计算机基础知识13 计算机系统是如何组成的

Click to edit Title Slide,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,1,1.3,计算机系统是如何组成的,?,杨俊生,Email: yjsm,Telephone: 65783332,中国传媒大学计算机与网络中心,2,计算机系统组成,概述,计算机硬件系统,计算机软件系统,3,计算机系统组成,概述,计算机硬件系统,计算机软件系统,4,计算机之父,冯,诺依曼,约翰,冯,诺依曼,John von Neumann,1903,1957,美藉匈牙利科学家,被誉为,计算机之父,5,补充资料,计算机发展的关键人物,6,冯,诺依曼计算机,(1),1945,年,6,月冯,诺依曼在一篇论文中第一次提出了计算机三个主要思想：,计算机的基本组成,采用二进制进行信息表示,存储程序原理,从而形成了目前的计算机体系结构,7,冯,诺依曼计算机,(2),计算机是由五大部件组成,运算器,控制器,存储器,输入设备,输出设备,8,冯,诺依曼计算机,(3),计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。,计算机是利用“存储器”（内存）,以,二进制,的形式来存放所要执行的程序和数据的（,将数据和程序同样看待,）,称之为,CPU 的部件可以,自动地,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，直至完成全部指令任务为止。,9,计算机系统,硬件系统,软件系统,计算机系统,10,硬件,系统,主机,外设,中央处理器,内存储器,运算器,控制器,输入设备,输出设备,外存储器,其他设备：网卡、,Modem,11,软件,系统,系统,软件,操作系统,网络软件、数据库管理系统,语言编译和解释系统,程序设计语言,系统服务程序,(,诊断程序等,),应用,软件,程序库、数据库应用系统等,各种用户程序等,12,计算机系统组成,概述,计算机硬件系统,计算机软件系统,13,计算机硬件组成,什么是硬件？,存储器,运算器,控制器,输入,/,输出设备,总线,14,计算机硬件组成,什么是硬件？,存储器,运算器,控制器,输入,/,输出设备,总线,15,什么是硬件？,计算机硬件,(Hardware),是指计算机系统中由电子线路和各种机电物理装置组成的实体，它是计算机实现其功能的物质基础。,硬件,是看得见、摸得着的设备。,16,计算机硬件组成,什么是硬件？,存储器,运算器,控制器,输入,/,输出设备,总线,17,存储器,(Memory),存储器,是计算机用来存放程序和原始数据的记忆装置。,18,存储器的基本功能,按指定位置,存进（写入）,或,取出（读出）,信息,存储器的工作就是,在,运算之前,存储外界送来的程序和数据,在,运算过程中,，向计算机提供指令和数据信息、保存中间结果,运算结束后,，保存运算结果。,19,存储器的分类,按照与主机的关系来分,内存储器（内存，主存）,外存储器（外存，辅助存储器）,按照读写功能来分,随机存储器,Random Access Memory-RAM,只读存储器,Read Only Memory-ROM,20,内存储器,设置在计算机主机中，用于存放当前要用的数据和程序,半导体介质,存取速度快、价格相对较贵,容量不能做得太大，因而存放信息有限,直接为,CPU,提供数据和指令,21,外存储器,设置在计算机的外部，如磁盘，磁带等，用于存放当前暂时不用的信息，而需要时才调入主机,价格相对便宜一些,容量大，存放信息量比内存多得多,速度相对较慢,不能直接同,CPU,打交道,外存储器又叫,辅助存储器,（辅存）或,二级存储器,22,随机存储器,既能读出也能写入信息,适合于存放用户程序和数据,因为这类信息是经常变化的,断电后，,RAM,中的信息会立即,丢失,23,只读存储器,只能读出而不能写入的存储器,通常用来存放那些固定不变、不需修改的程序和数据,断电后，,ROM,中的信息,不丢失,24,思考题,请比较一下内、外存储器的异同,请比较一下随机存储器与只读存储器的异同,为什么我们编辑完一篇文章后要正确保存为文件呢？,25,有关存储器的一些重要概念,地址,位,字节,编址,存储容量,存储容量的单位,26,地址,(address),内存储器包括很多存储单元，被存储的信息分别存放在这些单元中，为了能按指定的位置进行存取，每个单元都有自己的,编号,，这个编号我们称之为,地址,。当计算机要把一个信息代码存入某存储单元或从某存储单元中取出时，首先要知道该单元的地址，然后由计算机“查找”与该地址对应的存储单元，查到后才能存取,门牌号,27,位（,bit,）,位是度量数据的,最小单位,，表示,一位二进制数字,28,字节,存储容量的基本单位,字节等于,8,个,bit,（位,二进制位）,0 1 0 1 0 1 0 1,29,编址（,addressing,）,给存储单元一个地址（门牌号）,编址单位,字节,字,30,存储容量,存储器所包含的存储单元总数,00000H,00001H,FFFFFH,31,存储容量的单位,Byte,KB,MB,GB,TB,32,换算关系,1 KB= 1024 byte=2,10,byte,1 MB =1024 KB=2,20,byte,1 GB=1024 MB=2,30,byte,1 TB=1024 GB=2,40,byte,存储容量的单位,换算,33,计算机硬件组成,什么是硬件？