1、第二章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)、2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成和工作原理、2.2計(jì)算機(jī)硬件組成、2.3計(jì)算機(jī)軟件組成、2.4計(jì)算機(jī)操作和編碼基礎(chǔ)、2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成和工作原理、2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成、2.1.2計(jì)算機(jī)工作過程、2.1.3微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)、2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成、包括兩個(gè)主要部分的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理設(shè)備，即具有計(jì)算、控制、存儲(chǔ)、輸入和輸出功能的物理部件如中央處理器、內(nèi)存、軟盤驅(qū)動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器、主板、各種卡、主機(jī)、顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、調(diào)制解調(diào)器等。整個(gè)機(jī)器的硬件也被稱為“硬設(shè)備”。軟件系統(tǒng)是指程序、命令、指令、數(shù)據(jù)等。它管理計(jì)算機(jī)軟件和硬件資源

2、并控制計(jì)算機(jī)操作。2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)依靠硬件和軟件的合作來執(zhí)行特定的任務(wù)。硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而軟件是硬件功能的擴(kuò)展和完善。任何軟件都是基于硬件的，任何軟件都離不開硬件的支持。沒有軟件的支持，硬件的功能就不能充分發(fā)揮。2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，馮諾伊曼架構(gòu)。1946年，匈牙利裔美國(guó)數(shù)學(xué)家馮諾依曼提出計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，但馮諾依曼的二進(jìn)制系統(tǒng)、程序存儲(chǔ)和程序控制仍然是普遍遵循的原則。2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成，1。數(shù)據(jù)和指令的二進(jìn)制表示；2.使用存儲(chǔ)程序，即將程序和原始數(shù)據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器中，使計(jì)算機(jī)能夠連續(xù)、自動(dòng)、高速地從存儲(chǔ)器中取出指令并執(zhí)行，從而自動(dòng)完成預(yù)

3、定的任務(wù)；3.計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由五部分組成：運(yùn)算單元、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，馮諾伊曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖(以算術(shù)單元為中心)，輸入設(shè)備，輸出設(shè)備，存儲(chǔ)器，控制器，算術(shù)單元，程序，數(shù)據(jù)，結(jié)果，數(shù)據(jù)，結(jié)果，地址，指令，控制信號(hào)，數(shù)據(jù)線，地址線，控制線，2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，算術(shù)單元的技術(shù)性能直接影響整個(gè)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和性能。2.控制器功能：解碼當(dāng)前指令，分析需要完成的操作，生成并發(fā)送各部件所需的控制信號(hào)，使整個(gè)計(jì)算機(jī)自動(dòng)協(xié)調(diào)工作?？刂破鳟a(chǎn)生的控制信號(hào)都基于程序指令。控制器是計(jì)算機(jī)的控制和命令部件，是整個(gè)計(jì)算機(jī)的控制中心。2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成；3.存儲(chǔ)功能

4、：存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。分為主存儲(chǔ)器(主存儲(chǔ)器)和輔助存儲(chǔ)器(外部存儲(chǔ)器)。主存儲(chǔ)器由半導(dǎo)體集成電路制成，可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器。外部存儲(chǔ)器主要由磁性和光學(xué)材料制成，如磁盤、光盤和u盤。2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，4。輸入設(shè)備輸入設(shè)備是一種向計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備。如鍵盤、鼠標(biāo)、照相機(jī)等。功能：將外部信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的二進(jìn)制代碼。5.輸出設(shè)備功能：將計(jì)算機(jī)處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們或其他設(shè)備可以接收的形式(文字、圖片、聲音等)。)。常用的輸出設(shè)備包括監(jiān)視器、打印機(jī)、音頻設(shè)備等。2.1.2計(jì)算機(jī)工作原理，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)遵循馮諾伊曼體系結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由算術(shù)單元、控制器、存儲(chǔ)器、輸入裝置、輸出裝置

5、和連接它們的總線組成一個(gè)有機(jī)整體，2.1.2計(jì)算機(jī)工作原理，算術(shù)單元、控制器、存儲(chǔ)器、輸入裝置、輸出裝置、中央處理器、控制，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖(以存儲(chǔ)器為中心)，2.1.2計(jì)算機(jī)工作原理，本質(zhì)：執(zhí)行程序過程，執(zhí)行程序過程：逐個(gè)執(zhí)行指令，在指令執(zhí)行過程中取指令解碼：對(duì)提取的指令代碼進(jìn)行解碼和分析，以確定指令的類型。執(zhí)行指令：控制單元根據(jù)解碼結(jié)果，將執(zhí)行指令所需的所有控制信號(hào)發(fā)送給各個(gè)組件，以便正確執(zhí)行指令。2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，有兩種信息流。一種是計(jì)算機(jī)指令，它從存儲(chǔ)器流入控制器，成為整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制信號(hào)。另一個(gè)是數(shù)據(jù)，它從輸入設(shè)備流入存儲(chǔ)器，然后流入諸如算術(shù)單元

