1、大学计算机大学计算机-计算思维导论计算思维导论南京理工大学计算机学院南京理工大学计算机学院冯冯 元元1ppt课件第二章第二章 计算系统的基本思维计算系统的基本思维r 内容提要：内容提要：2.1 理解理解0和和1的思维的思维2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机2.3 现代计算机现代计算机2ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维r 用机器实现自动化计算要解决的几个问题用机器实现自动化计算要解决的几个问题：S“数据数据”和和“计算规则计算规则”的的机器表示机器表示。S 数据与计算规则的数据与计算规则的“自动存储自动存储”S 计算规则的计算规则的“自动执行自动执行”r“数据数据
2、”和和“计算规则计算规则”的的符号化符号化S 现实世界的任何事物，若要由现实世界的任何事物，若要由计算系统计算系统进行计算，首进行计算，首先要将其语义符号化，进而进行基于符号的计算。先要将其语义符号化，进而进行基于符号的计算。S 将符号赋予不同语义将符号赋予不同语义，则能计算不同的问题。，则能计算不同的问题。3ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维r 为什么选择二进制符号体系为什么选择二进制符号体系S 简单：二进制只有简单：二进制只有2个符号个符号0、1，对应着自然界截然相，对应着自然界截然相反的两种状态。反的两种状态。真、假真、假，黑、白黑、白，正、负，正、负，高、低高、低，通、断通
3、、断，.。S 最重要的是二进制运算系统容易实现。最重要的是二进制运算系统容易实现。数字电路，触发器，运算器等。数字电路，触发器，运算器等。4ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维1、二进制与算术运算：数值信息的、二进制与算术运算：数值信息的0、1表示表示r 二进制数制二进制数制S 逢逢2进进1，借，借1当当2，第，第 i 位的权值为位的权值为2i。29282726252423222120.2-12-22-32-42-5 -数位的权数位的权 (1011110001.01011)2 -二进制数二进制数=1x29+0 x28+1x27+1x26+1x25+1x24+0 x23+0 x22 +
4、0 x21+1x20+0 x2-1+1x2-2+0 x2-3+1x2-4+1x2-5=(753.37)105ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维S 十进制数转换成二进制数：十进制数转换成二进制数：整数部分：除整数部分：除2取余取余小数部分：乘小数部分：乘2取整取整S 八进制、十六进制与二进制间的转换。八进制、十六进制与二进制间的转换。r 二进制数的符号二进制数的符号S 二进制数的符号用二进制数的符号用0、1表示，表示，0正，正，1负。负。S 机器数的概念，由于位数的限制，机器数只能表示一机器数的概念，由于位数的限制，机器数只能表示一定范围的数，超出此范围会定范围的数，超出此范围会“溢
5、出溢出”。6ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维7ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维r 逻辑运算：逻辑运算：0 假，假，1 真。真。S 基本的逻辑运算：基本的逻辑运算：“或或”、“与与”、“非非”、“异或异或”S 或运算或运算(OR)：双目运算符，全假时为假，其它为真。：双目运算符，全假时为假，其它为真。S 与运算与运算(AND)：双目运算符，全真时为真，其它为假。：双目运算符，全真时为真，其它为假。S 非运算非运算(NOT)：单目运算符，真变假，假变真。：单目运算符，真变假，假变真。S 异或运算异或运算(XOR)：双目运算符，不同为真，相同为假。：双目运算符，不同为真，
6、相同为假。8ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维r 数值运算数值运算S 二进制加法运算规则二进制加法运算规则S 二进制减法运算规则二进制减法运算规则 0 1 0 1+0 +0 +1 +1 0 1 1 0 0 1 0 1-0 -0 -1 -1 0 1 1 09ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维S 二进制乘、除法运算规则二进制乘、除法运算规则S 用加法规则构造减法、乘法和除法用加法规则构造减法、乘法和除法减去一个数等于加上该数的补码。减去一个数等于加上该数的补码。乘法可理解为左移相加，除法则为右移相减。乘法可理解为左移相加，除法则为右移相减。S 结论结论：加法是计算机内的基本
