1、计算机系统组成与基本工作原理计算机系统组成与基本工作原理计算机系统结构计算机系统结构计算机系统硬 件 系 统软 件 系 统主 机中 央 处 理 器 CPU内 存 储 器运 算 器控 制 器外 围 设 备外 存 储 器输 入 设 备输 出 设 备系 统 软 件操 作 系 统语 言 编 译 解 释 系 统系 统 服 务 程 序数 据 库 管 理 系 统应 用 软 件程 序 设 计 语 言文 字 处 理 软 件 John von Neumann冯冯诺依曼诺依曼1949 一、计算机工作原理一、计算机工作原理冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机存储程序工作原理存储程序工作原理计算机的两个基本能力：一是能够存储计
2、算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用计算机是利用“存储器存储器”（内存）来存（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为放所要执行的程序的，而称之为CPU的的部件可以依次从存储器中取出程序中的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。完成全部指令任务为止。程序和指令机器指令格式机器指令格式操作码操作码操作数操作数机器执行什么操作机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）执行对象（具体数、存放位置）计算机执行指令的过程：计算机执行指令的过程： 将要执
3、行的指令从内存调入将要执行的指令从内存调入CPU，由，由CPU对该对该条指令进行分析译码，判断该指令所要完成的操作，条指令进行分析译码，判断该指令所要完成的操作，然后向相应部件发出完成操作的控制信号，从而完然后向相应部件发出完成操作的控制信号，从而完成该指令的功能。成该指令的功能。程序的执行过程：程序的执行过程： CPU从内存中读取一条指令到从内存中读取一条指令到CPU内执行，该内执行，该指令执行完，再从内存读取下一条指令到指令执行完，再从内存读取下一条指令到CPU内执内执行。行。CPU不断地读取指令、执行指令，直至执行完不断地读取指令、执行指令，直至执行完所有的指令。整个过程由计算机协同操作
4、完成。所有的指令。整个过程由计算机协同操作完成。计算机工作原理计算机工作原理二、计算机硬件系统二、计算机硬件系统n一台计算机应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作。 输 入 设 备存 储 器输 出 设 备运 算 器控 制 器数 据 流控 制 流计算机硬件系统基本结构计算机硬件系统基本结构1、主机n主机是计算机系统的核心，主要由中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备接口（I/O接口）、总线和扩展槽等构成，通常被封装在主机箱内。主机机箱外观图主机机箱外观图（1）主板）主板主板主板(Mother Board, main Boar
5、d, System Board)是微型计算机中最大的一块集成电路板，是其它是微型计算机中最大的一块集成电路板，是其它部件和外部设备的连接载体。部件和外部设备的连接载体。（2）中央处理器）中央处理器中央处理器中央处理器CPU（Central Processing Unit）又称中央处理单元。又称中央处理单元。CPU由控制器和运算器组成，通常集中在一由控制器和运算器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过储器之间的数据传输和处理都通过CPU来来控制执
6、行。控制执行。中央处理器组成之中央处理器组成之 控制器控制器控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定的任务的部件。它一般由指令的各个部件完成一定的任务的部件。它一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。 运算器运算器运算器又称算术逻辑单元运算器又称算术逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。计算机所完成的全部运算都是在运算器逻辑运算。计算机所完成的全部运算都是在运
