项目二 任务三四五 计算机的工作原理、微型计算机的硬件系统、微型计算机的主要性能指标（课件）-《计算机基础及应用》（河北科技技术出版社）同步精品课堂

1.2.3计算机系统 计算机基础及应用 同步精品课堂 河北科学技术出版社 任务一 计算机的发展 任务二 计算机的特点和分类 任务三 计算机的应用 任务四 计算机的前沿技术 同步精品课堂 目录 任务三 计算机的工作原理 任务四 微型计算机的硬件系统 任务五 微型计算机的主要性能指标 掌握国家标准《机械制图》中有关图幅、比例、字体图线等基本规定。 教学目标 一 1.掌握计算机的基本工作原理 2.掌握指令和程序的定义 3.掌握存储程序及程序控制工作原理 4.了解计算机的整个工作过程及硬件结构 5.掌握微型计算机硬件构成 6.掌握计算机系统的主要性能指标 教学重点 二 教学重点： 掌握冯·诺依曼的主要思想 掌握计算机存储工作过程中与硬件的关系 微型计算机的硬件系统组成 教学难点： 计算机存储工作原理 理解微型计算机的性能指标 导入新课 三 同学们，我们每天都离不开电脑和手机，它们就像超级助手，你们都拿手机、电脑来干什么呢？ 但你们有没有想过，这些机器是怎么工作的呢？ 我们的微型计算机、手机是否和主机是一样的呢？ 我们买手机、或者笔记本怎么判断电脑的性能呢？ 其实，计算机就像一个魔法盒子，里面藏着很多神奇的部件，比如“大脑”中央处理器、“心脏”内存和“四肢”输入输出设备。它们相互配合，让计算机完成各种任务。 今天这节课，我们就来揭开计算机的神秘面纱，让我们一起开启这段奇妙之旅吧！ 如今我们生活在一个数字化的时代，计算机无处不在。清晨，手机的闹钟把我们叫醒，而手机其实就是一台小型计算机；工作学习时，我们用电脑处理文档、查阅资料；出行时，导航软件帮我们规划路线，背后也是计算机技术在支撑。那大家有没有想过，这些神奇的计算机是如何一步步发展而来的？它们有哪些独特的特点和分类？又在哪些领域发挥着重要作用？前沿技术又有哪些？今天，就让我们一同走进计算机的奇妙世界，探索这些有趣的知识 导入新课 三 任务三 计算机的工作原理 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 计算机的工作原理 四 01 02 指令与程序 计算机的基本工作原理：主要分为存储程序和程序控制，预先把控制计算机如何进行操作的指令 程序和原始数据通过输入设备输送到计算机内存中 01 指令与程序 计算机指令，简称指令，就是智慧计算机执行某种操作的命令。 一台计算机所能执行的全部指令的集合，称为指令系统。 程序就是一系列按一定顺序排列的指令的集合。 指令由操作码和地址码组成。 操作码：决定要完成什么样的操作 地址码：知名参加运算的操作数和操作结果的存放地址 举例：班长你让小黑给我坐下 操作码：就是坐下 地址码：就是小黑 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 计算机的工作原理 四 01 02 冯·诺依曼结构的三部分 01 计算机硬件由输入设备、输出设备、存储器、控制器和运算器 信息通过输入设备，进入计算机的存储器，然后送到运算器，运算完毕把结果送到存储器存储，最后通过输出设备显示出来，整个过程由控制器进行控制。 03 采用存储程序和程序控制 即将事先编制好的程序（包含指令和数据）存入计算机的存储器（内存）中，这样，计算机在运行程序时就能自动、连续地从存储器中依次取出指令并执行。 02 计算机内部采用二进制形式表示数据和指令 在计算机中所有信息都用二进制表示。 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 计算机的工作原理 四 01 02 冯·诺依曼结构的三部分 01 计算机硬件由输入设备、输出设备、存储器、控制器和运算器 信息通过输入设备，进入计算机的存储器，然后送到运算器，运算完毕把结果送到存储器存储，最后通过输出设备显示出来，整个过程由控制器进行控制。 03 采用存储程序和程序控制 即将事先编制好的程序（包含指令和数据）存入计算机的存储器（内存）中，这样，计算机在运行程序时就能自动、连续地从存储器中依次取出指令并执行。 02 计算机内部采用二进制形式表示数据和指令 在计算机中所有信息都用二进制表示。 