计算机工作原理课件
第二章计算机系统组成与工作原理 ppt课件
时钟
时钟周期——计算机系统中最小计时单位，由系统时钟确定 指令周期——执行一条指令的时间，包括取指令+译码+执行 任务周期——指令执行分成几个阶段，每个阶段的时间
取指令
指令地 址计算
指令 译码
取操作数
计算操作 数地址
运算
存操作数
计算操作 数地址
存放器阵列
CPU内部的暂时存放单 元，暂存数据或地址
Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd
Rs, Rd
[MEM], Rd
Rs, [MEM]
Rs, Rd Imm, Rd
(Rs1)+(Rs2)Rd (Rs)+ImmRd
形状标志存放器 根据运算结果 设置形状标志
ALU bus
整个CPU内部各单元 用片内总线互连
存 放 器 组
暂存器 ALU
形状标志存放器
控制器
指令译码(根据指令要
求产生对应控制电平)和
指 令
译 码 时序发 控制 逻 生器 电平
…
控 制 信
确定操作时序(这些控制
辑
号
电平在什么时辰产生?
维持多长时间)
容量 小
大
存放器组 高速缓存Cache 系统主存储器
次级存储器
速度 快
慢
高速缓存——处理处置速度与存储速度的矛盾
CPU
CACHE
RAM
命中率与数据访问部分性(locality)
据类型〕，占用了大量芯片面积，且容易出错，VLSI 设计困难。
计算机工作原理
计算机工作原理计算机的基本原理是存贮程序和程序控制。
预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据通过输入设备输送到计算机内存贮器中。
每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地址去等步骤。
计算机的基本原理计算机在运行时，先从内存中取出第一条指令，通过控制器的译码，按指令的要求，从存贮器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等加工，然后再按地址把结果送到内存中去。
接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。
依此进行下去，直至遇到停止指令。
程序与数据一样存贮，按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。
这一原理最初是由美籍匈牙利数学家冯.诺依曼于1945年提出来的，故称为冯.诺依曼原理。
编辑本段计算机的系统架构计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
美藉匈牙利科学家冯·诺依曼（John von Neumann）奠定了现代计算机的基本结构，这一结构又称冯·诺依曼结构，其特点是：1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。
2）存储单元是定长的线性组织。
3）存储空间的单元是直接寻址的。
4）使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。
5）对计算进行集中的顺序控制。
6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。
7）采用二进制形式表示数据和指令。
8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。
编辑本段计算机指令计算机根据人们预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理。
人们预定的安排是通过一连串指令（操作者的命令）来表达的，这个指令序列就称为程序。
一个指令规定计算机执行一个基本操作。
一个程序规定计算机完成一个完整的任务。
一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，称为该种计算机的指令集合或指令系统。
第1讲计算机工作原理PPT课件
虽然“马克1号”与ENIAC建成时间相距很近，但在技术的采用上相 距甚远， ENIAC采用了电子管技术。
ENIAC的出现，使人类社会从此进入了电子计算机时代，在此之前 的计算机都是机械式计算机，而ENIAC则采用了电子管作为主要元件， 开创了电子计算机的新纪元，因此，人们视其为电子计算机的鼻祖。
为10位的十进位数，而且是用线路连接的方法来编排程序，因此每次解题都要靠人工改接连线，
准备时间大大超过实际计算时间。
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计算机发展史
1944年2月，美国科学家艾肯在IBM公司的支持下，终于设计完成了以继电器作为主要器 件的电子差分机，从而实现了巴贝奇分析机的想法。 1946年，计算机史上第一台真正的电子计算机ENIAC（Electrical Numerical Integrator And Calculator），在美国宾西法尼亚大学研制成功。
8
计算机发展史
第一台电子计算机（ENIAC）
