.,1,計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,.,2,4.1.1計算機的邏輯（功能）結(jié)構(gòu),一個完整的計算機系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成的，人類通過計算機軟件使用計算機。通過軟件的包裝，人們可以不必太多地了解機器本身的結(jié)構(gòu)與原理，就可以方便靈活地使用計算機。認識和理解計算機硬件系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理，有利于在此基礎(chǔ)上更好地理解軟件系統(tǒng)中的各種概念，以及各種操作要求的必然性。從而，深刻認識計算機及其操作使用。硬件（Hardware）系統(tǒng)是構(gòu)成計算機的物理裝置，是看得見、摸得著的一些實實在在的有形實體。硬件是整個系統(tǒng)運行的物理平臺，計算機的性能，如運算速度、存儲容量、計算精度、可靠性等，很大程度上取決于硬件的配置。,.,3,圖4.1計算機硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。,.,4,現(xiàn)代電子計算機的奠基人：,英國科學(xué)家艾蘭圖靈（AlanMathisonTuring）圖靈機（TuringMachine，TM）：1936年提出了現(xiàn)代通用數(shù)字計算機的數(shù)學(xué)模型。這是一個描述計算步驟的數(shù)學(xué)模型，使用這種抽象計算機可以把復(fù)雜的計算過程還原為十分簡單的操作圖靈測試（TuringTest）：1950年，如果一臺機器對于質(zhì)問的響應(yīng)與人類做出的響應(yīng)完全無法區(qū)別，則該機器就具有智能。它奠定了人工智能的理論基礎(chǔ)。,.,5,美籍匈牙利科學(xué)家馮諾依曼（VonNeumann）,在1946年提出了關(guān)于計算機組成和工作方式的基本設(shè)想，可以歸納為如下幾點：（1）計算機硬件設(shè)備由存儲器、運算器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成，并對其基本功能做了規(guī)定。（2）計算機內(nèi)部采用二進制數(shù)碼來表示指令和數(shù)據(jù)，每條指令由一個操作碼和一個地址碼組成，其中操作碼表示所做的操作性質(zhì)，地址碼則指出被操作數(shù)在存儲器中的存放地址。（3）采用存儲程序的概念，即將編制好的程序（由計算機指令組成的序列）和原始數(shù)據(jù)存入計算機的主存儲器中，使計算機在工作時能夠連續(xù)、自動、高速地從存儲器中取出一條條指令執(zhí)行。,.,6,CPU,馮諾依曼設(shè)計思想確立了現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)，并第一次提出了“存儲程序”的概念。,圖4.2馮諾依曼計算機結(jié)構(gòu)示意圖,.,7,運算器又稱算術(shù)邏輯部件（ALUArithmeticalLogicUnit），是進行算術(shù)運算和邏輯運算的部件。算術(shù)運算：指按照算術(shù)規(guī)則進行的運算，如加、減、乘、除、求絕對值等；邏輯運算：泛指非算術(shù)性質(zhì)的運算，如比較大小、移位、邏輯加等。運算器在控制器的控制下，對取自內(nèi)存儲器的數(shù)據(jù)進行算術(shù)和邏輯運算。在計算機中，各種復(fù)雜的運算被分解為一系列算術(shù)運算和邏輯運算，由ALU執(zhí)行。運算器每次執(zhí)行什么操作是由當前指令的操作碼來確定的。,1）運算器,.,8,2）控制器,控制器（Controller）是計算機的控制指揮中心，計算機的神經(jīng)中樞。它的基本功能是從內(nèi)存儲器中取出指令并對指令進行分析、判斷，并根據(jù)指令發(fā)出相應(yīng)的各種控制信號，使計算機的有關(guān)設(shè)備或電子器件有條不紊地協(xié)調(diào)工作，保證計算機能自動、連續(xù)地工作。中央處理器即CPU（ControlProcessingUnit）：控制器和運算器合稱為CPU，是計算機的核心部件。CPU中還包括若干寄存器，用來存放運算過程中的各種數(shù)據(jù)、地址或其他信息。,.,9,寄存器的種類很多，主要的有：（1）通用寄存器向ALU提供運算數(shù)據(jù)，或保留運算結(jié)果。一般CPU有多個通用寄存器。（2）累加器A這是一個使用相對頻繁的特殊的通用寄存器，有重復(fù)累加數(shù)據(jù)的功能。（3）程序計數(shù)器PC存放將要執(zhí)行的指令的地址。（4）指令寄存器IR存放根據(jù)PC的內(nèi)容從內(nèi)存儲器中取出的指令。,.,10,存儲器（Memory）是有記憶能力的部件，用來保存程序和數(shù)據(jù)。,3）存儲器,內(nèi)存儲器（也稱主存儲器，簡稱內(nèi)存或主存）可以和CPU直接相連，用來存放當前要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，以便快速向CPU提供信息。