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思维导图:
1.3.1 硬件组成要素
硬件组成要素是指构成计算机系统的各种硬件组件和元件,它们相互配合和协同工作,完成计算机的各项功能。以下是计算机系统中常见的硬件组成要素:
1. 中央处理器(CPU):负责执行计算机指令并控制系统的运行,包括算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)等。
2. 存储器:包括主存储器(内存)和辅助存储器(硬盘、固态硬盘、光盘等),用于存储程序、数据和中间结果。
3. 输入设备:用于将外部信息输入到计算机系统中,如键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。
4. 输出设备:将计算机系统处理的结果输出给用户或其他设备,如显示器、打印机、音频设备、投影仪等。
5. 主板:连接和支持各种硬件组件的电路板,包括CPU插槽、内存插槽、扩展插槽等。
6. 总线:用于不同硬件组件之间的数据传输和通信,包括数据总线、地址总线、控制总线等。
7. 扩展插槽:用于安装扩展卡,如显卡、网卡、声卡等,以扩展计算机系统的功能和性能。
8. 电源:为计算机系统提供电能,包括直流电源和交流电源。
以上是计算机系统中的一些主要硬件组成要素,它们共同构成了一个完整的计算机系统,实现了计算、存储、输入、输出等功能。每个硬件组成要素都有自己的特定功能和作用,通过相互配合和协同工作,使计算机系统能够正常运行并完成各种任务。
1.3.2 运算器
运算器是计算机系统中的一个关键组件,也被称为算术逻辑单元(ALU)。它负责执行各种算术和逻辑运算,包括加法、减法、乘法、除法、位运算等。运算器通常由多个逻辑门和寄存器组成,具有存储和处理数据的能力。
运算器的主要功能包括:
1. 算术运算:执行加法、减法、乘法、除法等数值计算操作。
2. 逻辑运算:执行与、或、非、异或等逻辑操作。
3. 比较运算:比较两个数据的大小、相等性等关系。
4. 移位运算:将数据向左或向右移动指定的位数。
5. 数据存储:将计算结果存储到寄存器或内存中。
运算器是计算机的核心部件之一,它直接参与数据的处理和计算,为计算机提供了基本的算术和逻辑能力。在计算机系统中,运算器与控制单元(CU)共同协作,完成指令的执行和数据的处理,实现计算机的各种功能和任务。
1.3.3 存储器
存储器是计算机系统中用于存储和读取数据的设备或组件。它承担着存储和提供数据的功能,是计算机系统的重要组成部分。
存储器分为主存储器(主存)和辅助存储器两大类:
1. 主存储器:也称为内存,是计算机中用于临时存储数据和程序的地方。主存储器的容量较大,速度较快,可以快速地读取和写入数据。主存储器通常使用随机存取存储器(RAM)技术,如静态随机存取存储器(SRAM)或动态随机存取存储器(DRAM)。主存储器的容量决定了计算机能够同时存储和处理的数据量。
2. 辅助存储器:也称为外存,用于长期存储数据和程序。辅助存储器的容量通常比主存储器大得多,但读写速度较慢。常见的辅助存储器包括硬盘驱动器、固态硬盘、光盘、闪存驱动器等。辅助存储器主要用于存储操作系统、应用程序、文件和其他持久性数据。
存储器在计算机系统中起到了存储、读取和传输数据的重要作用。计算机通过读取和写入存储器中的数据来执行各种计算和操作。存储器的容量、速度和稳定性对计算机的性能和功能有重要影响。
1.3.4 控制器
控制器是计算机系统中的一个关键组件,负责控制和协调计算机系统的各个部分,使其按照程序的要求正确地执行指令和完成任务。
控制器通常由硬件和软件组成,其主要功能包括以下几个方面:
1. 指令解码:控制器将从主存储器中读取的指令进行解码,识别指令的类型和操作码,并确定下一步需要执行的操作。
2. 时序控制:控制器生成时序信号和时钟信号,确保计算机的各个部件在适当的时间进行工作,保证指令的顺序和数据的传输正确。
3. 控制信号生成:控制器根据指令的要求和计算机的状态,生成各个部件的控制信号,如存储器读写信号、总线控制信号、算术逻辑单元的操作信号等。
4. 异常处理:控制器监测计算机系统的运行状态,检测并处理可能出现的异常情况,如算术溢出、除零错误、非法指令等。
5. 跳转和分支控制:控制器根据指令中的跳转和分支条件,控制程序的执行顺序,使程序能够根据条件进行分支和循环。
