计算机组成与结构1PPT课件下载推荐.ppt
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课程包括理论教学和实验两大部分。
其中讲课课程包括理论教学和实验两大部分。
其中讲课50学时,实验学时,实验10学时。
要求听课做笔记,实验必须学时。
要求听课做笔记,实验必须参加,听课和作业不得少于参加,听课和作业不得少于1/3。
考试占总。
考试占总成绩的成绩的70%,平时听课出勤、实验和作业占,平时听课出勤、实验和作业占30%。
3第1章计算机系统概述1.11.1计算机的硬件和软件计算机的硬件和软件1.21.2计算机系统的层次结构和性能指标计算机系统的层次结构和性能指标1.31.3计算机的发展和应用计算机的发展和应用4第第11章章计算机系统概述计算机系统概述1.1计算机的硬件和软件一、一、用计算机解决实际问题的过程用计算机解决实际问题的过程人类相互交流信息所用的语言称为自然语言。
人们希望找到一种和自然语言接近,并能为计算机接受的语言,这种语言被称为计算机的高级语言高级语言。
最初在计算机中使用的不是高级语言。
5常用于科学计算和数据处理的高级语言有:
C,BASIC,FORTRAN,ALGOL,PASCAL,COBOL和Ada等。
常用于人工智能的语言有LISP和PROLOG等。
用这些语言编写的程序是由英文字母、数字、运算符号等按照一定的语法规则组成的。
6目前的通用计算机不会直接执行用高级语言编写的程序,而是先将其翻译成机器能执行的语言,称为机器语言机器语言(由二进制代码表示的指令组成),再在机器上运行,因此解题的过程可归结为:
(1)程序员用高级语言编写程序;
(2)将程序与数据输入计算机,并由计算机将程序翻译成机器语言程序,保存在计算机的存储器中;
(3)运行程序,输出结果。
7在计算机中能执行的程序是由在计算机中能执行的程序是由指令指令组成的,因组成的,因此计算机执行程序的过程,实际上就是按照给定次此计算机执行程序的过程,实际上就是按照给定次序执行一组指令的过程。
序执行一组指令的过程。
一条指令通常分成两部分:
(1)
(1)操作码操作码规定该指令执行什么样的运算(或操作),因此被命名为操作码。
(2)
(2)地址码地址码规定对哪些数据进行运算,通常表示的是数据地址,因此被称为地址码。
8由于二进制码不易辨认,因此往往用符号来表由于二进制码不易辨认,因此往往用符号来表示一条指令示一条指令。
用机器语言编写程序,比用高级语言麻烦得多,因为一条机器指令的功能比一条高级语言的语句功能弱很多。
9二、计算机的硬件结构二、计算机的硬件结构JohnVonNeumann(冯(冯.诺依曼)诺依曼)美籍匈牙利美籍匈牙利数学家,数学家,1946年关于电子计算仪器逻辑设计的初年关于电子计算仪器逻辑设计的初步探讨报告提出步探讨报告提出“存储程序控制存储程序控制”的概念。
的概念。
组成计算机的基本部件有中央处理器组成计算机的基本部件有中央处理器CPU(运算运算器和控制器器和控制器)、存储器和输入输出设备。
、存储器和输入输出设备。
10输入器运算器存储器控制器输出器原始数据计算步骤计算结果CPU11输入设备输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序。
输入的信息有数字符、字母和控制符等。
输出设备输出设备用来输出计算机的处理结果。
最常用的输入输出设备是显示终端和打印机,终端设备采用键盘作为输入工具,处理结果显示在屏幕上。
存储器存储器用来存放程序和数据,是计算机各种信息的存储和交流中心。
存储器可与CPU、输入输出设备交换信息,起存储、缓冲、传递信息的作用。
存储器又有主存储器和辅助存储器之分。
当前在计算机上运行的程序和数据是存放在主存储器中的。
12中央处理器又叫中央处理器又叫CPUCPU,在早期的计算机中分成,在早期的计算机中分成运算器和控制器两部分运算器和控制器两部分,由于电路集成度的提高,现在已把它们集成在一个芯片中。
运算器运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件,经常进行的是算术运算和逻辑运算,所以在其内部有一个算术及逻辑运算部件(ALU)。
在计算机中,一些复杂的运算往往被分解成一在计算机中,一些复杂的运算往往被分解成一系列算术运算和逻辑运算。
系列算术运算和逻辑运算。
13控制器控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自动化,即实现程序的自动执行。
在控制器控制之下,从输入设备输入程序和数据,并存放在存储器中,然后由控制器指挥各部件协同工作以执行程序,最后将结果输出。
作为控制用的计算机则直接控制对象。
在计算机中,各部件间来往的信号可分成三种在计算机中,各部件间来往的信号可分成三种类型,即地址、数据和控制信号。
通常这些信号是类型,即地址、数据和控制信号。
通常这些信号是通过总线传送的,如图通过总线传送的,如图1.11.1所示。
所示。
14图1.1以总线连接的计算机框图15现代计算机三大部分结构图:
输入设备输入通道输出设备输出通道I/O算术逻辑单元ALU控制器CUCPU主存储器M.MI/O总线存储总线16计算机硬件的典型结构:
计算机硬件的典型结构:
小型机的总线型结构有:
(1)CPU为中心为中心的双总线结构的双总线结构CPUM.MI/O接口I/O设备I/O接口I/O设备.输入/输出总线存储总线17
(2)
