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1、第二章 计算机系统,同济大学 肖杨,1,内容,2.1 引言：计算环境的发展2.2 计算机系统2.3 微型计算机硬件系统2.4 计算机网络基础2.5 自主学习,2,2.1 引言：计算环境的发展,3,（1）集中计算电子计算机时代开始标志物：ENIAC和深蓝目的：计算速度的提升和计算能力的提高。（2）个人计算机独立性高，可靠性强（3）互联网多台计算机通过网络连接起来，实现数据和资源的共享及协同工作（4）云计算信息增长具无限性的趋势，摩尔定律的终结；如何解决无限增长信息的存储和计算基于互联网的超级计算模式，集中信息和处理器资源,独立或联网工作的通用计算机所形成的工作环境,通过终端连接和使用主机，所有的
2、软件、数据和控制都在大型机的主机,2.2 计算机系统,4,计算机系统的组成部分？什么是冯诺依曼体系结构？软件如何分类？计算机基本工作原理是什么？,2.2 计算机系统,5,计算机系统=硬件系统+软件系统,硬 件,软 件,2.2.1 计算机系统的组成,6,CPU,7,冯.诺依曼思想：五大模块程序和数据以二进制的形式存放在存储器控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作,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,冯 诺依曼体系结构,特点：程序存储，按程序顺序执行,8,程序控制方式,编写程序,可执行程序,指令,操作码,地址码,指令译码器,操作控制线路,程序
3、计数器,控制信号,控制器（CU）,功能：指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作。组成包括：指令寄存器IR、程序计数器PC、指令译码器ID。,如何利用计算机解决问题？,运算器,9,控制信号,功能：进行算术运算和逻辑运算。包括：算术逻辑部件ALU、累加器、通用寄存器、状态寄存器。,数据,内存,算术逻辑部件ALU,累加器,状态寄存器,通用寄存器,控制器的控制线路,10,存储体,地址译码器,数据寄存器,数据总线,读写电路,地址总线,存储器,功能：用来存储数据和程序，能按照指定位置读写二进制信息。包括：内存储器、外存储器（又称内存和外存）。,外存储器：长期存放大量信息。一般只与内存进行数据交换,
4、内存储器：信息交流中心。计算机直接从内存中存取信息,内存,RAM随机存取存储器,ROM只读存储器,多级存储器体系结构,11,CPU,寄存器组,Cache,主存,外存,主机,存取速度快，但容量小价格贵,容量大、价格低，但存取速度慢,高速存取，但存储容量小,实现高速存取存放当前使用最频繁的指令和数据,存储单元,12,每个记忆单元由8位二进制位组成。,常用：KB，MB，GB，TB等,位(bit)：二进制的最小单位，代表一个0或1。字节(Byte)：8位二进制，数据存储基本单位。字(Word)：计算机中作为一个整体被存取、传送、处理的二进制数.存储器中，通常每个单元存储一个字。字长(WordLengt
5、h)：每个字中二进制位数,输入、输出设备,13,内存,输入设备接受用户输入的原始信息转换成计算机可识别的信息形式（二进制）存放到内存中,输出设备将内存中的处理结果信息转变为用户可接受的形式输出或成为其它机器所能接受的形式输出,计算机软件系统,14,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。,系统软件面向计算机管理支持应用软件开发和运行,具有专门的应用目的,系统软件,15,操作系统,语言处理程序,实用程序,使软硬件资源协调一致有条不紊地工作，对软硬件实行统一的管理和调度。管理计算机硬件资源控制其他程序运行为用户提供交互操作界面目前典型的操作系统有：Wind
6、ows、UNIX、Mac OS X、Linux等。,系统软件,16,操作系统,语言处理程序,实用程序,翻译工具作用：将源程序翻译成计算机能识别的机器语言程序。,程序设计语言：机器语言汇编语言高级语言典型的程序设计语言有：FORTRAN、Pascal、C与C+、BASIC、Java、C#等。,汇编程序,编译程序,解释程序,17,（1）机器语言由“0”、“1”二进制代码按一定规则组成的、能被机器直接理解、执行的指令集合。,缺点：编程工作量大，难学、难记、难修改；不同计算机的指令系统不同，机器语言通用性差优点：代码不需要翻译，所占空间少，执行速度快。,例如，计算A=15+10 的机器语言程序如下：1