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 计算机的工作原理 四 01 02 存储程序工作原理 指令的执行过程：取指令 分析指令 执行指令 任务四 微型计算机的硬件组成 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的硬件组成 四 01 一、主机 01 中央处理器（CPU） 中央处理器是微型计算机的核心部件，它是包含有运算器和控制器的一块大规模集成电路芯片，写作CPU，俗称微处理器。最大的CPU厂家是英特尔和AMD公司。 Intel AMD “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的硬件组成 四 01 02 02 主存储器 通常简称内存，也就是内存条，用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。计算机的内存容量通常是指随机存储器（RAM)的容量，是内存条的关键性参数。微机内存类型主要有：DDR、DDR2、DDR3、DDR4、DDR5 一、主机 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的硬件组成 四 01 02 一、主机 03 主板 安装在主机机箱内，一块多层印刷电路板。它上面集成有各种芯片和扩充插槽，几个重要的芯片组： （1）北桥芯片：系统控制芯片，主要负责CPU、内存、显卡三者之间的数据交换，在与南桥芯片组成的芯片组中起主导作用，北桥芯片往往有较高的工作频率。 （2）南桥芯片：负责I/O总线之间的通信，用来处理低速信号，通过北桥与CPU联系。包括硬盘、USB、网络卡等。 （3）BIOS ROM芯片：BIOS基本输入输出系统，全称是ROM-BIOS，是只读存储器基本输入/输出系统的简写。BIOS是个人电脑启动时加载的第一个软件，是一组固化到计算机主板上一个ROM芯片上的程序，保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序等。 （4）CMOS RAM芯片：它是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片。用来保存BIOS设置完电脑硬件参数后的数据，这个芯片仅仅是用来存放数据的。 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的硬件组成 四 01 02 二、外部设备 01 外存储器 简称外存或辅存，一般由磁性材料或光存储材料构成，可以永久地保存信息，较常见以下5种： （1）硬盘：按结构分为固态硬盘（SSD）、机械硬盘（HDD）。固态硬盘采用闪存颗粒来存储，具有速度快、无噪声、容量低、价格高等特点，主要应用于高端，如今已经逐步开始普及。机械硬盘采用磁性碟片来存储，主要由盘片、磁头、磁头控制器、接口、缓存等几个部分组成。初次使用的硬盘经格式化后有磁道、扇区、柱面等物理结构。目前我们通常使用的就是这类硬盘。 （2）光盘：光盘是光盘存储器的简称,是以光学方式（激光）进行读写信息的存储介质,信息保存时间长，读写速度比硬盘慢。按读写功能分为只读型（CD-ROM）、一次写入型（CD-R：使用时允许写入一次，不能擦除，可以多次读出）、可重复写型（CD-RW：允许用户重复改写和读出）。 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的硬件组成 四 01 02 二、外部设备 01 （3）U盘（可移动存储器）：U盘是闪存的一种，因此也叫闪盘。属于移动存储设备，用于备份数据。特点是小巧便与携带、存储容量大、价格便宜。一般的U盘容量有1G、2G、4G、8G、16G、32G、64G等。 （4）移动硬盘：主要用于计算机之间交换数据或进行大量数据备份。目前主要采用USB接口，实现“海量”存储，容量从几十G到几百G，甚至更大。 （5）云盘：云盘是一种专业的网络存储工具，随时随地的安全存放数据和重要资料。云盘相对于传统的实体磁盘来说，更方便，用户不需要把储存重要资料的实体磁盘带在身上。通过互联网，可以轻松从云端读取自己所存储的信息，具有安全稳定、海量存储的特点。 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的硬件组成 四 01 02 二、外部设备 01 02 输入设备 输入设备是将程序和数据送到计算机中进行处理的外部设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、条形码阅读器、光学字符阅读器、触摸屏、手写笔、麦克风、数码相机、摄影机等。