6、的執(zhí)行組件，并且運(yùn)算結(jié)果流入存儲(chǔ)器或輸出設(shè)備。前者是“指令流”，后者是“數(shù)據(jù)流”。2.1.2計(jì)算機(jī)的工作原理，例如：有一臺(tái)32位字長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)，16個(gè)通用寄存器(要求4位二進(jìn)制尋址)，8位指令操作碼和20位存儲(chǔ)單元地址，其部分指令如下表所示。2.1.2計(jì)算機(jī)的工作原理，(1)程序流程圖yax2bxc(axb)xc根據(jù)變換后的算法，計(jì)算步驟用框圖表示：(2)原始數(shù)據(jù)(a，b，c，x)分配到存儲(chǔ)單元：主存儲(chǔ)器地址：00407H0040AH，計(jì)算結(jié)果：保存在0040BH單元。(3)程序的第一個(gè)地址為00400H單元，編譯后的程序如下表所示，2.1.2計(jì)算機(jī)的工作原理，2.1.2計(jì)算機(jī)的工作原理，(4)

7、運(yùn)行程序由啟動(dòng)程序控制，通過輸入設(shè)備輸入內(nèi)存的指定存儲(chǔ)區(qū)。程序輸入后，引導(dǎo)程序?qū)?qiáng)制程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容成為程序的初始地址(對(duì)于簡(jiǎn)單的機(jī)器，您也可以通過控制臺(tái)將程序的初始地址加載到PC中，然后啟動(dòng)機(jī)器運(yùn)行)。在這個(gè)例子中，個(gè)人計(jì)算機(jī)被設(shè)置為00400小時(shí)，然后計(jì)算機(jī)開始指令執(zhí)行的工作過程。2.1.2、計(jì)算機(jī)的工作原理，(4)計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序啟動(dòng)指令執(zhí)行的工作過程。首先，指令01100407H從00400H單元提取到IR，通過加1將PC改變?yōu)?0401H。紅外的內(nèi)容通過解碼被識(shí)別為提取指令。在指令執(zhí)行階段，00407H單元的編號(hào)A被讀入R1寄存器。然后，控制器進(jìn)入指令提取階段，從00401單元中取

8、出指令410040AH至IR，將PC內(nèi)容加1成為00402H，IR中的指令通過解碼被識(shí)別為乘法指令。因此，在指令執(zhí)行階段，被乘數(shù)X從0040AH單元中取出，它和R1的乘法器A都被送到算術(shù)邏輯單元進(jìn)行乘法運(yùn)算，乘積存儲(chǔ)在R1；然后，從00402H單元中取出新指令并執(zhí)行。這樣，程序中的每個(gè)指令都被一個(gè)接一個(gè)地執(zhí)行，直到指令FFH從00406H單元中被取出，并且停止指令被執(zhí)行，使得控制單元不再循環(huán)地發(fā)出節(jié)拍信號(hào)，并且機(jī)器停止指令執(zhí)行過程。2.1.3計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)，1。機(jī)器的字長(zhǎng)以二進(jìn)制為單位，二進(jìn)制是指計(jì)算機(jī)微處理器一次可以處理的數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)，它直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)的計(jì)算精度、功能和速度。2.

9、運(yùn)算速度計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度是指每秒可執(zhí)行的指令數(shù)，即平均運(yùn)算速度。它由MIPS(每秒百萬次)描述。時(shí)鐘頻率是決定運(yùn)行速度的一個(gè)重要指標(biāo)：它是指微處理器在單位時(shí)間(秒)內(nèi)發(fā)出的脈沖數(shù)。時(shí)鐘頻率越高，操作速度越快。一般時(shí)鐘頻率以兆赫(MHz)為單位。奔騰三800的主頻率是800兆赫。2.1.3主要性能一般來說，微型計(jì)算機(jī)的等級(jí)越高，其擴(kuò)展的存儲(chǔ)容量就越大。目前，微機(jī)的存儲(chǔ)容量可達(dá)512兆。除了內(nèi)存，外部?jī)?nèi)存(如硬盤和u盤)也有很大的存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)容量=存儲(chǔ)單元數(shù)存儲(chǔ)字長(zhǎng)單位：字節(jié)1字節(jié)(B)=8位測(cè)量：1K=210，1M=220，1G=230，2.1.3計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)，4?？煽啃院涂删S護(hù)性可靠性