7、0110000 00001111：把15放入累加器A中00101100 00001010：10与累加器A的值相加，结果仍放入A中11110100：结束，停机,18,（2）汇编语言,使用反映机器指令功能的助记符代替机器语言的符号语言。例如用ADD表示加、SUB表示减、JMP表示程序跳转等等。优点：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。缺点：仍然依赖于机器，通用性差。特点：源程序必须通过汇编程序翻译成机器语言。常用于过程控制等编程。,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
8、中HLT：结束，停机,19,（3）高级语言,接近于自然语言和数学公式的程序设计语言。优点：接近算法语言，易学、易掌握，可读性好，可维护性强，可靠性高；可移植性好，重用率高自动化程度高，编程效率高。缺点：源程序要通过翻译程序翻译成机器语言，代码不最优。,例如，计算 A=15+10 的BASIC语言程序如下：A=15+10 15与10相加的结果放入A中PRINT A 输出AEND 程序结束,20,常用高级语言,Fortran：1954年推出，适用于科学和工程计算。C、C+：1972年推出C语言，1983年加入面向对象的概念，改名为C+。语言简练、功能强，适用面广。BASIC：初学者语言，1964年
9、推出；1991年微软推出可视化的、基于对象的VisualBasic开发环境，发展到现在的VB.NET开发环境，则是完全面向对象、功能更强大。Java：1995年推出，是一种新型的跨平台的面向对象设计语言，具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。C#：以其简单的可视化操作，高运行效率，强大的操作能力，面向组件编程的支持成为.NET开发的首选语言。,2013年4月TIOBE编程语言排行榜,语言处理程序 for 低级语言,21,机器语言源程序,汇编语言源程序,机器语言程序（目标程序）,汇编程序,翻译,高级语言翻译程序,22,高级语言源程序,计算结果,解释程序,数据,高级语言源程序,计算结果,连
10、接程序,数据,目标程序,可执行程序,编译程序,解释方式,编译方式,Basic,C+,程序库,可脱离编译程序和源程序独立存在并反复使用,23,实用程序,系统设置软件：对系统进行全面设置、优化和保护Windows优化大师：系统检测、系统优化、系统清理、系统维护诊断程序：识别并且改正计算机系统存在的问题“管理|设备管理器”：所有设备的详细情况备份程序：把硬盘上的文件复制到其他存储设备上“控制面板|系统和安全|备份和恢复”反病毒程序：消除或防御电脑病毒和恶意软件Microsoft Security Essentials文件压缩程序：压缩较大的文件，产生另一较小容量的文件WinRAR，7-Zip,完成一
11、些与管理计算机系统资源及文件有关的任务,应用软件,为某一专门的应用目的而开发的软件。1.办公软件包2.图形和图象处理软件3.数据管理4.Ineternet服务软件5.娱乐与学习软件,24,2.2.2 计算机基本工作原理,指令和程序 计算机的一般工作过程 程序的执行方式,25,1.指令系统,26,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,If Goto,And Or,对计算机的硬件进行管理等,指令,结构,分类,指令系统:一台计算机的所有指令的集合,指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，规定了某一种操作。,要完成的操作类型及功能,操作数或操作数的地址,27,计算机的工作过程就是
12、执行程序的过程,程序：计算机指令的有序集合，即完成一定功能的指令序列,程序的执行过程：按照程序设定的次序依次执行指令，直到遇到结束指令,什么是程序？,程序如何执行？,指令的执行过程图例,取指令 按照程序计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。,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。,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。如：加法指令,一条指令执行完成，程序计数器加1 或将转移地址码送入程序计数器，然后回到。,28,29,取指令,分析指令,执行指令,2,2,2,1,1,1,时间,完成,指令的串行执行,30,取指令部件,分析指令部件,执行指令部件,6,6,5,5,5,4,4,4,3,3,3,2,2,2,1,1,1,时间,6,完成,指令流水线技术,多部件重叠操作多指令并行处理,2.2 总结,计算机系统的组成冯诺依曼体系结构软件的分类计算机基本工作原理,31,
