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系统结构

第2章 计算机硬件 基础. 系统结构. 内容提要. 计算机系统组成 计算机的工作原理 计算机硬件基础（ CPU；Memory； I/O 设备；总线） 多媒体计算机. 1.计算机系统组成. 2. 计算机工作原理. 机器指令格式：. 操作码. 操作数地址. (1) 机器指令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的二进制代码串。 操作码：指明指令的操作性质。如加、减等 操作数地址：指明指令的操作对象。一般情况指出参加操作的操作数所在内存单元的地址，有时也直接给出操作数本身。. (2) 程序：在此特指由机器指令组成的指令序列。

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  1. 第2章 计算机硬件 基础 系统结构

  2. 内容提要 • 计算机系统组成 • 计算机的工作原理 • 计算机硬件基础（ CPU；Memory； I/O设备；总线） • 多媒体计算机

  3. 1.计算机系统组成

  4. 2. 计算机工作原理

  5. 机器指令格式： 操作码 操作数地址 (1) 机器指令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的二进制代码串。 • 操作码：指明指令的操作性质。如加、减等 • 操作数地址：指明指令的操作对象。一般情况指出参加操作的操作数所在内存单元的地址，有时也直接给出操作数本身。

  6. (2) 程序：在此特指由机器指令组成的指令序列。 • 一般用来完成一特定的任务，采用某种算法根据一定的数据流程，由若干条机器指令编写而成。 • 计算机按程序规定的顺序一条一条地执行程序中的机器指令，达到完成指定任务的目的。

  7. 程序编制与执行步骤 高级语言源程序 可执行代码 目标 程序 编译 连接

  8. (3) 指令执行过程 • 控制器控制从存储器中取出当前要执行的指令存放到控制器中。 • 控制器分析该指令（译码）。生成执行该指令所需的控制信号。 • 在控制信号的驱动下，将参加操作的操作数取来送运算器，同时控制运算器执行指令规定的操作 • 按指令要求保存操作结果。

  9. 3.微机主要性能指标 （1）字长：一次能处理的二进制数据的位数。 字长愈长，则运算精度愈高，功能愈强 。 常见16位（286机）；32位（486，Pentium）等。 （2）速度：用主频及运算速度来加以评价 。 主频为时钟频率 ，如P42.4G,主频为2.4GMHZ; 运算速度是每秒执行百万指令数（MIPS）。 （3）存储容量 （4）性能价格比

  10. 4. 计算机硬件 运算器 控制器 存储器 输入输出部件 CPU (中央处理机Central Processing Unit) 硬件

  11. (1) 运算器：对数据进行基本的算术逻辑运算 • 运算器与计算机性能：运算器的性能是衡量计算机性能的重要指标（单位：MIPS--Millions of Instructions Per Second) • 运算器与计算机字长：运算器处理数据的位数代表计算机的字长。（8位机，16位机，32位机，64位机等）

  12. (2) 控制器：提供指令执行所需要的控制信号，控制计算机各部分协调工作。达到执行指令的目的。 • 暂存当前要执行的指令。 • 对指令进行解释（译码）。 • 生成执行该执行所需的控制信号。 • 运算器和控制器合称为中央处理机（CPU--Central Processing Unit)

  13. (3) 存储器：存储指令和数据 内存（主存）：存放将执行的程序（指令）和程序执行所需的数据。目前内存主要由半导体器件构成。相对外存来说，价格贵、容量小。 存储器 外存（辅存）：存放备用数据或程序。如软盘、硬盘、CD-ROM等，属于外部设备。相对价格低，容量大。 一般概念上说存储器往往指的是内存。

  14. 主存（内存） • 内存中的信息能够被CPU直接读出或写入。 • 主存储器由半导体存储器构成。 • 可分为： • 只读存储器（ROM：read only memory） • 随机读写存储器（RAM：random access memory） • CACHE

  15. 外存： • 外存储器一般保存暂不执行的程序和数据或者是需长期保存的程序和数据 • 外存储器由磁介质其他介质构成 • 常见外存储器： • 软盘：（3.5寸，1.44M） • 硬盘： (10M——80G） • 光盘：只读型光盘（CD--ROM）、追记型光盘（WORM）和可改写型光盘（MOD） ；（几百M） • 可移动磁盘：移动硬盘由硬盘体加上控制芯片组成；优盘又名“闪存盘” ，通过USB接口与计算机交换数据 。

  16. 软盘： • 目前微机所配置通用软盘驱动器大多数是3.5英寸的1.44MB薄型软盘驱动器，适用于1.44MB软盘。如右图所示。

  17. 软盘的结构和存储原理 • 3.5英寸软盘片是软盘的核心，是记录数据的载体，它由一种塑料物构成，表面涂着一层由铁氧化物构成的磁性材料。这与录音机中使用的磁带有点相似，盘片在软盘驱动器中水平旋转并通过磁头来读写盘片上的信息，写的过程是以电脉冲将磁头下方磁道上那一点磁化，而读的过程则将磁头下方磁道上那一点的磁化信息转化为电信号，并通过电信号的强弱来判断为“0”还是“1”。

