计算PPT第02章.计算机基础
51页1、第2章 计算机基础专业基础课-计算思维导论第2章 计算机基础第2章 计算机基础第2章 计算机基础在上一章节中,我们初步了解了计算思维的存在形态和发展过程,揭示了计算思维的核心本质,即抽象和自动化,同时明确了我们在解决客观问题过程中需要养成简化、抽象的思维方式。如果计算思维可以辅助我们更好的了解事物的规律,找到解决问题的办法和途径,那实现自动化过程载体计算机又是一个怎样的原理和过程呢?在本章中,我们将进一步地来探讨自动化过程的主角计算机。作为计算思维重要的辅助工具,我们有必要了解它的基本组成部件,各部件的工作状态以及在计算思维过程中各自承担的作用。通过相对全面的了解计算机的组成及内部运行机制,可以更好地为我们掌握计算思维提供帮助。1234计算机的组成与冯诺依曼体系机器数与进制转换5计算机中的编码本章小结本章习题2.1 计算机的组成与冯诺依曼体系2.1 计算机的组成与冯诺依曼体系2.1.1 计算机的组成2.1.1 计算机的组成一个完整的计算机并非只是我们可以看的到、摸得着的那个冷冰冰的机器,而是必须有计算机软件的参与,所谓的“电脑”才能工作,才可以称得上真正意义的计算机,因此,计算机系统由
2、“硬件”和“软件”两大部分构成。所谓“硬件”是指计算机的实体部分,它是由各种电子元器件,各类光、电、机设备的实物构成,我们常说的硬盘、内存、CPU等都属于计算机硬件。计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。2.1.1 计算机的组成而“软件”则是我们看不见摸不着的,由人们预先编写的、具有指定功能的程序构成,这些“软件”寄存在计算机的主存和辅存之中,关于主存和辅存我们将在之后的章节中介绍到。我们又把计算机软件分为两类:系统软件应用软件系统软件:是控制和协调计算机及外部设备,支持应用软件开发和运行的系统,是无需用户干预的各种程序的集合,主要功能是调度,监控和维护计算机系统,负责管理计算机系统中各种独立的硬件,使得它们可以协调工作,比如操作系统即属于系统软件;应用软件:是和系统软件相对应的,是用户使用的各种程序设计语言编制的应用程序的集合,比如我们平时使用的Office软件、QQ聊天工具即属于应用软件。2.1.2 冯诺依曼体系2.1.2 冯诺依曼体系为了更加规范、清晰地描述计算机的基本机构和工作方式,美籍匈牙利数学家冯诺依曼提出了著名的冯诺依曼原理,为计算机的产生和
3、发展奠定了重要的理论意义。我们把冯诺依曼原理归结为以下三个方面内容:计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示;计算机的运行是以顺序运行程序为基础的,即把要执行的程序和处理的数据首先存入主存储器(内存),计算机执行程序时,将自动地、并且按顺序从主存储器中取出指令一条一条地执行;2.1.2 冯诺依曼体系计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。2.1.2 冯诺依曼体系冯诺依曼原理是现代计算机的基础,简单的来说,冯诺依曼体系结构构成的计算机,必须具有如下功能:u把需要的程序和数据送至计算机中,必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力;u能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力;u能够根据需要控制程序走向,并能根据指令控制机器的各部件协调操作,能够按照要求将处理结果输出给用户。关于运算器、控制器、存储器、输入/输出设备,我们将会在之后的章节介绍到。2.1.3 中央处理器2.1.3 中央处理器中央处理器(CPU,Central Processing Unit)相当于计算机的“大脑”,它由一块超大规模的集成电路构成,是一台计算机的运算核心和
4、控制核心,在上一节提到的运算器和控制器都是CPU最核心的部分,不仅如此,CPU还包含少量存储单元以及时钟等。CPU的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。2.1.3 中央处理器运算器(Arithmetic Unit)是计算机的数据运算和处理中心:主要由算术逻辑单元(ALU)、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元的基本功能为加、减、乘、除四则运算,与、或、非、异或等逻辑操作,以及移位、求补等操作。计算机运行时,运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器;处理后的结果数据通常送回存储器,或暂时寄存在运算器中。控制器(Control Unit)是计算机的控制中心:它一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑以及中断控制逻辑等。控制器为计算机程序的正确执行和异常事件处理提供了保证,决定了计算机运行过程的自动化。2.1.3 中央处理器CPU是整个计算机系统的核心,系统的性能好坏很大程度上取决于CPU的性能。下面我们来简要介绍一下CPU的主要性能指标。主频:即CPU的时钟频率,单位是MHz(或GHz)。它反映CPU的运算和处理数据的速度,
5、也就是通常主频越高,CPU的速度越快。外频:通常为系统总线的工作频率,单位和主频一样。外频决定CPU与主板同步的运行速度。工作电压:即CPU正常工作时的电压,单位是V。缓存:CPU缓存(Cache Memory)是位于CPU与内存之间的临时存储器,它的容量比内存小的多但是交换速率却比内存要快得多。字长:即CPU在单位时间内一次处理二进制数的位数。此外,CPU的性能指标还包括倍频系数、前端总线频率等2.1.4 存储器2.1.4 存储器存储器(Memory)是计算机中存储程序和各种数据的部件,并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。根据不同的界定方式,对存储器有不同的分类。2.1.4 存储器按存储介质分类,存储器可分为:u半导体存储器定义:所谓半导体存储器,是一种以半导体电路作为存储媒体的存储器,比如计算机的内存储器。u磁存储器定义:磁存储器采用磁性材料作为存储介质,比如磁带、磁盘。u光存储器定义:光存储器是使用指用光学方法从光存储媒体上读取和存储数据的一种存储设备,比如只读光盘。2.1.4 存储器按存取方式分类,存储器可分为:u随机存储器定义:随机存储器是任何存储单元的内
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