7、运算，有对应硬件实体。：加法是计算机内的基本运算，有对应硬件实体。1001 11 1001 1001 11011 1111 1001 11 11 11 010ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维r 小数点表示：小数点表示：定点数与浮点数定点数与浮点数11ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维r 信息的度量单位信息的度量单位S 信息的度量单位是什么？信息的度量单位是什么？S 信息的基本度量单位信息的基本度量单位 bit 比特，比特，1位二进制位，位二进制位，Byte 字节字节,8位二进制位位二进制位。1KB =210字节字节 1MB =210KB1GB =210MB1TB =2
8、10GB=220MB1PB =210TB =230MB1EB =210PB =240MB12ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维2、编码与符号运算：、编码与符号运算：0/1与非数值信息与非数值信息r 编码的概念编码的概念S 1位二进制位有两种取值，位二进制位有两种取值，0或或1，可用来表示两种信息，可用来表示两种信息，如男、女，真、假，黑、白等。如男、女，真、假，黑、白等。S 当信息种类多于两种怎么办？当信息种类多于两种怎么办？S 使用多位二进制表示使用多位二进制表示有限有限信息集合。如信息集合。如3位二进制包含位二进制包含如下编码：如下编码：000、001、010、011、100、
9、101、110、111。13ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维S 可以为这些编码指派不同的含义可以为这些编码指派不同的含义 000 001 010 011 100 101 110 111专业专业1 专业专业2 专业专业3 专业专业4 专业专业5 专业专业6 专业专业7 专业专业8单位单位1 单位单位2 单位单位3 单位单位4 单位单位5 单位单位6 单位单位7 单位单位8S 编码编码：编码是以若干位：编码是以若干位数码或符号数码或符号的不同组合来表示非的不同组合来表示非数值性信息的方法，它是人为地将若干位数码或符号的数值性信息的方法，它是人为地将若干位数码或符号的每一种组合指定一种
10、唯一的含义。每一种组合指定一种唯一的含义。14ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维S 编码的编码的三个主要特征三个主要特征 唯一性：每一种组合都有确定的唯一性的含义唯一性：每一种组合都有确定的唯一性的含义 公共性：所有相关者都认同、遵守、使用这种编码公共性：所有相关者都认同、遵守、使用这种编码 易于记忆易于记忆/便于识认性：有一定规律便于识认性：有一定规律15ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维r ASCII码码-英文字母符号的编码英文字母符号的编码S ASCII码是英文字母与符号的码是英文字母与符号的0/1型编码方法，是用型编码方法，是用7位位二进制位二进制位0和和1的不
11、同组合表示的不同组合表示10个数字、个数字、52个英文字个英文字母及一些特殊符号的编码方法，是信息交换标准编码。母及一些特殊符号的编码方法，是信息交换标准编码。ASCII码：码：American Standard Code for Information Interchange B7B6B5B4B3B2B1B0 0 x x x x x x x 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0“1”“N”16ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维S 完整的完整的ASCII码表码表17ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维S ASCII编码的规律：编码的规律：每每8位
12、为一个字符，最高位为位为一个字符，最高位为0 30H 39H:“0”“9”41H 5AH:“A”“Z”61H 7AH:“a”“z”0AH:换行符号换行符号LF 0DH:回车符号回车符号CR信息编码解析规则We are students01010111 01100101 00100000 01100001 01110010 01100101 00100000 01110011 01110100 01110101 01100100 01100101 01101110 01110100 011100110/1串按8位分隔一个字符，查找ASCII码表映射成相应符号18ppt课件2.1 理解理解0和和1
