第2章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和工作原理2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成2.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成2.3計(jì)算機(jī)軟件2.4計(jì)算機(jī)的工作原理2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件軟件中央處理器(CPU)：運(yùn)算器、控制器等連線及控制：主板等內(nèi)存：主存RAM、BIOSROM、緩存Cache等主機(jī)外設(shè)外存:磁盤、閃盤、光盤等輸入設(shè)備:鼠標(biāo)、鍵盤、攝像頭、麥克風(fēng)等輸出設(shè)備:顯示器、打印機(jī)等系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)：Windows、UNIX、Linux、iOS、AndroidOS等語(yǔ)言處理系統(tǒng):C++、Java、Python等語(yǔ)言翻譯系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：Oracle、SQLite等系統(tǒng)工具:診斷工具、整理工具等Word、Excel、QQ等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖器件與電路功能部件(運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備)指令集結(jié)構(gòu)(ISA)應(yīng)用軟件語(yǔ)言處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)系統(tǒng)工具計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)/虛擬機(jī)軟件硬件（程序+數(shù)據(jù)+文檔）（物理裝置總稱）計(jì)算機(jī)的邏輯組成：馮.諾依曼結(jié)構(gòu)運(yùn)算器+控制器+存儲(chǔ)器+輸入設(shè)備+輸出設(shè)備用二進(jìn)制數(shù)表示指令和數(shù)據(jù)用“存儲(chǔ)程序控制”工作方式輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)流控制流典型的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)2.2微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成輸入輸出設(shè)備CPU內(nèi)存條（主存）主板（總線）硬盤（外存）電源微型計(jì)算機(jī)的主板(總線)PCI-E總線插槽I/O接口插座內(nèi)存條插槽CPU插座硬磁盤鍵盤鼠標(biāo)光盤閃盤網(wǎng)線音箱麥克風(fēng)

CPUUSB控制器外存控制器CPU總線接口部件運(yùn)算器(ALU)控制器聲卡網(wǎng)卡寄存器堆處理器總線PCI-E擴(kuò)展槽顯示器

主機(jī)南橋芯片北橋芯片顯卡DMI總線PCI-E芯片組主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器總線I/O總線打印機(jī)外設(shè)外設(shè)操作碼地址碼指令的格式中央處理器(CPU)構(gòu)成：控制器,運(yùn)算器(ALU),寄存器,接口部件指令系統(tǒng)RISC:Power,SPAC,CRISP,AMD29000,ARM等CISC:x86,x86-64CPU接口部件指令cache數(shù)據(jù)cache程序計(jì)數(shù)器PC指令寄存器IR譯碼器……控制信號(hào)寄存器堆ALU數(shù)據(jù)或地址指令地址碼操作碼地址線數(shù)據(jù)線地址下址邏輯控制器時(shí)鐘脈沖intel酷睿i9CPU及插座內(nèi)存存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)寄存器&高速緩存(cache)主存概念:存儲(chǔ)單元,地址容量:KB,MB,GB,TB等開機(jī)內(nèi)存：BIOSROM&CMOS存儲(chǔ)器;UEFI內(nèi)存外存寄存器（SRAM）高速緩沖cache（SRAM）主存儲(chǔ)器（DRAM、ROM）輔助存儲(chǔ)器（磁盤、光盤、閃盤）后備存儲(chǔ)器（磁帶機(jī)、磁盤陣列等）CPU及接口內(nèi)主機(jī)速度容量位價(jià)格快小高慢大低微型計(jì)算機(jī)的層次化存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)外設(shè)內(nèi)存條和內(nèi)存條插槽10010010100110111101001010110011……1001011100000000000000010000001000000011……11111111地址存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)內(nèi)容主存儲(chǔ)器地址與存儲(chǔ)單元字選擇線W位線D1位線D0VccT5T6T1T2T3T4數(shù)據(jù)線(位線)地址線（字選擇）總線與I/O接口微機(jī)主板組成芯片組：南北橋芯片組;PCH單芯片總線(插槽)：CPU插座,內(nèi)存插槽,PCI-E插槽（PCI，PCI-Exn）性能:總線帶寬＝總線位寬×總線工作頻率×傳輸次數(shù)I/O接口：I/O控制器+I/O插座I/O控制卡顯卡:GPU+顯存+接口部件網(wǎng)卡聲卡:DSP,AD轉(zhuǎn)換器,電子合成器,混音器,接口部件等集成I/O接口USB接口PS/2接口,SATA接口視頻接口VGA、HDMI、DVI、DP網(wǎng)絡(luò)RJ-45接口音頻接口(開機(jī)內(nèi)存)PS/2DVIVGAUSB2.0HDMIRJ45音頻接口USB3.0主板上的SATA接口PCI-E總線插槽I/O接口插座內(nèi)存條插槽CPU插座硬磁盤鍵盤鼠標(biāo)光盤閃盤

