大学计算机基础第2章-计算机系统(非师范B讲稿)

1主讲教师:杜云-----西南大学计算机与信息科学学院E-mail：[e-mail]2第二章计算机系统2.1计算机系统概述2.2计算机硬件系统和工作原理2.3计算机软件系统2.4微型计算机硬件组成32.1计算机系统概述系统软件应用软件计算机系统=硬件系统+软件系统硬件软件4计算机系统的组成硬件系统软件系统运算器：执行各种算术运算和逻辑运算控制器：控制程序运行，协调各部件动作存储器：存储指令和数据输入设备：接受用户的指令和数据输出设备：呈现程序运行结果系统软件：面向系统应用软件：面向应用CPU（微处理器）内存：RAM、ROM外存：硬盘、软盘、CD-ROM键盘、鼠标、扫描仪……显示器（屏幕）、打印机……Windows、Unix、C……MSOffice、Photoshop、WPS……主机外设计算机系统52.2.1计算机硬件系统计算机硬件包括主机和外设主机外设输入设备输出设备外存设备网络设备2.2计算机硬件系统和工作原理6计算机系统的硬件组成(各部分的功能）冯.诺依曼思想：•二进制•程序与数据一样存放在内存•五大模块存储器数据流控制流运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器7(微）处理器控制器运算器控制整个计算机所有部件的工作执行算术运算和逻辑运算CPU8双（多）核处理器在2005年以前，主频一直是两大处理器巨头Intel和AMD争相追逐的焦点。而且处理器主频也在Intel和AMD的推动下，达到了一个又一个的高峰。就在处理器主频提升速度的同时，也发现在目前的情况下，单纯主频的提升，已经无法为系统整体性能的提升带来明显的好处，并且高主频带来了处理器巨大的发热量，Intel和AMD两家在处理器主频提升上，已经有些力不从心了。在这种情况下，Intel和AMD都不约而同地将目光投向了多核心的发展方向，在不用进行大规模开发的情况下，将现有产品发展成为理论性能更为强大的多核心处理器系统。双核处理器是指在一个处理器上集成两个运算核心，从而提高计算能力。“双核”的概念最早是由IBM、HP、Sun等支持RISC架构的高端服务器厂商提出的，主要运用于服务器上。而台式机上的应用则是在Intel和AMD的推广下，才得以普及。RISC的英文全称为“ReducedInstructionSetComputing”，中文即“精简指令集”，它的指令系统相对简单，目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU。9存储器存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合，每个记忆单元由8位二进制位组成，可读写其中的数据。存储器通常分为内存储器和外存储器存放大量信息的外存储器信息交流中心内存储器1110110111001101100011011110110111101001111011011110110111101101内存储器外存储器10每个记忆单元由8位二进制位组成。1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB字节--BYTE76543210位----Bit存储容量单位位11内存储器的访问过程111011011100110110001101111011011110100111101101111011011110110111101101111011011110110111101101100011011100110110001101111011010000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111地址0001控制:写数据1000000010000000存储器的访问过程：向[0001]单元写数据12输入输出设备常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。132.2.2计算机的工作原理•指令和指令系统•程序•计算机的一般工作过程•程序的执行方式14指令的概念------什么是计算机指令计算机在解题时,总是将复杂的解题过程分解成许多小的步骤〈语句〉，每一步骤可对应计算机的一个或一组基本操作。每一基本操作就是在设计计算机时规定电子线路能完成一条命令,称为指令。计算机完成一个最基本的操作的命令称为指令。例如：计算机在存储器中取出一个数据，称为取数指令，将两个单元内的数相加就是累加指令等等。指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码，完成一种操作。15操作码操作数数据传送指令数据处理指令•程序控制指令输入输出指令其它指令IfGoto……＋－×÷AndOr……CPU内存I/O设备主机对计算机的硬件进行管理等指令指令的结构分类操作码--要完成的操作类型或性质操作数--操作的内容或所在的地址指令的功能16指令举例机器语言指令：101100000000111115→累加器A001011000000101010+A→A11110100结束,停机汇编语言指令：MOVA,1515→累加器AADDA,1010+A→AHLT结束,停机C++语言指令：A=15+1010+A→ARETURN结束,停机17计算机的指令系统指令系统是指机器所具有的全部指令的集合。它反映了计算机所拥有的基本功能。通常我们说的加法指令、传输数据指令等等就是计算机的指令，这些指令就是告诉计算机从事某一特殊运算的代码，一种计算机系统所有的这些指令的集合就是这种机器的指令系统。指令系统与计算机的CPU相关，各种型号的CPU，其指令系统也不尽相同。