还有主要用于图形系统的数据输入设备如：跟踪球、操纵杆、数字化仪、光笔等。 03 输出设备 输出设备的主要作用是把计算机处理信息的结果用人所能识别的形式表示出来，它包括显示设备、打印设备、语音输出设备、图像输出设备等。常用的有显示器、打印机、绘图仪、音箱、视频投影仪等。 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的硬件组成 四 01 02 二、外部设备 01 03 输出设备1：显示器 显示器和显卡一起构成显示系统，是用户与计算机之间对话的主要信息窗口。 （1）分类 按显示器件：分为阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD）、发光二极管显示器（LED）、等离子体显示器（PDP）等类型。目前微机主要使用的显示器是LCD（液晶）显示器。 （2）主要技术参数和概念 屏幕尺寸：矩形屏幕的对角线长度，以英寸为单位。反映显示屏幕的大小。 像素：屏幕上能独立控制其颜色和亮度的最小区域，我们称这些“荧光点”为像素，是显示画面的最小组成单位。一个屏幕像素点数的多少与屏幕尺寸和点距有关。 点距：屏幕上相邻两个同色像素点之间的距离，是决定图像清晰度的重要因素。点距越小，图像越清晰。 显示分辩率: 是指显示器屏幕上每行和每列所能显示的像素数。分辨率越高，屏幕可以显示的内容越丰富，图像也越清晰。 显存容量：显存容量=显示分辨率×颜色位数/8bit。 （3）显示卡 功能：显示卡是连接CPU与显示器的接口电路。 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的硬件组成 四 01 02 二、外部设备 01 03 输出设备2：打印机 （1）按输出方式分为行式打印机、串式打印机和页式打印机。 （2）按打印颜色分为单色打印机和彩色打印机。 （3）按工作方式分为击打式打印机（针式打印机、字模打印机等）和非击打式打印机（激光打印机、喷墨打印机、热敏打印机等）。目前我们在市面上接触到的通常是激光打印机。 除了以上三种最为常见的打印机外，还有应用比较广泛的新型打印机：如热转印打印机和大幅面打印机以及三维立体打印机等。 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的硬件组成 四 01 02 三、系统总线 01 01 地址总线（AB) 传送地址信息。地址总线是CPU向主存储器和I/O接口传送地址信息的通道，它是自CPU向外传输的单向总线。 计算机硬件的五大部分是通过总线连接起来的。根据功能分为地址总线、数据总线和控制总线。 02 数据总线（DB) 传送系统中的数据或指令。数据总线是双向总线，一方面作为CPU向主存储器和I/O接口传送数据的通道；另一方面，是主存储器和I/O接口向CPU传送数据的通道。数据总线的宽度与CPU的字长有关。 03 控制总线（CB) 传送控制信号（如：读写信号、中断响应信号、复位信号、总线请求信号等）。控制总线是CPU向主存储器和I/O接口发出命令信号的通道，又是外界向CPU传送状态信息的通道。 任务五 微型计算机的主要性能指标 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的主要性能指标 四 01 02 一、主要性能指标 01 01 字长 计算机每次作为一个整体来处理的一串二进制数码，称为一个计算机字，简称字。每个字中所包含的二进制位数，称为计算机的字长。字长越长，运算精度越高，CPU处理能力越强。通常一个字由若干个字节组成，不同的计算机系统的字长是不同的，常见的微型机字长曾经为8位、16位、32位，现在一般为64位。 02 时钟主频（主频） 指CPU的工作频率，用来表示计算机的运算速度。主频越高，单位时间内CPU完成的操作越多。单位为兆赫兹（MHz）或吉赫兹（GHz）。目前的微机处理器主频已达到4.0GHz以上。 03 存储容量 是指存储器可以容纳的二进制数的信息总量。其中又分为内存容量和外存容量。因为内存容量对计算机性能的影响大，所以存储容量通常指的就是内存容量。 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的主要性能指标 四 01 02 一、主要性能指标 01 04 运算速度 每秒所能执行的加法指令的条数。