第3章 计算机系统组成

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计算机概论

第3章计算机系统组成

教师：郭小林

2012年12月22日星期六

计算机概论电子科技大学成都学院

第3章计算机系统组成

传统意义的计算机是由硬件系统和软件

系统共同组成独立的，不同的系统配置

可形成功能差异很大的计算机系统。近

年来，由于网络的普及应用，对计算机

概念的内涵和外延又有了新的认识。本

章以常见的微机为例，主要介绍计算机

硬件和软件系统。

■计算机硬件是可以感触到的实体，主要包

括运算器、控制器、内存储器、输入器和

输出器五大部分，当然也还包括电源、机

箱等辅助部件。习惯上把运算器、控制器、

内存储器和电源称为主机，把输入器、输

出器称为外部设备。

计算机软件是有重复使用价值的程序和相

关文档，主要包括操作系统软件、编译系

统软件和应用软件等。

由Intel公司的CPU和微软公司的软件

为主组成的计算机系统是目前应用最

多的微型计算机系统。

本章重点介绍软件系统。

3.1计算机硬件系统介

■计算机硬件系统经历了四十多年的发展历程，

它的高速、自动化运算特点现已得到充分发挥。

但究其构造原理，目前尚未跳出冯・诺依曼计

算机的基本框框，仍是以存储为中心的计算机

结构。也就是说，把运算器、控制器、输入器

和输出器通过各种信号线与内存储器联系起来

就构成了一台计算机硬件系统。

3.1.1CPU介绍

■随着集成电路技术的进步，可以把复杂的运算器、

控制器电路集成在一个芯片中称为中央处理器

(CentralProcessingUnit,CPU)。多数微机

具有一个CPU,也有使用两个或更多个CPU协调

工作的计算机。

、一口口

1.运舁器

计算机的运算功能主要靠算术逻辑运算部件

(ArithmeticLogicUnit,ALU)完成。最简单的

运算器是由若干位组成的加法器。一般来讲，加

法器的位数越多，可完成的运算就越复杂；完成

加法器运算的速度越快，计算机整体速度也越快。

■2.控制器

■控制器的功能是按照计算机内部的时钟节拍，根

据指令(Instruction),控制协调计算机各个部

件工作。它主要由编码电路和译码电路构成。

■3.其他电路

CPU中有各种特殊命名的寄存器，用来存储运算

的中间结果，或正在执行的指令代码；包括各部

件之间数据交换的通路，即内部总线；甚至还包

括与内存交换数据用的高速缓冲存储器。一些单

片机芯片，例如MCS-51、MCS-96系列，几乎

包括了冯・诺依曼计算机要求必备的五个基本部

件电路。

Intel公司主要CPU产品

型号发布年主频(Hz)集成晶体管数外观

808619785〜10M4

8028619826〜25M13.4

80386198516〜40M27.5

奔腾II1997.5233〜4boM750

奔腾IIP1999450〜500M2800

奔腾季2000.111.4~2.0G4200

3.1.1内存储器

■内存储器具有记忆功能，它能把各种以二进制

码表示的信息存储起来，是计算机的主要工作

存储区。它可以把要执行的程序和数据事先存

储，然后在CPU的控制下自动执行程序。

CPU可按照单元编号访问内存储器中的每个单

元。一个单元包括8位二进制信息，也称一个

字节（Byte）,单元编号从0开始，到

内存容量就是计算机可使用内存单元的总和，

现在生产的微型计算机内存容量一般在64MB

以上。

■微型计算机的内存储器包括RAM和ROM

两部分。ROM用于存放内容不变的信息，

例如计算机开始工作的引导程序、自检程

序等。这些程序在计算机出厂时就已装入

ROM中。

■RAM用于存放现场程序和数据。RAM中

的信息是由电路的状态表示的，所以断电

后信息一般会立即丢失。由于软件越来越

复杂，需要内存的容量也越来越大。

311外存储器

■1硬磁盘

■1956年旧M使用50个直径24英寸的磁盘片，

研制出总容量5M的硬磁盘.

■1968年IBM公司首次提出“温彻斯特

(Winchester)”技术。该技术要兼，把整

个磁盘机密封，使用高速旋转的镀磁盘片，

磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动

的盘片上方，而不与盘片直接接触，从而避

免了磁头与盘片的摩擦，提高了盘片的转速。

以后研发的提高磁头灵敏度、盘片转数、记

录密度等技术使现在的温盘容量可达上百个

GBo

■由于硬磁盘的读写速度较高、容量大，操

作软件常用部分硬盘存储器代替内存作虚

拟内存使用。

2硬磁盘模式

普通模式(NORMAL),支持最大柱面数1024,最

大磁头数16,最大扇区63,每扇区字节数512,支

持最大硬盘容量528M.

