计算机基础与计算思维课件-第1章 计算机组成及工作原理

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摩尔定律其实是一个预言, 很大程度上是人类有意控制的 结果。
1.3 计算机的组成与工作原理
1.3.1 图灵机和冯·诺依曼体系结构
1. 图灵机 图灵机是一种抽象计算模型,由一个控制器、一条可无
限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头组成。
2. 冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼设计思想可以简要概括为四点: 计算机应包括运算器、存储器、控制器三个核心部件,
统和精简指令系统两种。
指令及指令系统
计算机工作的过程就是执行程序的过程。 程序是一系列有序指令的集合,计算机执
行程序就是执行这一系列的有序指令。
2.指令的执行过程
取指令->分析指令及取操作数->执行指令->保存结果
3. 计算机基本工作原理
计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。 ① 将程序和数据通过输入设备送入存储器; ② 启动运行后,计算机从存储器中取出程序指令送到控 制器去识别,分析该指令要做什么事情; ③ 控制器根据指令的含义发出相应的命令(如加法、减 法),将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行 运算,再把运算结果送回存储器指定的单元; ④ 当运算任务完成后,就可以根据指令将结果通过输出 设备输出。
输入设备和输出设备统称为I/O设备 (Input/Output)。
1.3.3 计算机的工作原理
1. 指令及指令系统 指令是能被计算机识别并执行的二进制代码,它规
定了计算机能完成的某一种操作。 一条指令通常由操作码和操作数两部分组成。 通常一台计算机有许多条作用不同的指令,所有指
令的集合称为该计算机的指令系统。 根据指令系统设计架构的不同,产生了复杂指令系
较为普遍的一种分法是按照计算机的运算速度、 字长、存储容量等综合性能指标,可分为巨型机、 大型机、小型机、微型机和嵌入式计算机等。
1. 巨型机
是一种超大型电子计算机,具有很强的计算和 处理数据的能力,其主要特点表现为高速度和大容 量,配有多种外部和外围设备及丰富的、高性能的 软件系统。
2. 大型机
2.主板的重要芯片
(1)芯片组:芯片组(chipset)是主板的核 心组成部分,几乎决定了这块主板的功能。 (2)BIOS芯片:BIOS是基本输入出系统,是 一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的 程序。 (3)CMOS芯片:主板上一块可读写的RAM芯片。
(1)芯片组
芯片组是pc机各组成部分相互连接和通信的枢纽,主板上 所有的存储器控制、I/O 控制功能几乎都集成在芯片组内, 它既实现了pc机系统总线的功能又提供了各种I/O 接口及 相关的控制。
计算机基本工作原理
总之,计算机的基本工作过程就是不断地重复取指令、 分析指令及取数、执行指令的过程,如此周而复始,直 到遇到停机指令或外来事件的干预为止。
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1.4 PC的组件
人们经常使用的台式计算机,简单地从外观上 看,其硬件包括两部分:主机系统和外部设备。
主机是指安装在PC的机箱内部的一个整体,包 括主板、硬盘、光驱、电源和风扇等。
2. 集成电路应用领域
在计算机方面的应用
第四代计算机的基本元件
在通信中的应用
通信卫星,手机,雷达等
在医学领域的应用
IC卡医疗仪器管理系统
在生活中的应用
汽车上的微控制器、功率半导体器件、电源管理器件、 LED驱动器和CCFL驱动器、温控计等
1.2.2 摩尔定律
当价格不变时,集成 电路上可容纳的元器件的 数目,每隔约18-24个月 便会增加一倍,性能也将 提升一倍。
南桥芯片是输入/输出控制中心,主要负责I/O接 口控制及高级电源管理等。它与PCI总线插槽、 USB接口、硬盘接口、音频控制器、键盘控制器、 时钟控制器、BIOS/CMOS存储器等连接。
北桥芯片和南桥芯片
(2)BIOS芯片
