2.1 计算机系统的基本组成（课件）-《计算机原理》(电工版第五版) 同步精品课堂

计算机原理 -第7课时- 电工版第五版 计算机系统的基本组成 教学目标 了解计算机硬件的基本组成部分及其功能 掌握微型计算机的总线结构及各总线的作用 熟悉单片机的哈佛结构特点及指令流水线结构 教学重难点 计算机硬件各组成部分的功能 微型计算机三总线结构的特点和作用 单片机哈佛结构的特点及指令流水线结构的优势 让我们一起开启单片机的学习之旅。 导入新课 计算机已经成为我们生活中不可或缺的工具。 视频中提到计算机是由哪些部分组成的呢？ 不同类型的计算机在结构上又有什么特点呢？ 让我们一起揭开计算机系统组成的神秘面纱。 新知讲授 计算机的硬件组成 计算机通过执行存储在存储器中的程序工作，通常由运算控制部件、存储器部件、输入设备和输出设备 4 部分组成。 运算控制部件：系统的 “大脑”，负责数据运算和部件调度；​ 存储器部件：系统的 “仓库”，负责临时或长期存储程序、数据；​ 输入设备：系统的 “入口”，负责将外部信号转为计算机能识别的二进制；​ 输出设备：系统的 “出口”，负责将计算机处理结果转为人类可理解的形式。 计算机系统的基本组成 整体流程为：输入设备输入数据→存储器存储程序和数据→运算控制器执行程序处理数据→输出设备呈现结果。 新知讲授 输入设备 输入设备能将人们编好的解题程序和原始数据转换成计算机能识别的二进制数码，存到存储器中。 常用的输入设备有键盘、鼠标、触摸屏等，磁盘驱动器在读取程序和数据时也作为输入设备。 计算机的硬件组成 - 输入设备 常用的输入设备 新知讲授 运算控制器 运算控制器由运算器和控制器组成，是计算机的核心部件。 运算器用于算术运算和逻辑操作，控制器指挥各部件协调工作。 现在运算器和控制器通常集成在 CPU 内。 计算机的硬件组成 - 运算控制器 新知讲授 存储器 存储器是计算机的 “数据与程序仓库”，根据存储速度、容量和用途，分为内存储器（内存）和外存储器（外存），二者配合实现 “临时快速访问” 和 “长期大容量存储”。 内存储器速度快、容量有限，采用半导体存储器； 外存储器容量大、速度慢，如磁盘、光盘等。外存储器可作为输入 / 输出设备。 计算机的硬件组成 - 存储器 常用的存储器 新知讲授 输出设备 输出设备用于输出计算机的中间结果、最终结果、原始程序和实时信息。 常见的输出设备有显示器、打印机等，外存储器存储数据时也可看作输出设备。 计算机的硬件组成 - 输出设备 常用的输出设备 新知讲授 计算机的硬件组成 - 硬件整体结构 计算机硬件的四大组成部分（运算控制、存储器、输入、输出）并非孤立存在，而是通过特定接口（如总线、数据线）连接，形成协同工作的整体系统。 计算机的硬件组成 新知讲授 概述 微型计算机（如台式机、笔记本）以 “大规模集成电路” 为核心（如 CPU、内存芯片），体积小、成本低，是目前应用最广泛的计算机类型。 其硬件结构的核心特点是 “采用总线结构”—— 通过一组公共的导线（总线）连接 CPU、存储器、I/O 接口（输入 / 输出接口，如 USB 接口、显卡接口） 微型计算机的组成 微型计算机硬件结构 新知讲授 总线结构 微处理单元 MPU 通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）与 ROM 存储器、RAM 存储器及 I/O 接口相连。 微型计算机的组成 - 总线结构 示意图 新知讲授 地址总线 地址总线（AB）是 “传输地址信息的单向通道”，仅由 CPU 向存储器、I/O 接口发送信号，核心作用是 “指明数据的存储位置”。 微型计算机的组成 特性 单向传输：只能 CPU 发地址，其他部件（如内存、外设）只能接收地址，无法反向发送；​ 寻址范围：地址总线的条数决定 CPU 能访问的 “存储单元数量”，公式为 “寻址范围 = 2^ 总线条数”（如 10 条地址总线可访问 2¹⁰=1024 个单元）；​ 地址含义：地址码对应 “存储单元地址”（如内存的某个字节位置）或 “外设地址”（如 USB 接口的编号），CPU 通过地址码精准定位要读写的数据位置。 新知讲授 数据总线 数据总线（DB）是 “传输数据和指令的双向通道”，负责在 CPU、存储器、I/O 接口之间传递二进制数据（如文档内容）和指令码（如 “读数据”“写数据” 指令）。 