总的来说,控制器起到了指导和协调计算机系统工作的作用,它负责将指令和数据从存储器中读取出来,并将其传递给适当的部件进行处理。控制器的设计和实现需要考虑指令集架构、时序要求、异常处理和性能优化等因素。
(1)计算程序
计算程序是一系列指令的集合,用于描述计算机系统执行特定任务或完成特定计算的过程。计算程序由一组有序的指令组成,每条指令都描述了计算机需要执行的具体操作。
计算程序通常以某种编程语言的形式编写,可以使用高级编程语言如C、Java或Python,也可以使用低级汇编语言或机器语言。计算程序通过编程语言提供的语法和结构,将复杂的计算任务分解为简单的指令,以实现特定的计算逻辑和算法。
计算程序包含了计算机执行的控制流和数据流,它描述了指令的顺序、条件分支、循环和数据处理操作。计算程序可以涉及各种计算操作,如算术运算、逻辑运算、数据传输、存储器访问等,以完成特定的计算任务。
计算程序是计算机系统的核心,它定义了计算机的行为和功能。通过编写和执行计算程序,可以实现各种应用,包括科学计算、数据处理、图形渲染、人工智能等领域的应用。编写高效、正确的计算程序是计算机科学和软件工程的重要任务之一。
(2)指令的形式
指令的形式可以分为以下几种:
1. 机器语言指令:机器语言指令是由二进制编码表示的计算机指令。它们通常由固定长度的字段组成,包括操作码(Opcode)和操作数(Operand)。操作码表示要执行的操作类型,如加法、乘法、逻辑运算等,而操作数则指定了参与操作的数据。
2. 汇编语言指令:汇编语言指令是使用助记符(Mnemonic)表示的机器语言指令。它们与机器语言指令一一对应,但使用了更加人类可读的符号,使编程更加方便和可理解。
3. 高级语言指令:高级语言指令是使用高级编程语言(如C、Java、Python等)表示的指令。高级语言指令更加抽象和可读,以更接近自然语言的方式描述计算任务,而不需要关注底层的机器细节。高级语言指令通常需要通过编译器或解释器将其转换为机器语言指令才能在计算机上执行。
指令的形式可以因计算机体系结构和编程语言而异。不同的计算机体系结构和编程语言可能具有不同的指令集和指令格式。指令的形式决定了计算机对指令的解析和执行方式,以及编程人员编写程序的语法和结构。
(3)控制器的基本任务
控制器的基本任务是管理和协调计算机系统中各个组件的操作,以确保指令的正确执行和系统的正常运行。控制器主要负责以下几个方面的任务:
1. 指令解码:控制器从存储器中读取指令,并解码指令的操作码和操作数。根据指令的类型和要执行的操作,控制器确定下一步需要执行的操作。
2. 时序控制:控制器生成时钟信号和各种控制信号,用于对计算机系统中的各个组件进行时间上的协调和同步。它确保每个组件在正确的时间执行其操作。
3. 数据传输控制:控制器负责管理数据在各个组件之间的传输。它控制数据的读取、写入、传输和转换,以确保数据在正确的时间和位置上可用。
4. 异常处理:控制器监测和处理计算机系统中的异常情况,如错误指令、硬件故障或其他异常事件。它能够根据异常情况采取适当的措施,如中断程序的执行、向操作系统报告错误等。
5. 状态管理:控制器维护计算机系统的状态信息,包括指令的执行状态、程序计数器的值、寄存器的内容等。它跟踪系统的当前状态,并根据需要更新和保存相关的状态信息。
总之,控制器是计算机系统的核心部件之一,它负责指导和协调整个系统的操作,确保指令按照正确的顺序和时序被执行,并管理系统的状态和异常情况。控制器的任务是基于指令和系统的特定要求进行操作,以实现计算机的功能和性能要求。
(4)指令流和数据流
指令流和数据流是计算机系统中的两个关键概念,用于描述指令和数据在系统内部的传输和处理方式。
指令流(Instruction Flow)指的是计算机系统中指令的执行顺序。它描述了指令在程序中的顺序执行,即按照程序的逻辑顺序从存储器中获取指令,并按照指令的操作码和操作数执行相应的操作。指令流的顺序是由程序控制的,通过程序计数器(PC)来指示下一条要执行的指令的地址。
数据流(Data Flow)指的是计算机系统中数据的流动和传输方式。数据流描述了数据在系统中的路径和转换过程。数据从输入设备或存储器中读取,经过各个组件的处理和操作,最终输出到输出设备或存储器中。数据流的路径可以是单向的,也可以是双向的,取决于数据在系统中的传输需求和操作要求。
指令流和数据流之间存在密切的关系。指令流决定了数据流的操作顺序和方式,即指令指示了数据的处理和传输方式。指令中的操作码指示了要执行的操作类型,操作数指示了参与操作的数据。当指令执行时,数据从存储器中读取或寄存器中获取,经过运算器和其他组件的处理,最终得到结果并存储回存储器或寄存器中。因此,指令流和数据流是紧密相关的,二者相互配合,实现计算机系统的功能和计算任务的完成。
