第一单元 任务2-1 计算机系统的组成及中央处理器（课件）-《计算机软件与硬件基础》（高等教育出版社）同步精品课堂

第一单元 任务2-1 计算机系统的组成及中央处理器 计算机软件与硬件基础 同步精品课堂 高等教育出版社 任务一 计算机系统的组成 任务二 中央处理器 任务三 CPU与GPU 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、了解计算机系统的组成 2、掌握中央处理器的功能与组成部分 3、理解CPU与GPU的区别 教学重难点 二 教学重点： 1、中央处理器的组成 2、CPU与GPU的区别 教学难点： 中央处理器的组成 导入新课 三 思考问题： 1、这些计算机分别属于什么用途的计算机？ 2、请尝试描述这些计算机的组成？ 工控机 ATM机 个人计算机 任务一 计算机系统的组成 新知讲授 四 一个完整的计算机系统是由计算机硬件系统和计算机软件系统两部分组成的。 新知讲授 四 1、硬件系统 定义：硬件系统是计算机系统中的各种物理装置，是由各种实在的器件组成的。 作用：快速运行并保证运算结果的精度。 组成：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备。 新知讲授 四 2、软件系统 定义：软件是用户与硬件之间的接口界面，指计算机系统中的程序及文档。 作用：管理、维护、使用好计算机 包括：系统软件、应用软件。 如何区分系统软件和应用软件？ 系统软件包括操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、系统支撑软件等。 应用软件包括办公软件、图形图像软件、网络通信软件、多媒体软件、为用户需求开发设计的软件等。 新知讲授 四 系统软件为其他软件提供运行环境（如操作系统、磁盘工具、编译器等），是计算机运行的基础。 应用软件为用户解决具体需求（如办公、娱乐、学习等），根据用户的需求进行安装。 系统软件是“舞台”，应用软件是“演员”。应用软件是在系统软件的支持下工作的，应用软件的使用决定了计算机发挥的作用。 新知讲授 四 系统软件和应用软件的区分技巧： ‌特性 系统软件 应用软件 ‌定义‌ 管理和控制计算机硬件及其他软件，为应用软件提供运行环境。 为完成特定任务或解决特定问题而设计的软件。 主要功能‌ 操作系统、设备驱动、实用工具等，确保计算机正常运行。 满足用户需求，如办公、娱乐、设计等。 ‌用户交互‌ 通常不与用户直接交互，主要在后台运行。 直接与用户交互，提供友好的界面和功能。 ‌依赖性‌ 应用软件依赖于系统软件运行。 依赖于系统软件提供的环境和资源。 ‌示例‌ Windows、Linux、macOS、设备驱动程序等。 Microsoft Office、Photoshop、浏览器等。 安装与卸载‌ 通常预装在计算机中，用户较少主动安装或卸载。 用户根据需要安装或卸载。 ‌更新频率‌ 更新频率较低，主要针对安全性和稳定性。 更新频率较高，增加新功能或修复问题。 ‌目标用户‌ 面向计算机系统管理员和开发者。 面向普通用户和特定领域的专业人士。 操作系统、程序设计语言、编译系统、应用数据库管理软件、Visual Basic、Windows7、Word 、磁盘扫描程序、Red Hat Linux、DOS 7.0、Office 2010、Windows 7 新知讲授 四 小试牛刀：请在下列软件中选出应用软件 操作系统、程序设计语言、编译系统、应用数据库管理软件、Visual Basic、Windows7、Word 、磁盘扫描程序、Red Hat Linux、DOS 7.0、Office 2010、Windows 7 硬件系统是软件发挥作用的物质基础 新知讲授 四 3、两者关系 相辅相成，缺一不可 硬件系统是软件发挥作用的物质基础 软件系统是硬件发挥作用的唯一途径。 任务二 中央处理器 新知讲授 四 中央处理器的英文缩写是 CPU(Central Processing Unit)，是一块体积不大而集成度非常高、功能非常强大的芯片，在微型计算机中也称为微处理器。 CPU 是计算机的大脑，计算机的运算、控制都是由它来完成的，它的性能直接影响了整个计算机的性能。 