微型计算机的组成 特性 双向传输：CPU 既可以通过 DB 将数据写入存储器 / 外设（如将文档保存到硬盘），也可以从存储器 / 外设读取数据（如从内存读取程序指令）；​ 宽度匹配：数据总线的条数（宽度）通常与 CPU 的字长一致（如 8 位 CPU 对应 8 条 DB，一次可传输 1 字节；32 位 CPU 对应 32 条 DB，一次可传输 4 字节）；​ 传输速度：DB 的传输速度受总线频率影响，频率越高，单位时间内传输的数据量越大（如 100MHz 总线每秒可传输 100MB 数据）。 新知讲授 控制总线 控制总线（CB）是 “传输控制信号的多向通道”，负责协调 CPU、存储器、外设之间的工作时序，确保数据传输有序进行，信号方向不固定（CPU 可发信号，外设也可发信号）。 微型计算机的组成 控制信号分类 CPU 发出的控制命令：指挥其他部件执行操作，如 “读命令”（CPU 通知内存读取数据）、“写命令”（CPU 通知硬盘保存数据）、“时钟信号”（同步各部件的工作节奏）；​ 存储器 / 外设的状态信息：向 CPU 反馈自身状态，如 “准备好信号”（内存已找到指定地址，可传输数据）、“忙信号”（硬盘正在读写，暂时无法响应）、“错误信号”（数据传输出错）。 新知讲授 存储器 微型计算机中的存储器主要分为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），二者功能互补，共同满足程序和数据的存储需求。 微型计算机的组成 只读存储器（ROM）​ 读写特性：正常工作时只能读取数据，不能写入或修改数据（断电后数据不丢失，称为 “非易失性存储”）；​ 存储内容：用于存放计算机启动必需的 “固定程序” 和 “常数”，如 BIOS（基本输入输出系统）—— 电脑开机时，先运行 BIOS 程序，初始化硬件，再引导操作系统启动；​ 常见类型：如 ROM 芯片、EEPROM（可电擦除 ROM，需专用工具修改数据）。 新知讲授 存储器 微型计算机中的存储器主要分为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），二者功能互补，共同满足程序和数据的存储需求。 微型计算机的组成 只读存储器（ROM）​ 读写特性：正常工作时只能读取数据，不能写入或修改数据（断电后数据不丢失，称为 “非易失性存储”）；​ 常见类型：如 ROM 芯片、EEPROM（可电擦除 ROM，需专用工具修改数据）。 随机存储器（RAM） 读写特性：正常工作时既能读数据，也能写数据，但断电后数据会丢失；​ 常见类型：如 DDR 内存（电脑主内存）、SRAM（CPU 高速缓存，速度比 DDR 更快）。 新知讲授 概述 单片机是 “将计算机核心部件集成到一块芯片上的微型计算机”（如 CPU、内存、I/O 接口集成在一起），体积小、功耗低，广泛用于家电、智能设备（如遥控器、传感器节点）。 单片机的组成 新知讲授 哈佛结构 哈佛结构(Harvard architecture)是一种将程序指令和数据分开存储的计算机结构。将程序指令和数据分开存储的目的是减轻程序运行时的访存瓶颈。 单片机体系结构有冯・诺依曼结构和哈佛结构 单片机的组成 随堂检测1 计算机硬件由哪几部分组成？ 答案：运算控制部件、存储器部件、输入设备和输出设备。 微型计算机的三总线分别是什么？ 答案：地址总线（AB）、数据总线（DB）、控制总线（CB）。 练一练 随堂检测2 简述 ROM 和 RAM 存储器的区别。 答案：ROM 正常工作时只能读不能写，用于存放固定程序和常数；RAM 正常工作时既能读又能写，用于存放原始数据等，信息易失。 单片机哈佛结构的优点有哪些？ 答案：指令和数据空间完全分开，程序和数据总线可采用不同宽度，可对程序和数据同时访问，采用指令流水线结构提高效率。 练一练 随堂检测3 地址总线的作用是什么？ 答案：传送 MPU 的地址码，用于指明存储单元或外设的地址，完成读 / 写数据工作。 数据总线为什么是双向的？ 答案：因为 MPU 有时需要把数据写入存储器或输出设备，有时又需要从存储器或输入设备读入数据。 练一练 师生互动 1 讨论计算机硬件各组成部分的重要性，以及它们之间是如何协同工作的。同时，探讨不同结构的计算机（如微型计算机、单片机）在实际应用中的优势和局限性。 课题小结 1. 计算机的硬件组成 计算机系统的基本组成 2. 微型计算机的组成 地址总线 数据总线 控制总线 存储器 输入设备 运算控制器 存储器 输出设备 3. 单片机的组成 谢谢观看 THANKS Lavf58.46.101 $