Electronic Numerical Integrator And Calculator
5000次加法/秒 体重28吨 占地170m2 18800只电子管 1500个继电器 功率150KW
ENIAC则采用了电子管作为主要元件，开创了电子计算机的新纪元
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➢第三代，集成电路时代。 集成电路就是把几十个或几百个独立的电子器件集中到一块几平方毫 米的硅片上(集成电路芯片)。与晶体管相比，集成电路的体积更小，功 耗更低，可靠性更高，造价更低。采用集成电路制造的计算机，运算 速度达到了每秒十万次到百万次。 ➢第四代，超大规模集成电路时代。 上个世纪80年代，电子技术有了新的发展，人们已经可以在一个芯片 （超大规模集成电路，VLSI）内容纳几十万个电子器件。随后发展出 来的极大规模集成电路，将集成度扩充到了百万级，而芯片尺寸只有 硬币大小。从此，计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性又 不断增强。这一代的运算速度，已经达到了每秒几百万至几亿次。
计算机组成与基本工作原理PPT课件
1、主机
主机是计算机系统的核心，主要由中央处理器 （CPU）、内存、输入输出设备接口（I/O接口）、 总线和扩展槽等构成，通常被封装在主机箱内。
主机机箱外观图
（1）主板
主板(Mother Board, main Board, System Board) 是微型计算机中最大的一块集成电路板，是其它 部件和外部设备的连接载体。
中央处理器CPU
寄存器组
R1 R2 R3 R4
PC 指令 指针 寄存器
地 址 寄存 器 地址总线
运
算 ALU
器
数据暂存器 指令寄存器
数据总线
标志 寄存器
指令译码器 控制电路
CPU结构示意图
控制总线
CPU是计算机的 心脏，用来实现 程序控制功能 （自动从内存中 读入指令和自动 执行指令）。
（3）存储器与存储系统
DRAM
高速度 大容量
矛盾
外存 外存
外存
1 2 ... n
低成本 外存 硬盘、光）：度量数据的最小单位 字节（Byte）：最常用的基本单位
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0
1 0 0 1 0 1 0 1 =27+ 24+ 22+ 20 =149
K 字节
（2）中央处理器
中央处理器CPU（Central Processing Unit）又称 中央处理单元。
CPU由控制器和运算器组成，通常集中在一块芯 片上，是计算机系统的核心设备。
计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器 之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。
中央处理器组成之
只读存储器ROM
存放系统初始化程序、操作系统引入程序、多种硬件驱动程序等。 特点：只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。 原来存储的内容是由厂家一次性写入的，并永久保存下来。
计算机工作原理
1、计算机系统的组成微型计算机由硬件系统和软件系统组成。
硬件系统：指构成计算机的电子线路、电子元器件和机械装置等物理设备，它包括计算机的主机及外部设备。
软件系统：指程序及有关程序的技术文档资料。
包括计算机本身运行所需要的系统软件、各种应用程序和用户文件等。
软件是用来指挥计算机具体工作的程序和数据，是整个计算机的灵魂。
计算机硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五部分组成。
２、计算机的工作原理（１）冯•诺依曼原理“存储程序控制”原理是1946年由美籍匈牙利数学家冯•诺依曼提出的，所以又称为“冯•诺依曼原理”。
该原理确立了现代计算机的基本组成的工作方式，直到现在，计算机的设计与制造依然沿着“冯•诺依曼”体系结构。
（2）“存储程序控制”原理的基本内容①采用二进制形式表示数据和指令。
②将程序（数据和指令序列）预先存放在主存储器中（程序存储），使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令，并加以执行（程序控制）。
③由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机硬件体系结构。
（3）计算机工作过程（见下图）第一步：将程序和数据通过输入设备送入存储器。
第二步：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。
第三步：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中。
第四步：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。
二、中央处理器中央处理器又称CPU（Central Processing Unit），是计算机系统的核心，它由运算器、控制器和寄存器组成。
