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第1章 计算机系统基础知识 11第1章 计算机系统基础知识本章学习目标1了解计算机主要部件及其功能的基础知识。2熟悉操作系统的工作原理和主要功能。3熟悉汇编、编译、解释系统的基本概念。4熟悉程序设计语言基础知识。5掌握数据库系统的基础知识。1.1 本章重点难点简析1.1.1 计算机硬件系统结构组成考点1：本节相关重点概念一个完整的计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。如图1-1所示。图1-1 计算机的基本组成运算器与控制器合称为中央处理器。（内）存储器和中央处理器合在一起称为主机。在计算机硬件系统中不属于主机的设备都属于外部设备，简称外设，包括输入、输出设备及外存储器。考点2：各部件简介运算器：进行算术和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出，它可从存储器取出或来自输入设备，运算结果或写入存储器，或通过输出设备输出。控制器：协调整个计算机系统的正常工作。它主要包括指令寄存器、指令译码及时序控制等部件；运算器与控制器一般又称为中央处理部件CPU（Central Processing Unit），它是计算机的核心部件。存储器：存放数据和程序的部件，它通过地址线和数据线与其他部件相连。输入/输出部件：包括各类输入/输出设备及相应的输入/输出接口。1.1.2 中央处理器考点1：本节相关重点概念运算器是计算机中用于信息加工的部件。控制器是指挥、协调计算机各大部件工作的指挥中心。存储器是存放二进制形式信息的部件。输入输出设备（又称外围设备）是计算机系统与人或其他机器之间进行信息交换的装置。考点2：运算器（1）功能它能对数据进行算术逻辑运算。算术运算按算术规则进行运算，如加、减、乘、除及它们的复合运算。逻辑运算一般泛指非算术性运算，例如：比较、移位、逻辑加、逻辑乘、逻辑取反及异或操作等。（2）组成运算器通常由算术逻辑运算部件（ALU）和一些寄存器组成。如图1-2所示是一个最简单的运算器示意图。图1-2 运算器简单示意图 ALU：ALU是具体完成算术逻辑运算的部件。 寄存器：寄存器主要用于存放操作数、结果及操作数地址。 累加器：累加器除了存放参加运算的操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最终结果。 存储器：寄存器的数据一般是从存储器中取得，累加器的最后结果也应存放到存储器中。考点3：控制器（1）功能控制器工作的实质就是解释、执行指令。为了使计算机能够正确执行指令，CPU必须能够按正确的时序产生操作控制信号，这是控制器的主要任务。（2）组成如图1-3所示，控制器主要由下列部分组成： 程序计数器（PC）：又称指令计数器或指令指针（IP），在某些机器中用来存放正在执行的指令地址；在大多数机器中则存放要执行的下一条指令的地址。图1-3 控制器组成图 指令寄存器（IR）：用以存放现行指令，以便在整个指令执行过程中，实现一条指令的全部功能控制。 指令译码器：又称操作码译码器，它对指令寄存器中的操作码部分进行分析解释，产生相应的控制信号提供给操作控制信号形成部件。 脉冲源及启停控制线路：脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，是周期、节拍和工作脉冲的基准信号。 时序信号产生部件：以时钟脉冲为基础，具体产生不同指令相对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号，以实现机器指令执行过程的时序控制。 操作控制信号形成部件：综合时序信号、指令译码信息、被控功能部件反馈的状态条件信号等，形成不同指令所需要的操作控制信号序列。 中断机构：实现对异常情况和某些外来请求的处理。 总线控制逻辑：实现对总线信息传输的控制。考点4：存储器（1）功能它的主要功能是存放程序和数据。（2）分类按功能分类可以将存储器分为以下几类： 高速缓冲存储器（Cache）：构成计算机系统中的一个高速小容量存储器，其存取速度能接近CPU的工作速度，用来临时存放指令和数据。 主存储器：主存储器是计算机系统中的重要部件，用来存放计算机运行时的大量程序和数据。 辅助存储器：辅助存储器又称外存储器。外存储器的特点是容量大，可存放大量的程序和数据。考点5：常用I/O设备（1）功能输入设备的功能是把数据、命令、字符、图形、图像、声音或电流、电压等信息，变成计算机可以接收和识别的二进制数字代码，供计算机进行运算处理。输出设备的功能是把计算机处理的结果，变成人最终可以识别的数字、文字、图形、图像或声音等信息，打印或显示出来，以供人们分析与使用。（2）分类按信息的传输方向，可以分成输入、输出与输入/输出三类设备。 输入设备 常见的输入设备有键盘、鼠标、光笔、触屏、控制杆等。这类设备又可以分成两类：采用媒体输入的设备和交互式输入设备。 输出设备 输出设备包括显示器、打印机、绘图仪、语音输出设备，以及卡片穿孔机、纸带穿孔机等。 