10、用平均故障間隔時(shí)間來表示。維修性用修理時(shí)間來表示。5.兼容性，性價(jià)比，網(wǎng)絡(luò)功能6。外圍設(shè)備配置、軟件配置、2.2計(jì)算機(jī)硬件的基本組成、2.2.1中央處理器、2.2.2內(nèi)存、2.2.3輸入/輸出設(shè)備、2.2.4總線和接口的基本概念、2.2.1中央處理器、中央處理器(central processing unit):它是算術(shù)單元控制器的通稱，是整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心部分。功能：負(fù)責(zé)閱讀、解釋和執(zhí)行指令。2.2.1中央處理器，算術(shù)單元：執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的算術(shù)邏輯單元(ALU):算術(shù)運(yùn)算：加法、減法、乘法和除法邏輯運(yùn)算：比較，或者，不是移位累加器：臨時(shí)存儲(chǔ)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果的通用寄存器操作數(shù)：指令包含操

11、作碼和地址碼，它們指定計(jì)算機(jī)執(zhí)行什么操作。通用寄存器組：臨時(shí)存儲(chǔ)操作數(shù)或數(shù)據(jù)地址聯(lián)系方式：累加器屬于通用寄存器，使運(yùn)算速度更快狀態(tài)寄存器：存儲(chǔ)ALU在運(yùn)算過程中產(chǎn)生的狀態(tài)信息。如果有進(jìn)位、溢出、結(jié)果是正還是負(fù)、零等。2 . 2 . 1中央處理器、控制器功能：根據(jù)程序中每個(gè)指令的操作，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，協(xié)調(diào)和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其他部分，并監(jiān)視輸入輸出設(shè)備的運(yùn)行。指令寄存器(IR):它保存當(dāng)前執(zhí)行的指令，該指令決定了指令的操作性質(zhì)和指令執(zhí)行過程中操作數(shù)的地址。指令計(jì)數(shù)器(PC):給出程序中下一條指令(要求計(jì)算機(jī)執(zhí)行基本操作的命令)在內(nèi)存中的單元地址。解碼器：分析指令，確定指令類型，指令要完成的運(yùn)算

12、，確定指令運(yùn)算對(duì)象(運(yùn)算結(jié)果的操作數(shù)地址和存儲(chǔ)地址)。2.2.1中央處理器，寄存器：寄存器是中央處理器中的少量?jī)?nèi)部存儲(chǔ)單元，其功能是緩沖中央處理器的內(nèi)部數(shù)據(jù)或記錄當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和信息。特點(diǎn)：存儲(chǔ)速度快，2.2.1中央處理器，中央處理器性能指標(biāo)1。運(yùn)行速度：通常用每單位時(shí)間執(zhí)行多少條指令來表示：決定中央處理器速度的第一個(gè)因素是數(shù)據(jù)總線寬度，用比特(8、16、32或64)來衡量?？偩€寬度決定了計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處理的位數(shù)，也就是計(jì)算機(jī)中“字”的長(zhǎng)度。例如，在16位計(jì)算機(jī)中，這個(gè)字有16位長(zhǎng)。時(shí)鐘頻率是指一秒鐘內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖的數(shù)量。時(shí)鐘周期越短，主頻率越高，運(yùn)行速度越快；2.2.1中央處理器，中央處理器2

13、的性能指標(biāo)。地址總線計(jì)算機(jī)內(nèi)存組織包含幾個(gè)內(nèi)存單元，每個(gè)單元都有一個(gè)唯一的代碼，稱為地址。地址不變，但存儲(chǔ)在那里的數(shù)據(jù)可以改變。因此，中央處理器和內(nèi)存之間的連接不僅包括數(shù)據(jù)總線，還包括地址總線。中央處理器通過地址總線向存儲(chǔ)器發(fā)送地址信息，找到指定的存儲(chǔ)單元，并通過數(shù)據(jù)總線在存儲(chǔ)單元中讀取和寫入數(shù)據(jù)。中央處理器地址總線的寬度決定了存儲(chǔ)單元的最大數(shù)量，例如，具有20條地址線的存儲(chǔ)器最多有220=1MB的單元。2.2.1中央處理器，中央處理器3的性能指標(biāo)。兼容性：特定中央處理器的機(jī)器語言必須使用中央處理器的指令集(告訴中央處理器如何操作的特定指令集)。因?yàn)槊總€(gè)處理器都有特定的指令集，所以為一臺(tái)計(jì)算機(jī)

