计算机与信息安全导论第五章-计算部件
1. 独立的计算机部件
1.1 硬件系统
运算器(算术逻辑单元 ALU): 进行算术运算和逻辑运算。数据取自内存,结果送回内存。在控制器的控制下进行数据读写操作。
控制器:是计算机的神经中枢
- 从内存取出指令
- 向有关部件发出控制命令
- 控制执行指令规定的功能
存储器:存放程序和数据
- 分为内存和外存
- 内存的特点:信息交流的中心,速度快,大部分内存不能长期保存信息,断电后信息丢失
- 外存的特点:只与内存交换数据,速度慢,能长期保存信息,断电后信息不会丢失
输入设备:把用户所能接受的信息转换为二进制形式并存放到内存
- 例如:键盘、鼠标、扫描仪、麦克风、磁盘驱动器、调制解调器
输出设备: 把内存中的二进制信息转换为用户所能接受的形式
- 例如:显示器、打印机、绘图仪、磁盘驱动器、调制解调器
1.2 软件系统
1.2.1 系统软件
控制计算机运行,管理计算机的各种资源,并为应用软件提供支持和服务,包括:操作系统、语言处理程序
操作系统:控制、管理、维护计算机所有资源(包括硬件和软件)的软件
- 是最基本的系统软件
- 是现代计算机必备的软件
语言处理程序:计算机能直接识别执行的是机器语言
- 汇编语言源程序需要汇编后才能识别执行
- 高级语言源程序需要解释执行或者编译后生成目标程序,再识别执行
1.2.2 应用软件
为某一应用目的开发的软件
可分为三大类:通用应用软件、用于专门行业的应用软件、定制的软件
2. 存储程序的概念
2.1 冯诺依曼体系结构
内存单元存放数据和指令
算术 / 逻辑单元对数据执行算术和逻辑运算
输入单元把数据从外部世界转移到计算机
输出单元把计算结果从计算机内部转移到外部世界
控制单元确保其他部件都正常运作
内存
内存是存储单元的集合
每个存储单元都有唯一的物理地址
可编址性
内存中每个可编址位置存储的位数
大多数计算机的可编址性都是 8 位
算术 / 逻辑单元
- 执行算术运算和逻辑运算
- 算术运算:加、减、乘、除
- 逻辑运算:与、或、非
寄存器
- 用来存储中间值或特殊数据的 CPU 上的一小块存储区域
- 例如:
2*(3+5)
,3+5 的结果是存储在寄存器中
- 例如:
输入单元:接收要存储在内存中的数据的设备
输出单元:一种设备,用于把存储在内存中的数据打印或显示出来,或者制作一个永久副本
指令寄存器:该寄存器存放当前正在执行的指令
程序计数器:该寄存器存放下一条要执行的指令的地址
CPU:由算术 / 逻辑单元和控制单元组成,用于解释和执行指令
控制单元:
- 掌管着读取-执行周期
- 两种寄存器
- 指令寄存器(IR):存放正在执行的命令
- 程序计数器(PC):存放下一条要执行指令的地址
工作原理:
2.2 读取-执行周期
2.2.1 处理周期中的四个步骤
- 读取下一条指令
- 译解指令
- 获取数据(如果需要)
- 执行指令
2.2.2 读取下一条指令
控制单元访问 PC 指定的内存地址,复制其中的内容并放入指令寄存器
将下一条指令的地址放入程序计数器中
2.2.3 译解指令
指令被译解为控制信号
2.2.4 获取数据(如需要)
从内存单元获取所需数据
2.2.5 执行指令
发送信号到算术 / 逻辑单元执行处理
2.3 RAM和ROM
2.3.1 RAM(随机存取内存)
每个存储单元都能被直接访问的内存
访问每个存储单元的本质是改写该单元的内容
2.3.2 ROM(只读内存)
ROM 中的内容不能更改,是永久性的,不能由存储操作更改
将数据存入 ROM 叫作“烧入”
2.4 二级存储设备
2.4.1 磁带
- 类似于磁带录音机,通常用于备份磁盘数据
2.4.2 磁盘
- 磁盘驱动器是 CD 播放器和磁带录音机的混合物
- 读/写头能直接访问想得到的信息
2.4.3 磁盘结构
- 磁道:磁盘表面的同心圆
- 扇区:磁道的一个区
- 块:存储在扇区中的信息
- 柱面:所有磁盘表面的同心磁道的集合
2.4.4 存取时间与传输速率
- 寻道时间:定位到指定磁道的时间
- 等待时间:将扇区定位到读写头下的时间
- 存取时间:寻道时间与等待时间之和
- 传输速率:数据从磁盘传输到内存的速度
2.4.5 光盘
CD:用于存储声音信号轨道如音乐和歌的标准格式
DVD:用于存储高质量音视频和大容量数据的光盘
3. 非冯诺依曼体系结构
3.1 同步处理
用多个处理器把同一程序应用到多个数据集上
3.2 流水线加工
多处理器串联排列,每个处理器负责整个运算的一部分
3.3 共享内存
多处理器共享一个全局内存
不同的程序使用不同数据处理不同事物