输入输出设备 磁盘机、磁带、可读/写光盘、CRT终端、通信设备等。这类设备既可以输入信息，又可以输出信息。输入输出设备如果按功能分，也可以分成以下三类： 用于人机接口 这类设备用于人机交互信息，且操作员往往可以直接加以控制。这类设备又可以称为字符型设备。 用于存储信息 这类设备用于存储大容量数据，作为计算机的外存储器使用。这类设备又可以称为面向信息块的设备。 机机联系 通信设备（包括调制解调器）、数/模、模/数转换设备，主要用于机机通信。1.1.3 操作系统基础知识考点1：本节相关重点概念操作系统是管理软硬件资源、控制程序执行，改善人机界面，合理组织计算机工作流程和为用户使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。考点2：作用操作系统有两个重要的作用： 通过资源管理，提高计算机系统的效率。 改善人机界面，向用户提供友好的工作环境。1.1.4 操作系统的功能及特征考点1：本节相关重点概念操作系统的主要特性有三条：并发性、共享性和异步性。（1）并发性（Concurrence）并发性是指两个或两个以上的运行程序在同一时间间隔段内同时执行。操作系统是一个并发系统，并发性是它的重要特征，它应该具有处理多个同时执行的程序的能力。（2）共享性（sharing）共享性是指操作系统中的资源（包括硬件资源和信息资源）可被多个并发执行的进程所使用。（3）异步性（Asynchronism）异步性或称随机性。在多道程序环境中，允许多个进程并发执行，由于资源有限而进程众多，多数情况，进程的执行不是一贯到底，而是“走走停停”，例如，一个进程在CPU上运行一段时间后，由于等待资源满足或事件发生，它被暂停执行，CPU转让给另一个进程执行。（4）各特征之间的关系共享性和并发性是操作系统两个最基本的特征，它们互相依存。一方面，资源的共享是因为运行程序的并发执行而引起的，若系统不允许运行程序并发执行，自然也就不存在资源共享问题。另一方面，若系统不能对资源共享实施有效地管理，必然会影响到运行程序的并发执行，甚至运行程序无法并发执行，操作系统也就失去了并发性，导致整个系统效率低下。考点2：操作系统的功能从资源管理的观点来看操作系统具有以下几个主要功能。（1）处理机管理 处理器管理的第一项工作是处理中断事件。 处理器管理的第二项工作是处理器调度。（2）存储管理存储管理的主要任务是管理存储器资源，为多道程序运行提供有力的支撑。存储管理的主要功能包括： 存储分配（存储管理将根据用户程序的需要给它分配存储器资源）。 存储共享（存储管理能让主存中的多个用户程序实现存储资源的共享，以提高存储器的利用率）。 存储保护（存储管理要把各个用户程序相互隔离起来互不干扰，更不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，从而保护用户程序存放在存储器中的信息不被破坏）。 存储扩充（由于物理内存容量有限，难于满足用户程序的需求，存储管理还应该能从逻辑上来扩充内存储器，为用户提供一个比内存实际容量大得多的编程空间，方便用户的编程和使用）。（3）设备管理设备管理的主要任务： 管理各类外围设备，完成用户提出的I/O请求，加快I/O信息的传送速度，发挥I/O设备的并行性，提高I/O设备的利用率。 提供每种设备的设备驱动程序和中断处理程序，向用户屏蔽硬件使用细节。设备管理应该具有以下功能： 提供外围设备的控制与处理。 提供缓冲区的管理。 提供外围设备的分配。 提供共享型外围设备的驱动。 实现虚拟设备。（4）文件管理文件管理则是对系统的信息资源的管理。它的主要任务： 对用户文件和系统文件进行有效管理，实现按名存取。 实现文件的共享、保护和保密，保证文件的安全性。 并提供给用户一套能方便使用文件的操作和命令。（5）作业管理作业管理的任务：为用户提供一个使用系统的良好环境，使用户能有效地组织自己的工作流程，并使整个系统能高效地运行。作业管理的功能包括任务、界面管理、人机交互、图形界面、语音控制和虚拟现实等。（6）网络与通信管理网上资源管理功能： 计算机网络的主要目的之一是共享资源，网络操作系统应实现网上资源的共享，管理用户应用程序对资源的访问，保证信息资源的安全性和一致性。 数据通信管理功能：计算机联网后，站点之间可以互相传送数据，进行通信，通过通信软件，按照通信协议的规定，完成网络上计算机之间的信息传送。网络管理功能包括故障管理、安全管理、性能管理、记帐管理和配置管理。1.1.5 操作系统的类型考点1：本节相关重点概念批处理操作系统：采用批量化处理作业方式的操作系统称为批处理操作系统（Batch Operating System）。批处理操作系统根据一定的调度策略把要求计算的算题按一定的组合和次序去执行，从而，系统资源利用率高，作业的吞吐量大。分时操作系统：允许多个联机用户同时使用一台计算机系统进行计算的操作系统称分时操作系统（Time Sharing Operting System）。