1、第一章（2）計算機系統的組成和工作張超 計算機系統的組成和工作原理教學重點：計算機的組成教學難點：計算機的工作原理授課課時：2學時 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 內存儲器內存儲器 硬件硬件 外存儲器外存儲器 外部設備外部設備 輸入設備輸入設備 輸出設備輸出設備 操作系統操作系統 系統軟件系統軟件 語言處理程序語言處理程序 數據庫系統數據庫系統 軟件軟件 科學計算程序科學計算程序 信息管理程序信息管理程序 應用軟件應用軟件 輔助設計程序輔助設計程序 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計算機系統 2.1 計算機系統的組成計算機系統的組成

2、2.1.1 計算機系統概述圖圖1 計算機系統的基本組成計算機系統的基本組成硬件：硬件：是組成計算機的物理設備的總稱，由各種器件和電子線路組成。是計算機進行工作的物質基礎。軟件：軟件：是在硬件設備上運行的各種程序以及有關資料的總稱。“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操作系統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 計算機系統層次圖計算機系統層次圖2.1.2 計算機系統的層次關系v用形式表示數據和指令v程序和數據一樣存放在存儲器中v計算機系統由、輸入設

3、備和輸出設備五大部分組成 1. 運算器運算器（算術邏輯部件算術邏輯部件ALU） 執行算術運算和邏輯運算。例如：執行算術運算和邏輯運算。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先確定的操作步驟，控制微機各部件步調一照人們預先確定的操作步驟，控制微機各部件步調一致地自動工作。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、輸入設備和輸出設備。入設備和輸出設備。 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

4、要功能是存放程序和數據。主要功能是存放程序和數據。 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，原內容保持不變；向存儲器寫入入。存儲器讀出信息后，原內容保持不變；向存儲器寫入信息后，則原內容被新內容所代替。信息后，則原內容被新內容所代替。存儲器分為三種：存儲器分為三種： 內存儲器內存儲器（主存儲器）（主存儲器） 外存儲器外存儲器（輔助存儲器）（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

5、出不能寫入，用于存放內容不變的信息，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，用于存放現場的程序和數據，斷電后信息一般會立即消失。內存內存 內存和外存的區別：內存和外存的區別： 內存用于存放計算機當前正待運行的程序和數據，速內存用于存放計算機當前正待運行的程序和數據，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據，速度相對較慢，外存用于存放暫時不用的程序和數據，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

6、信息，但它可以與內存交換信息。因此，外存儲器中的程序息，但它可以與內存交換信息。因此，外存儲器中的程序和數據必須先調入內存方可被和數據必須先調入內存方可被CPU訪問。訪問。 中央處理器中央處理器CPU和內存儲器合稱為主機。和內存儲器合稱為主機。 4. 輸入設備輸入設備 輸入設備用來接收用戶輸入的原始數據和程序，并將輸入設備用來接收用戶輸入的原始數據和程序，并將它們轉變為計算機能識別的形式（二進制數）存放到內存它們轉變為計算機能識別的形式（二進制數）存放到內存中。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀等。中。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀等。 5. 輸出設備輸出設備 輸出設備用于將存放在內存中由

7、計算機處理的結果轉輸出設備用于將存放在內存中由計算機處理的結果轉變為人們所能接受的形式。常用的輸出設備有顯示器、打變為人們所能接受的形式。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。印機、繪圖儀等。 磁盤及磁盤驅動器磁盤及磁盤驅動器是計算機中的常用設備，計算機既是計算機中的常用設備，計算機既能從它上面讀取數據（輸入），也能把數據保存到它上面能從它上面讀取數據（輸入），也能把數據保存到它上面（輸出）。（輸出）。 2.3.1 計算機軟件概述 軟件：計算機系統中各程序、有關文件及運軟件：計算機系統中各程序、有關文件及運 行行時所需的數據的總稱。時所需的數據的總稱。 程序：是指以計算機可以識別和執行的操