14、設(shè)計(jì)的程序可能無法在另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行?？梢栽诮o定計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序與該計(jì)算機(jī)的處理器兼容。在引入新型號(hào)時(shí)，微處理器制造商必須仔細(xì)考慮兼容性問題。特別是，制造商必須決定是否讓新芯片向后兼容以前的型號(hào)。向后兼容的芯片可以在早期的芯片上運(yùn)行程序。2.2.2存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器：功能：存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。程序和數(shù)據(jù)必須預(yù)先存儲(chǔ)在內(nèi)存中。概念：存儲(chǔ)單元：存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的組件。每個(gè)單元可以存儲(chǔ)一個(gè)字或一個(gè)字節(jié)的信息。記憶是記憶細(xì)胞的集合。單元地址：內(nèi)存單元的編號(hào)，它是區(qū)分內(nèi)存中不同內(nèi)存單元的唯一符號(hào)。操作：內(nèi)存讀取操作：從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù)，也稱為讀取。內(nèi)存寫操作：將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存中，也稱為寫操作。2.2.2內(nèi)存，內(nèi)

15、存索引：容量、速度和價(jià)格單位：內(nèi)存容量一般以字節(jié)(b)為單位，一個(gè)字(w)等于兩個(gè)字節(jié)。目前，用于測(cè)量主存容量的主要單位是千字節(jié)、兆字節(jié)、千兆字節(jié)、兆字節(jié)和微微字節(jié)。分類：主存、外存、緩存、2.2.2內(nèi)存、1。主存功能：用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和程序執(zhí)行所需的數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)：主存儲(chǔ)器最基本的組件是存儲(chǔ)單元電路(RS鎖存器)。多個(gè)存儲(chǔ)單元按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排列形成主存儲(chǔ)芯片。幾個(gè)芯片被排列成一個(gè)存儲(chǔ)體。幾個(gè)存儲(chǔ)體圍繞計(jì)算機(jī)主存儲(chǔ)器分類：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器，512M DDR400存儲(chǔ)體。2.2.2存儲(chǔ)器，1。主存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器可以讀寫信息，也可以讀寫主存儲(chǔ)器的任何單元；大多數(shù)用戶使用這個(gè)內(nèi)存

16、區(qū)域。斷電后信息會(huì)丟失，運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)通常會(huì)被存儲(chǔ)。只讀存儲(chǔ)器(只讀存儲(chǔ)器)不能隨意改變，只能被讀出，它通常在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和初始程序及數(shù)據(jù)。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的指令存儲(chǔ)在一個(gè)叫做只讀存儲(chǔ)器的特殊芯片中。2.2.2內(nèi)存，1。主內(nèi)存問題：中央處理器執(zhí)行指令的速度比內(nèi)存讀寫快得多，所以內(nèi)存限制了中央處理器的執(zhí)行效率。解決方案：多級(jí)內(nèi)存緩存和主存組成緩存存儲(chǔ)系統(tǒng)，解決了中央處理器和主存速度不匹配的矛盾。輔助存儲(chǔ)器和主存儲(chǔ)器組成虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)，以彌補(bǔ)主存儲(chǔ)器容量的不足。2.2.2內(nèi)存，2。緩存特性：存儲(chǔ)速度比主存快，比中央處理器的內(nèi)部寄存器慢；小容量，通常放在中央處理器和主存儲(chǔ)器之間。功能：將最常用的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在當(dāng)前內(nèi)存中，并以接近中央處理器的速度向中央處理器提供程序指令和數(shù)據(jù)。當(dāng)中央處理器想訪問主存中的一些信息時(shí)，它首先檢查緩存，如果緩存中有這些信息，它將直接訪問它；如果沒有，中央處理器將把包含該信息的數(shù)據(jù)塊從主存儲(chǔ)器復(fù)制到高速緩存中，然后訪問高速緩存來讀取和寫入該信息。2.2.2內(nèi)存，3。輔助存儲(chǔ)器(外部存儲(chǔ)器)由于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)是易失性的，數(shù)據(jù)必須從存儲(chǔ)器傳輸?shù)接谰么鎯?chǔ)設(shè)備，如磁盤，以長(zhǎng)時(shí)間保