探究CPU的组成 新知讲授 四 CPU就像计算机的“大脑”，主要负责三件事： 1、像人脑做题一样，CPU负责所有的数学和逻辑运算。 2、像交通警察一样，协调计算机各部件的工作。 3、而在计算、指挥与执行程序的过程中，会产生一些需要临时存储的数据，这些数据需要有地方存放。 计算 指挥 临时存储 运算器 控制器 寄存器 新知讲授 四 运算器、控制器和寄存器共同组成了CPU。 新知讲授 四 运算器的作用： (1)实现对数据的算术和逻辑运算 (2)暂时存放参与运算的数据和某些中间运算结果 (3)挑选参加运算的数据，选中被执行的运算功能，把运算结果输送到所要求的部件中 ①. 加、减、乘、除等算数运算 ②. 与、或、非等逻辑运算 ③. 移位、求补等操作 新知讲授 四 运算器的组成： (1)算术逻辑部件：完成加、减、乘、除等算术运算，与、或、非等逻辑运算，以及移位、求补等操作。 (2)累加器：暂存被操作的数和中间运算结果。 (3)通用寄存器组：暂存操作数和数据地址。 (4)状态寄存器：存放运算中产生的状态信息。 编写好的程序不能存储下来供下一次加载使用，不得不每次要用到和当前不同的“程序”的时候，重新插板子，重新“编程”。 新知讲授 四 根据以下文字，尝试画出运算器的各部件的工作结构图 算术逻辑部件有两个输入口，其中一个输入口和累加器连接，另一个输入口和通用寄存器连接。算术逻辑部件有两个输出端：一个输出运算结果输送到累加器或指定部件，另一个输出表示运算结果的状态标志位输送到状态寄存器。 新知讲授 四 控制器的作用： 实现计算机本身运算过程的自动化，控制整个计算机的工作。 取指令、解释指令以及完成指令的执行。 控制器 存储器 输出设备 输入设备 运算器 控制信息 数据或指令 控制中心 新知讲授 四 控制器的组成： ①指令指针寄存器：产生及存放下一条待取指令的地址。 其作用类似于指南针，指明“执行指令的顺序” 下一条待取指令的地址 指令指针寄存器 新知讲授 四 控制器的组成： ②指令寄存器：存放正在执行的指令，指令从内存取出后放入指令寄存器，在指令执行完成前指令寄存器中一直保存着该指令。 正在执行的指令 指令寄存器 新知讲授 四 控制器的组成： ③控制逻辑电路：产生执行微操作所需要的控制信号。 控制信号 控制逻辑电路 新知讲授 四 控制器的组成： ④时钟控制电路：产生指令执行过程中所需要的时间控制信号，要与控制逻辑电路配合才能使指令正确执行。 时间控制信号 时钟控制电路 新知讲授 四 寄存器的作用： CPU 内部的临时存储单元。用于存储运算中的数据、中间结果、地址和状态信息。 为什么CPU内部需要寄存器？ 内存的速度与CPU的速度相差过大， 把一部分正在使用的数据存放在CPU内的寄存器中，可以弥补这个问题，提高计算机的运行速度。 新知讲授 四 寄存器的数量与CPU运行速度的关系： 寄存器数量增多 更多数据放在寄存器中 CPU减少访问存储器次数 CPU速度提高 思考：寄存器的数量是否越多越好呢？ 寄存器数量过多 寄存器地址编码位数增加 指令长度增加 新知讲授 四 CPU中的寄存器通常分为数据寄存器、存放地址的寄存器、存放控制信息的寄存器、存放状态信息的寄存器和其他寄存器。 寄存器的种类： 思考：联系前面所学运算器和控制器，这两个部件中分别有哪些类型的寄存器？ 控制器 运算器 通用寄存器组 状态寄存器 指令指针寄存器 指令寄存器 任务三 了解CPU与GPU 新知讲授 四 GPU又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种浮点性能强大的通用并行处理器件，专门用于处理图形和视频相关任务。NVIDIA公司在1999年8月发布GeForce256图形处理芯片时，首先提出GPU的概念。 GPU广泛应用游戏、人工智能、虚拟现实和增强现实领域，为用户提供沉浸式的视觉体验。 