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) 【上好课】

计算机系统的基本组成 计 算 机 原 理 -第7课时- (电工版第五版) 学习目标 掌握计算机硬件系统的五大组成部件的核心功能，熟悉各部件的协作关系；深入理解微型计算机的三总线结构，明晰地址、数据与控制总线的作用机制。 能够精准区分内存储器与外存储器在速度、容量、作用及存储原理上的特性差异；透彻理解哈佛结构的基本原理，能辨识其在数据与指令分离存储上的优势。 培养严谨的逻辑思维与系统分析能力，建立对计算机硬件架构的理性认知；激发探索计算机体系结构的科学兴趣，树立勇于探究技术原理的创新精神与钻研态度。 1 2 3 知识目标 技能目标 素养目标 目录 01 计算机的硬件组成 02 微型计算机的总线结构 03 单片机的体系结构 04 综合案例与实战解析 教学引入 探索目标：从“硬件架构”到“指令逻辑”，层层拆解计算机自动化运行的核心原理，解开你心中的疑问。 🤔 课堂思考 为什么计算机能够自动处理复杂的任务而无需人工干预？ 它是如何理解人类的需求，并将复杂的指令转化为具体的操作？ 知识讲授 硬件 指构成计算机系统的物理实体，是计算机运行的物质基础。它主要包含五大核心部件：运算器负责数据运算，控制器指挥系统协调工作，存储器存储数据与指令，输入设备（如键盘、鼠标）接收外部信息，输出设备（如显示器、打印机）展示处理结果，各部件协同实现计算机的各项功能。 计算机硬件系统 第一部分 知识讲授 计算机硬件系统 知识讲授 计算机硬件系统的四大部件 计算机通过执行存储器中的程序工作，其硬件系统通常由运算控制部件、存储器部件、输入设备和输出设备四部分组成。 知识讲授 中央处理单元（CPU）的组成 CPU由如下四个部分(寄存器、CU、ALU、中断系统)组成： CPU内部主要由运算器、控制器、寄存器三大部分组成。 知识讲授 微型计算机的四大特点 它们可用来暂存指令、数据和地址。既要对接控制器的命令，传达命令给运算器；还要帮运算器记录处理完或者将要处理的数据。 寄存器 负责应对所有的信息情况，调度运算器把计算做好。 控制器 负责算术运算（+ - * / 基本运算和附加运算）和逻辑运算（包括移位、逻辑测试或比较两个值等）。 运算器 知识讲授 存储器 存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。主要分为内存储器与外存储器两大类型。 存储体系的层次化结构 知识讲授 外部设备 在计算机系统构成中，键盘、鼠标、显示器、打印机以及各类外存设备等，都统称为外部设备，它们共同协作实现了计算机与用户、计算机与外部环境的数据交互与功能扩展。 背诵记忆 序号 核心考点 记忆要点与核心解析 01 计算机硬件组成 由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件构成。 记忆口诀：“运控存IO，五件不能少”，联想人体：CPU是大脑，存储是记忆，IO是手脚。 02 CPU 核心定义 是运算器和控制器的集成，是计算机的运算与控制中心。 记忆技巧：“运算+控制=大脑”，它是计算机的总指挥，负责所有指令的执行与调度。 03 内外存储器差异 内存速度快容量小，断电数据丢失；外存速度慢容量大，数据永久保存。 记忆口诀：“内存是前台，临时存数据；外存是仓库，永久存东西”。 课堂练习 单选题 01. 下列设备中，属于计算机输入设备的是哪一项？ A. 显示器 B. 打印机 C. 键盘 D. 硬盘 02. 计算机的核心部件由运算器和控制器组成，该部件是？ 请填写该核心部件的中文全称或英文缩写。 【答案】C 解析：键盘是向计算机输入指令和数据的核心输入设备；显示器和打印机属于输出设备，用于呈现信息；硬盘属于外部存储设备，兼具数据读写（输入输出）功能。 【答案】中央处理器（CPU） 解析：CPU（中央处理单元）是计算机的运算和控制核心，由运算器（负责算术/逻辑运算）和控制器（负责协调系统操作）集成而成，是计算机的“大脑”。 微型计算机的总线结构 第二部分 知识讲授 微型计算机的总线结构 知识讲授 微型计算机的总线结构 微处理单元（MPU）通过地址总线、数据总线和控制总线这三组核心总线，与存储器及I/O接口建立连接。总线作为系统中信息传送的公共通道，实现了各功能部件间高效、协调的数据交互。 知识讲授 地址总线 地址总线主要用于传输源数据或者目的数据在主存单元中的地址。 CPU 通过地址总线来指定存储单元的位置的，地址总线上能传送多少信息，CPU 就可以对多少个存储单元进行寻址。 01 地址总线 (AB) · 单向寻址 属于单向传输总线，仅由CPU向存储器或I/O设备发送地址信号。地址总线的宽度决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，例如32位地址总线支持寻址4GB的物理内存空间，是构建计算机存储架构的基础。 知识讲授 数据总线 数据总线（DB）则是数据与指令传输的双向通路，既负责将数据送入MPU，也支持MPU向外发送数据与控制指令。 02 数据总线 (DB) · 双向交互 实现CPU与外部设备之间的双向数据传输，数据流向取决于当前的操作是“读”还是“写”。