第三章計算機系統大學計算機基礎第三章

計算機系統主要內容

3.1計算機結構

3.2計算機系統組成

3.3計算機的工作過程

3.4微型計算機硬件組成引入：人是如何處理事務的呢？接收信息完成結果計算控制眼睛、手記憶數據計算機也是模仿人來處理事務的計算機是如何實現按高效運算的？計算機的運行原理是什么？計算機由哪幾部分組成？……英國科學家阿蘭.圖靈（1912-1954）1.圖靈機——計算機的理論模型20世紀30年代，圖靈提出了算法的定義，建立了圖靈機模型，奠定了可計算理論基礎。由于圖靈提出的圖靈機模型直觀形象，用圖靈機模型能夠解釋算法的概念，很快得到了人們的認同。這也是圖靈一生中最大的貢獻。

3.1計算機結構圖靈機——計算機的理論模型什么是圖靈機？

圖靈機由一條無限長的磁帶、讀/寫頭及控制器構成。控制器內包括控制規則表，它能夠通過讀/寫頭對磁帶上的符號進行讀或寫，讀寫頭可以在磁帶上左右移動。磁帶分成了一個個的小方格，每個方格中可以記錄機器字母表里的符號，如0或1等。

圖靈機模型圖靈機磁帶--圖靈機就是一個最簡單的計算機模型，圖靈機將控制處理的規則用0和1表述，將處理的信息及處理的結果也用0和1表達，處理即是對0和1的變換（可以用機械/電子系統實現）。--用機器來模擬人們用紙筆進行數學運算的過程，該過程可分為如下兩個簡單動作：在紙上寫上或擦除某個符號把注意力從紙的一個位置移動到另一個位置--而在每個階段，人要決定下一步的動作，依賴于：此人當前所關注的紙上某個位置的符號此人當前思維的狀態。圖靈機工作原理視頻圖靈機不是一種具體的機器，而是一種理論模型，可用來指導制造一種十分簡單但運算能力極強的計算裝置，使得這種機器能夠對任何“可計算”的函數進行有效的計算，在有限步內求出函數的計算結果。圖靈機模型理論是計算學科最核心的理論之一，圖靈機模型是算法分析和程序語言設計的基礎，為計算機設計指明了方向。

2.馮·諾依曼計算機數學家馮·諾依曼根據圖靈機的設想提出設計計算機的體系結構。這一結構也稱為馮諾依曼體系結構。

馮·諾依曼計算機主要有三個特點：①計算機由五大部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。②指令和數據以同等地位存儲在主存儲器中，并按地址訪問、以順序的方式執行。③程序和數據以二進制表示。

EDVAC：馮諾依曼與莫爾小組合作，研制出了EDVAC計算機。該計算機根據馮諾依曼提出的原理制造,改進了第一臺計算機的不足。馮·諾依曼計算機的特點是：以運算器和控制器作為計算機結構的核心；指令和數據都采用二進制代碼的形式來表示；采用存儲程序控制方式，指令和數據以同等地位存儲在同一個存儲器中；指令在存儲器中按其執行順序存放。馮·諾伊曼計算機結構運算器輸出設備存儲器控制器輸入設備數據指令結果3.現代計算機主機根據馮·諾依曼體系結構，現代計算機結構主要以存儲器為中心，由運算器、控制器、存儲器和輸入、輸出設備五大部分組成。現代計算機組成框圖由于運算器和控制器在邏輯關系和電路結構上聯系緊密，特別是在大規模集成電路制作工藝下，這兩大部件通常被集成在同一個集成電路芯片上，統稱為中央處理器；而將輸入設備與輸出設備簡稱為I/O設備。因此，現代計算機可以認為是由CPU、I/O設備及主存儲器和輔助存儲器組成。計算機硬件組成的變化隨著現代電子技術和計算機技術的不斷發展，近年來計算機的硬件組成也有一些變化。采用雙核或多核CPU設計先進的總線結構超高速計算機采用平行處理技術結合對網絡功能和服務的設計理念等。3.2計算機系統組成計算機系統=硬件系統+軟件系統系統軟件應用軟件硬件由電子線路和機電設備組成的設備實體。為運行、維護管理、應用計算機所編制的計算機程序。軟件3.2.1計算機硬件系統硬件內存CPU外存：軟、硬盤、光盤、閃存外設主機運算器網絡設備：網卡、調制解調器等輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀輸出設備：顯示器、打印機隨機存儲器(RAM)只讀存儲器(ROM)控制器計算機硬件系統組成硬件操作系統軟件用戶程序或文檔計算機系統層次結構作為一個完整的計算機系統，硬件和軟件是按一定的層次關系組織起來的。操作系統向下控制硬件、向上支持軟件，所有的其他軟件都必須在操作系統的支持下運行。對計算機的操作轉化為對操作系統的使用。為軟件開發、擴充和使用提供了條件。軟件系統系統軟件應用軟件操作系統：Windows、Unix、Linux辦公軟件包、數據庫管理系統

