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1、第一章计算机基础,主讲人：黄永平,目录,计算机基本结构指令系统CPU执行过程微型计算机系统,一.计算机基本结构,定义：一种存储事先已经编制好的程序并能连续而自动地取出这些程序来执行，只能对事先已数字化的信息进行算术或逻辑运算的快速工具。,什么是计算机？,一.计算机基本结构,1、算术、逻辑运算（我们在小学就已学完的加减乘除四则运算）2、信息的数字化（一架冰冷的机器所能听懂的唯一语言）3、存贮程序的工作方式（现代化的流水线）符合以上特征的即被称之为冯诺依曼体系结构的计算机,计算机定义的概略解释,一.计算机基本结构,冯诺依曼体系结构的计算机（1）,到目前为止，几乎生产的所有计算机都是冯诺依曼体系结构
2、的计算机，这也是我们正在使用的诸如奔2奔3之类的微机的体系结构。（但是现在的计算机科学家认为只有打破冯诺依曼体系，计算机的效率才能得到突破）,一.计算机基本结构,冯诺依曼体系结构的计算机（2）,采用二进制代码表示数据和指令。采用存储程序工作方式，即：事先编制程序。实现存储程序。自动、连续地执行程序。,一.计算机基本结构,冯诺依曼体系结构的计算机（3）,由以下五大部件组成计算机硬件系统：运算器（进行简单四则运算逻辑运算）控制器（命令自己或外部设备做这做那）存储器（存储程序和数据）输入设备（外部的触角，眼，耳）输出设备（执行机构，手，脚）,脑,CPU,一.计算机基本结构,各种计算机,超级巨型机,大
3、、中、小型机,笔记本,微型机,手持式,不管外观与体积如何，计算机硬件系统的组成都是一样的。,一.计算机基本结构,微机基本组成,显示器,键盘,主机,鼠标,光驱,软驱,手写笔输入,一.计算机基本结构,微机基本组成,电源,风扇,磁盘驱动,内存条(RAM),CPU,高速缓存,外设扩展槽 SLOT,显卡,声卡,猫/网卡,I/O插口,电源口,主板,BIOS(ROM),一.计算机基本结构,基本结构,一.计算机基本结构,包括运算器和控制器计算机硬件的核心型号Intel:486、586（奔腾）、PII、PIII、赛扬系列AMD:K6-2、K6-III、K7系列主频：66MHz、100MHz、133MHz,1.C
4、PU（中央处理器）,程序计数器 PC,指令寄存器 IR,处理器状态字PSW,堆栈指示器 SP,指令译码器 ID,I/O 控制逻辑,工作寄存器,地址寄存器,数据寄存器,ALU,控制器,一.计算机基本结构,CPU基本结构,微处理器包括运算器、控制器、寄存器组三大部分,一般被集 成在一个大规模集成芯片上,如8088、80 x86等等,它是计算机的核 心部件,具有计算、控制、数据传送、指令译码及执行等重要功能,它直接决定了计算机的主要性能.ALU 运算器的核心部件是算逻单元ALU，所有的算术运算,逻辑运算和移位操作都是由ALU完成的.控制器 CPU的指挥机关,完成指令的读入、寄存、译码和执行。程序计数
5、器 PC 用于保存下一条要执行的指令的地址。指令寄存器 IR 保存从存储器中读入的当前要执行的指令。指令译码器 ID 对指令寄存器 IR中保存的指令进行译码分析。堆栈指示器 SP 对堆栈进行操作时提供地址。处理器状态字PSW 暂存处理器当前的状态。,一.计算机基本结构,工作寄存器组 暂存寻址和计算过程的信息.地址寄存器 地址寄存器用于操作数的寻址。数据寄存器 数据寄存器用来暂存操作数和中间运算结果。I/O控制逻辑 包括CPU中输入/输出操作有关的逻辑，其作 用是处理输入/输出的操作。,一.计算机基本结构,2.存储器 用于存放程序代码及有关数据.,一.计算机基本结构,计算机存取数据的部件，常用半
6、导体做成，存储器中存放二进制单元，每个存储单元有一个编号，称为地址，计算机是根据地址来访问存储器的。存储器的主要技术指标有存储容量和速度。速度可用存取时间和存储周期来衡量.存取时间TA是指从启动一次存储器操作（读/写）到完成该操作所需的时间。存储周期Tm是指连续两次访问存储器所需的最小时间间隔。通常Tm比TA稍大，这是由于存储器的积压部分都必须有一段稳定恢复的时间，所以读出后不能立即进行访问。,2.存储器 用于存放程序代码及有关数据.,内存储器,硬盘,软盘,光盘,RAM（内存）,外存储器,一.计算机基本结构,2.存储器 用于存放程序代码及有关数据.,存储器基本原理,存储单元,一.计算机基本结构
7、,存储器由若干存储单元、地址译码器及相应的控制电路组成。存储单元的内容：存储器由若干个单元组成，每个单元可存放 8 位二进制信息（通常也用两位十六进制数表示），这就是它们的内容。存储单元的地址：为区分不同的单元，对这些单元分别编了号，这些编号即它们的地址。存储器的读写操作：存储器中的不同存储单元，是由地址总线上送来的地址，经过存储器中的地址译码器译码，选中该单元，然后根据控制总线上的控制命令（或读或写），进行相应的读写操作。,一.计算机基本结构,存储器,容量单位,210=10241000,1个汉字=2字节,1Byte=8 bit 1 KB=210 Byte 1 MB=210 KB 1 GB=2