13、的思维的思维r 汉字的编码汉字的编码S 英文是拼写文字，只需要对基本字母编码。英文是拼写文字，只需要对基本字母编码。S 汉字是图形文字，必须对每个汉字编码。汉字是图形文字，必须对每个汉字编码。S 汉字有近汉字有近50000个，个，8位二进制位不够，用位二进制位不够，用16位。位。S 汉字机内码汉字机内码：汉字在计算机内部采用汉字内码存储，：汉字在计算机内部采用汉字内码存储，汉字内码为两字节，且最高位均为汉字内码为两字节，且最高位均为1，区别于，区别于ASCII码。码。以汉字以汉字“大大”为例：为例：其机内码为：其机内码为：B4F3H二进制：二进制：1011 0100 1111 001119pp
14、t课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维“大”计算机内部由外到内由内到外b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 用用0 0和和1 1编码汉字编码汉字,每个汉字在计算机内部由每个汉字在计算机内部由 2 2个字节表示个字节表示0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 国标码国标码1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 机内码机内码20ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维S 汉字输入码汉字输入码：是：是用键盘上的字母符号编码每一汉字的用键盘上的字母符号编码每一汉字的编码编码，它使人们通过
15、键入字母符号代替键入汉字。它使人们通过键入字母符号代替键入汉字。计算机内部由外到内由内到外输入码有若干：输入码有若干：拼音码、字型码、区位码拼音码、字型码、区位码 “型”拼音码：拼音码：xing双拼码：双拼码：x；其中其中,x,x表声母表声母x,x,而而；表韵母表韵母inging五笔字型码：五笔字型码：gajf其中其中,g,g表字根表字根“-”,a-”,a表开下的草字头表开下的草字头,j,j表右侧立刀表右侧立刀,f,f表下面土字表下面土字21ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维S 汉字字形码汉字字形码：是：是用用0和和1编码无亮点和有亮点像素编码无亮点和有亮点像素,形成形成汉字字形的
16、一种编码。汉字字形的一种编码。依据字形码通过显示器或打印依据字形码通过显示器或打印机输出汉字。机输出汉字。“大大”用用0 0和和1 1编码无亮点和有亮点形成字形编码无亮点和有亮点形成字形信息信息,便于显示便于显示 汉字字形码是一种字模点阵码。也有汉字字形码是一种字模点阵码。也有不同的处理汉字点阵信息的编码，如不同的处理汉字点阵信息的编码，如向量编码等向量编码等oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11ooooo1oo1111111111111111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo1
17、1oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo111o 11ooooooooooo1oo计算机内部计算机内部由外到内由外到内由内到外由内到外大大22ppt课件2.1 理解理解0和和1的思维的思维S 汉字处理过程汉字处理过程：通过汉字外码输入，以汉字内码存储通过汉字外码输入，以汉字内码存储和处理，以汉字字形码输出。和处理，以汉字字形码输出。“大大”oooooo11oooooooooooooo11oooooooo
18、oooooo11oooooooooooooo11ooooo1oo1111111111111111oooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo11oooooooooooooo111oooooooooooo11oo1oooooooooo11oooo1oooooooo11ooooo11ooooooo1ooooooo11ooooo1ooooooooo111o 11ooooooooooo1oo计算机内部计算机内部由外到内由外到内由内到外由内到外大大da1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 23ppt课件2.1 理解
19、理解0和和1的思维的思维r 还有哪些标准编码？还有哪些标准编码？S 扩展扩展ASCII码码：8位位0,1型编码，最高位为型编码，最高位为0时为标准时为标准ASCII码；最高位为码；最高位为1时为扩展时为扩展ASCII码。码。S Unicode：是国际组织制定的：是国际组织制定的可以容纳世界上所有文可以容纳世界上所有文字和符号的字符编码方案字和符号的字符编码方案。采用数字。采用数字0-0 x10FFFF来映来映射所有的字符射所有的字符(最多可以容纳最多可以容纳1114112个字符个字符)。具体实。具体实现时，再将前述唯一确定的码位按照不同的编码方案现时，再将前述唯一确定的码位按照不同的编码方案映