8、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容、組成、設計、功能、規則、開發情況、測試結構和使用方法的文字資料和圖表。2.3 計算機軟件系統計算機軟件系統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軟件系統軟件和和應用軟件應用軟件兩大類。兩大類。1. 系統軟件系統軟件 參與構成計算機系統、供用戶直接使用，以擴展計算參與構成計算機系統、供用戶直接使用，以擴展計算機硬件功能，使其管理協調整個系統，彌補用戶操作習慣機硬件功能，使其管理協調整個系統，彌補用戶操作習慣與計算機硬件、計算機設備的操作方法之間的鴻溝的軟件。與計算機硬件、計算機設

9、備的操作方法之間的鴻溝的軟件。 系統軟件一般是由計算機廠家或專業軟件開發商提供系統軟件一般是由計算機廠家或專業軟件開發商提供的，是計算機系統的一個重要的組成部分。的，是計算機系統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（作系統（DOSDOS、UNIXUNIX、Win98Win98、Win2000Win2000、WinNTWinNT、WindowsXPWindowsXP等等）、程序設計語言。）、程序設計語言。 文字處理軟件文字處理軟件 Word WPS表格處理軟件表格處理軟件 Excel輔助設計軟件輔助設計軟件 AutoCAD實時控制軟件實時控制軟件2. 應用軟件應用軟件 它是它是為

10、計算機在特定領域中的應用而開發的專為計算機在特定領域中的應用而開發的專用軟件，是用軟件，是用戶為解決各類實際應用問題而編制用戶為解決各類實際應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 計算機軟件的發展 1、匯編語言的出現 2、高級語言的出現 3、操作系統的形成 4、網絡軟件、數據庫管理系統的出現 2.3.4 計算機語言的發展計算機語言的發展 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。 計算機語言的發展

11、分為計算機語言的發展分為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行的語言。接識別并執行的語言。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，可以被計算機直接接收執行。由它編寫的程序不易閱讀，而且指令代執行。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

12、)(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：人工創造的各種計算機都通用的、接近于人類“自然語言”的程序設計語言，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行，

13、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程序機器語言目標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、數據的輸入和輸出形式。能夠描述同一類對象的共同屬性和行為。 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

14、：具有一定的智能。 主要應用于商品化人工智能系統、專家系統和面主要應用于商品化人工智能系統、專家系統和面向對象的數據庫管理系統等領域。向對象的數據庫管理系統等領域。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等面向對象：C+ 、 Java、Visual Basic、PB 等1代代 2代代 3代代 4代代 智能性語言如PROLOG

15、2.3.5 幾種高級程序設計語言簡介幾種高級程序設計語言簡介1. Basic語言語言 簡單易學，對話功能強，適用于科學計算和編制應用簡單易學，對話功能強，適用于科學計算和編制應用軟件軟件2. Pascal語言語言 結構化程序設計語言，數據類型豐富、編譯緊湊高結構化程序設計語言，數據類型豐富、編譯緊湊高效、格式書寫自由，適用于教學。效、格式書寫自由，適用于教學。3. C語言語言 程序可讀性較強、編程效率較高，適用于編制系統程序可讀性較強、編程效率較高，適用于編制系統軟件等軟件等 4. C+語言語言 具有抽象數據和面向對象的能力，是對C語言的擴充。 5. Java語言語言 基于C+，一次編寫，處處

16、運行。 6. Visual Prolog語言語言 適合于專家系統和其他相關問題的求解，是智能程序設計語言中具有代表性且在發達國家應用較多的一種語言。1. 指令：指令：讓計算機完成某個操作所發出的命令。2. 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）：給出參與操作的數據在存儲器中的地址。）：給出參與操作的數據在存儲器中的地址。指令含義：指令含義：A OP(A) 取出地址取出地址A中的數據進行指令規中的數據進行指令規定的定的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：指令系統：計算機所能執行的全部指令的集合。4.指令的分類指令的分類 按功能劃分為4類:數據傳輸類指令：包括寄存器與寄存器之間、寄存器與存儲數據傳輸類指令：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據傳輸。單元之間、存儲單元與存儲單元之間的數據傳輸。運算類指令：算術運算指令和邏輯運算指令。運算類指令：算術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，包括轉移指令、轉程序控制類指令：用于控制程序的流向，包括