內(nèi)存儲器一般采用半導(dǎo)體材料制造。外存儲器（也稱輔助存儲器，簡稱外存），一般需要通過特殊接口與CPU連接。外存儲器用來存放當前暫不參加運行而又需要長期保留的程序和數(shù)據(jù)。存放在外存的程序必須調(diào)入內(nèi)存才能運行。軟盤、硬盤和光盤都屬于外存儲器。,.,11,將信息存入存儲器謂之“寫入”（Write）；從存儲器取出信息稱為“讀出”（Read）。,存儲器的操作有寫入操作和讀出操作兩種：,為了便于對存儲器中存放的信息進行管理，整個內(nèi)存被劃分成許多存儲單元，每個存儲單元都有一個編號，此編號稱為地址（Address）。,.,12,位、字節(jié)、字等,（1）位(bit，縮寫為b)：二進制的每一位(“0”或“1”)是二進制信息的最小單位。,（2）字節(jié)(Byte,縮寫為B)：一個字節(jié)由8位二進制代碼組成，它們從左到右排列為：b7b6b5b4b3b2b1b0其中b7是最高位，b0是最低位。字節(jié)是信息存儲的基本單位，存儲單元的地址也通常按字節(jié)編排。,（3)字(Word)：又稱計算機字，是可作為獨立的信息單位進行處理的若干位的組合，其包含的二進位個數(shù)稱為字長。字長一般是字節(jié)的整數(shù)倍。,.,13,存儲器的容量指它能存放的二進制位或字節(jié)數(shù)，常用的計量單位有KB（千字節(jié)，K為210），MB（兆字節(jié)，B為220），GB（千兆字節(jié)，G為230）等。,4）輸入設(shè)備輸入設(shè)備就是將程序、命令或數(shù)據(jù)等信息輸入到計算機的裝置。輸入設(shè)備把它們轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的形式，存放在內(nèi)存中。常用的輸入設(shè)備有鼠標、鍵盤、掃描儀、數(shù)字化儀等。5）輸出設(shè)備輸出設(shè)備是將計算機處理后的結(jié)果（通常在內(nèi)存）進行輸出的設(shè)備。輸出結(jié)果要轉(zhuǎn)換成人們能夠接受的形式，例如數(shù)據(jù)、文字、圖形、表格等。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀等。,.,14,就是計算機各部件之間傳送信息的公共通道，使構(gòu)成計算機的各功能部件成為一個可工作的系統(tǒng)，,圖4.3總線與各功能部件的連接示意圖。,6）總線（BUS）,.,15,412微型計算機的組成,1）CPU,1971年，Intel公司把運算器和邏輯控制功能集成在一起，用一片芯片實現(xiàn)了中央處理器的功能，制成了世界上第一片微處理器（MPUMicroProcessingUnit）Intel4004。它再加上存儲器組成了4位微型電子計算機MCS-4，隨后，許多公司競相研制微處理器，相繼推出了8位、16位、32位微處理器。,1981年美國IBM公司推出采用Intel微處理器芯片的IBMPC（personalcomputer）個人計算機，隨后又相繼推出IBMPCXT、PC286、386、486、Pentium和PentiumPro等一系列微型計算機。,.,16,Apple公司一直堅持開發(fā)自己的PC機系列，如Apple和Apple等8位PC機以及包括多種機型的Macintosh（簡稱Mac）系列，以其獨特的界面風(fēng)格，在16位和32位PC機市場上也占有一席之地。,DEC公司推出的Alpha211，IBM、Motorola、Apple三家公司聯(lián)合推出的Power-PC體系結(jié)構(gòu)均為64為微處理器芯片,.,17,衡量CPU性能的主要技術(shù)指標有：,（1）CPU字長指CPU內(nèi)部各寄存器之間一次能夠傳送的數(shù)據(jù)位，即在單位時間內(nèi)能一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)。該指標反映CPU內(nèi)部運算處理的速度和效率。（2）運算速度用每秒鐘能夠執(zhí)行多少條指令來表示。通常用單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)來衡量，并以MIPS（MillionInstructionsPerSecond）作為計量單位；或用每秒浮點運算次數(shù)FLOPS（FloatingPointOperationPerSecond）來表示。（3）工作頻率CPU的工作頻率也稱為CPU的主頻，指CPU內(nèi)核電路的實際運行頻率，主頻越高，其處理速度也越快。（4）CPU的生產(chǎn)工藝技術(shù)通常用m來描述，精度越高表示其生產(chǎn)工藝越先進，在同樣體積的硅材料上可以集成的元件也越多，主頻也越高。,.,18,2）內(nèi)存儲器,內(nèi)存一般使用半導(dǎo)體材料制造，存取速度較快，容量較小，成本較高；而外存通常以磁性材料和其他材料制造，容量較大，速度較慢，成本較低。,暫存中間結(jié)果,Cache,通常指內(nèi)存,與CPU的通信需要經(jīng)過專門的接口,.,19,內(nèi)存按其功能特征可以分為：,1.