BIOS即“基本输入/输出系统”,是一组固化在计 算机主板上的ROM(当前以Flash ROM为主)芯片 中的机器语言程序。
4. 微型机
由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计 算机。它是以微处理器为基础,配以内存储器及输 入输出(I/O)接口电路和相应的辅助电路而构成 的裸机。
主要包括台式机、电脑一体机、笔记本电脑、 Pad、平板电脑和智能手机等。
5. 嵌入式计算机
通俗地说,嵌入式技术就是“专用”计算机技 术,它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌 入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成。
以及输入和输出设备 计算机的数制采用二进制 程序每条指令一般具有一个操作码和一个地址码 将编好的程序和原始数据送入存储器,计算机在不需
操作人员干预的情况下,自动逐条取出指令和执行指 令,并最终完成整个任务
冯·诺依曼体系结构
3. 二进制与比特
二进制:
计算机内部采用二进制的原因
运算规则简单 只需用两种状态表示数字,物理上容易实现 可靠性高 容易实现逻辑运算
第1章 计算机组成及工作原理
目录
• 1.1 计算机概述 • 1.2 微电子技术 • 1.3 计算机组成与工作原理 • 1.4 PC的组件
1.1 计算机概述
1.1.1 计算机发展历史
1946年2月,美国宾夕法尼亚大学 莫尔学院制成了一台大型电子数字 积分计算机ENIAC,它最初专门用 于火炮弹道计算,后经多次改进成 为能进行各种科学计算的通用计算 机,如天气预报、原子核能、风洞 试验设计等。
存储容量和单位换算
随着人类所处理的数据量越来越大以及大数据技术的发 展,比TB更大的计量单位还有PB、EB、ZB、YB、BB等。
1PB(拍字节)=1024TB 1EB(艾字节)=1024PB 1ZB(泽字节)=1024EB 1YB(尧字节)=1024ZB 1BB(Brontobyte,千亿亿亿字节)=1024YB
在主板上安装了CPU、GPU、内存、总线和I/O 控制器等。
1.4.1 主板
主板又叫母板,是微型计算机中最大的一块集成电路板。
1. 主板概述
主板上一般有CPU插槽、高速缓存、内存插槽、 控制芯片组、BIOS芯片、各种不同类型的扩充 插槽、I/O接口控制芯片、键盘和面板控制开 关接口、指示灯插接件、主板及插卡的直流电 源等部件。
比特的传输
在数字通信和网络技术中,信息的传输实际上就是比 特的传输。
每秒钟可传输的二进位数目就表示比特的传输速率, 传输速率的常用单位有:
比特/秒(b/s),也称“bps”(bits per second) 千比特/秒(Kb/s),1Kb/s=103b/s=1000b/s 兆比特/秒(Mb/s),1Mb/s=106b/s=1000Kb/s 吉比特/秒(Gb/s),1Gb/s=109b/s=1000Mb/s 太比特/秒(Tb/s),1Tb/s=1012b/s=1000Gb/s
运算器的核心部件是加法器和若干个寄 存器,加法器用于运算,寄存器用于存储 参加运算的各种数据以及运算后的结果。
2.控制器
控制器是整个计算机系统的指挥中心。 控制器的主要特点是采用程序控制方式 。 控制器主要由指令计数器(PC)、指令寄存器
(IP)、指令译码器(ID)、时序控制电路以及微 操作控制电路等组成。 运算器和控制器是计算机的核心部件,现在它们被 做在一块集成电路芯片中,称为中央处理器CPU。
1.2 微电子技术
1.2.1 集成电路
集成电路(Integrated Circuit,IC)又称微电路、 微芯片、芯片,就是把一定数量的常用电子元件, 如电阻、电容、晶体管等,以及这些元件之间的连 线,通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的 电路。
1. 集成电路的分类
按集成度的高低可分为:
小规模集成电路(SSI):<100; 中规模集成电路(MSI):100~1000; 大规模集成电路(LSI):1000~10万; 超大规模集成电路(VLSI):10万~<100万; 特大规模集成电路(ULSI):100万~1亿; 极大规模集成电路(GSI):>1亿。
3.存储器
存储器用来存储数据和程序,根据功能的不同,存储器 一般可分为内存储器和外存储器两种 。