,存储器,运算器,控制器,输入,/,输出设备,总线,34,运算器,(ALU),运算器,是对二进制数据进行,算术运算,、,逻辑运算,的部件，所以也称为,算术逻辑部件,（,ALU-Arithmetical and Logical Unit,），简称,算逻部件,35,算术逻辑运算,二进制数的算术运算,二进制数的按位运算,二进制数的移位运算,36,算术运算,二进制数的算术运算,(,以加法为例,),逢二进一，借一当二,0,0,0,0,1,0,1,0,1,0,1,1,1,1,0,1,+,1,1,0,0,0,1,1,1,37,逻辑运算,与（,AND,）,T,与,F,F,与,T,F,与,F,T,与,T,或（,OR,）,T,或,F,F,或,T,F,或,F,T,或,T,非（,NOT,）,非,T,非,F,38,逻辑运算,异或（,XOR,）,T,异或,F,F,异或,T,F,异或,F,T,异或,T,思考：,如果用,1,表示,T,，,0,表示,F,，那么各种运算的式子应该怎样写？,39,按位运算,按位与,0,0,0,0,1,0,1,0,1,0,1,1,1,1,0,1,与,0,0,0,0,1,0,0,0,40,按位运算,按位或,0,0,0,0,1,0,1,0,1,0,1,1,1,1,0,1,或,1,0,1,1,1,1,1,1,41,按位运算,按位取反,1,0,1,1,1,1,0,1,取反,0,1,0,0,0,0,1,0,42,按位运算,按位异或,1,0,1,1,1,1,0,1,异或,1,0,1,1,0,1,1,1,0,0,0,0,1,0,1,0,43,移位运算,左移,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,1,0,1,0,0,44,移位运算,右移,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,1,0,1,0,0,45,有关运算器的一些概念与术语,操作数,加法器,寄存器,累加器,字长,46,操作数,(Operand),参加运算的数,在控制器的统一指挥下从存储器内取到运算器,47,加法器,(adder, summer),计算机内各种运算操作均可归结为,相加,和,移位,这两个基本操作，能完成这些操作的器件叫做,加法器,，它是运算器的核心,48,寄存器,(register),为了能将操作数暂时存放，能将每次运算的中间结果暂时保留，运算器还需要若干个,寄存数据的器件,一般情况下，没有写入新数据之前，寄存器中的数据不变,49,累加器,(accumulator),若一个寄存器既保存本次运算的结果又参与下次的运算，则它的内容是多次累加的和，我们称这种寄存器为,累加器,50,字长,(word length,word size),运算器,一次,所能处理的运算数（二进制数）的基本位数,一般等于,运算器中寄存器所能容纳数据的位数（二进制数）,Very Important,51,计算机硬件组成,什么是硬件？,存储器,运算器,控制器,输入,/,输出设备,总线,52,控制器,(Control Unit),什么是控制器？,控制器的基本功能,控制器的组成,53,什么是,控制器,？,控制器,是整个机器的,控制中心,存储器进行信息的存取,运算器进行各种运算,信息的输入和输出,都是在控制器的,统一指挥,下进行的,54,控制器的基本功能,取出指令、译码和执行指令,55,控制器的组成,程序计数器,指令寄存器,指令译码器,时序控制电路,操作控制部件,56,程序计数器,PC ( Program Counter ),一般情况下组成程序的指令在存储器中是依次存放的，为了决定程序的执行顺序，必须设置一个具有计数功能的,指令地址寄存器,57,指令寄存器,IR ( Instruction Register ),暂时保存取出的指令的寄存器,58,指令译码器,Instruction Encoder,分析解释指令的操作性质，识别指令的功能,59,时序控制电路,控制器控制全机执行一条指令所需要的时间叫一个,指令周期,。在一个指令周期内，控制器要依次发出取出指令、分析指令、执行指令和为取下条指令做准备的控制命令，而且要求这些命令自动协调地产生，时序控制电路就是完成这一任务，它使得指令功能按步骤、按时间顺序加以实现,60,操作控制部件,它是控制器中最主要的部件。它可以产生一系列操作控制信号（即控制信息流），送到有关部位，引起相应的动作，协调各部件工作，对数据进行加工、运算和传送，从而准确无误地起到控制全局的作用,61,计算机硬件组成,什么是硬件？