專業應用軟件工具軟件

服務性程序：診斷程序、排錯程序等

語言處理程序：C、C++、Java、VB等計算機軟件系統組成3.2.2計算機軟件系統…服務程序語言處理程序操作系統系統軟件應用軟件…用戶程序應用軟件包工具軟件1.操作系統操作系統是最重要的系統軟件,是計算機系統軟件的核心，是對計算機硬件、軟件資源進行管理、調度、控制和運行的一組程序，它也是用戶與計算機之間的接口。用戶通過操作系統方便、順利地操作計算機，而不必過問計算機硬件的具體細節。

常用的操作系統有：系統軟件

2.程序設計語言及語言處理程序

機器語言：用二進制代碼編寫，機器能直接執行。為了應用存儲程序概念，CPU被設計成可以識別二進制模式編碼的指令。這組指令以及編碼系統稱為機器語言。系統軟件如：機器語言指令示例：0011010110100111完成的功能是將第5寄存器中的值存儲到指定的存儲單元。

2.程序設計語言及語言處理程序

匯編語言：用符號表示指令代碼，需要匯編程序將其翻譯成機器指令后才能運行。

如:用ADD表示加、SUB表示減、HLT表示停機匯編語言程序示例：計算S=12+6系統軟件MOVS,12把12放入累加器S中ADDS,66與累加器S中的值相加，結果仍放入S中HLT結束，停機

2.程序設計語言及語言處理程序

高級語言：采用接近自然語言的字符或表達式、按照一定的語法規則編寫程序，需要高級語言編譯程序將源程序編譯生成目標程序后才能運行。

程序設計語言分為面向過程和面向對象兩類。

高級語言程序示例：計算S=12+6

系統軟件S=12+612與6相加結果放入S中PRINTS輸出SEND程序結束(1)面向過程語言

特點：強調用計算機能夠理解的邏輯來描述解決問題的方法和步驟，不僅要說明做什么，還要說明如何做。過分強調求解過程的描述，程序難以重復使用。如：

系統軟件(2)面向對象語言

特點：能夠直接描述客觀世界的事物，將一切事物都看成具有屬性和行為的對象。通過抽象找出同一類對象的共同屬性和行為，并抽象成類。通過類的繼承實現代碼重用，編程效率高。如：

任何一種高級語言或匯編語言編寫的程序(稱為源程序)，都不能由計算機直接執行，必須通過相應的編譯程序翻譯成機器語言程序(稱為目標程序)后才能執行,或者通過解釋程序邊解釋邊執行。不同的語言所對應的語言處理程序也是不同的。系統軟件應用軟件是指除了系統軟件以外的所有軟件,它是用戶利用計算機及其提供的系統軟件為解決各種實際問題而編制的計算機程序。

--用于科學計算的軟件包、辦公自動化軟件

--計算機輔助設計、輔助制造、輔助教學軟件

--圖形軟件、工具軟件應用軟件是在系統軟件支持下開發的，可以分為兩種：

（1）用戶程序

用戶程序是用戶為了解決自己特定的具體問題而開發的軟件，在系統軟件和應用軟件包的支持下開發。

（2）應用軟件包應用軟件包是為實現某種特殊功能或特殊計算，經過精心設計的獨立軟件系統，可以滿足同類應用許多用戶需要的軟件。應用軟件主要內容指令和程序的概念計算機執行的指令過程

計算機中常用數據單位3.3計算機的工作過程為使計算機自動解決各種實際問題，必須首先把各種程序、數據以及圖形圖像等信息輸入到計算機的內存中。若要長期保存信息，還要將內存的信息保存到外存儲器中，需要時再將外存的信息取回到內存中來。

程序是由一條條指令按一定順序組合而成，它告訴計算機要完成什么功能和具體步驟。程序必須事先輸入到計算機中，才能被執行。計算機執行了相應的指令序列，就完成了預定的任務。計算機的一切操作都是在事先編制好的、存儲在計算機中的程序控制下進行的。

