计算机的基本组成及工作原理.pdf

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1、计算机的基本组成及工作原理 1.3.1 计算机系统的组成计算机系统是由硬件系统和软件 系统两大部分组成这一节将分别介绍计算机硬件系统和软 件系统。计算机硬件是构成计算机系统各功能部件的集合。 是由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的 总称是计算机完成各项工作的物质基础。计算机硬件是看得 见、摸得着的实实在在存在的物理实体。计算机软件是指 与计算机系统操作有关的各种程序以及任何与之相关的文 档和数据的集合。其中程序是用程序设计语言描述的适合计 算机执行的语句指令序列。没有安装任何软件的计算机通 常称为 “ 裸机 ” 裸机是无法工作的。如果计算机硬件脱离了计 算机软件那么它就成为了一台

2、无用的机器。如果计算机软件 脱离了计算机的硬件就失去了它运行的物质基础所以说二 者相互依存缺一不可共同构成一个完整的计算机系统。计 算机系统的基本组成如图 1-6 所示。图 1-6 计算机系统的基 本组成硬件系统算术逻辑运算器ALU 控制器CU 中央 处理器CPU 内存储器随机存取存储器RAM 只读存储器 ROM 硬盘Hard Disk 软盘 Floppy Disk 外存储器磁盘磁 带 光盘 CD-ROM DVD-ROM 计算机系统软件系统程序 库 软件包套装软件用户自己开发的软件系统系统软件 应用软件DOS Windows Xenix 其它界面工具程序编辑程 序 链接装配程序其它操作系统数据

3、库管理系统语言处 理程序汇编及各种语言的编译、解释程序系统实用程序 输入输出设备I/O Devices 键盘 鼠标 ? 2? 7 描扫仪 ? 4? 1 光笔 数字化仪显示器打印机绘图仪 联网通讯设备 1.3.2 计算机硬件系统的基本组成及工作原理现代计算机 是一个自动化的信息处理装置它之所以能实现自动化信息 处理是由于采用了“ 存储程序 ” 工作原理。这一原理是1946 年由冯诺依曼和他的同事们在一篇题为关于电子计算机 逻辑设计的初步讨论的论文中提出并论证的。这一原理确 立了现代计算机的基本组成和工作方式。 计算机硬件由 五个基本部分组成运算器、控制器、存储器、输入设备和输 出设备。 计算机内

4、部采用二进制来表示程序和数据。 采用 “ 存储程序 ” 的方式将程序和数据放入同一个存储器中内 存储器计算机能够自动高速地从存储器中取出指令加以执 行。 可以说计算机硬件的五大部件中每一个部件都有相对 独立的功能分别完成各自不同的工作。如图 1-7 所示五大部 件实际上是在控制器的控制下协调统一地工作。首先把表示 计算步骤的程序和计算中需要的原始数据在控制器输入命 令的控制下通过输入设备送入计算机的存储器存储。其次当 计算开始时在取指令作用下把程序指令逐条送入控制器。控 制器对指令进行译码并根据指令的操作要求向存储器和运 算器发出存储、取数命令和运算命令经过运算器计算并把结 果存放在存储器内。

5、在控制器的取数和输出命令作用下通过 输出设备输出计算结果。1 运算器 ALU 运算器也称为算术 逻辑单元 ALUArithmetic Logic Unit。 它的功能是完成算术运 算和逻辑运算。算术运算是指加、减、乘、除及它们的复合 运算。而逻辑运算是指“ 与” 、“ 或” 、“ 非” 等逻辑比较和逻辑 判断等操作。在计算机中任何复杂运算都转化为基本的算术 与逻辑运算然后在运算器中完成。2 控制器 CU 控制器 CUController Unit是计算机的指挥系统控制器一般由指令寄 存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。它的基本功 能是从内存取指令和执行指令。指令是指示计算机如何工作 的一