7、算器中进行的，根据指令所规定的寻址方式，运算器从中进行的，根据指令所规定的寻址方式，运算器从存储器或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回存储器或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。 中央处理器CPUCPU结构示意图结构示意图地址总线地址总线标标 志志寄存器寄存器指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地
8、地址址寄存寄存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器PC数据总线数据总线控制总线控制总线ALU8存储器是一种具有保存和存取信息存储器是一种具有保存和存取信息（程序、数据）的设备（程序、数据）的设备/ /器件，是器件，是计算机系统不可或缺的资源。计算机系统不可或缺的资源。8现代微型计算机的存储系统结构：现代微型计算机的存储系统结构：8 高速缓存高速缓存-主存主存-外存外存8 为什么采用这种结构？为什么采用这种结构？8指令执行速度依赖于内存读写速度指令执行速度依赖于内存读写速度8高速高速CPUCPU需配置高速内存需配置高速内存8大软件需配置大容量内存大软件
9、需配置大容量内存8 8高速度高速度8 低成本低成本 8大容量大容量（3）存储器与存储系统矛盾矛盾CPU高速缓存高速缓存M1M2.Mn外存外存2外存外存1.外存外存n主存主存外存外存寄存器寄存器SRAMDRAM硬盘、光盘、硬盘、光盘、U盘等盘等 信息的存储单位位（位（BitBit）：度量数据的最小单位）：度量数据的最小单位字节（字节（ByteByte）：最常用的基本单位）：最常用的基本单位K K 字节字节1K = 1024 byte1K = 1024 byteM M（兆）字节（兆）字节1M = 1024 K1M = 1024 KG G（吉）（吉） 字节字节1G = 1024 M 1G = 102
10、4 M T T（太）字节（太）字节1T = 1024 G1T = 1024 Gb7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0=27+ 24+ 22+ 20 认识计算机内存与处理器直接相连的存放数据的器件称为内存，不直接与处理器相连的介质如磁盘称为外存。随机存取存储器RAM存放操作系统指令、软件指令、处理数据，分为DRAM和SRAM。特点：可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电时存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。只读存储器ROM存放系统初始化程序、操作系统引入程序、多种硬件驱动程序等。特点：只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是由厂家一次性写入的，并永
11、久保存下来。 认识计算机外存nCD-ROM光驱光驱n数据传输速率（数据传输速率（Sustained data transfer rate）是）是CD-ROM光驱最基本的性能指标，它是指光驱最基本的性能指标，它是指CD-ROM光驱在光驱在1秒的时间内所能读取的最大数据量。秒的时间内所能读取的最大数据量。n平均访问时间（平均访问时间（Average access time）又称）又称“平均平均寻道时间寻道时间”是指是指CD-ROM光驱的激光头从原来的位置光驱的激光头从原来的位置移动到一个新指定的目标（光盘的数据扇区）位置移动到一个新指定的目标（光盘的数据扇区）位置并开始读取该扇区上的数据这个过程中
12、所花费的时并开始读取该扇区上的数据这个过程中所花费的时间。间。nCPU占用时间（占用时间（CPU loading）指）指CD-ROM光驱在光驱在维持一定的转速和数据传输速率时所占用维持一定的转速和数据传输速率时所占用CPU的时的时间。间。nDVD-ROMnDVD-ROM是是CD-ROM的后继产品，的后继产品，DVD-ROM盘片盘片的尺寸与的尺寸与CD-ROM盘片完全一致。但不同的是盘片完全一致。但不同的是DVD盘光道之间的间距由原来的盘光道之间的间距由原来的1.6um缩小至缩小至0.74um，而记录信息的最小凹凸坑长度由原来的而记录信息的最小凹凸坑长度由原来的0.83um缩小缩小到到0.4um