  18. 软盘格式化的原理 • 软盘只有经过格式化后才可以使用。格式化是为存储数据作准备，在此过程中，软盘被划分为若干个磁道，磁道又被划分为若干个扇区。例如，3.5英寸软盘共有80个磁道，18个扇区，每个扇区的容量均为512个字节，两面的总容量约为1.44MB。软盘的容量可以用下列公式计算。 • 软盘的容量=记录面数×磁道数/面×扇区数/道×字节/扇区

  19. 硬盘及硬盘驱动器 软盘具有使用携带方便等特点，但其存储容量小，读写速度慢，对大量数据的存储显得力不从心，而硬盘便具有解决以上问题的全部特点。硬盘作为微机系统的外存储器，它有着软盘所不可比拟的优势，所以成为微机的主要配置之一。如右图。

  20. 硬盘的分类 从外形磁盘直径尺寸分有5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸和1.8英寸等。从存储容量上分有8.4GB、10GBG、20GB、30GB等。从接口分有IDE、EIDE、ATA2、SCSI接口。其中SCSI接口硬盘主要用在服务器上。EIDE、ATA2是在IDE作了改进的接口，其传输速度有了大幅度的提高。

  21. 硬盘的结构和存储原理 硬盘与软盘的工作原理相同。硬盘一般由多个盘片固定在一个公共的转轴上，构成盘片组。微机上用的硬盘采用了温彻斯特技术，它把硬盘、驱动电机、读写磁头等组装并封装在一起，成为曼彻斯特驱动器。硬盘工作时，固定同一个转轴上的多张盘片以每分钟数千转甚至更高的速度旋转，磁头在驱动马达的带动下在磁介质盘做径向移动，寻找定位，完成写入或读出数据工作。 硬盘经过低级格式化、分区及高级格式化后即可使用。

  22. 硬盘盘片图

  23. 硬盘的存储容量 硬盘片以硬质的铝合金片为片基，并涂上精细磁性材料制作而成。磁盘表面也以转轴中心为圆点，被均匀地划分为若干个半径不等的同心圆，称为磁道。不同记录面上相同直径的磁道在垂直方向构成同心圆柱，称为柱面，柱面数等于磁道数。每个磁道同样被划分为若干个扇区，每个扇区的容量均为512字节。因此，硬盘的容量可用下式计算： 硬盘容量=记录面数×柱面数×扇区数/磁道×字节/扇区

  24. 光盘与光盘驱动器 光驱分类 光驱是多媒体计算机的重要外设，主要用来读取光盘上的信息。此外它还可以用来播放CD、VCD的功能。 光驱按安装方式划分：有内置和外置式两种； 光驱按数据传输速度分：20速、24速、32速、40速、50速等等； 光驱按接口分类：IDE（或EIDE）接口和SCSI接口，一般来说，SCSI接口光驱性能比较好，但价格比较贵。

  25. 光盘的存储原理 光电存储介质俗称光盘。光盘上有许多可痕，光电读取设备中的光学读写头利用激光束投到光盘上，根据可痕的深浅不同，反射的光束也不同，来表示不同的数据。一张光盘可以存储650兆字节的数据。

  26. 光盘的种类 从光盘的使用特性来分:只读光盘、写一次光盘、可重写光盘三大类。 （1）只读光盘或称CD-ROM（Compact　Disc　Read　Only　Memory）。 数据信息由生产厂家在制造时写入到光盘中，该光盘可反复进行读操作，但不能进行写操作，即光盘中的数据不能更改或删除，而是永久保存。由于这种光盘具有ROM性质，因此又称为CD-ROM。目前广泛使用的是CD-ROM光盘。

  27. （2）一次性写入光盘 一次性写入光盘，可以由用户写入信息，但只能写一次，不能抹除和改写。这种光盘的信息可反复读盘上的信息。 （3）可擦写型光盘 可擦写型光盘，用户可自己写入信息，也可对已有的信息进行抹除和改写，就像使用磁盘一样反复使用。可擦写型光盘需要插入特殊的光盘驱动器进行读写操作，它的存储容量一般在几百MB至几个GB。

  28. 优盘 闪存盘（FlashMemoryDisk）又名优盘，是一种采用快闪存储器(Flash Memory)为存储介质，通过USB接口与计算机交换数据的新一代可移动存储装置。大多数人都把闪存盘作为1.44MB软盘的替代产品，但是原理却完全不同。1.44MB软盘是传统的磁介质存储产品，而闪存盘是以FlashMemory为介质，所以具有可多次擦写、容量超大、存取快捷、轻巧便捷、即插即用、安全稳定等许多传统移动存储设备无法替代的优点。

  29. (4) 输入输出部件：实现计算机与外界（人或其他计算机）的交流。 • 输入/输出（I/O）接口：计算机内部与外部设备之间的连接桥梁。 • 输入设备：接收用户的数据或指令。如键盘、鼠标等。 • 输出设备：将计算机处理的结果转化为人们可以接收的形式。如显示器、打印机等。