1、指令和程序的概念

指令:

計算機硬件可執行的、完成某種操作的命令。指令由操作碼和操作數兩部分組成,其格式如下:

操作碼操作數操作碼：指明該指令要完成操作:加、減、乘、除、傳送等操作數:指出被操作的對象所在存儲單元地址,寄存器地址及立即數。或指出運算的結果應送到哪個單元中。程序：根據解決某一問題的步驟，編制的指令序列。①數據傳送指令：將數據在內存與CPU之間進行傳送。②數據處理指令：對數據進行算術、邏輯或關系運算。如＋－×÷AndOr等③程序控制指令：控制程序中指令的執行順序。如條件轉移、無條件轉移、子程序調用、返回、停機等。如IfGoto等④輸入/輸出指令:實現外部設備與主機之間的數據傳輸。⑤其它指令:對計算機硬件進行管理等。

計算機的指令系統：

一臺計算機所有指令的集合稱為該計算機的指令系統，不同種類計算機指令系統所包含的指令數目與格式也不相同。指令系統不僅是硬件設計的依據，而且是軟件設計的基礎。計算機的指令系統：2、計算機執行指令的過程存儲程序控制原理是計算機結構設計和自動連續工作的基礎。計算機依靠硬件和軟件的配合進行工作，計算機的工作過程就是執行指令的過程（三個階段）。

取指令：控制器據程序計數器PC的內容，將要執行的指令從內存單元中取出，并送到CPU的指定寄存器中。分析指令：CPU對取出的指令通過譯碼器進行分析，判斷指令要完成的操作。如果需要操作數，則到內存中取操作數，如果需要運算，則通知運算器進行計算，計算結果再保存到內存中。執行指令：CPU根據指令分析的結果，向各部件發出完成該操作的控制信號，相關部件進行執行指令工作，完成指令規定的操作，并為執行下一條指令做好準備。程序的執行過程計算機執行指令的工作過程取指令分析指令執行指令

PC+1控制器運算器內存計算機根據程序計數器的內容，將要執行的指令從內存單元中取出，并送到CPU指定的寄存器中。CPU對取出的指令通過譯碼器進行分析譯碼，判斷指令要完成的操作。CPU根據指令分析結果，向各部件發出完成該操作的控制信號，相關部件進行工作，完成指令規定的動作，并為下一條指令做好準備。位(bit,縮寫為b)

是計算機中表示信息的最小單位，符號為b,代碼為0和1;n位二進制數能表示2n種狀態。字節

(Byte,縮寫為B)是計算機中存儲信息的基本單位，每個字節由8位二進制數組成。計算機是以字節來計算存儲容量的。1Byte=8bit

1KB=1024B=210

1MB=1024KB=2201GB=1024MB=2301TB=1024GB=240字（Word）

是計算機進行數據處理和運算的單位，即CPU在單位時間內能一次處理的二進制數據的位數，稱為字長。由若干字節組成，如16位、32位、64位等.目前常用的是32位計算機。字長較長的計算機在相同的時間內能處理更多的數據。3、計算機中常用數據的存儲單位3.4微型計算機硬件組成主要內容微型計算機概述微型計算機硬件系統微型計算機主要性能指標微型計算機概述計算機分為巨型計算機、大型計算機、小型計算機和微型計算機。微型計算機包含了多種系列、不同檔次、型號的計算機，微型計算機的體系結構采用總線結構，其硬件系統包括主板、微處理器、存儲器和各種外設等。微型計算機性能飛速提高，不同種類計算機之間界限變得模糊，大、小、微型計算機的工作原理和系統結構相類似。微型計算機可分為IBM-PC兼容機和蘋果機兩大類。微機系統結構示意圖微型計算機系統結構示意圖微型計算機硬件系統是由中央處理器、存儲器、I/O（輸入/輸出）設備及其接口電路和總線組成。中央處理器地址總線數據總線控制總線內存插槽外存接口I/O接口其他I/O主存儲器硬盤等各種外設鍵盤顯示接口電路臺式機筆記本工作站掌上電腦平板電腦工作站平板電腦

掌上電腦筆記本臺式機典型微型計算機1.主板2.CPU3.存儲器4.總線與接口5.輸入設備6.輸出設備微型計算機硬件系統1.主板主板：主板是微型計算機硬件系統的核心，是各種設備的連接載體，為所有硬件提供接口或插槽

。計算機通過主板把CPU和其他硬件連接成一個完整的系統。不同的主板，結構和布線略有不同。

CPU插槽芯片組內存插槽系統BIOS，提供最基本的硬件控制功能

CMOS,存放硬件配置參數微機主板結構圖主板的板載功能隨著主板技術的發展，主板已經不單一的是搭載CPU、內存、硬盤以及外設的平臺，而是可以附加許多原來由各種類型的卡所承擔的功能。這些功能稱為板載功能。

目前，主板的板載功能有顯卡、聲卡、網卡、1394卡等。CPU（CentralProcessingUnit)中央處理器，也稱中央處理單元、微處理器.