13、。这直接导致了单面单层的。这直接导致了单面单层的DVD盘的存储盘的存储容量可提高至容量可提高至4.7GB，是，是CD-ROM的的7倍，而且倍，而且DVD驱动器具有向下的兼容性，即也可以读取驱动器具有向下的兼容性，即也可以读取CD-ROM的光盘。的光盘。 nU盘盘nFlash存储设备是一种非易失性半导体移动存储器。存储设备是一种非易失性半导体移动存储器。它通过它通过USB接口与计算机交换数据，通常被称为接口与计算机交换数据，通常被称为“优优盘盘”，又称为，又称为“闪存盘闪存盘”。优盘具有即插即用的特点。优盘具有即插即用的特点。用户只需将它插入用户只需将它插入USB接口，计算机就可以实现自接口，计
14、算机就可以实现自动检测，在读写数据方面非常方便。由于优盘具有动检测，在读写数据方面非常方便。由于优盘具有存储容量大、抗震、价格便宜、便于携带等诸多优存储容量大、抗震、价格便宜、便于携带等诸多优点，故而已经取代软盘成为最常用的移动存储设备。点，故而已经取代软盘成为最常用的移动存储设备。目前优盘的存储容量已经达到目前优盘的存储容量已经达到4GB以上，一般都可以上，一般都可重复擦写百万次以上。重复擦写百万次以上。输入设备输入设备输入设备是用来接受用户输入的原始数据输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制数存放到内存中。常用的输入设
15、二进制数存放到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。备有键盘、鼠标、扫描仪等。 输出设备输出设备输出设备用于将存放在内存中由计算机输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形处理的结果转变为人们所能接受的形式。常用的输出设备有显示器、打印式。常用的输出设备有显示器、打印机等。机等。n微机显示系统由显示器和显示控制适配卡（Adapter，简称显示适配卡或显示卡）组成。 n显示器n显示器又称监视器（Monitor），是微机系统的标准输出设备，它能快速地将计算机输入的原始信息和运算结果直接转换成人能直接观察和阅读的光信号，输出信息可以是字符、汉字、图形或图像。n按所使用
16、的器件，显示器可分为以阴极射线管为核心的CRT显示器与平板显示器。n显示器的主要技术指标：像素、点距和分辨率、扫描方式。n显示卡显示卡n显示适配器简称显示卡。一般插在主板的扩展槽内，显示适配器简称显示卡。一般插在主板的扩展槽内，通过总线与通过总线与CPU相连。当相连。当CPU有运算结果或图形要显有运算结果或图形要显示的时，将信号送显示卡，由显示卡的图形处理芯片示的时，将信号送显示卡，由显示卡的图形处理芯片把它们翻译成显示器能够识别的数据格式，并通过显把它们翻译成显示器能够识别的数据格式，并通过显示卡后面的一根示卡后面的一根15芯芯VGA接口和显示电缆传给显示器。接口和显示电缆传给显示器。n显示
17、器屏幕表现的分辨率和色彩总数与显示卡有关。显示器屏幕表现的分辨率和色彩总数与显示卡有关。显示卡必须有显示存储器（显示卡必须有显示存储器（VRAM），显存越大，所），显存越大，所能显示的色彩越丰富，分辨率就越高。例如：能显示的色彩越丰富，分辨率就越高。例如： 8bit可可显示显示256色；色；24bit可显示可显示l6.7兆颜色。显卡颜色设置：兆颜色。显卡颜色设置：16色、色、256色、增强色（色、增强色（16位）、真彩色（位）、真彩色（24位）和位）和最高（最高（32位）。位）。 n打印机打印机n打印机是常用的输出设备，一般有三种：针式（点打印机是常用的输出设备，一般有三种：针式（点阵）打印机
18、、喷墨打印机、激光打印机。从价格性阵）打印机、喷墨打印机、激光打印机。从价格性能比来看，市场中喷墨打印机使用比较普及。能比来看，市场中喷墨打印机使用比较普及。n分辨率分辨率:DPI（Dot Per Inch每英寸可打印的点数）每英寸可打印的点数）是衡量打印质量的一个重要标准，也是一个最为基是衡量打印质量的一个重要标准，也是一个最为基本的判断打印机分辨率的指标。本的判断打印机分辨率的指标。300DPI是人眼能否是人眼能否辨别输出文本图像锯齿边缘的临界点。辨别输出文本图像锯齿边缘的临界点。 总线存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址