常用百万次/秒（MIPS）来描述，是用于衡量计算机运算速度快慢的指标。 05 存取速度 指对存储单元中的数据进行一次存或取（写或读）所需的时间。以纳秒（ns）为单位。数值越小，存取周期越短，存取速度越快。 “冯•诺依曼”体系结构：1946年6月，美籍匈牙利科学家冯•诺依曼提出了在计算机内存储程序的概念，计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。人们把按照这一原理设计的计算机称为“冯•诺依曼型计算机”。它奠定了现代计算机结构理论，被誉为计算机发展史上的里程碑。迄今为止，计算机的体系结构和工作原理还一直沿用冯•诺依曼提出的这个计算机方案，其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。 微型计算机的主要性能指标 四 01 02 二、计算机中的数据单位 01 01 位 计算机内部最小的数据单位，一个二进制0和1，简称位，英文bit，中文“比特”。 02 字节（Byte：拜特，简称B） 存储容量的基本单位。还有千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）。它们之间的换算关系如下： 千字节：1KB=2^10B=1024B 兆字节：1MB=2^20B=1024KB=1024*1024B 吉字节：1GB=2^30B=1024MB 太字节：1TB=2^40B=1024GB 03 字节与位的关系 8位（bit） = 1个字节（Byte） 师生互动 五 1.计算机硬件总共几部分组成？分别是什么？ 2.微型计算机的核心部件是什么？ 3.系统总线根据功能分为哪几部分？ 1.五部分 输入设备、输出设备、存储器、控制器和运算器 2.中央处理器（CPU） 3.地址总线、数据总线和控制总线 随堂练习 六 1.以下关于指令的说法，正确的是（ ） A. 指令是十进制编码 B. 指令由操作数和地址码组成 C. 指令是能够被计算机识别并执行的二进制编码 D. 指令系统是部分指令的集合 答案：C 解析：指令是指能够被计算机识别并执行的二进制编码，又称为机器指令，一条指令由操作码和地址码组成，指令系统指计算机的 CPU 所能执行的全部指令的集合，所以 A 选项指令不是十进制编码错误；B 选项指令是由操作码和地址码组成，不是操作数，错误；D 选项指令系统是全部指令集合，不是部分，错误，C 正确。 随堂练习 六 2.指令执行过程的正确顺序是（ ） A. 分析指令 - 取指令 - 执行指令 B. 取指令 - 执行指令 - 分析指令 C. 取指令 - 分析指令 - 执行指令 D. 执行指令 - 取指令 - 分析指令 答案：C 解析：指令的执行过程就是取指令、分析指令、执行指令的顺序，所以 C 正确，其他选项顺序错误。 随堂练习 六 3.冯・诺依曼结构不包含以下哪个部分（ ） A. 输入设备 B. 显示器 C. 控制器 D. 运算器 答案：B 解析：冯・诺依曼结构包含输入设备、输出设备、存储器、控制器和运算器，显示器属于输出设备的一种，但单独说冯・诺依曼结构组成部分，不直接表述为显示器，所以 B 选项符合题意。 随堂练习 六 4.计算机采用哪种形式表示数据和指令（ ） A. 八进制 B. 十进制 C. 二进制 D. 十六进制 答案：C 解析：计算机采用二进制形式表示数据和指令，这是计算机的基本特性，所以 C 正确，其他进制不符合。 随堂练习 六 5.微型计算机中，CPU 是指（ ）。 A. 控制器 B. 运算器和控制器 C. 运算器 D. 存储器 答案：B 解析：CPU 即中央处理器，是计算机的核心部件，由运算器和控制器组成。运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责指挥计算机各部件协调工作 随堂练习 六 5.1GB 等于（ ）。 A. 1024B B. 1024KB C. 1024MB D. 1000MB 答案：C 解析：在计算机中，存储容量的换算关系是 1GB = 1024MB，1MB = 1024KB，1KB = 1024B。 随堂练习 六 6.简述冯・诺依曼结构中主要思想一共分为几部分？分别是什么？ 答案：三部分； 分别是： 1.计算机硬件由输入设备、输出设备、存储器、控制 器和运算器； 2.计算机内部采用二进制形式表示数据和指令； 3.采用存储程序和程序控制方式 最后课堂小结 七 谢谢 $$