其宽度与CPU字长（如8位、16位、32位、64位）一一对应，直接影响计算机的运算效率和数据传输速率，是系统性能的重要瓶颈指标。 知识讲授 控制总线 控制总线：有出（存储器读写、总线允许、中断确认），有入（中断请求、总线请求） 03 控制总线（CB） 作为计算机系统的“指挥神经”，控制总线负责在CPU、存储器和I/O设备之间传递各类控制信号与状态信息，协调各硬件部件的工作时序与运行节奏，是保障系统有序协同的关键通道。 背诵记忆 序号 名称 核心说明与记忆要点 01 总线核心概念 是连接MPU与各硬件部件的公共信息通道，如同计算机系统的“公共道路”。负责传输指令、数据和控制信号，是硬件间通信的基础架构。 记忆口诀：公共通道连部件，信息传输的主干道。 02 地址与数据总线 地址总线(AB)：单向传输地址码，作用是“指明操作对象的位置”；数据总线(DB)：双向传输数据和指令，如同“双向车道”可互传。 记忆口诀：AB找地址（单向），DB传数据（双向）。 03 ROM与RAM特性 ROM只读不写，存储开机等固定程序，断电数据保留；RAM可读写，存储临时数据，断电数据消失，是系统运行的临时仓库。 记忆口诀：ROM只读不掉，RAM读写易失。 课堂练习 单选题 01. 在微型计算机的三总线结构中，负责双向传送数据的是哪一项？ A. 地址总线 B. 数据总线 C. 控制总线 D. I/O总线 答案：B. 数据总线。 解析：数据总线（DB）是双向的，用于CPU与外部设备间的数据读写传输；地址总线为单向，仅传输地址信号。 课堂练习 简答题 2. 简述RAM（随机存取存储器）的核心特性是什么？ 答案：断电后数据立即丢失（易失性）。 解析：RAM用于临时存储运行中的程序和数据，依靠电力维持数据，断电后信息无法保留，这是它与ROM的本质区别。 哈佛结构与冯·诺依曼结构 第三部分 知识讲授 微型计算机的组成 知识讲授 哈佛结构特性 程序存储器与数据存储器物理分离，独立编址、独立访问。支持并行读写，数据吞吐率高，非常适合实时控制类的嵌入式系统，是单片机的主流架构选择。 知识讲授 冯·诺依曼结构 程序和数据共享同一存储空间，通过单一总线分时访问。结构相对简单、成本较低，但存在“冯·诺依曼瓶颈”，指令执行速度受限于总线带宽，常见于通用计算机架构 知识讲授 指令流水线技术 指令执行过程会拆分成“取指令、译码、执行”三步。更细分，执行的过程，还包含从寄存器或内存读数据，通过ALU运算，把结果写回寄存器或内存。 背诵记忆 序号 核心名称 说明与记忆要点 01 哈佛结构特性 程序与数据存储器物理分离、独立编址，是单片机高效运行的硬件基础。 记忆口诀：“程序数据分家”，重点掌握物理空间隔离的核心特征。 02 总线与流水线 程序与数据总线相互独立，支持指令流水线（取指与执行时间重叠），实现单周期指令。 记忆：“各走各的路，边做边拿”，体现并行执行的效率优势。 课堂练习 单选题 1、哈佛结构的主要特点是下列哪一项？ A. 程序指令与数据共享同一个存储器空间 B. 程序存储器与数据存储器在物理上相互独立 C. 硬件设计中仅支持数据运算，无法执行指令 D. 系统架构中省略了控制器模块以简化设计 【答案】B 【解析】哈佛结构的核心在于将程序存储区和数据存储区分开，拥有独立的地址和数据总线。这与冯·诺依曼结构（程序与数据混存）形成本质区别，其优势在于允许CPU在执行当前指令的同时预取下一条指令，实现并行访问，大幅提升了指令执行效率，广泛应用于DSP和单片机等高性能嵌入式系统中。 师生互动 01 分组讨论：SSD 对计算机性能的具体提升 随着固态硬盘（SSD）价格持续走低，其正在逐步替代传统机械硬盘（HDD）成为主流外存。请结合外存储器的存储原理、读写特性等核心特点，深度探讨这一技术革新为计算机系统在运行速度、能耗控制、稳定性及整机响应等层面带来了哪些实质性的性能飞跃？ 知识小结 知识拓展| 单片机的应用领域 01 智能仪表：精准感知与运算 应用于数字万用表、温湿度记录仪等设备，利用其高效处理能力实现数据的实时采集、分析与显示，兼顾低功耗与测量精度。 02 工业控制：自动化的神经中枢 作为工业自动化的核心，快速响应传感器信号并精准驱动电机、阀门等执行器，确保产线的实时监控与稳定运行。 03 智能家电：生活的智慧终端 为家电赋予“大脑”，实现智能温控、变频调节与远程交互，从智能电饭煲到扫地机器人，全面提升生活的便捷性。 04 汽车电子：安全与智能的基石 覆盖动力控制、车身电子、安全气囊等关键系统，在高温、震动等复杂工况下保持高可靠性，支撑汽车智能化升级。 核心优势：高效能与高适配 得益于哈佛结构与流水线设计，单片机拥有极高的执行效率。其小巧的体积、超低功耗与毫秒级的实时响应能力，完美适配了各类对空间、能耗和反应速度有严苛要求的嵌入式场景。 课后任务 布置作业： 绘制本节内容的完整思维导图（A4纸，涵盖硬件组成、总线结构、体系结构三大板块）。 2. 查找生活中1~2个使用单片机的设备（如智能家电、遥控器），记录其型号，思考其采用哈佛结构的原因，下节课分享。 谢谢观看 THANKS Lavf59.14.100 Lavf59.14.100 Lavf59.14.100 $