19、总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU计算机工作原理计算机工作原理 接口接口微型机通过微型机通过I/O（输入和输出）与外部交（输入和输出）与外部交换信息，完成实际工作任务。与换信息，完成实际工作任务。与CPU相比，相比，I/O设备的工作速度较低，处理设备的工作速度较低，处理的信息从数据格式到逻辑时序一般不的信息从数据格式到逻辑时序一般不可能直接兼容。鉴于此，微型计算机可能直接兼容。鉴于此，微型计算机与与I/O设备间的连接与信息交换不能直设备间的连接与信息交换不能直接进行，而必须设计一个接进行，而必须设计一个“接口电路接口电路”作为两者之间的桥梁。这种作为两者之间的桥梁。这种I/O接口电接口电
20、路又叫路又叫“I/O适配器适配器”(I/O Adapter)。 微机结构示意图微机的硬件由微机的硬件由CPU、存储器、输入、存储器、输入/输出设备构成；输出设备构成；输入输入/输出设备通过输出设备通过I/O接口与系统相连；接口与系统相连； 各部件通过总线连接。各部件通过总线连接。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU 计算机的工作原理计算机的工作原理是：计算机的工作原理是：“存储程序存储程序” + “程序控制程序控制”CPU 总线总线 内存内存标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程
21、程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器PC软件系统软件应用软件操作系统设备驱动实用工具编译系统文字处理电子表格演示软件图形软件视频软件 上网软件学习课件娱乐软件商务软件协助计算机执行基本任务。协助人们完成某项任务。计算机软件概述计算机软件概述 三、计算机软件系统三、计算机软件系统 系统软件计算机软件概述计算机软
22、件概述 操作系统管理硬件资源协调后台工作提供用户与计算机的交互接口计算机软件概述计算机软件概述n语言处理系统语言处理系统n计算机的控制装置能够直接识别的指令是用计算机的控制装置能够直接识别的指令是用机器语言编写的。实际上，绝大多数用户都机器语言编写的。实际上，绝大多数用户都使用某种程序设计语言，如使用某种程序设计语言，如Visual BASIC、+、Delphi等来编写程序。但是用这些语等来编写程序。但是用这些语言编写的程序言编写的程序CPU是不认识的，必须要经过是不认识的，必须要经过翻译变成机器指令后才能被计算机执行。而翻译变成机器指令后才能被计算机执行。而负责这种翻译的程序称为编译程序（编
23、译系负责这种翻译的程序称为编译程序（编译系统）或解释程序。统）或解释程序。n为了在计算机上执行由某种程序设计语言编为了在计算机上执行由某种程序设计语言编写的程序，就必须配置有该种语言的语言处写的程序，就必须配置有该种语言的语言处理系统。理系统。 n计算机语言一般分为计算机语言一般分为3类：机器语言、汇编语类：机器语言、汇编语言和高级语言。言和高级语言。n计算机语言计算机语言n机器语言机器语言n 电子计算机所使用的是由电子计算机所使用的是由“0”和和“1”组成的二进制组成的二进制数，二进制是计算机的语言的基础。机器语言修改麻烦，可数，二进制是计算机的语言的基础。机器语言修改麻烦，可移植性差、但运
24、算效率高。移植性差、但运算效率高。n汇编语言语言汇编语言语言n 为了减轻使用机器语言编程的痛苦，人们进行了一种为了减轻使用机器语言编程的痛苦，人们进行了一种有益的改进：用一些简洁的英文字母、符号串来替代一个特有益的改进：用一些简洁的英文字母、符号串来替代一个特定的指令的二进制串，比如，用定的指令的二进制串，比如，用“ADD”代表加法，代表加法，“MOV”代表数据传递等等，这种程序设计语言就称为汇编语言。汇代表数据传递等等，这种程序设计语言就称为汇编语言。汇编语言容易读懂、方便纠错及维护、移植性不好、但效率仍编语言容易读懂、方便纠错及维护、移植性不好、但效率仍十分高。十分高。n高级语言高级语言n
25、 接近于数学语言或人的自然语言，同时又不依赖于计接近于数学语言或人的自然语言，同时又不依赖于计算机硬件，编出的程序能在所有机器上通用。使用较普遍的算机硬件，编出的程序能在所有机器上通用。使用较普遍的有有FORTRAN、ALGOL、COBOL、BASIC、LISP、SNOBOL、PL/1、Pascal、C、PROLOG、Ada、C+、VC、VB、Delphi、JAVA等。等。 n连接程序连接程序n源程序连接成可执行程序的过程源程序连接成可执行程序的过程n诊断程序诊断程序n诊断程序是专门用于计算机硬件性能测试和系统诊断程序是专门用于计算机硬件性能测试和系统故障的诊断维护的系统程序。如能对故障的诊断