实时操作系统（Real Time Operating System）：当外界事件或数据产生时，能够接收并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制监控的生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实行任务协调一致运行的操作系统。考点2：批处理操作系统批处理系统的特征： 用户脱机工作：用户提交作业之后直至获得结果之前不再和计算机及其作业交互。 成批处理作业：操作员集中一批用户提交的作业，输入计算机成为后备作业。后备作业由批处理操作系统一批批地选择并调入主存执行。 多道程序运行：按预先规定的调度算法，从后备作业中选取多个作业进入主存，并启动它们运行，实现了多道批处理。 作业周转时间长。考点3：分时操作系统分时操作系统的特征： 同时性：若干个终端用户同时联机使用计算机，分时就是指多个用户分享使用同一台计算机。 独立性：终端用户彼此独立，互不干扰，每个终端用户感觉上好像独占了这台计算机。 及时性：终端用户的立即型请求（即不要求大量CPU时间处理的请求）能在足够快的时间之内得到响应。 交互性：人机交互，联机工作，用户直接控制其程序的运行，便于程序的调试和排错。考点4：实时操作系统（1）定义目前有三种典型的实时系统：过程控制系统、信息查询系统和事务处理系统。（2）组成实时操作系统控制的过程控制系统，通常由四部分组成。 数据采集：用来收集、按收和录入系统工作必须的信息或进行信号检测。 加工处理：对进入系统的信息进行加工处理，获得控制系统工作必须的参数或作出决定，然后进行输出、记录或显示。 操作控制：根据加工处理的结果采取适当措施或动作，达到控制或适应环境的目的。 反馈处理：监督执行机构的执行结果，并将该结果反馈至信号检测或数据按收部件，以便系统根据反馈信息采取进一步措施，达到控制的预期目的。1.1.6 程序设计语言基本概念考点1：本节相关重点概念程序设计语言是为了书写计算机程序而人为设计的符号语言，用于对计算过程进行描述、组织和推导。考点2：程序设计语言的分类程序设计语言分为低级语言和高级语言两大类。低级语言包括机器语言和汇编语言。高级语言又包括面向过程的语言和面向对象的语言。（1）机器语言机器语言是用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合。 优点：机器语言具有灵活、直接执行和速度快。 缺点：编程人员要熟记所用计算机的全部指令代码和代码的含义。程序员要自己处理每条指令和每一数据的存储分配和输入输出，还要记住编程过程中每步所使用的工作单元处在何种状态。（2）汇编语言汇编语言是一种用助记符表示的仍然面向机器的计算机语言。汇编语言亦称符号语言。 优点：汇编语言比用机器语言的二进制代码编程要方便些。在一定程度上简化了编程过程。基本保留了机器语言的灵活性。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程序。目标程序占用内存空间少，运行速度快。 缺点：使用起来还是比较烦琐费时，通用性也差。汇编语言是低级语言。（3）高级语言与自然语言相近并为计算机所接受和执行的计算机语言称高级语言。 优点：高级语言的通用性强，兼容性好，便于移植。 翻译：计算机并不能直接地接受和执行用高级语言编写的源程序，源程序在输入计算机时，通过“翻译程序”翻译成机器语言形式的目标程序，计算机才能识别和执行。这种“翻译”通常有两种方式，即编译方式和解释方式。l 编译：编译方式是事先编好一个称为编译程序的机器语言程序，作为系统软件存放在计算机内，当用户由高级语言编写的源程序输入计算机后，编译程序便把源程序整个地翻译成用机器语言表示的与之等价的目标程序，然后计算机再执行该目标程序，以完成源程序要处理的运算并取得结果。l 解释：解释方式是源程序进入计算机时，解释程序边扫描边解释作逐句输入逐句翻译，计算机一句句执行，并不产生目标程序。1.1.7 程序设计语言的基本成分考点1：本节相关重点概念（1）基本概念 数据成分：数据成分指的是一种程序语言的数据类型。 数据对象：数据对象总是对应着应用系统中某些有意义的东西。 数据表示：数据表示则指定了程序中值的组织形式。 数据类型：数据类型用于代表数据对象，还可用于检查表达式对运算的应用是否正确。 数据：数据是程序操作的对象，具有存储类别、类型、名称、作用域和生存期等属性，使用时要为它分配内存空间。 数据名称：数据名称由用户通过标识符命名，标识符是由字母、数字和称为下划线的特殊符号“_”组成的标记；类型说明数据占用内存的大小和存放形式；存储类别说明数据在内存中的位置和生存期；作用域则说明可以使用数据的代码范围；生存期说明数据占用内存的时间范围。（2）分类从不同角度可将数据进行不同的划分。 常量和变量：按照程序运行过程中数据的值能否改变，将数据分为常量和变量。常量的分类包括有整型常量、实型常量、字符常量、符号常量。变量主要包括两个要素：变量名、变量值。 全局量和局部量：按数据的作用域范围，可分为全局量和局部量。系统为全局变量分配的存储空间在程序运行的过程中一般是不改变的。而为局部变量分配的存储单元