20、射为相应的编码，有映射为相应的编码，有UTF-8、UTF-16、UTF-32等几等几种编码方案。种编码方案。24ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机r 用机器实现自动化计算要解决的几个问题用机器实现自动化计算要解决的几个问题：S“数据数据”和和“计算规则计算规则”的的机器表示机器表示。S 数据与计算规则的数据与计算规则的“自动存储自动存储”S 计算规则的计算规则的“自动执行自动执行”r 本节讨论后本节讨论后2个问题个问题S 数据与计算规则的数据与计算规则的“自动存储自动存储”S 计算规则的计算规则的“自动执行自动执行”S 即计算机器的基本原理即计算机器的基本原理25p
21、pt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机1、图灵机模型图灵机模型S 英国人英国人图灵图灵于上世纪于上世纪30年代提出了年代提出了图灵机模型图灵机模型，直观，直观形象地说明了形象地说明了通用计算机器的工作原理通用计算机器的工作原理，建立了，建立了指令指令、程序程序及及通用机器执行程序通用机器执行程序的理论模型。的理论模型。S 计算机界于计算机界于1966年年设立了最高荣誉奖：图灵奖设立了最高荣誉奖：图灵奖。S 后来，后来，冯冯诺依曼诺依曼根据这个模型设计出第一台根据这个模型设计出第一台实用的实用的电电子计算子计算机器机器。26ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机
22、诺依曼计算机r 图灵机的基本思想图灵机的基本思想S 数据、指令、程序及程序数据、指令、程序及程序/指令自动执行的基本思想指令自动执行的基本思想。S 输入数据被制成一串输入数据被制成一串0和和1的纸带，送入机器中。的纸带，送入机器中。如如00010000100011S 机器可对输入纸带执行的基本动作包括：机器可对输入纸带执行的基本动作包括：“翻转翻转0为为1”，或或“翻转翻转1为为0”,“前移一位前移一位”,“停止停止”等。等。S 对基本动作的控制对基本动作的控制-指令，机器是按照指令的控制选指令，机器是按照指令的控制选择执行哪一个动作，指令也可以用择执行哪一个动作，指令也可以用0和和1来表示：
23、来表示：01表表示示“翻转翻转0为为1”(当输入为当输入为1时不变时不变)，10表示表示“翻转翻转1为为0”(当输入当输入0时不变时不变),11表示表示“前移一位前移一位”,00表示表示“停停止止”。27ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机S 输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序来输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序来完成完成,如如:011110110111011100.。S 机器能够读取程序机器能够读取程序并按并按程序中指令程序中指令的的顺序读取指令顺序读取指令。S 读一条指令执行一条指令读一条指令执行一条指令。由此实现自动计算。由此实现自动计算。1
24、00011101100110101100010110101由由“程序程序”控制，控制，一步步将输入一步步将输入“转换转换”为输出为输出输入输入输出输出程程序序通用机器通用机器28ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机2、冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机r 冯冯.诺伊曼诺伊曼计算机的基本思想：计算机的基本思想：存储程序与程序控制存储程序与程序控制S 存储程序存储程序：将指令和数据以同等地位预先存于存储器：将指令和数据以同等地位预先存于存储器中，可按地址寻访。中，可按地址寻访。S 程序控制程序控制：机器从存储器中读取指令和数据，实现连：机器从存储器中读取指令和数据，实现连续、自
25、动执行。续、自动执行。S 注意注意：指令和数据指令和数据均采均采用二进制表示用二进制表示。29ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机r 冯冯.诺伊曼诺伊曼计算机的基本构成计算机的基本构成S 分为分为五大部件：五大部件：运算器运算器、控制器控制器、存储器存储器、输入设备输入设备和和输出设备输出设备。运算器：负责进行逻辑运算和算术运算。运算器：负责进行逻辑运算和算术运算。控制器：负责读取、分析和执行指令。控制器：负责读取、分析和执行指令。存储器：存储指令和数据。存储器：存储指令和数据。输入设备：负责将指令和数据输入计算机。输入设备：负责将指令和数据输入计算机。输出设备：将计