总之,指令流和数据流是计算机系统中描述指令执行顺序和数据传输方式的概念。指令流描述了指令的顺序执行,数据流描述了数据的路径和转换过程。二者在计算机系统中相互作用,共同完成计算任务。
1.3.5 适配器与输入输出设备
适配器与输入/输出设备之间存在密切的关系,它们一起协同工作以实现计算机系统与外部设备的数据交互和通信。
适配器(Adapter)是一种用于连接计算机系统与外部设备的接口设备。它的作用是将计算机系统的内部数据格式和通信方式转换为外部设备所需的格式和方式,以便实现二者之间的数据交换。适配器通常包含硬件和软件组件,硬件部分负责物理接口的连接和信号转换,软件部分负责协议转换和数据处理。适配器可以是通用的,用于连接多种类型的设备,也可以是专用的,用于特定的设备或通信协议。
输入/输出设备(Input/Output Devices)是计算机系统与外部世界进行数据交换的接口。它们用于将外部的数据、命令或控制信号输入到计算机系统,或将计算机系统的数据、结果或响应输出到外部设备。常见的输入/输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘驱动器、网络接口等。
适配器与输入/输出设备之间的关系是通过适配器来实现输入/输出设备与计算机系统的连接和通信。适配器负责将输入/输出设备的信号和数据转换为计算机系统能够理解和处理的格式,或将计算机系统的数据和信号转换为输入/输出设备可以接收和处理的格式。适配器在硬件层面上提供了物理接口和信号转换,使得计算机系统和外部设备能够正确地进行数据交互。在软件层面上,适配器通过协议转换和数据处理,确保计算机系统与外部设备之间的通信能够顺利进行。
总之,适配器与输入/输出设备是计算机系统与外部设备之间的桥梁。适配器通过提供适当的接口和数据转换,实现了计算机系统与外部设备之间的数据交互和通信。它们共同工作,使得计算机系统能够与各种外部设备进行有效的数据交换和功能扩展。
七、计算机的特点:(可能会考)
1. 运算速度快 高速的电子元器件 先进的计算技巧
2. 计算精度高 字长加长 浮点运算
3. 记忆和逻辑判断能力 内外存 布尔代数
4. 通用性强
5. 自动连续运算 存储程序原理
思考:
计算机如此神奇,那它到底是如何工作的?又是怎么构成的?
一、引入
在研制ENIAC的同时,以美籍匈牙利数学家冯·诺依曼为首的研制小组提出了“存储程序、程序控制”(这里考过)题目:4.冯.诺依曼型计算机的主要设计思想是什么?亡包括哪些主要组成部分的计算机设计思想,体现该设计思想的计算机EDVAC在1951年问世。根据该设计思想设计出来的计算机称为冯诺依曼型计算机。+
直到现在绝大多数计算机仍遵循冯诺依曼提出的“存储程序并按地址执行”的核心思想。因此,冯诺依曼被尊称为“现代计算机之父”。
冯·诺依曼的存储程序控制概念概括起来为:
1. 计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。
这里考过:
6.[填空题]计算机的硬件包括A.______,B.______,C.______,适配器,输入输出部分。
2. 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。
3. 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中,然后启动计算机工作。这一点最为重要,即存储程序控制的思想。
这些概念奠定了现代电子数字计算机的理论基础。总体来说,计算机系统分别由硬件系统和软件系统两部分组成。
说明:
8.信息的数字化表示
数字代码可以表示信息(数值、字符、音频、图形图像和指令等)
数字信号可以表示数字代码(电平、脉冲)
电平的高低 :高表示1,低表示0(没想到电平的高低也行)
脉冲的有无 :有表示1,无表示0
——信息可以数字化表示,可以用1、0表示
9.存储程序的工作方式
根据求解问题事先编制程序
将程序存入计算机中
启动计算机自动执行程序
——体现了用计算机求解问题的过成程
10.计算机的硬件组成
输出设备的任务是把计算机的处理结果以人或者其它设备能接受的形式送出计算机。输出设备的种类也非常多,比如显示器、打印机等是输出设备。
1.这个图片的信息:
- 运算器+控制器一般统称为CPU
- 主存储器和辅助存储器一般被称为存储器
十一、计算机总线结构
什么叫总线?