CPU是微機中運算器+控制器+高速緩存組成的一塊集成電路芯片，是組成微型計算機的核心部件，承擔著的運算和控制任務。CPU的性能大致反映了微機的性能和檔次

CPU的產品：

（1）奔騰（Pentium）系列

（2）賽揚（Celeron）系列

（3）酷睿（Core）系列

（4）AMD系列

2.CPU3.存儲器存儲系統是計算機的重要組成部分,用來存儲計算機工作時使用的各類信息（程序和數據）。正是因為有了存儲器，計算機才有信息記憶的功能。存儲器分為：內存、外存、高速緩存。微機存儲系統的層次結構內存輔存內存儲器（1）內存儲器(內存）:（包括RAM和ROM兩部分）內存又稱主存儲器，是微機中存放數據和各種程序的裝置。速度快、容量小，價格較高，可由CPU直接訪問，直接為CPU提供數據和指令，并存入由運算器送來的數據。內存以內存條的形式插在主板的內存插槽上。內存儲器的特點和分類（1）只讀存儲器（ROM—ReadOnlyMemory）

ROM:

存放內容只能讀不能寫。（用特殊方法寫入）特點：ROM中的數據斷電后仍然保存。（2）隨機存取存儲器（RAM—RandomAccessMemory

）RAM：存放用戶數據和程序。斷電后內容丟失，RAM中的內容可隨時讀寫。系統對內存的識別是以Byte（字節）為單位，每個字節由8位二進制數組成。（2）高速緩沖存儲器Cache

高速緩沖存儲器Cache（緩存）：

位于CPU與主存間的一種容量小、速度快、造價高的存儲器，可由CPU直接訪問。

作用：解決CPU運算速度與內存讀寫速度不匹配的矛盾。

工作原理：緩存中的數據是內存中的一小部分，但這一小部分是短時間內CPU即將訪問的。當CPU要讀取一個數據時，首先從緩存中查找，若找到，就立即讀取并送給CPU處理。若未找到，CPU就再從內存中讀取并處理，同時把這個數據所在的數據塊調入緩存中，以便以后對整塊數據的讀取都從緩存中進行，不必再調用內存。CPUCacheRAM外存柱面扇區磁道特點：工作速度較快、存儲容量大，已超過1TB，一般配置的硬盤容量為幾百GB。硬盤驅動器:常用字母C:、D:……來標識。柱面：磁盤上同一編號的磁道構成柱面扇區：磁盤上分為若干個扇區，數據是按扇區存放的。

硬盤存儲器的基本組成是硬盤盤片和硬盤驅動器，硬盤盤片由涂有磁性材料的鋁合金構成。1）硬盤（3）外部存儲器（硬盤、光盤、移動盤）外存特點：順序存取/塊存取，容量大，速度慢，價格低；不能由CPU直接訪問，存放暫時不用的數據和程序。2）光盤

特點存儲密度高、容量大、成本低便于攜帶信息保存時間長。在光盤表面燒出小坑來記錄數據，計算機數據采用0、1方式記錄，有坑的就是1，沒有的地方代表0。光頭發出的激光打到這些小坑的時候反射會不一樣，以此來讀取數據。

光盤存儲器的基本組成是光盤盤片和光盤驅動器。3）移動存儲設備Flash存儲設備閃存芯片為存儲介質采用USB的接口可擦寫100萬次以上

移動硬盤由筆記本硬盤改裝而成，便攜采用USB、IEEE1394接口設備與各部件之間的連接總線CPU及其他芯片內存外存儲器接口外部設備接口/接口卡4.總線與接口總線是計算機中各部件之間傳輸數據的公用通道，從主機各部件之間的連接，到主機與外設之間的連接，都采用了總線結構。總線的數據交換能力用總線帶寬（同一時刻能夠傳送的二進制位數）來衡量。總線（BUS）

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