8、10 MB 1 TB=210 GB 1 PB=210 TB,一.计算机基本结构,3.输入输出接口电路 由于外部设备如键盘、显示器、软盘、硬盘、打印机等，在数据格式、运行速度等方面与 CPU 不匹配，故在连接时，需通过 输入输出接口电路使外部设备与之相连。,一.计算机基本结构,输入设备-输入设备是给计算机输入信息的设备。输入住处通过输入设备转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器中保存。常用的输入设备有键盘、鼠标器和光笔。,键盘,扫描仪,鼠标,手写笔,数码相机,摄像头,一.计算机基本结构,输出设备-输出设备是输出计算结果的设备。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图机等。,音箱,显示器,打印机,
9、投影仪,一.计算机基本结构,4.总线 总线是微型计算机中模块到模块之间传输信息的通道，是各种公共信息线的集合，采用总线结构便于部件和设备的扩充。对微机而言，总线可以 分为以下四类：片内总线这种总线是微处理器的内总线，在微处理器内用来连接ALU、CU和寄存器组等逻辑功能单元。这种总线没有具体标准，由芯片生产厂家自己确定。片间总线微处理器、存储器芯片、I/O接口芯片等之间的连接总线。片间总线通常包括数据总线、地址总线和控制总线。内总线 内总线是微型计算机系统内连接各插件板的总线.内总线有不同的总线标准，如 S-100总线(IEEE-696标),STD总线,IBM-PC总线标准等，采用不同总线标准的
10、功能板无法连接在一起。,一.计算机基本结构,外总线 用于微型计算机系统之间或者微型计算机与外部设备之间的通 信。外总线技术已经很成熟，各种应用要求皆有标准可遵循。如并行总线IEEE-488标准，串行总线RS-232标准等。四类总线之间的关系如图所示。,CPU 片内总线,M,I/O,片间总线,I/O接口板,外部设备,内总线,外总线,一.计算机基本结构,地址、控制、数据总线：地址总线：用于传送 CPU 要访问的存储单元的地址或 I/O 端口地址，地址总线的位数决定了 CPU 可以直接寻址的地址范围。控制总线：用来传送控制信号。数据总线：用于 CPU 与存储器、CPU 与外设之间传送信息。,一.计算
11、机基本结构,上面我们所讲述的是计算机的硬件。光有硬件，只是有了计算的可能，计算机要真正能够进行计算，还必须要有软件的配合。例如：4+5 这种简单运算,需要以下几个步骤:把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;把第二个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;相加;把加完的结果送至存储器中指定的存储单元.所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作.指令-我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来,就是指令。通常一条指令对应着一种基本操作,但是计算机怎么能够辨别和执行这些操作呢?这是由设计时设计人员赋予它的指令系统决定的.一个计算机能执行什么样的操作,能做多少种操作,是由设计计
12、算机时所规定的指令系统决定的。,二.指令系统,指令系统-一条指令对应着一种基本操作,计算机所能执行的全部指令,就是计算机的指令系统.这是计算机所固有的.程序-我们在使用计算机时,必须把我们要解决的问题编成一条条指令,这些指令的集合就称为程序.(这些指令必须是我们所用的计算机能识别和执行的指令,也即每一条指令必须是一台特定的计算机的指令系统中具有的指令.)源程序-用户为解决自己的问题所编的程序,称为源程序.指令形式-指令通常分成操作码(Opcode)和操作数(Operand).操作码表示计算机执行什么操作,操作数指明参加操作的数本身或操作数所在的内存中的位置.因为计算机只认得二进制数码,所以计算
13、机指令系统中的所有指令,都必须以二进制编码的形式来表示.如前面例子.,二.指令系统,因为计算机只认得二进制数码,所以计算机指令系统中的所有指令,都必须以二进制编码的形式来表示.如前面例子。把第一个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;把第二个数从它所在的存储单元中取出来,送至运算器;相加;把加完的结果送至存储器中指定的存储单元.A0 00 20 MOV AL,2000H A8 1E 01 20 MOV BL,2001H 00 D8 ADD AL,BL A2 00 30 MOV 3000H,AL,二.指令系统,机器语言-计算机发展的初期,就是用指令的机器码直接来编制用户的源程序,这就是机器语
14、言阶段。汇编语言-由于机器码是由一连串的 0 和 1 组成的,不好记忆,容易出错,因而后来人们用一些助记符(Mnemonic)来代替操作码,如上所示。这样,每条指令有明显的特征,易于理解记忆,这便是汇编语言阶段。程序的存放-要求机器能自动执行这些程序,就必须把这些程序存放到存储器的某个区域.计算机在执行时把这些指令一条条取出来加以执行。,二.指令系统,操作：将两个数 7 和 10 相加.指令：mov al,7 add al,10 mov 20h,al hlt 机器指令：1011 0000 B0h(mov al,7)0000 0111 07h 0000 0100 04h(add al,10)0000 1010 0Ah 1010 0010 A2h(mov 20h,al)0010 0000 20h 1111 0100 F4h(hlt),三.CPU执行过程,B0h(mov al,7)07h 04h(add al,10)0Ah A2h(mov 20h,al)20h F4h(hlt),三.CPU执行过程,四.微型计算机系统,