6、步操作由操作码操作方法及操作数操作对象两部分组 成。控制器通过地址访问存储器、逐条取出选中单元指令分 析指令并根据指令产生的控制信号作用于其它各部件来完 成指令要求的工作。上述工作周而复始保证了计算机能自动 连续地工作。通常将运算器和控制器统称为中央处理器即 CPUCentral Processing Unit 它是整个计算机的核心部件是计 算机的 “ 大脑 ” 。它控制了计算机的运算、处理、输入和输出 等工作。集成电路技术是制造微型机、小型机、大型机和 巨型机的 CPU 的基本技术。它的发展使计算机的速度和能力 有了极大的改进。在1965 年芯片巨人英特尔公司的创始人 戈登 摩尔给出了著名的

7、摩尔定律芯片上的晶体管数量每 隔 1824 个月就会翻一番。让所有人感到惊奇的是这个定律 非常精确的预测了芯片的30 年发展。 1958 年第一代集成电 路仅仅包含两个晶体管而1997 年奔腾 II 处理器则包含了750 万个晶体管2000 年的 Pentium 4 已 运算器存储器控制器 程序 数据 输出结果控制流数据流 图 1-7 计算机基本硬 件组成及简单工作原理达到了 0.13 微米技术集成了4200 万 个晶体管。CPU 集成的晶体管数量越大就意味着更强的芯 片计算能力。存储器 Memory 存储器是计算机的记忆装置 它的主要功能是存放程序和数据。程序是计算机操作的依据 数据是计算机

8、操作的对象。 信息存储单位程序和数据 在计算机中以二进制的形式存放于存储器中。存储容量的大 小以字节为单位来度量。经常使用KB 千字节、 MB 兆字节、 GB 千兆字节和TB 来表示。它们之间的关系是 1KB1024B210B1MB1024KB220B1GB1024MB230B1TB1024 G240B 在某些计算中为了计算简便经常把2101024 默认为是 1000。 位 bit 是计算机存储数据的最小单位。机器字中一个 单独的符号 “0”或“1”被称为一个二进制位它可存放一位二进 制数。 字节 Byte 简称 B 字节是计算机存储容量的度量单位 也是数据处理的基本单位8 个二进制位构成一个

9、字节。一个 字节的存储空间称为一个存储单元。字 Word 计算机处理数 据时一次存取、加工和传递的数据长度称为字。一个字通常 由若干个字节组成。字长 Word Long 中央处理器可以同时 处理的数据的长度为字长。字长决定 CPU 的寄存器和总线的 数据宽度。现代计算机的字长有8 位、16 位、32 位、 64 位。 存储器的分类现代计算机系统中广泛应用半导体存储 器从使用功能角度看半导体存储器可以分成两大类断电后 数据会丢失的易失性Volatile 存储器和断电后数据不会丢失 的非易失性Non-volatile 存储器。微型计算机中的RAM 属于 可随机读写的易失性存储器而ROM 属于非易失

10、性 Non-volatile 存储器 存储器工作原理为了更好地存放程 序和数据存储器通常被分为许多等长的存储单元每个单元 可以存放一个适当单位的信息。全部存储单元按一定顺序编 号这个编号被称为存储单元的地址简称地址。存储单元与地 址的关系是一一对应的。应注意存储单元的地址和它里面存 放的内容完全是两回事。对存储器的操作通常称为访问存 储器访问存储器的方法有两种一种是选定地址后向存储单 元存入数据被称为“ 写” 另一种是从选定的存储单元中取出数 据被称为 “ 读” 。可见不论是读还是写都必须先给出存储单元 的地址。来自地址总线的存储器地址由地址译码器译码转换 后找到相应的存储单元由读写控制电路根