,存储器,运算器,控制器,输入,/,输出设备,总线,62,输入,/,输出设备,输入设备,输出设备,63,输入设备,Input Device,输入设备主要作用是把用户准备好的,数据、程序,等信息,转变成,计算机能接受的电信号送进计算机。,例如，最常见的输入设备是,键盘,，用键盘输入信息时，按下其每一个键都能产生相应的电信号送入计算机,64,输出设备,Output Device,输出设备是把计算机的运算结果或工作过程以人所要求的形式表达出来的装置。,如可将计算的结果通过打印机打印在纸上，可将绘制的图形通过显示器显示在屏幕上，或通过绘图仪绘制在纸上。,常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等,65,一些重要概念,中央处理器（,Central Processing Unit-CPU,）,运算器,和,控制器,是计算机的核心，常将它们合在一起称为,中央处理器,主机,CPU,和,主存储器,一起常被称为计算机的,主机,外部设备（外设）,辅助存储器,和,输入输出设备,统称为计算机的,外部设备,66,计算机硬件组成,什么是硬件？,存储器,运算器,控制器,输入,/,输出设备,总线,67,总线,计算机的五大部件彼此之间不是孤立存在的，它们要在控制器的控制之下协调统一地工作，这就要求各大部件之间要传递信息，所以五大部件之间就用一条,总线,连接起来。,其实，一条总线并不是一根，而是很多根。我们根据它们传递的信息不同而把它们分为三组,68,计算机总线的种类,数据总线,( Data Bus-DB ),数据总线上传递的是,数据,地址总线,( Address Bus-AB ),地址总线上传递的是,存储地址,控制总线,( Control Bus-CB ),控制总线上传递的是,控制信号,69,内存,外存,CPU,I/O,设备,总线,70,计算机系统组成,概述,计算机硬件系统,计算机软件系统,71,计算机软件系统,什么是软件？,软件与硬件间的关系,软件的分类,计算机语言与语言处理程序（略）,操作系统,72,什么是软件？,软件,(software),泛指,程序,、运行时所需,数据,以及与程序有关的,文档资料,。,通俗一点说，软件就是,程序,和,数据,73,软件的基本功能,软件系统着重研究如何管理机器和使用机器的问题，也就是研究怎样通过软件的作用更好地发挥计算机的功能,74,一个基本概念,一个实际问题的解决方法,硬件实现,软件实现,75,软件与硬件间的关系,硬件与软件相互依存、不可分割,软件无硬件支持无法实现其功能，将是无源之水,硬件脱离软件便不能有效工作，成为一堆废物,软件在很大程度上决定计算机整体功能的发挥,硬件和软件共同组成计算机系统,76,软件,硬件,(,裸机,),软件与硬件的关系,77,软件的分类,软件,系统,系统,软件,操作系统,网络软件、数据库管理系统,语言编译和解释系统,程序设计语言,系统服务程序,(,诊断程序等,),应用,软件,程序库、数据库应用系统等,各种用户程序等,78,系统软件,(1),系统软件是支持程序人员能方便地使用和管理计算机的软件，它的功能是对整个计算机系统进行调度、管理、监视和服务，为用户使用机器提供方便，并可扩充机器功能，提高机器的使用效率,79,系统软件,(2),系统软件一般是由计算机厂商在出厂时提供的，主要有：,操作系统,汇编程序,高级语言编译程序,故障诊断程序,数据库管理程序,控制程序,80,应用软件,应用软件是由计算机用户利用计算机的软硬件资源为某一专门应用目的而开发的程序。如：,工资管理程序,人事档案管理程序,图书管理与检索系统,库存管理程序,81,系统软件与应用软件的关系,应用软件,系统软件,硬件,(,裸机,),82,系统软件与应用软件的关系,从图中我们可以看出,软件是在硬件基础上对硬件功能的扩充与完善,系统软件是对计算机硬件功能的完善与扩充,应用软件是对系统软件的进一步完善,83,计算机语言（后面再讲）,计算机语言的发展,计算机高级语言简介,语言处理程序,84,操作系统,操作系统的功能,常用操作系统简介,85,操作系统的功能,操作系统,(Operating System, OS),是控制和管理计算机硬件和软件资源（处理器，存储器，输入输出设备；程序和数据），合理地组织计算机工作流程以及方便用户的,程序的集合,。它是软件的核心，现在所有的计算机都配置了操作系统,功能,资源管理功能（管理员）,对用户服务的功能（服务员）,86,操作系统的资源管理功能,计算机资源包括,硬件资源,CPU,存储器（内存和外存）,输入输出设备,软件资源,程序,数据,87,操作系统对用户服务的功能,如果计算机配置了操作系统，那么用户在操作计算机时，就不必掌握计算机的指令系统、硬件结构，把对软件和硬件的操作大部分交给操作系统来完成（操作系统就象是一个,管家婆,），从而明显改善了用户的工作环境，提高了用户的工作效率,88,常用操作系统简介,DOS,操作系统,Windows,操作系统,Unix,操作系统,Linux,操作系统,