逻辑块寻址(LBA),最大磁头数为255,其余和普

通模式相同，支持最大硬盘容量8.4G,通过改写

BIOS可以访问大于8G的硬磁盘.

■大硬盘模式(LARGE),当柱面超过1024,将柱面

数除以2,磁头数乘以2,总容量不变.

3磁盘分区和磁盘文件系统

FAT16,只能支持最大为2G的硬盘，逻辑单位以

“簇”(16K)为单位，不足16K也要占用1簇,

浪费比较大。

FAT32,定义1簇=4k,比FAT16更节约空间。

■NTFS,为windowsNT(2000,XP)专门设计的格

式，允许用户设置文件和文件夹的权限。

■EXT2,Linux操作系统专用的分区格式，管理严

格，性能稳定。

4磁盘阵列技术

■随着网络技术的发展，程序越来越复杂，需要

存储的信息量越来越大，对数据的安全性要求

越来越高，出现了以磁盘为中心的计算机系统

模式。单个或少量磁盘同时工作满足不了计算

机对磁盘容量、速度、可靠性的需求，磁盘阵

列是解决这些问题的一种新技术。

磁盘阵列(DiskArray)是由一个硬盘控制器

来控制多个硬盘的相互连接，使多个硬盘的读

写同步，减少错误，增加效率和可靠性的技术。

使用此技术的设备分0、1、3、5四个等级。

磁盘阵列

3.1.1外部设备接口与总线

-1.外部设备接口功能

计算机硬件接口是计算机中两个相对独立子系

统之间的连接部分，包括外设与主机之间，外

设与外设之间的连接。有时接口也称为界面。

■接口主要解决子系统之间传递数据与控制信号。

PC机实现这种传递的硬件通常做成独立的接

口板（卡），插在总线接口插槽里，通过输出

线缆与外部设备连接。接口卡也称适配器。

■它的主要功能是如下。

■（1）地址译码外部设备在计算机系统中的

名称如LPT、C0M1等是通用的符号名称,

对它代表的某实际设备的控制要由具体接

口及控制软件，即驱动程序完成。外设与

主机之间交换的二进制信息都暂存在接口

寄存器中，这些寄存器可能放在外设（例

如键盘）上，也可能放在适配器（如显示

器）上。主机以存取内存单元的方式来存

取外设的寄存器。因此要为每个外设寄存

器设置地址（端口号），通过地址译码电

路区别真正要访问外设的寄存器。

■(2)在主机与外设之间交换控制信息控

制信息主要包括设备“已准备好”、“忙

碌”、“完成”、“申请中断”、“响应

中断“、“启动”、“停止”等信号。

■(3)支持主机各种中断处理。

■(4)数据类型转换8位字长与16位字长之

间、模拟信号与数字信号之间的转换。

■(5)支持传输过程中的串行/并行转换、错

误校验、协议等。

■2.USB接口

■USB(UniversalSerialBus)接口使用特

殊的接口线实现了热插拔。

■3总线

■总线就是信息传输的公共线路，它由若干

可控制门电路及连接的导线组成。在微机

的主板上表现为若干个可插接各种部件的

插槽。计算机均采用总线结构将各部件

（CPU、存储器、I/O接口）组成为一个

系统。

3.1.5计算机指令系统

■CPU的控制器根据内存中的每一条指令码

控制执行部件运作，计算机才能工作。人

们利用指令才可以直接指挥计算机工作。

■各种类型计算机指令的数目和形式差别很

大，计算机可有几条、几十条，甚至上百

条指令；

■一些类型计算机指令的长度是固定的，更

多类型计算机的指令长度是可变的，可用

单字节、双字节、三字节，或更多字节表

示一条指令。

■一般情况，一条指令一般包括操作方法和

操作对象（数据或数据的地址）两部分，

个别的指令仅有操作方法而无操作对象。

CPU执行指令例子。

设数据区的0号单元存

有无符号整数15,1号

单元存有无符号整数23,寄存器内存单元

利用指令把两个单元的0

内容对调。1

■其操作过程是，先把02

单元内容存到名为ah寄ah寄存器al寄存器3

存器，再把1单元内容

存到名为al寄存器，然

后分别存回1单元和0单

)Lo

数据区单元号内容（16进制）解释

00000F十进制数15

000117槌制教23

指令代码区单元号内容（16进制）

00058A260000复制软据区0单元幅

到ah寄存器

0009A00001复制数据区1单元内容

乳乳寄存器

000C88260001复制ah寄存器内容

到1单元

0010A20000复制al寄存器内容

到0单元

3.2计第机软件系统介绍

■软件是有重复使用价值的程序和相关文档。

计算机系统由硬件和软件组成，不同的配置可形

成功能差异很大的计算机系统。

■由英特尔公司的CPU和微软公司的软件组成的计