知识拓展 新知讲授 四 CPU和GPU的区别： 设计目的 最初为处理图形数据、渲染图像而设计，擅长对大量数据进行并行处理，如3D图形渲染中的顶点计算、像素填充等，在 深度学习等领域也因并行计算优势得到广泛应用 是计算机的核心，设计用于复杂的逻辑控制、通用计算和协调系统各部分工作，能处理多种不同类型任务，像运行操作系统、执行程序指令、进行数据处理等，追求高单线程性能和复杂指令集处理能力 CPU GPU 新知讲授 四 CPU和GPU的区别： 硬件架构 有大量相对简单的计算核心，组成大规模并行处理阵列，核心间协作紧密，缓存相对较小，更依赖显存带宽来快速获取数据，以支持大量并行计算 有少量强大的核心，每个核心有完整的运算逻辑单元、高速缓存等，注重指令执行的完整性和顺序性，缓存层次丰富，以减少内存访问延迟，提高单核心处理效率 CPU GPU 新知讲授 四 CPU和GPU的区别： 性能特点 并行计算能力卓越，可同时处理大量数据，在处理图形渲染、深度学习等数据密集型并行任务时性能远超CPU，但单个核心处理复杂指令能力弱，不适合处理复杂的串行任务 单核心性能强，能快速处理复杂指令和任务，有高主频和复杂指令集架构，能高效进行逻辑运算、数据处理和控制操作，但多核心并行处理能力相对有限 CPU GPU 新知讲授 四 CPU和GPU的区别： 应用场景 主要用于3D游戏、动画制作中的图形渲染，以及深度学习的模型训练和推理、科学计算中的分子模拟等对并行计算要求高的场景，能大幅提高计算效率和处理速度 适用于操作系统管理、程序编译、数据库管理等需要复杂逻辑处理和顺序执行的任务，是计算机系统运行的核心，协调和控制各硬件组件工作 CPU GPU 师生互动 五 1、计算机硬件系统和软件系统的关系 2、寄存器数量与CPU运行速度的关系 3、系统软件主要包括哪些 答案： 1、相辅相成，缺一不可 2、适当增加能提升CPU运行速度，数量过多会导致指令长度增加 3、操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、系统支撑软件等 随堂练习 六 1 、下列关于计算机硬件系统组成的描述，错误的是( )。 A.控制器、运算器、输入设备、输出设备、存储器 B.CPU、内存储器、外存储器、I/O设备 C.CPU、存储器、I/O设备 D.控制器、运算器、UPS 答案：D 解析：计算机的硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成 随堂练习 六 2 、计算机系统的基础是( ) A.硬件系统 B.软件系统 C.系统软件 D.应用软件 答案：A 解析：硬件系统是计算机系统中的各种物理装置，是由各种实在的器件组成的，它是计算机系统的基础。 随堂练习 六 3 、下列4种软件属于系统软件的是( ) A.Office2003 B.Linux系统 C.账务管理系统 D.豪杰超级解霸 答案：B 解析：系统软件包括操作系统(OS)、程序设计语言、系统检测诊断程序、编译系统和通用数据库管理系统等。Linux属于操作系统 随堂练习 六 4 、（多项选择题）下列选项中,( )共同组成了中央处理器(CPU)。 A.存储器 B.运算器 C.控制器 D.寄存器 答案：BCD 解析：中央处理器由控制器、运算器和寄存器组成。 随堂练习 六 5 、(多项选择题)( )部件是控制器的组成部分。 A.通用寄存器 B.状态寄存器 C.指令寄存器 D.指令指针寄存器 答案：CD 解析：控制器由指令指针寄存器、指令寄存器、控制逻辑电路和时钟控制电路等组成。 随堂练习 六 6 、(是非选择题)人们用机器自身所具有的指令编排的指令序列，即程序，也是以数据的形式由存储器送入控制器。( ) A.正确 B.错误 答案：A 解析：人们用机器自身所具有的指令编排的指令序列，即程序，也是以数据的形式由存储器送入控制器 随堂练习 六 7、(是非选择题)CPU 的核心数量通常比 GPU 多，但单个核心的计算能力较弱。( ) A.正确 B.错误 答案：B 解析：CPU 核心数量少但单核性能强，GPU 核心数量多但单核简单 随堂练习 六 8、运算器是负责对数据进行 运算和 运算的部件。运算器由算术逻辑部件（ ）、 、 寄存器、 寄存器组等组成。 答案：算术 逻辑 ALU 累加器 状态 通用 解析：运算器是负责对数据进行算术运算和逻辑运算的部件。运算器由算术逻辑部件（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成 课堂小结 七 谢谢 $