26、算结果显示或打印出来。输出设备：将计算结果显示或打印出来。30ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机S 以以运算器运算器为中心的结构为中心的结构：早期结构，大家都争夺控制：早期结构，大家都争夺控制权，各部件之间不能实现并行工作。权，各部件之间不能实现并行工作。31ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机S 以以存储存储器器为中心的结构为中心的结构：目前结构，各部件之间可实：目前结构，各部件之间可实现并行工作。现并行工作。32ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机S 以以运算器运算器为中心结构工作举例为中心结构工作举例：运算器
27、运算器存储器存储器控制台控制器控制器(1)(1)(3)(3)(10)(10)(5)(5)(2)(2)(4)(4)(6)(6)(7)(7)(8)(8)(9)(9)33ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机过程描述：过程描述：(1)(1)启动控制器工作启动控制器工作(2)(2)发送第发送第1 1条指令地址条指令地址(3)(3)取出指令并分析指令取出指令并分析指令(4)(4)执行指令：发送操作数执行指令：发送操作数x x所在地址所在地址(5)(5)执行指令：取出操作数执行指令：取出操作数x x(10)(10)执行指令：通知运算器计算执行指令：通知运算器计算a a乘乘x x(1
28、1)(11)继续后续指令的取指、执行继续后续指令的取指、执行(6)(6)发送下一条指令地址发送下一条指令地址(7)(7)取出指令并分析指令取出指令并分析指令(8)(8)执行指令：发送操作数执行指令：发送操作数a a所在地址所在地址(9)(9)执行指令：取出操作数执行指令：取出操作数a a34ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机S 计算机的基本部件计算机的基本部件 CPU：中央处理单元：中央处理单元(Central Process Unit)，将运算，将运算器和控制器集成在一块芯片上，形成微处理器。器和控制器集成在一块芯片上，形成微处理器。CPU、主存储器、主存储器、I
29、/O设备及总线成为现代计算机的四设备及总线成为现代计算机的四大核心部件。大核心部件。在现代计算机中，一个微处理器在现代计算机中，一个微处理器(芯片芯片)可能包含多个可能包含多个CPU，即多核。，即多核。35ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机3、存储器：、存储器：可按地址自动存取信息的部件可按地址自动存取信息的部件r 存储器的概念结构图存储器的概念结构图36ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机r 存储器由存储器由存储矩阵存储矩阵、地址译码器地址译码器、输入输入/出缓冲器出缓冲器组成。组成。S 存储矩阵存储矩阵：由若干存储单元构成，每个存储单元
30、通常：由若干存储单元构成，每个存储单元通常可存储可存储8位二进制数据，即每个存储单元为一个字节。位二进制数据，即每个存储单元为一个字节。S 地址译码器地址译码器：每个存储单元由一条地址线：每个存储单元由一条地址线(Wi)控制其控制其读写，当其有效时，对应存储单元的内容可读出或写读写，当其有效时，对应存储单元的内容可读出或写入，否则不可访问。入，否则不可访问。每个存储单元的地址编码每个存储单元的地址编码：由地址编码线：由地址编码线An-1 A0决决定，每个定，每个地址编码地址编码An-1 A0译出其对应的地址线译出其对应的地址线Wi。n 位地址编码可控制位地址编码可控制2n个存储单元，即存储容量
31、为个存储单元，即存储容量为2n。37ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机S 输入输入/输出缓冲器输出缓冲器：暂存暂存将要写入将要写入或或已经读出已经读出的数据，并决定是进行写入的数据，并决定是进行写入还是读出操作。还是读出操作。三态控制线：读、写、高阻三态控制线：读、写、高阻38ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机4、机器指令与机器级程序与算法、机器指令与机器级程序与算法r 若要由若要由计算系统自动求解问题计算系统自动求解问题，就要用，就要用计算系统所具计算系统所具有的设施有的设施及及可理解和执行的规则可理解和执行的规则来编写算法和程序。来编