隨機存取存儲器（RandomAccessMemory，RAM）可以被隨機訪問，大多采用MOS型半導(dǎo)體集成電路芯片制成。當關(guān)機或斷電時，保存在存儲器中的信息將隨之丟失。又分為：（1）靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）：它的體積較大，功耗大，制造成本較高，價格較貴；但是存取速度快，能與CPU芯片的工作保持同步，適合用作高速緩沖存儲器。（2）動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）：集成度高，功耗低，作成本較低，被廣泛采用作為主存。,.,20,2.只讀存儲器（ReadOnlyMemory，ROM）兩類。只讀存儲器是一種只取不存的存儲器。一般由計算機制造廠家將信息寫入ROM中，用戶是無法修改的。即使停電，ROM中的信息也不會丟失，是非易失性存儲器。,.,21,（2）高速緩沖存儲器（Cache）,Cache設(shè)立的依據(jù)是程序訪問的局部性原理，即在一個較短時間間隔內(nèi)，CPU執(zhí)行的指令和處理的數(shù)據(jù)往往集中存放在存儲器的局部范圍內(nèi)，對該局部范圍的存儲器地址訪問頻繁，而此范圍外的地址訪問較少。如果把在一定地址范圍內(nèi)被頻繁訪問的指令和數(shù)據(jù)從內(nèi)存復(fù)制到Cache中，當CPU要訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時，先在Cache中進行查找，若Cache中有CPU所需的數(shù)據(jù)（稱為“命中”），CPU就直接從Cache中讀取；否則再從內(nèi)存中讀取，并將與該數(shù)據(jù)相關(guān)的一部分內(nèi)容復(fù)制到Cache中。這樣在一個時間間隔內(nèi)，CPU將不會或很少去訪問速度較慢的內(nèi)存，可以加快程序的運行。,.,22,3）系統(tǒng)主板,主板上的部件包括控制芯片組、CPU、Cache、BIOS芯片、I/O接口、內(nèi)存儲器插槽、總線擴展槽、鍵盤和鼠標接口、軟盤接口、IDE（ATA）接口（用于連接硬盤和光驅(qū)）、可充電電池以及各種開關(guān)和跳線等。一體化主板上還有多媒體和通信設(shè)備接口。,圖4.8是系統(tǒng)主板的布局結(jié)構(gòu)。,.,23,4）總線與接口,計算機的各個功能部件是通過總線實現(xiàn)相互通信的，總線的主要特征是共享傳輸介質(zhì)。接口是外部設(shè)備與計算機連接的端口。,1.總線分為三種：（1）數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）用來傳送數(shù)據(jù)，其位數(shù)一般與微處理器字長相同。數(shù)據(jù)總線具有雙向功能。通過它可以實現(xiàn)CPU、存儲器和輸入輸出接口之間的數(shù)據(jù)交換。（2）地址總線AB（AddressBus）用來傳送地址信息。它是單向傳送的，用來把地址信息從CPU單向地傳送到存儲器或IO接口，指出相應(yīng)的存儲單元或IO設(shè)備。16位AB能直接尋址的存儲空間為216，存儲地址編址范圍為0000HFFFFH。,.,24,（3）控制總線CB（ControlBus）用來傳輸控制信號。這些控制信號控制著計算機按一定的節(jié)拍，有規(guī)律地自動工作?？刂瓶偩€的多少因不同性能的CPU而異。,.,25,目前微型計算機上常見的總線結(jié)構(gòu)有：,ISA（IndustryStandaraArchitecture）總線ISA是工業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線，數(shù)據(jù)傳送寬度是16位，工作頻率為8MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率最高為8MB/s，尋址空間為1MB。它在80286至80486時代廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在的機器中也還保留有ISA總線插槽。,PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線外部設(shè)備互聯(lián)總線PCI，也稱局部總線，它在CPU與外部設(shè)備之間提供了一條獨立的數(shù)據(jù)通道，使每種設(shè)備都能直接與CPU聯(lián)系，各種設(shè)備都能同時工作。數(shù)據(jù)傳送寬度是32/64位，,AGP（AcceleratedGraphicsPort）總線AGP總線是為了適應(yīng)圖象和視頻傳輸?shù)男枰瞥龅目偩€，又稱加速圖形端口總線。總線寬度為32位。,.,26,2計算機與外部設(shè)備接口,必須使用外部接口的原因：CPU和I/O設(shè)備兩者的信息類型和格式不一樣,必須通過I/O接口來進行緩沖和協(xié)調(diào)。CPU與I/O設(shè)備信號傳輸處理信號的速度往往不匹配，信號時序有很大差別，必須通過I/O接口來進行緩沖和協(xié)調(diào)。