jù)在外存儲器的存儲方式，負責各種與數(shù)據(jù)有關的操縱和管理，包括維護數(shù)據(jù)的一致性、完整性，保證數(shù)據(jù)的安全性等。3.幾種常用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)程序設計的基本過程

程序設計的基本過程一般由問題分析、算法設計、程序編制、調試運行、整理文檔等幾個階段組成，如圖2.11所示。問題分析整理文檔調試運行程序編制算法設計圖2.11程序設計的基本過程1.問題分析對于每一項程序設計任務，都要根據(jù)實際問題進行具體研究；分析需要輸入/輸出數(shù)據(jù)；討論問題是否需要精確求解，選擇合適的數(shù)學模型。在這個階段，程序員需要明確程序所要達到的預期目標，弄清楚程序設計的條件與設計要求，如對計算機軟件與硬件方面的需求、對輸入輸出、文件的設置和數(shù)據(jù)的處理過程等方面的要求。2.算法設計算法（Algorithm）是一系列解決問題的清晰指令。算法的初步描述可以采用自然語言方式，然后逐步將其轉化為程序流程圖或其他直觀方式。這些描述方式比較簡單明確，能直接展示程序設計的思想，是進行程序編制和調試的重要基礎。不同的算法完成同樣的任務花費的時間和空間都是不相同的。3.程序編制為了使計算機能夠理解人的意圖，人類就必須要將需解決的問題的思路、方法、和手段通過計算機能夠理解的形式告訴計算機，使得計算機能夠根據(jù)人的指令一步一步去工作，完成某種特定的任務。這種人和計算機之間交流的過程就是編制程序。編程的過程要嚴格遵守所用語言的語法規(guī)則，準確地使用各種語句和規(guī)則。4.調試運行當利用計算機中的編輯器將程序編輯完成后，在投入實際運行前，需要反復進行檢查，并通過編譯程序對程序進行編譯，通過編譯器再對程序進行語法和邏輯結構方面的檢查。編譯鏈接通過后，才能運行得出結果，如果結果不正確，繼續(xù)調試、修改程序。對于一個程序，有時需要進行多次的反復檢查、修改、調試后才能完成。5.整理文檔程序文檔一般由三部分組成：操作手冊、程序設計文件、程序代碼文件。操作手冊主要說明運行程序時所需要的計算機軟件與硬件環(huán)境、安裝與啟動方法、程序具體功能的操作方法及輸入與輸出的安排等；程序設計文件主要是在技術方面進行說明，即對程序功能的描述、程序的修改（更新）與維護以及出現(xiàn)意外情況時應該采取的應變措施等。文檔內(nèi)容要做到完整、正確和清晰。一個典型程序設計案例[例2-1]任意給定a、b、c三個數(shù)，找出其中的最大數(shù)。編寫計算機處理問題的程序。⑴問題（或算法）分析在一組數(shù)據(jù)中找極值是數(shù)據(jù)處理的一種常見操作?；舅枷胧牵菏紫燃僭O第一個數(shù)是最