1、运算器（ALU）运算器是负责对数据进行算术运算或逻辑运算的部件，由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器和通用寄存器组等组成。
算术逻辑单元用于算术运算、逻辑运算及移位、求补等操作；累加器用于暂存被操作数和运算结果；通用寄存器组是一组寄存器，运算时用于暂存操作数和数据地址；状态寄存器也称标志寄存器，它用于存放算术逻辑单元工作中产生的状态信息。
计算机工作原理
电脑的工作原理
bsp; 随着计算机技术的发展，计算机的应用已不再是少数计算机专业人员的专利，它已渗透到我们工作和生活的各个角落，而且这种渗透趋势还会越来越强。现代社会是信息的社会，而一切信息的处理都离不开计算机。
③时钟频率和机器周期：时钟频率又称主频，它是指CPU内部晶振的频率，常用单位为兆（MHz），它反映了CPU的基本工作节拍。一个机器周期由若干个时钟周期组成，在机器语言中，使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度。一般使用CPU类型和时钟频率来说明计算机的档次。如Pentium III 500等。
因此，在认识了电脑的家之后，我们花点时间了解一下电脑软件的相关知识，从而概貌性地掌握电脑工作的基本原理。这对于后面操作系统和应用软件的学习，会很有帮助。
我们现在就去探究一下电脑，到底是怎样工作的？
一、电脑原理概述
前面我们已经提过，电脑的工作原理跟电视机、VCD机差不多，您给它发一些指令，它就会按您的意思执行某项功能。不过，您可知道，这些指令并不是直接发给您要控制的硬件，而是先通过前面提过的输入设备，如键盘、鼠标，接收您的指令，然后再由中央处理器（CpU）来处理这些指令，最后才由输出设备输出您要的结果。
通过做这一简单运算题，我们发现一规律：首先通过眼、耳等感觉器官将捕捉的信息输送到大脑中并存储起来，然后对这一信息进行加工处理，再由大脑控制人把最终结果，以某种方式表达出来。
电脑正是模仿人脑进行工作的（这也是“电脑”名称的来源），其部件如输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备等分别与人脑的各种功能器官对应，以完成信息的输入、处理、输出。
（五）微型计算机主要技术指标
①CPU类型：是指微机系统所采用的CPU芯片型号，它决定了微机系统的档次。
高中信息技术 计算机的结构和工作原理课件
计算机系统器 内 存 储 器 外部设备 外 存 储 器 输 入 设 备 输 出 设 备 软件 系统软件 操 作 系 统
程 序 设 计 语 言 语 言 处 理 程 序
应用软件 通 用 软 件 专 用 软 件
总结
这些部件有序装配--主机-通过电缆与其它外部设备连接--电脑
课
堂
练
习
一、填空： 中央处理器 1．运算器和控制器合称为＿＿＿＿＿＿。 只读存储器 随机存储器 2．主存储器按读写方式的不同分为＿＿＿＿和＿＿＿。 系统软件 应用软件 3．软件分为＿＿＿＿＿和＿＿＿＿＿； Windows98 系统软件 属于＿＿＿＿＿软件。 二、判断题： 1．计算机的硬件系统由中央处理器、存储器、输入 设备和输出设备组成。（ ） 2．硬盘是我们常存储数据的主要存储器，所以它是 计算机的主存储器。（ ）
一、硬件系统
由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备组成。
计 算 机 硬 件 系 统 运算器
控制器 中央处理器(CPU) 内存储器 主 机
存储器
输入设备 输出设备 外存储器 外 部 设 备
硬件系统的组成
显 示 器
主 机
键盘
鼠标
音箱
主机板
主机大总管
CPU
光驱
内存
声卡、显示卡 软驱 硬盘
运算器、控制器
输入设备、输出设备
• 输入设备的功能：
用于接受数据和程序 等外部信息。常见设备有： 键盘、鼠标、扫描仪
输出设备的功能： 用于向用户传送如声 音、文字、图像等处理结果。 常见设备有： 显示器、打印机 音箱
二．软件系统
分为系统软件和应用软件：
系统软件：指控制计算机的运行、管理计算机 的各种资源、为应用软件提供支持和服务的一类软 件。包括：操作系统（如：Windows98 、windowsXP) 程序设计语言 和语言处理程序（如：解释程序、编译 程序） 应用软件：指为某种应用或解决某类问题所编 程序设计语言包 括：机器语言、 制的各种应用程序。包括：通用程序和专用程序（如： 汇编语言和高级 文字处理软件： Excel； 语言（如： BASIC、 WPS2000、Word； 电子表格： C动画制作软件： 、PASCAL语言） Flash;等）
《计算机原理》课件
03
计算机软件系统
系统软件
系统软件是计算机的基本软 件，负责管理计算机的硬件 资源，包括操作系统、设备 驱动程序、系统工具等。
操作系统是系统软件的核心 ，负责管理计算机的硬件和 软件资源，提供用户界面和 应用程序接口，协调应用程
序的运行。
设备驱动程序是操作系统的 一部分，负责与计算机硬件 设备交互，实现硬件设备的
巨型机、大型机、中型机、小 型机、微型机。
03
按用途
通用计算机和专用计算机。
计算机的应用领域