(2)单总线结构单总线结构CPUM.MI/O接口I/O设备I/O接口I/O设备.系统总线18CPUM.MI/O接口I/O设备I/O接口I/O设备.系统总线存储总线(3)以存储器为中心的双总线结构以存储器为中心的双总线结构19微型机的一般结构:
(仍属于单总线结构)微型机的一般结构:
(仍属于单总线结构)微处理器ROMRAMI/O接口I/O设备.20大中型机的通道型结构:
大中型机的通道型结构:
M.MCPU通道I/O控制器I/O控制器外设外设.外设外设.通道I/O控制器I/O控制器外设外设.外设外设.总线21三、三、计算机的软件系统计算机的软件系统一台计算机中全部程序的集合,统称为一台计算机中全部程序的集合,统称为这台计算机的软件系统。
这台计算机的软件系统。
软件按功能分为应用软件和系统软件两软件按功能分为应用软件和系统软件两大类。
大类。
22通常系统软件分为六类:
通常系统软件分为六类:
1.操作系统操作系统2.语言处理程序语言处理程序(又分为解释程序和编译系统又分为解释程序和编译系统)3.标准库程序标准库程序(如一元二次方程求根子程序如一元二次方程求根子程序,正弦函正弦函数子程序数子程序)4.服务性程序服务性程序(如装入程序、连接程序、编辑程序、如装入程序、连接程序、编辑程序、调试程序、调试程序、故障诊断程序、纠错程序、监督程序故障诊断程序、纠错程序、监督程序)5.数据库管理系统数据库管理系统6.计算机网络软件。
计算机网络软件。
231.21.2计算机系统的层次结构和计算机系统的层次结构和性能指标性能指标一、计算机的层次结构:
一、计算机的层次结构:
现代计算机解题的一般过程:
用户用高级语言编写程序,连同数据一起送入计算机(用户程序一般称为源程序),然后由计算机将其翻译成机器语言程序(称为目标程序),在计算机上运行后输出结果,其过程如图1.2所示。
24图1.2计算机的解题过程例如:
BASIC语言的LEDd=b*b-4*a*c需要五条指令实现:
设:
Aa,Bb,Cc,Dd,E4程序:
MULBB;
MULAE;
MULAC;
SUBBA;
MOVDB25早期的计算机只有机器语言,用户必须用二进制码表示的机器语言编写程序,工作量大,容易出错。
而且对程序员的要求很高。
于是在20世纪50年代,出现了符号式程序设计语言符号式程序设计语言,称为汇编语言汇编语言。
对此,程序员可用ADD,SUB,MUL,DIV等符号分别表示加法、减法、乘法、除法的操作码,并用符号来表示指令和数据的地址。
汇编语言程序的大汇编语言程序的大部分语句是和机器指令一一对应的部分语句是和机器指令一一对应的。
用户用汇编语言编写程序后,依靠计算机将它翻译成机器语言(二进制代码),然后再在计算机上运行。
这个翻译过程是由汇编程序汇编程序实现的。
26可以把一台具有汇编程序的计算机看作是在实际机器级(硬件)之上出现的一台虚拟机器虚拟机器,该机允许使用汇编语言编程。
称它为虚拟机器的原因是因为它依靠了软件(汇编程序)才存在。
由于汇编语言的语法、语义结构仍然和机器语言基本一样,而与人的传统解题方法相差甚远,因而又出现了面向题目的高级语言。
随同研制出来的是这些语言的翻译程序,因此可以设想在汇编语言级之上又出现了高级语言级,它的实现是先把高级高级语言程序翻译成汇编语言程序或中间语言程序语言程序翻译成汇编语言程序或中间语言程序,然后再翻译成机器语言程序(图1.3)。
27图1.3高级语言虚拟机器的层次结构28翻译程序有编译程序和解释程序两种翻译程序有编译程序和解释程序两种。
编译程序编译程序是将编写的源程序中全部语句翻译成机器语言程序后,再执行机器语言程序。
解释程序解释程序则是在将源程序的一条语句翻译成机器语言以后立即执行它,然后再翻译执行下一条语句,因而效率较低。
ALGOL,FORTRAN,PASCAL等语言是用编译程序进行翻译的,BASIC语言有解释和编译两种。
29在20世纪80年代出现了第第4代语言代语言(4GL)这一名词。
到90年代,大量基于数据库管理系统的4GL商品化软件已在计算机开发应用领域中获得广泛应用,它以数据库管理系统所提供的功能为核心,进一步构造了开发高层应用软件系统的开发环境。
例如,菜单生成、报表生成和多窗口表格设计系统;
图形、图像处理系统;
决策支持系统等。
一般我们把汇编语言称为第一代语言1GL;
2GL是高级程序设计语言,如FORTRANALGOL,BASIC等;
3GL是增强性的高级程序设计语言,如PASCAL,ALGOL68,FORTRAN77等。
304GL具有简单易学,用户界面友好,面向问题,只需告诉计算机“做什么”,而不必告诉计算机“怎么做”,应用软件开发效率高等优点。
但也存在严重的不足。
目前4GL主要面向基于数据库应用的领域,不适宜于科学计算、高速的实时系统和系统软件开发。
31在上述虚拟机器M2与实际机器M1之间还存在一种称为操作系统操作系统的软件,操作系统是从早期的管操作系统是从早期的管理程序发展而来的,是专门用来管理和控制计算机理程序发展而来的,是专门用来管理和控制计算机系统的软件和硬件资源的系统的软件和硬件资源的。
操作系统合理地组织计算机的工作流程,以提高计算机系统资源的利用率;
并提供给用户使用计算机的良好界面,使用户不必了解硬件和软件的细节就可方便地使用计算机。
32操作系统本身也是一组程序,它一般是由系统程序员用C语言或汇编语言编写的,经翻译成机器语言后再存入计算机中。
操作系统的功能是通过操作系统的命令(例如DOS磁盘操作系统)或
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