32、写算法和程序。r 算法算法：求解问题的操作规则及步骤。：求解问题的操作规则及步骤。S 机器级算法必须精炼，哪怕节省一步都是重要改进。机器级算法必须精炼，哪怕节省一步都是重要改进。39ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机40ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机r 机器指令机器指令：算法需要：算法需要用用CPU可理解和执行可理解和执行的指令来编写。的指令来编写。机器机器指令是指令是CPU可直接分可直接分析并执行的指令，一析并执行的指令，一般由般由0、1编码表示编码表示。S 机器指令通常分为机器指令通常分为操操作码作码和和地址码地址码。r 机器级程
33、序机器级程序：832+23+641ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机42ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机5、机器级程序的存储与执行、机器级程序的存储与执行r 机器如何理解和执行程序？机器如何理解和执行程序？r 运算器运算器和和控制器控制器S 运算器运算器：运算部件运算部件和和寄存器寄存器。基本的运算部件只能进。基本的运算部件只能进行简单的二进制行简单的二进制算术、逻辑运算和移位操作算术、逻辑运算和移位操作。S 控制器控制器：指令寄存器：指令寄存器IR、程序计数器、程序计数器PC、时钟与节拍、时钟与节拍发生器、信号发生器。发生器、信号发生
34、器。43ppt课件44ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算机诺依曼计算机r 指令的执行指令的执行r 运算器运算器和和控制器控制器S 不同的指令，对应着一组不同的电信号。不同的指令，对应着一组不同的电信号。S 这些电信号在时钟与节拍的控制下按次序产生与传输。这些电信号在时钟与节拍的控制下按次序产生与传输。S 一条指令占用一个或多个机器周期，一个机器周期又一条指令占用一个或多个机器周期，一个机器周期又分为多个节拍。分为多个节拍。S 最小的时间间隔单位：时钟周期最小的时间间隔单位：时钟周期S 计算机的主频计算机的主频：时钟周期：时钟周期45ppt课件2.2 图灵机与冯图灵机与冯诺依曼计算
35、机诺依曼计算机r 时钟周期、节拍与机器周期时钟周期、节拍与机器周期46ppt课件第一节拍：第一节拍：将将PC中的地址发往存储器。中的地址发往存储器。由信号发生器发出一信号通知存储器工作由信号发生器发出一信号通知存储器工作47ppt课件第二节拍：第二节拍：存储器进行译码，找到对应存储单元，通存储器进行译码，找到对应存储单元，通过输出缓冲器输出内容。过输出缓冲器输出内容。信号发生器发出一信号信号发生器发出一信号IR接收该内容。接收该内容。48ppt课件第三节拍：第三节拍：指令码指令码000001控制产生信号，控制产生信号，PC加加1指向指向下一条指令地址，同时将指令中的地址码下一条指令地址，同时将
36、指令中的地址码发往存储器。发往存储器。49ppt课件第四节拍：第四节拍：存储器进行译码，找到对应存储单元，通存储器进行译码，找到对应存储单元，通过输出缓冲器输出内容。过输出缓冲器输出内容。同时指令码发出控制信号使寄存器同时指令码发出控制信号使寄存器R0接收。接收。50ppt课件程序中指令的逐条执行51ppt课件2.3 现代计算机现代计算机1、现代计算机的构成、现代计算机的构成r 现代计算机系统由硬件、软件、数据和网络构成。现代计算机系统由硬件、软件、数据和网络构成。52ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 计算机硬件由主机和外部设备两大部分构成计算机硬件由主机和外部设备两大部分构成S 主机
37、主机 核心部件：核心部件：CPU、存储器。、存储器。主电路板与接口电路板。主电路板与接口电路板。S 外部设备外部设备：输入：输入/输出设备输出设备 输入设备：鼠标、键盘、麦克风等。输入设备：鼠标、键盘、麦克风等。输出设备：显示器、打印机、音箱等。输出设备：显示器、打印机、音箱等。输入输入/输出设备：触摸屏。输出设备：触摸屏。S 外部存储器：硬盘、光盘、外部存储器：硬盘、光盘、U盘。盘。53ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 计算机计算机软件软件S 各种软件研制的目的：各种软件研制的目的：扩大计算机的功能扩大计算机的功能，方便使用方便使用或或专为解决某类问题专为解决某类问题。系统软件、应用
38、软件。系统软件、应用软件。S 系统软件：系统软件：管理、控制、维护计算机管理、控制、维护计算机，编辑、制作程编辑、制作程序序，维护计算机的工具软件维护计算机的工具软件。操作系统、编程环境、数据库系统等。操作系统、编程环境、数据库系统等。S 应用软件：用于解决各类实际问题。应用软件：用于解决各类实际问题。54ppt课件2.3 现代计算机现代计算机2、存储体系：不同性能资源的组合优化思维、存储体系：不同性能资源的组合优化思维r 重要概念重要概念：程序必须装载进内存，才能被程序必须装载进内存，才能被CPU执行执行。r 数据自动存储能力数据自动存储能力是衡量计算机的重要指标。是衡量计算机的重要指标。S
