计算机组成原理与系统结构

计算机组成原理与系统结构教学重点：计算机的组成教学难点：计算机的工作原理授课课时：2学时基本要求：了解计算机的工作原理与系统结构1.1计算机的系统组成一、计算机系统组成二、计算机硬件系统三、计算机软件系统一、计算机系统组成一个完整的计算机系统，包括两大部分，即硬件系统和软件系统。硬件系统是指构成计算机的物理设备，即由机械、光、电、磁等器件构成的具有计算、控制、存储、输入和输出功能的实体部件。如CPU、存储器、软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器、主机板、各种卡及整机中的主机、显示器、打印机、绘图仪、调制解调器等等，整机硬件也称“硬设备”。软件系统则是指管理计算机软件和硬件资源、控制计算机运行的程序、命令、指令、数据等，软件系统就是程序系统，也称为“软设备”。一、计算机系统组成计算机是依靠硬件和软件的协同工作来执行一个具体任务。硬件是计算机系统的物质基础，而软件又是硬件功能的扩充和完善。任何软件都是建立在硬件基础上的，任何软件也离不开硬件的支持。如果没有软件的支持，硬件的功能就不能得到充分的发挥。一、计算机系统组成计算机系统硬件系统软件系统应用软件系统软件操作系统语言处理程序数据库管理系统外围设备主机数据处理程序自动控制程序企业管理程序科学计算程序外存储器：磁盘、磁带、光盘等输入设备：键盘、鼠标器、扫描仪等输出设备：显示器、打印机、绘图仪等中央处理器（CPU）：运算器、控制器内存储器：ROM、RAM一、计算机系统组成冯·诺依曼（VonNeumann）体系结构1946年由美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼提出计算机的体系结构发生了许多变化，但VonNeumann提出的二进制、程序存储和程序控制，依然是普遍遵循的原则。冯·诺依曼体系结构特点1、采用二进制表示数据和指令；2、采用存储程序即把编好的程序和原始数据预先存入计算机主存中，使计算机工作时能连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令并执行，从而自动完成预定的任务；3、计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。二、计算机硬件系统典型的冯.诺依曼计算机结构框图（以运算器为中心）输入设备输出设备存储器控制器运算器程序数据结果数据结果地址指令控制信号数据线地址线控制线二、计算机硬件系统现代计算机结构框图（以存储器为中心）输入设备存储器控制器运算器输出设备数据线控制线反馈线总线结构的冯.诺依曼计算机结构框图系统总线：包括地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）存储器运算器控制器适配器输入设备输出设备...系统总线二、计算机硬件系统（五大部件）1、存储器功能：存放指令和数据。操作：存储器读操作：从存储器取出数据，又称为读出。存储器写操作：向存储器存放数据，又称为写入；概念：存储单元：存储二进制信息的部件，每个单元可以存放一个字或字节的信息，存储器就是存储单元的集合。单元地址：存储单元的编号，是区分存储器中不同存储单元的唯一标志。二、计算机硬件系统（五大部件）2、运算器功能：在控制器控制下，进行算术运算和逻辑运算。运算器的技术性能高低直接影响着计算机的运算速度和整机性能。3、控制器功能：对当前指令进行译码分析其所需要完成的操作，产生并发送各部件所需要的控制信号，从而使整个计算机自动、协调地工作。控制器是计算机的控制指挥部件，也是整个计算机的控制中心。二、计算机硬件系统（五大部件）4、输入设备功能：将外界的信息转换为计算机能识别的二进制代码。输入设备是给计算机输入信息的设备。5、输出设备功能：将计算机处理结果转换成人们或其他设备所能接收的形式。中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）：包括运算器与控制器，通常集成在一块芯片上。主机：包括CPU和主存储器。外部设备：输入设备、输出设备的统称。三、计算机软件系统1．系统软件2、应用软件：又称为应用程序，它是用户在各自不同的应用领域根据具体的任务需要所开发编制的各种程序。如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、科学计算程序等等。1．系统软件系统软件是指管理、调度、监视和维护计算机系统软硬件资源的程序集合，使系统资源得到合理调度，确保高效率运行。常用的系统软件有：（1）操作系统（2）语言处理程序（3）数据库管理系统（4）服务性程序（5）网络管理软件（1）操作系统操作系统（OperatingSystem）的功能：管理计算机系统的各种软、硬件资源，使其被高效使用；为计算机系统和用户之间提供接口，为用户提供方便。操作系统是直接运行在裸机上的最基本的系统软件，是系统软件的核心，任何其他软件必须在操作系统的支持下才能运行。（2）语言处理程序功能：将高级语言编写的程序翻译成计算机能识别和执行的二进制机器指令，然后供计算机执行。又称为翻译程序。语言处理程序分为两种：编译程序：将用户编写的高级语言程序（源程序）的全部语句全部翻译成机器语言程序，然后再执行机器语言程序。解释程序：将源程序的一条语句翻译成机器语言程序，并立即执行，接着再翻译源程序的下一条语句并执行，如此重复直至完成源程序的全部翻译任务。它的特点是翻译一次执行一次。计算机语言程序是计算机语言的具体体现，是用某种计算机程序设计语言按问题的要求编写而成的。程序就是指令的有序集合。1、机器语言：由0和1按一定规则排列组成的一个指令集；它是计算机唯一能识别和执行的语言。优点是执行效率高、速度快。主要缺点是直观性差，可读性不强2、汇编语言：用助记符来表示机器指令中的操作码和操作数的指令系统。可读性增强，执行速度快，但仍是一种面向机器的语言，编制程序的效率不高，难度较大，维护较困难，属低级语言。3、高级语言：一种更接近于人类自然语言和数学语言的语言，用高级语言编写程序可以大大减少编程人员的劳动，因此它也具有较好的可移植性。源程序机器语言程序运行结果编译、汇编、连接解释计算机运行程序的过程1.3计算机系统层次结构应用程序语言处理程序及其它系统软件操作系统级机器指令系统微程序设计级（硬件）使用计算机解题的过程1、提出问题和任务；2、建立模型，用适合于程序设计的方式描述算法过程；3、用某种语言编制程序；4、编译为机器语言程序；5、在硬件上执行程序，实现任务。1.4计算机主要技术指标1、机器字长CPU一次能处理的数据位数2、存储容量存储容量=存储单元个数×存储字长单位：字节1字节（B）=8位度量：1K=2101M=2201G=2303、运算速度（MIPS、CPI、FLOPS）4、可配置的外设1.5计算机的发展体积缩小，性能提高外设的发展：种类多样化，功能增强计算机网络多媒体技术多处理器系统人工智能家庭自动化本章小结计算机分类：按信息流的分类方法：SISD、SIMD、MISD和MIMD结构，按使用范围分类：通用计算机和专用计算机按规模和处理能力来分类：巨型机、大/中型机、小型机、微型机、工作站和服务器。计算机系统组成：由硬件系统和软件系统组成。VonNeumann计算机体系结构的计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。软件系统包括系统软件和应用软件。系统软件以操作系统为核心。计算机系统的层次结构：从底层向上层分别为：微程序级（硬件）、机器指令级（与硬件紧密相关）、操作系统级、语言处理程序及其他系统软件、应用软件。计算机系统的硬件性能指标：包括机器字长、存储器容量、运算速度和配置外设等。课件制作：王亮2010年10月