算机系统是目前应用最多的计算机系统。

计算机软件主要包括操作系统软件、编译系统软

件和应用软件。

3.2.1操作系统

-1用户工作方式

■单机

■分时

■多终端

■桌上微机

■微机网络（服务器/客户端，服务器/浏览器,

对等网）

■因特网

⑴单用户单任务方式

-单用户单任务是最典型的计算机系统

使用环境，其特点是一人独占一台计算机，

执行一个应用程序。在这种环境下，CPU、

内存等计算机硬资源利用率低。早期的微型

计算机常采用这种方式。其优点是对计算机

硬件要求低，管理计算机的软件比较简单，

可靠性强，易于操作。支持这种使用环境的

微机操作系统常见的有MS-DOS3.0、

CP/M及其各种变化版本等。

(2)单用户多任务方式

.随着计算机硬件的不断升级，CPU的

速度的提高、内存容量的加大，用户希望能

同时(至少用户感觉是同时)执行多个应用

程序，即所谓执行多任务。最先在大、中型

计算机上实现了这种方式，以后微机上也实

现了多任务管理，典型的微机操作系统有

MS-DOS6.0及Windows等。

⑶多用户多任务方式

多用户多任务是指在一台大、中型主

机（主要包括CPU、内存）上，同时（实

际上是分时）为多个用户服务。每个用户作

为连接到主机上的终端，执行自己的各种任

务。典型的操作系统是UNIX及其变种

XENIX.ONIX、VENIX等。目前在微机上

流行的Linux操作系统也支持多用户多任务

操作。

(4)使用计算机网络

■由于网络环境的不同，支持各种

环境的操作系统各异。网络操作

系统中功能强、资格老当属UNIX,

而在微机上运行最多的是

WindowsNT(包括Windows

2000/XP)以及大有发展前途的

Linux操作系统。

2硬件支撑环境

操作系统是管理计算机资源、方便用

户使用计算机资源的一套程序。这些程序必

须在一定的硬件环境支持下才能正常工作，

硬件环境越好，操作系统能提供的服务越多,

换句话说，低档计算机只能安装和使用低版

本的操作系统。为了能支持功能较强的操作

系统，对计算机硬件部件提出以下一些功能

要求。

(1)中央处理器(CPU)

■CPU是计算机的硬件核心部件，CPU主要

包括运算和控制两部分，控制器中对于程序

和中断的控制能力最为重要。

■1)程序状态字(PSW)oCPU中一般设有

若干个寄存器，这些寄存器担负专门的工作。

例如指令记数器中记载下一条要执行的指令

地址，16位的状态寄存器中的每一位则记

录指令执行后的状态。

11111119876543210

54320

0DITSZAPC

C：算术运算中，最高位产生进位时置1；

■P：操作结果低8位为偶数个1时置1；

-A：算术运算中，低字节中低4位产生进位或错位时置1；

■乙操作结果为0时置1；

■S：若操作结果是负数时置1；

■T：可由指令设置，1为可单步执行指令；

I：可由指令设置，1为允许外部中断请求；

-D：可由指令设置，1为使用串操作指令时地址指针递减;

■0：运算结果以补码表示超出范围时置1。

■其他位保留。

(2)中断

■CPU要能在适当的指令周期内判断是否有

内部或外部中断请求，当判断有中断请求并

可能接受中断请求后，自动转入中断服务程

序。

■在完成中断服务后能自动继续执行被中断的

程序。

支持硬件中断优先级别，若有几个中

断源同时申请中断，CPU首先响应级别高

的中断申请，中断级别高的中断源可中断低

级别的中断服务程序。例如，M68000有七

级硬中断、Intel有二级硬中断。

⑶存储器

存储器是计算机的核心部件，一般采用三级存

储体系以解决对存储器的容量、速度和价格的需

耒茅盾。

第一级是高速缓冲存储器（简称缓存

Cache）,也叫隐藏存储器。它对于用户是透明

的，即操作系统把正在使用的一部分程序或即将

要使用的一部分程序由内存（主存）复制到缓存

中，CPU直接对缓存读写，由于缓存的读写速度

与CPU的执行指令速度相匹配，从而充分发挥了

CPU的高速控制、运算能力。目前缓存命中率可

达90%以上。

第二级是主存储器，要执行的程

序代码（包括要使用的数据）必须事

先读入内存方可在CPU的控制下自动

执行。主存储器越大，执行程序就越

方便。

■第三级是外部存储器，一般指软、硬

磁盘、光盘等。这些介质存放已编制

好的程序或数据，较小的程序可一次

装（读）入内存，较大的程序需要采

用程序覆盖技术，分段装入内存，不

断覆盖掉已经执行完的程序段。

(4)操作系统的人一机界面

■1)图形用户接口(GUI)