18程序的概念•程序：为完成某个任务，按一定顺序组织在一起的指令序列•程序是让计算机按人们事先安排好(设计好)的流程进行工作序指令1指令2指令3指令n┊开始结束程19比较两个数大小机器语言程序地址机器指令注释-------------------------------------------0000B85F5F;取数据段地址00038ED8;设置数据段寄存器0005A10000;把数1(var1)的值送到ax寄存器00088B1E0002;把数2(var2)的值送到bx寄存器000C3BC3;比较两个数000E7207;如果数1小于数2则转移到001AH00108D16001C;取字符串'数1大于等于数2'的指针0014EB05;转显示00168D160004;取字符串'数1大于等于数2'的指针001AB409;调用DOS的显示字符串功能001CCD21;显示字符串001EB44C;退出程序0020CD2120标号汇编指令注释---------------------------------------------movax,data;取数据段地址movds,ax;设置数据段寄存器movax,var1;把数1(var1)的值送到ax寄存器movbx,var2;把数2(var2)的值送到bx寄存器cmpax,bx;比较两个数jble1;如果数1小于数2则转移到le1地址gr1:leadx,grea;取字符串'数1大于等于数2'的指针jmpdis;转显示le1:leadx,less;取字符串'数1大于等于数2'的指针dis:movah,9;调用DOS的显示字符串功能int21h;显示字符串movah,4ch;退出程序int21h比较两个数大小汇编语言程序21比较两个数大小的VB语言程序m=InputBox(输入数M)n=InputBox(输入数N)IfmnThenPrint大的一个数是,mElsePrint大的一个数是,nEndIf22二、计算机基本工作原理（过程）计算机的工作过程就是执行程序的过程计算机是在程序的控制下工作的人们事先编写设计好程序并将程序输入到计算机中存储起来CPU根据程序中的指令控制计算机各个部件工作各个部件根据指令码规定完成各种动作23指令的执行过程分为以下4个步骤：①取指令按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。②分析指令对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。③执行指令由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。④一条指令执行完成，指令计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到①。241.指令的串行执行指令的串行执行是当执行指令的三个部件依次全部完成后，才开始下一条指令的执行，在此过程中在执行某功能部件时，其他两个功能部件是不工作的。2.指令的并行执行指令的并行执行就是使这三个功能部件并行工作，则可提高计算机执行指令的速度，现在的计算机一般采用流水线技术。则有三条指令的并行执行均理论速度是串行执行的3倍取指令1分析指令1执行指令1取指令2分析指令2取指令3执行指令2分析指令n指令1t指令2指令3取指令1取指令执行指令分析指令(a)指令的串行执行25程序控制示意图中央处理器运算器控制器程序存储器程序程序程序程序程序程序程序指令指令指令指令指令指令指令26计算机基本工作原理–指令的执行演示计算机指令执行过程1.swf起始地址内存储器（2）（3）（1）（4）（1）内存储器程序计数器PC指令寄存器自动加1操作码07地址码0270译码器操作控制线路累加寄存器算术、逻辑运算部件地址内容………01000702700101………0270数据程序区数据区控制器运算器（2）（3）（1）（4）（1）内存储器程序计数器PC0100指令寄存器自动加1操作码07地址码0270译码器操作控制线路累加寄存器算术、逻辑运算部件地址内容………01000702700101………0270数据程序区数据区控制器运算器27计算机是如何工作的？读取指令输入设备控制器运算器存储器输出设备数据流控制流冯·诺依曼存储程序工作原理1、指令和数据用二进制表示2、自动执行事先编写并存储在内存中的程序28举例说明计算机的工作过程--1+1演示1+1工作过程.swf29◈程序与数据在计算机中均按二进制存储◈要执行的程序和处理数据，必须先存储在内存中◈在CPU的控制下，自动从存储器中取出指令并执行，完成各种动作。◈指令处理方式按逻辑顺序一条条指令地处理:在运行时，从内存中取出一条指令；按指令要求，从存储器中取出数据进行指定运算；按地址把结果送到内存中去。再取下一条指令，重复上述操作，直到结束为止。计算机工作原理小结以中央处理器为核心的程序控制的工作原理302.3计算机软件系统软件是指程序、程序运行所需要的数据以及开发、使用和维护这些程序所需要的文档的集合。操统作系语言处理程序实用程序系统软件用户312.3.1系统软件1.操作系统（第四章介绍）32机器语言特点：编程工作量大，难学、难记、难修改，只适合专业人员使用；由于不同的计算机，其指令系统不同，机器语言随机而异，通用性差，是面向机器的语言。机器语言优点：程序代码不需要翻译，所占空间少，执行速度快。现在已经没有人用机器语言直接编程了。2．程序设计语言与语言处理程序33机器语言事例例如，计算A=15+10的机器语言程序如下：1011000000001111：把15放入累加器A中0010110000001010：10与累加器A的值相加，结果仍放入A中11110100：结束，停机操作数操作码机器语言的缺点：编程工作量大，难学、难记、难修改，只适合专业人员使用；由于不同的计算机，其指令系统不同，机器语言随机而异，通用性差，是面向机器的语言。机器语言优点：程序代码不需要翻译，所占空间少，执行速度快。现在已经没有人用机器语言直接编程了。34汇编语言将机器指令的代码用英文助记符来表示，代替机器语言中的指令和数据。例如用ADD表示加、SUB表示减、JMP表示程序跳转等等，这种指令助记符的语言就是汇编语言。例如，计算A=15+10的汇编语言程序：MOVA，15：把15放入累加器A中ADDA，10：10与累加器A相加，结果存入A中HLT：结束，停机特点：汇编语言克服了机器语言难读等缺点，保持了其编程质量高，占存储空间少，执行速度快的优点。常用于过程控制等编程。汇编