CPUUSB控制器外存控制器CPU總線接口部件運(yùn)算器(ALU)控制器寄存器堆PCI-E擴(kuò)展槽PCH顯卡DMI主存I/O總線打印機(jī)顯示核心、PCI-E控制器、內(nèi)存控制器PCI-E存儲(chǔ)器總線顯示器主板總線&接口中央處理器內(nèi)存儲(chǔ)器系統(tǒng)總線I/O控制器外存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備I/O控制器I/O控制器I/O插座I/O插座外存儲(chǔ)器接口主機(jī)外設(shè)微型計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備外部輸入設(shè)備鍵盤:USB接口,PS/2接口鼠標(biāo):dpi/cpi掃描儀、攝像頭、數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝相機(jī):CCD,CMOS觸摸屏等其他傳感器外部輸出設(shè)備顯示器打印機(jī)外部存儲(chǔ)設(shè)備磁盤閃盤光盤感光器件CCD和CMOS3D鼠標(biāo)被測(cè)信號(hào)被測(cè)信號(hào)被測(cè)信號(hào)傳感器……傳感器預(yù)處理微處理機(jī)微處理器存儲(chǔ)器接口外部信號(hào)智能傳感器組成3D打印機(jī)讀寫磁頭磁盤盤片傳動(dòng)手臂傳動(dòng)軸主軸扇區(qū)磁道柱面閃存顆粒結(jié)構(gòu)

浮柵層控制柵絕緣層隧穿層--------SD針式打印機(jī)激光打印機(jī)噴墨打印機(jī)微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)運(yùn)算速度(MIPS,MFLOPS)吞吐率執(zhí)行時(shí)間:主頻,CPI,外頻,cache容量,內(nèi)核架構(gòu)字長(zhǎng)內(nèi)存儲(chǔ)器容量外存儲(chǔ)器容量外設(shè)及軟件配置2.3計(jì)算機(jī)軟件軟件分類系統(tǒng)軟件:操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、系統(tǒng)工具應(yīng)用軟件:辦公多媒體軟件、通訊軟件、存儲(chǔ)軟件、AI軟件操作系統(tǒng)作用:管理軟硬件資源,提供應(yīng)用程序接口,提供友好人機(jī)界面功能處理器管理(任務(wù)管理):帶優(yōu)先級(jí)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)內(nèi)存管理:虛擬內(nèi)存文件管理(外存管理):多層文件夾設(shè)備管理:輪詢,中斷,DMA常見操作系統(tǒng):DOS,Windows,Unix,Linux,macOS,iOS,HarmonyOS等

裸機(jī)操作系統(tǒng)語(yǔ)言處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)系統(tǒng)工具應(yīng)用軟件多層次計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)虛擬內(nèi)存（pagefile.sys）虛擬空間2虛擬空間1物理內(nèi)存程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言分類機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言:Fortran,BASIC,Pascal,C/C++,C#,Java,Python程序語(yǔ)言處理系統(tǒng):解釋,匯編程序語(yǔ)言構(gòu)成…,EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add,IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,temp=v[k];v[k]=v[k+1];v[k+1]=temp;lw$15,0($2)lw$16,4($2)sw$16,0($2)sw$15,4($2)10001100010011110000000000000000100011000101000000000000000001001010110001010000000000000000000010101100010011110000000000000100軟件硬件高級(jí)語(yǔ)言程序匯編語(yǔ)言程序機(jī)器語(yǔ)言程序編譯匯編指令集(InstructionSetArchitecture,ISA)機(jī)器解釋控制信號(hào)編譯程序操作系統(tǒng)應(yīng)用程序指令集結(jié)構(gòu)ISA最終用戶應(yīng)用程序員系統(tǒng)管理員系統(tǒng)程序員匯編程序CPU+主存+I/O數(shù)字設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件辦公軟件：MicrosoftOffice、WPSoffice、GoogleDocs、CajViewer、AdobeReader等圖像處理軟件:AdobePhotoshop、GIMP、美圖秀秀等圖形動(dòng)畫軟件:AutoCAD、CorelDraw、Flash、3DMax、Maya、即夢(mèng)AI等。視頻處理軟件:AdobePremiere、會(huì)聲會(huì)影、QuickTime、RealPlayer、暴風(fēng)影音、MediaPlayer、可靈AI等。音頻處理軟件:CoolEdit、AdobeAudition、Audacity等通信社交軟件:QQ、微信、騰訊會(huì)議、釘釘、Facebook、Twitter、YouTube、IE、Chrome、Safari等網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)軟件:百度網(wǎng)盤、騰訊微云、iCloud、阿里云盤等2.4計(jì)算機(jī)工作原理存儲(chǔ)程序和程序控制的思想存儲(chǔ)程序程序控制指令和指令系統(tǒng)指令格式:操作碼+操作數(shù)地址指令種類:控制、傳送、處理、I/O、其他指令系統(tǒng)分類累加器型、棧型、通用寄存器型、Load/Store型CISC、RISC指令的執(zhí)行過(guò)程操作碼02H地址5B1A0HPCIR譯碼器通用寄存器0000001CH

………………016C6820H……001CH…………00120025H……0020H……01A0H……內(nèi)存代碼區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)ALU控制信號(hào)下址計(jì)算總線①③

④

⑤②

CPU取指段譯碼段取數(shù)段執(zhí)行段寫回段指令1取指段譯碼段取數(shù)段執(zhí)行段寫回段指令2取指段譯碼段取數(shù)段執(zhí)行段寫回段指令3執(zhí)行時(shí)間

每一種CPU都有它自己認(rèn)識(shí)的一套指令，含義事先約定。該CPU的指令系統(tǒng)操作碼操作數(shù)地址ADD$2$4如：一條指令0110000010000100數(shù)據(jù)所在的地址“hello”Red：shell命令行處理Blue：可