,圖4.12微處理器、總線、存儲器、接口電路和外部設(shè)備的邏輯關(guān)系,.,27,I/O接口除了完成主機與外設(shè)之間的通信之外，還應(yīng)具有以下功能：,作為主機與I/O設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)的緩沖。信號轉(zhuǎn)換功能?？刂坪投〞r功能錯誤或狀態(tài)檢測常見的接口有串行與并行接口:串行接口在一個方向一次只能傳輸一位數(shù)據(jù)，傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)必須一位一位地依次傳送。磁盤接口:在微型計算機中使用最廣泛的硬盤接口標準是IDE和SCSIUSB接口IEEE1394接口：按串行方式通信，數(shù)據(jù)傳輸速度極高，適用于各種高速設(shè)備。,.,28,5）常用輸入與輸出設(shè)備,.,29,.,30,硬盤的主要性能指標如下：,容量以千兆字節(jié)為單位，計算公式為：硬盤容量=磁頭數(shù)柱面數(shù)扇區(qū)數(shù)扇區(qū)容量存儲密度是指單位長度或單位面積磁層表面所存儲的二進制信息量，可用道密度和位密度來表示。數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時間內(nèi)磁盤與主機之間傳送數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)或字節(jié)數(shù)。平均存取時間指從發(fā)出讀寫命令后，磁頭從原始位置移動到磁盤上所要求讀寫的記錄位置，并準備寫入或讀出數(shù)據(jù)所需要的時間。cache容量高速緩沖存儲器能有效地提高硬盤的數(shù)據(jù)傳輸性能，理論上cache的速度越快越好，容量越大越好。目前多為1MB或2MB的。,.,31,42計算機的工作原理,馮諾依曼機工作原理：存儲程序和程序控制存儲程序指人們必須事先把計算機的執(zhí)行步驟序列（即程序）及運行中所需的數(shù)據(jù)，通過一定方式輸入并存儲在計算機的存儲器中。程序控制指計算機運行時能自動地逐一取出程序中一條條指令，加以分析并執(zhí)行規(guī)定的操作。,計算機是依靠硬件和軟件的配合進行工作的，計算機工作過程就是指令、程序的執(zhí)行過程。,.,32,421指令和指令系統(tǒng),1）指令能夠被計算機識別并執(zhí)行的命令稱為指令，指令規(guī)定了計算機能完成的某一種操作。指令由二進制代碼組成，可像數(shù)據(jù)一樣存放在計算機的存儲器中。一條指令一般包含操作碼和操作數(shù)兩部分。,操作碼指明該指令要完成的操作，例如，加法、減法、乘法、除法、取數(shù)、存數(shù)等。操作數(shù)表示操作對象的內(nèi)容或所在的存儲單元地址。操作數(shù)的個數(shù)可以是1個、多個或0個（例如停機指令不需要操作數(shù)的信息）。,.,33,2）指令系統(tǒng),指令系統(tǒng)：指一臺計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合，或稱該計算機的機器語言指令系統(tǒng)。按其功能都可將指令系統(tǒng)分為以下幾種類型：,（1）數(shù)據(jù)傳送指令實現(xiàn)數(shù)據(jù)在內(nèi)存與CPU之間的傳送。（2）數(shù)據(jù)處理指令實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算。（3）程序控制指令實現(xiàn)改變程序執(zhí)行順序的功能。（4）輸入輸出指令實現(xiàn)CPU與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。（5）其他指令實現(xiàn)對計算機硬件的管理。,.,34,3）（匯編語言）程序,為解決某一個問題而設(shè)計的指令序列稱為程序。當人們需要用計算機來解決某個問題時，首先要將問題分解為若干個基本操作，并把每一種基本操作轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的指令，按一定的順序進行編排。當計算機執(zhí)行這一指令序列時，就完成了預(yù)定的任務(wù)。一臺計算機的指令種類是有限的，但是通過人們的精心設(shè)計，可以編寫出完成各種不同類型問題的程序。,.,35,422指令的執(zhí)行過程,計算機執(zhí)行一條指令的過程可以分為幾個基本的步驟：（1）取指令根據(jù)程序計數(shù)器中的地址，從內(nèi)存儲器中取出指令，并送到指令寄存器中。（2）分析指令對指令寄存器中的指令進行分析，由譯碼器對指令中的操作碼部分進行譯碼，得知該條指令要完成什么樣的操作，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制電位信號；由操作數(shù)部分得到操作數(shù)。（3）執(zhí)行指令由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需要的一系列