11、据相应的读、写命 令来确定对存储器的访问方式完成读写操作。数据总线则用 于传送写入内存或从内存取出的信息。主存储器的结构框图 如图 1-8 所示。内存 CPU 内存 CPU 外存 图 1-8 CPU 访 问内、外存储器的方式根据存储器与CPU 联系的密切程度 可分为内存储器主存储器和外存储器辅助存储器两大类。内 存在计算机主机内它直接与运算器、控制器交换信息容量虽 小但存取速度快一般只存放那些正在运行的程序和待处理 的数据。为了扩大内存储器的容量引入了外存储器外存作为 内存储器的延伸和后援间接和CPU 联系用来存放一些系统 必须使用但又不急于使用的程序和数据程序必须调入内存 方可执行。外存存取

12、速度慢但存储容量大可以长时间地保存 大量信息。 CPU 与内、外存之间的关系如图 1-7 所示。 4. 输 入设备输入设备是从计算机外部向计算机内部传送信息的 装置。其功能是将数据、程序及其他信息从人们熟悉的形式 转换为计算机能够识别和处理的形式输入到计算机内部。 常用的输入设备有键盘、鼠标、光笔、扫描仪、数字化仪、 条形码阅读器等。5. 输出设备输出设备是将计算机的处理 结果传送到计算机外部供计算机用户使用的装置。其功能是 将计算机内部二进制形式的数据信息转换成人们所需要的 或其他设备能接受和识别的信息形式。常用的输出设备有显 示器、打印机、绘图仪等。通常我们将输入设备和输出设 备统称为 I

13、/O 设备 Input/Output 。它们都属于计算机的外部设 备。 1.3.3 计算机软件系统一个完整的计算机系统是由硬 件和软件两部分组成的。硬件是组成计算机的物理实体。但 仅有硬件计算机还不能工作要使计算机解决各种问题必须 有软件的支持软件是介于用户和硬件系统之间的界面。“ 软 件” 一词 20 世纪 60 年代初传入我国。国际标准化组织ISO 将软件定义为电子计算机程序及运用数据处理系统所必需 的手续、规则和文件的总称。对此定义一种公认的解释是软 件由程序和文档两部分组成。程序由计算机最基本的指令组 成是计算机可以识别和执行的操作步骤文档是指用自然语 言或者形式化语言所编写的用来描述

14、程序的内容、组成、功 能规格、开发情况、 测试结构和使用方法的文字资料和图表。 程序是具有目的性和可执行性的文档则是对程序的解释和 说明。程序是软件的主体。软件按其功能划分可分为系统 软件和应用软件两大类型。1. 1. 系统软件System Software span langEN -US 常见的系统软件主要指操作系统当然也包 括语言处理程序汇编和编译程序等、服务性程序支撑软件和 数据库管理系统等。图 1-9 内存储器原理地址总线数据信 息 地址信息读写控制电路存储单元存储单元存储单元 存储单元存储单元存储单元读写操作命令数据总线 操作系统 OSOperating System 操作系统是系统

15、软件的核心。 为了使计算机系统的所有资源包括硬件和软件协调一致、有 条不紊地工作就必须用一个软件来进行统一管理和统一调 度这种软件称为操作系统。它的功能就是管理计算机系统的 全部硬件资源、 软件资源及数据资源从图 1-10 可以看出操作 系统是最基本的系统软件其他的所有软件都是建立在操作 系统的基础之上的。操作系统是用户与计算机硬件之间的接 口没有操作系统作为中介用户对计算机的操作和使用将变 得非常难且低效。操作系统能够合理地组织计算机整个工作 流程最大限度地提高资源利用率。操作系统在为用户提供一 个方便、友善、使用灵活的服务界面的同时也提供了其他软 件开发运行的平台。 它具备五个方面的功能即

16、CPU 管理作业 管理存储器管理设备管理及文件管理。操作系统是每一台计 算机必不可少的软件现在具有一定规模的现代计算机甚至 具备几个不同的操作系统。操作系统的性能在很大程度上决 定了计算机系统工作的优劣。微型计算机常用的操作系统有 DOSDisk Operating System 、Unix 、Xenix、Linux 、 Windows98/2000 、NetWare、WindowsNT 、WindowsXP 等。 语言处理程序在介绍语言处理程序之前很有必要先介 绍一下计算机程序设计语言的发展。软件是指计算机系统 中的各种程序而程序是用计算机语言来描述的指令序列。计 算机语言是人与计算机交流的