39、 存储容量越大越好。存储容量越大越好。S 存取速度越快越好。存取速度越快越好。S 保存时间越长越好。保存时间越长越好。S 价格越低越好。价格越低越好。55ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 现代计算机的存储体系中包含了各种性能的存储器现代计算机的存储体系中包含了各种性能的存储器。S 寄存器：存取速度最快，与寄存器：存取速度最快，与CPU同步。同步。S RAM：随机存储器，可按地址访问，内存。：随机存储器，可按地址访问，内存。S ROM：只读存储器，用来保存机器级程序。：只读存储器，用来保存机器级程序。S 硬盘：采用磁性材料制作的大容量存储器。硬盘：采用磁性材料制作的大容量存储器。S 光盘
40、光盘(CD、DVD)，U盘等。盘等。56ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 内存内存：采用半导体材料制作：采用半导体材料制作内存：内存：RAM/ROM地址：存储单元地址：存储单元1、2、4或或8个字节个字节57ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 外存外存外存：硬盘外存：硬盘/软盘软盘盘面盘面:磁道磁道:扇区扇区一个扇区存放一个扇区存放512个字节。个字节。58ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 存储体系：存储体系：不同性能资源的组合优化不同性能资源的组合优化算术逻算术逻辑单元辑单元控制控制单元单元寄存器CPU按存储单元存储单元读写按存储块块进行交换内存内存或主存或主存(RAM
41、)外存外存(硬硬盘盘/软盘软盘/光盘光盘)ROM特性：速度慢、价格低、容量大、永久保存；特性：速度快、价格高、容量小、非永久存储；内存与外存的区别？内存与外存的区别？59ppt课件2.3 现代计算机现代计算机3、为什么要有操作系统：硬件功能扩展的基本思维、为什么要有操作系统：硬件功能扩展的基本思维r 存储体系环境下，程序怎样被执行存储体系环境下，程序怎样被执行?算术逻算术逻辑单元辑单元控制控制单元单元寄存器CPU按存储单元存储单元读写按存储块块进行交换内存内存或主存或主存(RAM)外存外存(硬硬盘盘/软盘软盘/光盘光盘)ROM程序如何存储在外程序如何存储在外存上面存上面?程序如何装载到内存程序
42、如何装载到内存中中?装载到哪里装载到哪里?程序如何被程序如何被CPU执行执行?CPU执行哪个程序执行哪个程序?60ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 操作系统操作系统：控制和管理计算机系统各种资源：控制和管理计算机系统各种资源(硬件资源、硬件资源、软件资源和信息资源软件资源和信息资源)、合理组织计算机系统工作流程、合理组织计算机系统工作流程、提供用户与计算机之间接口以解释用户对机器的各种提供用户与计算机之间接口以解释用户对机器的各种操作需求并完成这些操作的一组程序集合，是最基本、操作需求并完成这些操作的一组程序集合，是最基本、最重要的系统软件。最重要的系统软件。r 操作系统的作用操作系统
43、的作用：S 操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。操作系统是用户与计算机硬件之间的接口。S 操作系统为用户提供了虚拟机操作系统为用户提供了虚拟机(Virtual Machine)。S 操作系统是计算机系统的资源管理者操作系统是计算机系统的资源管理者61ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 操作系统是一组操作系统是一组“管理各种资源以便执行应用程序管理各种资源以便执行应用程序”的程序的程序。磁盘管理磁盘管理-管理管理磁盘信息的读写磁盘信息的读写内存管理内存管理-管理内存管理内存空间的分配与回收空间的分配与回收CPU管理管理-调度调度CPU去执行哪一个程序去执行哪一个程序62ppt课件2.3
44、现代计算机现代计算机4、化整为零的基本思维：磁盘与文件系统、化整为零的基本思维：磁盘与文件系统r 磁盘与文件管理是存储体系的重要内容，是操作系统磁盘与文件管理是存储体系的重要内容，是操作系统对硬件功能的重要扩展。对硬件功能的重要扩展。r 文件文件与信息：与信息：S 信息被操作系统组织成文件。信息被操作系统组织成文件。S 文件是操作系统管理信息的基本单位文件是操作系统管理信息的基本单位。S 使用者只需关心文件名和内容，其它交给操作系统。使用者只需关心文件名和内容，其它交给操作系统。63ppt课件2.3 现代计算机现代计算机操作系统操作系统用户用户信息信息/程序程序文件文件A A文件文件A文件文件