26、维护的系统程序。如能对CPU、驱动、驱动器、接口、内存等设备的性能和故障进行检测。器、接口、内存等设备的性能和故障进行检测。常用的诊断软件有常用的诊断软件有QAPLUS、WINBENCH、MSD等。等。编辑源程序目标程序可执行程序编辑或解释连接编译或解释链接编辑n数据库管理系统数据库管理系统n数据处理是当前计算机应用的一个重要领域。计算机数据处理是当前计算机应用的一个重要领域。计算机的效率主要是指数据处理的效率。有组织地、动态地的效率主要是指数据处理的效率。有组织地、动态地存储大量的数据信息，而且又要使用户能方便、高效存储大量的数据信息，而且又要使用户能方便、高效地使用这些数据信息，是数据库管
27、理系统的主要功能。地使用这些数据信息，是数据库管理系统的主要功能。应用较多的数据库管理系统有应用较多的数据库管理系统有Oracle、Informix、Sybase、SQL Server、 DB2、 Access等。等。n n用户不必了解它的文件的存储细节，可以抽象地、逻用户不必了解它的文件的存储细节，可以抽象地、逻辑地使用数据，其一切繁琐的存储细节由一个软件系辑地使用数据，其一切繁琐的存储细节由一个软件系统来完成，这个软件系统就是数据库系统的核心，即统来完成，这个软件系统就是数据库系统的核心，即数据库管理系统数据库管理系统DBMS（Database Management Systems）n组织
28、数据的方式称为数据模型，数据库管理系统采用组织数据的方式称为数据模型，数据库管理系统采用的数据模型一般有三种：层次型（采用树型结构组织的数据模型一般有三种：层次型（采用树型结构组织数据）、网状型（采用网状结构组织数据）、关系型数据）、网状型（采用网状结构组织数据）、关系型（采用二维关系表格形式组织数据）。（采用二维关系表格形式组织数据）。n应用软件应用软件n 应用软件是计算机系统支持下的所有面对实应用软件是计算机系统支持下的所有面对实际问题和具体用户群的应用程序的总合。如科际问题和具体用户群的应用程序的总合。如科学计算、工程设计、数据处理、事务管理、过学计算、工程设计、数据处理、事务管理、过程
29、控制等方面的程序。程控制等方面的程序。n数据处理软件数据处理软件n 具有对数据进行收集、存储、分析、检索等具有对数据进行收集、存储、分析、检索等操作功能，能进行数值分析、统计分析、模拟操作功能，能进行数值分析、统计分析、模拟等的数值处理。如常用的数据处理和数据集成等的数值处理。如常用的数据处理和数据集成软件有解线形规划的数学软件软件有解线形规划的数学软件Lindo、工程预、工程预算软件算软件MATLAB、大型数据分析绘图表软件、大型数据分析绘图表软件ORIGIN等。等。n文字处理软件文字处理软件n 用于文字输入、存储、修改、编辑和多种字体、字用于文字输入、存储、修改、编辑和多种字体、字型输出。
30、如常用的型输出。如常用的WPS、四方利通、四方利通、WORD等。等。n表格处理软件表格处理软件n 根据不同需求自动生成各种的表格，管理、组织和根据不同需求自动生成各种的表格，管理、组织和处理各种数据，打印各种表格，完成投资决策、分析处理各种数据，打印各种表格，完成投资决策、分析形形色色的数据，把结果以各种统计图形表示出来并形形色色的数据，把结果以各种统计图形表示出来并完成各种财务报表的制作，检索表格数据等功能。如完成各种财务报表的制作，检索表格数据等功能。如常用的有常用的有CCED、EXCEL等。等。n计算机辅助工程应用计算机辅助工程应用n计算机辅助设计CAD（Computer Aided D
31、esign）是利用计算机来帮助设计人员进行设计。如可以利用CAD技术进行体系结构模拟、自动布线、结构设计、绘制建筑施工图纸等，具有高度自动化。n计算机辅助制造CAM（Computer Aided Manufacturing）是利用计算机来进行生产设备的管理、控制和操作的过程。n计算机辅助测试CAT（Computer Aided Testing）是利用计算机辅助进行产品测试。n还有CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）计算机集成制造系统、CAI（ Computer Aided Instruction）计算机辅助教学等。n实时处理软件实时处理软件 普遍用于生产过程的自动控制，计算机对采集的信息快速处理并在限时内作出相应自动控制处理。如用计算机控制发电机组、控制阀门、温度、时间等。