  30. 总线（BUS）：一组公共的信息通道。 数据总线：数据信号线总和 地址总线：地址信号线总和 控制总线：控制信号线总和 总线包括

  31. 计算机硬件结构图（单总线结构）

  32. 微机内部结构图示

  33. 联想850主板 P4处理器

  34. 5. 多媒体计算机 • 多媒体计算机：应用计算机技术将各种媒体以数字化的方式集成在一起，具有表现、处理、存储多种媒体信息的综合能力和交互能力。 • 五种媒体：感觉媒体、表示媒体、存储媒体、传输媒体、显示媒体。 • 应用：处理文字、声音、图像、视频、动画等。

  35. MPC平台特点：兼容性、个人化或家庭化。 • 多媒体中的关键技术： • 大容量的存储技术 ：小体积的硬盘和高密度高容量的软盘。 • 数据压缩和解压缩技术 ：可以由硬件实现，也可以由软件实现。 • 芯片的处理速度 ：超大规模集成电路密度和速度都大大增加。 • 多媒体计算机信息处理 ：声音媒体的数字化 ，视觉类媒体的数字化 。

  36. 6. 键盘操作 • 键盘分为:打字机区,功能键区,控制键区与数字小键盘区 • 101键分为:字符键与控制键 • 基本控制键: • Caps Lock 大小写字母转换键 • Enter 回车键 • Shift 换档键 • BackSpace 退格键

  37. 功能键 退格键 制表定位键 数字锁定键 字母锁定键 小键盘 换档键 空格键 控制键 光标键 键盘简介

  38. 主键区 • 字母数字键：A--Z(a--z), 0--9 • 符号键：标点符号、运算符号、空格、其他符号等 • 特殊键：回车(Enter)、转换(Alt)、控制(Ctrl)、上档(Shift)、大写锁定(Caps Lock)、制表(Tab)等 • 功能键 • 功能键：逃逸(Esc)、F1--F12、屏幕打印(Print Screen)、滚动锁定(Scrool Lock)、暂定(Pause)、插入(Insert)、删除(Delete)等 • 光标方向键 • 上、下、左、右 • 数字小键盘 • 运算符号和数字

  39. 7.鼠标操作 右键 滚轮 左键 鼠标的常用操作有： 单击：选定、确认；双击：执行；拖放：移动。

  40. 计算机背景知识与人物 1.图灵及图灵奖 2.John W.Mauchly（莫克利） and the Development of the ENIAC Computer 3.von Neumann（冯·诺依曼）

  41. 1.图灵及图灵奖 阿伦·图灵（Alan Mathison Turing),数学家；1912年6月23日生于伦敦近郊，1954年6月7日逝世。51年选为英国皇家学会院士。提出了计算机模型（称图灵机），利用这种机器可以把推理化作一些简单的机械动作。学术界公认电子计算机的理论和模型是由图灵在1936年发表的一篇论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》中奠定了基础的。因此，当美国计算机协会ACM在1966年纪念电子计算机诞生20周年，决定设立计算机界的第一个奖项以表彰在计算机科学技术领域做出的杰出贡献的人时，很自然地将其命名为“图灵奖”，以纪念这位计算机科学理论的奠基人。图灵奖被称为“计算机界的诺贝尔奖”。

  42. 图灵奖的华裔得奖者 2000年度图灵奖得主为普林斯顿大学计算机科学系的华裔科学家安德鲁·姚（Andrew Chi Chih Yao）教授。姚期智博士是1966年颁发图灵奖以来第一位华裔得奖者。

  43. 2.John W.Mauchly(莫克利) and the Development of the ENIAC Computer Mauchly designed and oversaw the development of the first large-scale general purpose electronic computer. He created a start-up venture which heeventually sold at a profit to the company that went on to manufacture his computer. His work as a consultant was also successful.Moreover, Mauchly received academic recognition for his contributions: the Potts Medal of theFranklin Institute in 1949 and the Harry Goode Medal of theAmerican Federation of InformationProcessing Societiesin 1966.

  44. 3.von Neumann(冯·诺依曼)

  45. von Neumann John Louis von Neumann Born 28 December 1903, Budapest, Hungary; Died 8 February 1957, Washington DC; Brilliant mathematician, synthesizer, and promoter of the stored program concept, whose logical design of the IAS became the prototype of most of its successors - the von Neumann Architecture.

  46. 机房网络服务器资源使用 可下载服务器WYB文件夹中的学习内容到本地机上学习，进入WYB文件夹的方法：1）从WIN98启动计算机时，出现登录界面，用户名为1或2，密码不填，点确定；在网上邻居中查找计算机nt（JSJ），出现WYB文件夹。（2）从WIN2000启动计算机时，可直接进入，快速进入WYB文件夹的办法：点“开始”→“运行”，输入\\nt（JSJ）。

  47. 上机操作：开关机，键盘练习 详见计算机导论实验指导 第11章键盘基本操作中的 实验1、2：键盘指法练习和 键盘强化操作 注意：明确手指分工， 逐步实现盲打

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