内存储器也称主存储器、主存或内存,用来存放现行程 序的指令和数据,可以直接与运算器和控制器交换信息。 内存具有存取速度快、容量小的特点
外存储器也称为辅助存储器、辅存或外存,用来存放需 要长期保存的信息,不能直接与运算器、控制器交换信 息,需要通过内存进行交换。外存的特点是存取速度较 慢、存储容量大、成本低。
主要包含四个部分的程序:加电自检程序、系统 启动自举程序、CMOS设置程序、主要I/O设备的驱 动程序和中断服务程序。
BIOS的主要功能是为计算机提供最底层的、最直 接的硬件设置和控制。
① 加电自检程序
计算机接通电源后,会自动运行固化在BIOS芯 片上的程序,通常称为POST加电自检。完整的 POST包括对CPU、内存、扩展内存、ROM、主板、 CMOS芯片、串并口、显示卡、软硬盘子系统及 键盘等设备的测试。
(吉字节、千兆字节)和TB(太字节、兆兆字节) 内存中: 1B(字节)=8b(比特)
1KB(千字节)=210B=1024B 1MB(兆字节)=220B=210KB=1024KB 1GB(吉字节、千兆字节)=230B=220KB=210MB=1024MB 1TB(太字节、兆兆字节)=240B=230KB=220MB=210GB=1024GB 外存中: 1B=8b 1KB=103B=1000B 1MB=106B=103KB=1000KB 1GB=109B=106KB=103MB=1000MB 1TB=1012B=109KB=106MB=103GB=1000GB
计算机的发展共经历了四代
第一代——电子管计算机(1946年~1959年) 第二代——晶体管计算机(1959年~1964年) 第三代——中小规模集成电路计算机(1964
年~1970年)
第四代——大规模、超大规模集成电路计算 机(1970年至今)
计算机使用的电子元器件
1.1.2 计算机分类
按照计算机的结构原理可分为模拟计算机、数 字计算机和混合式计算机。按计算机用途可分为专 用计算机和通用计算机。
芯片组几乎决定着主板的全部功能,如能安装内存的最大 容量、速度及可使用的内存条的类型。
显卡、硬盘等设备性能的提高、芯片组中的控制接口电路 也要发生相应的变化。
芯片组一般由两块大规模集成电路组成:南桥芯片和北桥 芯片。
北桥芯片和南桥芯片
北桥芯片在主板芯片组中起主导作用,是存储控 制中心,用于高速连接CPU、内存条、显卡,并与 南桥芯片互连 。
或者称大型主机,英文名mainframe。大型机使 用专用的处理器指令集、操作系统和应用软件。大 型机一词,最初是指装在非常大的带框铁盒子里的 大型计算机系统,以用来同小一些的迷你机和微型 机有所区别。
3. 小型机
小型机是指采用精简指令集处理器,性能和价 格介于PC服务器和大型主机之间的一种高性能64位 计算机。
自检中如果发现严重故障则停机,此时由于各 种初始化操作还没完成,不能给出任何提示或 信号;如果发现非严重故障则给出提示或声音 报警信号,等待用户处理 。
1.3.2 计算机的硬件结构
根据冯.诺依曼原理,微型计算机的硬件系统主 要由五大基本部分组成:运算器、控制器、存储器、 输入和输出设备。
1.运算器
运算器的主要功能是对二进制数据进行 算术运算(如加、减、乘、除等)和逻辑 运算(如与、或、非等),所以运算器也 被称为算术逻辑单元(Arithmetic and Logic Unit,简称ALU)。
存储器的层次结构
为了使整个计算机系统的存储器的性能/价格比达 到最优,计算机往往采用层状的塔式结构
4.输入输出设备
输入设备是将数据输入到计算机中的设备,常用的输 入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、麦克风等。
输出设备是将计算机处理过的中间过程和最终结果, 以人们能够识别的字符、表格、图形或图像等形式表 现出来,常见的输出设备有显示器、打印机、音响、 绘图仪等。
比特:
什么是比特
“二进位数字”、“二进位”或简称为“位” 信息的最小单位 只有两种取值,即0和1,且无大小之分
比特在计算机中的表示与存储
比特的取值0和1表示的是两种状态
存储容量和单位换算
比特用小写字母“b”表示 比比特更大的计量单位:B(Byte,字节)、KB(千字节)、MB(兆字节)、GB
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