45、B文件文件C外存外存(硬硬盘盘/软盘软盘/光盘光盘)64ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 磁盘信息的组织：磁盘信息的组织：磁盘簇块与扇区磁盘簇块与扇区S 磁盘物理结构：盘面、磁道、扇区。磁盘物理结构：盘面、磁道、扇区。S 簇块：操作系统将磁盘组织成簇块簇块：操作系统将磁盘组织成簇块(若干连续的扇区若干连续的扇区)，以簇块为单位，以簇块为单位与内存交换信息。与内存交换信息。S 文件中的信息按簇块大小被分割，文件中的信息按簇块大小被分割，然后写入磁盘中的簇块。然后写入磁盘中的簇块。65ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 文件分配表（文件分配表（FAT）S 磁盘上记录文件存储的簇块之间
46、衔接关系的磁盘上记录文件存储的簇块之间衔接关系的信息区域信息区域，二维表格。二维表格。S 磁盘上有多少簇块，文件分配表就有多少项。磁盘上有多少簇块，文件分配表就有多少项。S FAT表项的内容指出了该簇块的下一簇块的编号。表项的内容指出了该簇块的下一簇块的编号。66ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 目录与文件夹目录与文件夹S 是磁盘上记录文件名、文件大小、文件更新时间等文是磁盘上记录文件名、文件大小、文件更新时间等文件属性的件属性的信息区域信息区域。S 相当于文件清单，对应每个文件名，目录中都会记录相当于文件清单，对应每个文件名，目录中都会记录它在磁盘上存储的第一个磁盘簇块编号。它在磁盘
47、上存储的第一个磁盘簇块编号。67ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 磁盘上的重要信息区域磁盘上的重要信息区域S 保留扇区区域、文件分配表区域、根目录区域、数据保留扇区区域、文件分配表区域、根目录区域、数据区域。区域。S 上述信息区域的建立通过磁盘格式化完成。上述信息区域的建立通过磁盘格式化完成。S 磁盘的第一个扇区被称为引导扇区。磁盘的第一个扇区被称为引导扇区。r 磁盘与文件管理体现的是一种化整为零的基本思维磁盘与文件管理体现的是一种化整为零的基本思维。68ppt课件2.3 现代计算机现代计算机5、内存管理与处理机管理、内存管理与处理机管理r 问题：在现代计算机及存储体系中，程序如何执行
48、？问题：在现代计算机及存储体系中，程序如何执行？S 情况情况1：单：单CPU运行单一程序。运行单一程序。S 情况情况2：单：单CPU同时运行多个程序。同时运行多个程序。S 情况情况3：多：多CPU运行单个程序。运行单个程序。S 原则：原则：程序必须装入内存，才能被程序必须装入内存，才能被CPU执行执行。69ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 内存管理：内存管理：S 内存空间管理内存空间管理S 内存空间分配内存空间分配S 内存与外存信息的自动交换内存与外存信息的自动交换S 内存空间回收内存空间回收Dm-1,D0内存被分成不同的块内存被分成不同的块(或或页页)，一般而言，内存的，一般而言，内
49、存的一页和磁盘的一块相等一页和磁盘的一块相等或为其倍数。或为其倍数。70ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 程序与进程：程序与进程：S 以文件形式存储在磁盘上的程序文件称以文件形式存储在磁盘上的程序文件称为为“程序程序”。S 可运行程序文件在操作系统的管理下被可运行程序文件在操作系统的管理下被装入内存，形成装入内存，形成“进程进程”。S 进程除程序外，还进程除程序外，还包含描述信息，便包含描述信息，便于操作系统管理。于操作系统管理。内存储器内存储器分工：分工：操作系统操作系统对对内存的内存的管管理与控制理与控制-使用哪一段内存使用哪一段内存内存空间分配内存回收内存与外存信息的自动交换内存
50、空间管理进程进程1000001段内存段内存运算器控制器CPU状态与管控状态与管控71ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 处理机管理处理机管理S 内存中待执行程序段落内存中待执行程序段落的地址送控制器的的地址送控制器的PC(程程序计数器序计数器)S 内存中的多个程序，执内存中的多个程序，执行哪一个程序行哪一个程序?S 程序执行切换中的状态程序执行切换中的状态/环境保护问题环境保护问题S 单单CPU分时调度分时调度-进程进程多多CPU并行调度并行调度-线程线程72ppt课件2.3 现代计算机现代计算机r 任务与作业：任务与作业：S 任务：大粒度工作，一个应用程序的完整的执行，一任务：大粒度工