各个设备之间有各种各样的信号线传送计算机运行期间的各种数据、指令、地址等信号。在计算机中这样的信号线统称为总线。
总线的功能:
总线是一组能够为多个功能部件分时共享的信息传输的公共通路,是构成计算机系统的互连机构。总线的特点:分时、共享。
5.[填空题]系统总线按传输信息的不同分为地址总线 控制总线 数据总线三大类。 (考过填空题)
地址总线 控制总线 数据总线
摘要:计算机与一般的电子设备的最大区别:不仅有硬件,同时还有软件。
凡是用于一台计算机的各种程序,统称为计算机的程序或软件系统。
十二、计算机的软件
1.软件的组成与分类
软件分为系统软件和应用软件两大类。对应的程序也被分为系统程序和应用程序两种。
系统程序用来简化程序设计,简化使用方法,提高计算机的使用效率,发挥和扩大计算机的功能和用途。包括四大类:
① 服务性程序 如诊断程序,排错程序等
② 语言类程序 如汇编程序、编译程序、解释程序等
③ 操作系统
④ 数据库管理系统
应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。
① 工程设计程序
② 数据处理程序
③ 自动控制程序
④ 企业管理程序
⑤ 情报检索程序
⑥ 科学计算程序等。
2.软件的发展与演变
语言类程序的变迁和发展
语言程序
机器语言 目的程序(目标程序)
汇编语言(符号语言) 汇编语言源程序
高级语言(算法语言) 高级语言源程序
思考题:
我的答案:
1. 计算机换代的标志主要包括处理器性能的提升、存储容量的增加、新的架构和技术的引入以及应用需求的变化。具体标志可以包括处理器的微架构升级、存储介质的更新、计算能力的提升、新的操作系统或编程语言的出现等。
计算机发展的5个阶段可以划分为:电子管时代、晶体管时代、集成电路时代、超大规模集成电路时代和当前的微纳米时代。
2. 计算机的应用广泛涵盖多个领域,包括但不限于:
– 科学研究:用于模拟和计算复杂的科学问题,如天文学、物理学、生物学等。
– 工程设计和制造:用于设计和模拟产品、优化工艺和生产线,如航空航天、汽车制造等。
– 数据处理和分析:用于处理大量数据、进行数据挖掘和分析,如金融、医疗、市场营销等。
– 通信和网络:用于实现网络通信、数据传输和信息交换,如互联网、移动通信等。
– 娱乐和游戏:用于游戏开发、多媒体处理和虚拟现实等娱乐领域。
– 教育和培训:用于计算机辅助教学、在线学习和远程培训等。
3. 计算机硬件由以下几部分组成:
– 中央处理器(CPU):执行指令、控制计算机的操作和数据处理。
– 存储器(主存储器):用于存储程序和数据。
– 输入设备:用于将外部数据和命令输入到计算机,如键盘、鼠标等。
– 输出设备:用于将计算机处理的数据和结果输出到外部设备,如显示器、打印机等。
– 控制器:负责协调和控制各部分的工作,确保计算机系统的正常运行。
– 总线:连接各个硬件组件,用于数据和信号的传输。
4. 计算机软件包括以下几个方面:
– 系统软件:操作系统、编译器、驱动程序等,用于管理计算机硬件和提供基本的系统功能。
– 应用软件:用于实现特定的应用功能,如办公软件、图像处理软件、数据库软件等。
– 编程语言和开发工具:用于编写和调试软件程序的工具和语言,如C++、Java、集成开发环境等。
–
数据库系统:用于管理和组织大量数据的系统,支持数据的存储、检索和处理。
– 网络软件:用于实现网络通信和数据传输的软件,如网络协议栈、网络安全软件等。
5. 冯·诺依曼型计算机的设计思想包括以下几个方面:
– 存储程序:将程序指令和数据存储在同一存储器中,并按照地址访问。
– 以二进制表示数据和指令:使用二进制编码来表示和处理数据和指令。
– 顺序执行:按照指令的顺序依次执行,每条指令完成一个操作。
– 指令和数据的统一存储:指令和数据可以存储在同一存储器中,通过地址进行区分。
– 存储器的随机访问:可以随机访问存储器中的任意位置,提供灵活的数据读写能力。
其中,存储程序和以二进制表示数据和指令是冯·诺依曼型计算机的最核心的设计思想。这些设计思想奠定了现代计算机体系结构的基础,使计算机能够进行灵活的数据处理和程序执行。
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