科学计算
数学、物理、工程等领域中的数值计算。
自动控制
工业生产、交通管理、家用电器等领域。
人工智能
机器学习、自然语言处理、专家系统等。
数据处理
数据库、数据挖掘、办公自动化等。
辅助设计
CAD、CAE、CAM等技术广泛应用于机械、电子、建筑 等领域。
机器学习原理
机器学习的定义
机器学习是人工智能的一个子领域，它利用算法使计算机系统能够 从数据中学习并做出准确的预测或决策，而无需进行明确的编程。
机器学习的主要方法
监督学习、无监督学习、半监督学习和强化学习是机器学习的四大 主要方法。
机器学习的应用场景
机器学习在各个领域都有广泛的应用，如自然语言处理、图像识别、 语音识别、推荐系统和自动驾驶等。
软件开发与维护
软件开发是指根据用户需求和设 计要求，编写计算机程序的过程
。
软件开发需要遵循一定的规范和 标准，以确保软件的质量和可维
护性。
软件维护是指对已经完成的软件 进行修改和完善的过程，以满足 用户新的需求或修复软件的错误
和漏洞。
04
计算机操作系统
操作系统的定义与功能
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存储器可分ห้องสมุดไป่ตู้：
和
。
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内存储器
是电脑的核心部件，重要性仅次于CPU，它的容量和处 理速度直接决定了电脑数据传输的快慢。
内存是电脑的一个临时存储器，它只负责电脑数据的中 转而不能永久保存。
通常内存容量为128、256、512MB、1GB等。 是勾通CPU与硬盘之间的桥梁。
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外存储器
外存储器即外存，也称辅存，是内存的延伸，其主要 作用是长期存放计算机工作所需要的系统文件、应用程序、 用户程序、文档和数据等。当CPU需要执行某部分程序和数 据时，由外存调入内存以供CPU访问，可见外存的作用是扩 大存储系统容量的。
外存储器主要有：磁盘（硬盘）、光盘、闪存。
硬盘
光盘及光盘驱动器
闪存 返回
中央处理器（CPU）
运算器的主要功能是对数据进行各种运算：加、减、乘、除等算术运 算； “与”、“或”、“非” 等逻辑运算及数据的比较、移位等操作。
控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调地工 作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。
通常把控制器与运算器合称为中央处理器 ，用最先进的超大规模集 成电路技术来制造中央处理器 ，它是计算机的核心部件 。
CPU正面
CPU背面
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输出设备
输出设备用来从计算机输出各类 数据。输出设备把计算机加工处理的 结果（仍然是数字形式的二进制码） 变换为人或其它设备所能接收和识别 的信息形式如文字、数字、图形、声 音、电压等。常用的输出设备有显示 器、打印机、音箱等。
4.控制器 即中央处理器（
）
5.输出设备
输入设备
输入设备用来向计算机输入各种原始数 据和程序。输入设备把各种形式的信息，如 数字、文字、图像等转换为数字形式的“编 码”，即计算机能够识别的用１和０表示的 二进制代码(实际上是电信号)，并把它们 “输入”（INPUT）到计算机内存储起来。 键盘是必备的输入设备、常用的输入设备还 有鼠标、扫描仪、摄像头等。
上面是组成计算机的五大部件，那
么这些部件是怎么组合、连接起来的呢，
这就是我们下面要介绍的
。
主板
主板是整个电脑的基板，是CPU、内存、硬盘、光驱输入/输出设备及各 种扩展卡的载体，电脑通过主板将CPU等各种器件和外部设备有机地结合起 来形成一套完整的系统。主板是否稳定关系着整个电脑是否稳定，主板的速 度在一定程度上也制约着整机的速度。
计算机硬件知识及 计算机工作原理
江西省新干中学 吴 伟
大家好，我是大家的好朋友 “电脑”，今天我将带领你们认 识我的组成及我是怎么工作的，
好了，一起来吧！
从外观来看我由这样几部分组成： 主机箱 显示器 键盘 鼠标 音箱 等
按计算机系统体系分的话，可以分为五部分：
1.输入设备
2.存储器
3.运算器 通常这两部分集成在一个芯片上，
计算机工作原理
同
意
计
1+1
算
输入设备
请 求 输 入
同意输入
输入过程
计算
运算器
储
送
存
入
结
数
果
据
存储器
同
请
意
求
存
存
储
储
控制器
数据信号 控制信号
输出结果
输出设备 2
请请
同
求求
意
计输
输
算出
出
处理过程
输出过程
返回
存储器
存储器的主要功能是存储程序和各种数据信息，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。
计算机在计算之前，程序和数据通过输入设备送入存储器，计算
机开始工作之后，存储器还要为其它部件提供信息，也要保存中间结
果和最终结果。因此，存储器的存数和取数的速度是计算机系统的一
个非常重要的性能指标。