17、一种工具这种交流被称为计 算机程序设计。程序设计语言按其发展演变过程可分为三种 机器语言、 汇编语言和高级语言前二者统称为低级语言。机 器语言 Machine Language 是直接由机器指令二进制构成的因 此由它编写的计算机程序不需要翻译就可直接被计算机系 统识别并运行。这种由二进制代码指令编写的程序最大的优 点是执行速度快、效率高同时也存在着严重的缺点机器语言 很难掌握编程繁琐、可读性差、易出错并且依赖于具体的机 器通用性差。汇编语言 Assemble Language 采用一定的助记 符号表示机器语言中的指令和数据是符号化了的机器语言 也称作 “ 符号语言 ” 。汇编语言程序指令的操作

18、码和操作数全 都用符号表示大大方便了记忆但用助记符号表示的汇编语 言它与机器语言归根到底是一一对应的关系都依赖于具体 的计算机因此都是低级语言。同样具备机器语言的缺点如缺 乏通用性、繁琐、易出错等只是程度上不同罢了。用这种语 言编写的程序汇编程序不能在计算机上直接运行必须首先 被一种称之为汇编程序的系统程序“ 翻译 ” 成机器语言程序才 能由计算机执行。任何一种计算机都配有只适用于自己的汇 编程序 Assembler。 高级语言又称为算法语言它与机器无关 是近似于人类自然语言或数学公式的计算机语言。高级语言 克服了低级语言的诸多缺点它易学易用、可读性好、表达能 力强语句用较为接近自然语言的英文

19、字来表示、通用性好用 高级语言编写的程序能使用在不同的计算机系统上。但是对 于高级语言编写的程序仍不能被计算机直接识别和执行它 也必须经过某种转换才能执行。高级语言种类很多功能很 强常用的高级语言有其中面向过程的有Basic、用于科学计 算的 Fortran、支持结构化程序设计的Pascal、用于商务处理 的 COBOL 和支持现代软件开发的C 语言现在又出现了面 向对象的 VBVisual Basic 、VCVisual C 、Delphi、Java等语言 使得计算机语言解决实际问题的能力得到了很大的提高。 Fortran 语言在 1954 年提出 1956 年实现的。适用于科学和工 程计算

20、它已经具有相当完善的工程设计计算程序库和工程 应用软件。Pascal 语言是结构化程序设计语言适用于教学、 科学计算、 数据处理和系统软件开发等目前逐渐被C 语言所 取代。C 语言是美国Bell 实验室开发成功的是一种具有很 高灵活性的高级语言。它语言程序简洁功能强适用于系统软 件、数据计算、数据处理等成为目前使用得最多的程序设计 语言之一。Visual Basic 是在 Basic 语言的基础上发展起来 的面向对象的程序设计语言硬件操 作 系 统 作 作 系 统 系 作 系 统 统 作 系 统 件 作 系 统 软盘欠作 系 统 开 作 系 统 发盘欠作 系 统 具盘欠作 系 统 工盘 欠 作

21、 系 统 ? 6? 7? 6? 7 盘欠 作 系 统 应 作 系 统 用 作 系 统 软 作 系 统 件 作 系 统 用户作 系 统 图 1-10 用户面对的计算机系统的它既保留了Basic 语言 简单易学的特点同时又具有很强的可视化界面设计功能能 够迅速地开发Windows 应用程序是重要的多媒体编程工具 语言。 C 是一种面向对象的语言。面向对象的技术在系统程 序设计、数据库及多媒体应用等诸多领域得到广泛应用。专 家们预测面向对象的程序设计思想将会主导今后程序设计 语言的发展。Java是一种新型的跨平台分布式和程序设计 语言。 Java以它简单、安全、可移植、面向对象、多线程处 理和具有动

22、态等特性引起世界范围的广泛关注。Java语言是 基于 C 的其最大的特色在于“ 一次编写处处运行” 。Java已逐 渐成为网络化软件的核心语言。语言处理程序的功能是将 除机器语言以外利用其他计算机语言编写的程序转换成机 器所能直接识别并执行的机器语言程序的程序。可以分为三 种类型即汇编程序、编译程序和解释程序。通常将汇编语言 及各种高级语言编写的计算机程序称为源程序Source Program 而把由源程序经过翻译汇编或者编译而生成的机器 指令程序称为目标程序Object Program。语言处理程序中的 汇编程序与编译程序具有一个共同的特点即必须生成的目 标程序然后通过执行目标程序得到最终结

23、果。而解释程序是 对源程序进行解释逐句翻译翻译一句执行一句边解释边执 行从而得到最终结果。解释程序不产生将被执行的目标程序 而是借助解释程序直接执行源程序本身。应该注意的是除 机器语言外每一种计算机语言都应具备一种与之对应的语 言处理程序。 服务性程序支撑软件是指为了帮助用户使 用与维护计算机提供服务性手段支持其他软件开发而编制 的一类程序。此类程序内容广泛主要有以下几种工具软件 工具软件主要是帮助用户使用计算机和开发软件的软件工 具如美国 Central Point Software 公司推出的PC tools。 编辑 程序编辑程序能够为用户提供一个良好的书写环境。如 EDLIN 、EDIT

24、 、写字板等。调试程序调试程序用来检查计 算机程序有哪些错误以及错误位置以便于修正如DEBUG 。 诊断程序诊断程序主要用于对计算机系统硬件的检测和维 护。能对 CPU、内存、软硬驱动器、显示器、键盘及I/O 接 口的性能和故障进行检测。 数据库管理系统。数据库 技术是计算机技术中发展最快、用途广泛一个分支可以说在 今后的各项计算汇编语言源程序目标程序结果汇编 执 行 汇编程序高级语言源程序目标程序结果 编译 执行 编译程序解释高级语言源程序结果 解释程序执行 图 1-11 汇编、编译与解释过程机应用开发中都离不开数据库 技术。数据库管理系统是对计算机中所存放的大量数据进行 组织、管理、查询有

25、效提供一定处理功能的大型系统软件。 主要分为两类一类是基于微型计算机的小型数据库管理系 统如 FoxBase 和 Foxpro 另一类是大型数据库管理系统。2. 2. 应用软件应用软件是指在计算机各个应用领域中为解决各 类实际问题而编制的程序它用来帮助人们完成在特定领域 中的各种工作。应用软件主要包括为解决各类实际问题而编 制的程序它用来帮肋人们完成在特定领域中的各种工作。应 用软件主要包括 文字处理程序文字处理程序用来进行 文字录入、编辑、排版、打印输出的程序如Microsoft Word 、 Wps2000 等。 表格处理软件电子表格处理程序用来对电 子表格进行计算机、加工、打印输出的程序

26、如Lotus、Excel 等。 辅助设计软件软件开发程序是为用户进行各种应用 程序的设计而提供的程序或软件包。常用的有AutoCAD 、 Photoshop、3D Studio MAX等。另外上述的各种语言及语言 处理程序也为用户提供了应用程序设计的工具也可视为软 件开发程序。 实时控制软件在现代化工厂里计算机普遍 用于生产过程的自动控制称为“ 实时控制 ” 。例如在化工厂中 用计算机控制配料、温度、阀门的开闭在炼钢车间用计算机 控制加料、炉温、冶炼时间等在发电厂用计算机控制发电机 组等。这类控制对计算机的可靠性要求很高否则会生产出不 合格产品或造成重大事故。目前PC 机上较流行的软件有 FIX 、InTouch 、Lookout 等。 用户应用程序用户应用程 序是指用户根据某一具体任务使用上述各种语言、软件开发 程序而设计的程序。如人事档案管理程序、计算机辅助教学 软件、各种游戏程序等。