■支持图形命令方式的操作系统称为窗

口系统，最典型的是微机上使用的

Windows(视窗)(WindowsNT)和

UNIX系统使用的XWindows(X窗

口)O

1998年为GUI制定了图形接口的标准部件，包括：

•窗口：终端屏幕上的一个矩形区域，由标题栏、

菜单栏、边框、控制按钮、用户区等组成。

■•菜单：一系列可选的命令。

■•对话框：包括显示消息和输入请求信息对话框。

■•命令按钮：表示执行某个具体命令的图标。

各种具有GUI接口形式的操作系统或应用软件都有

类似的界面风格。

2,篝好I蠡,使用已经熟记的

终端命令来指挥计算机工作效率最高。

例如：在DOS操作系统中，如下命令代表:

■dir列出当前磁盘目录

■copyxy把x文件拷贝一份，但文件名改

为y

3操作系统软件功能

-操作系统统一管理4类资源：

存储器，三级管理

处理器（CPU）,解决CPU（或多个CPU）

与内存储器速度间的不匹配的矛盾。

I/O设备

程序和数据

■操作系统对资源管理的主要功能包括

监视资源、管理策略、根据策略实施

分配资源和用毕回收资源。

⑴进程管理

■什么是作业、进程

■指令(Instruction)是计算机执行动作的最

小单位，它指挥计算机完成一个简单的操

作。

■程序(Program)是一系列排列有序的指令

和数据的集合称为程序，它可以使计算机完

成一套完整的功能。

■作业(Job)是用户交由计算机执行的一个

或若干个相互关联的程序。

■进程（Process,Linux把进程也称为任务task）

程序调入内存后，必须根据现有的计算机环境条

件决定是否能执行，正在运行的程序和环境的结

合构成一个运行实体，该实体称为进程。

对于操作系统而言，它在接受并执行用户作业

时除了启动程序外，还要创造为了执行程序所需

要的环境，即执行进程。程序只要不被删除就永

远存在，而进程是程序执行的一个过程。一个进

程有它的建立、执行和撤消过程。操作系统为执

行同一个程序所建立的进程在不同的资源环境下

有可能不同，当然执行的最后结果应当是一样的。

1）进程状态

■由于进程是程序执行的过程，因而它的状态

会随着程序的执行、资源环境的变化（其他

进程的建立肯定会影响对资源的使用）、各

种预定或突发事件（随机中断）的发生等等,

使得进程状态在不断变化。进程基本有四种

状态：

■.运行（Running）状态。进程在处理机上

正在执行。

■.就绪（Ready）状态。进程已获得一切必

要的资源，一旦获得处理机即可运行。

■.等待（Bloked）状态或睡眠状态。当进

程所需的资源不足，或等待输入/输出完成

的消息时，虽然操作系统可以把处理机分配

给它，但仍不能继续执行，此时进程处于等

待状态。

■,僵死（Zombie）状态。进程终止，但记

录进程状态的记录仍存在。

2）进程控制块

■进程中的程序（包括数据）是静态的，整个

进程是动态的，因此，操作系统若要控制进

程的活动过程，就必须开辟一部分存储器空

间来记录有关进程的信息。操作系统把这些

信息放在进程控制块（ProcessControl

Block,简称PCB）中。

■PCB是一种数据结构，不同的操作系统可

采用不同结构。

3）进程调度

■进程本身没有启动或终止其他进程的

功能，切换进程是靠操作系统的进程调度程

序执行的。当一个进程的已获得除CPU之

外的所有资源后，调度程序会根据某种算法

启动该进程。例如Linux操作系统把CPU

中寄存器的现状保存到task_struct中。限制

每个进程每次占用CPU的时间（200毫秒），

这样即便某进程出现死循环现象，也不会造

成整个系统陷入死循环。

（2）存储管理

所谓实存即实际存在的物理内存（Main

Memory,主存储器），管理这部分内存时主要考虑

在多任务情况下如何分配内存以及当实际内存单

元数量超出可编址范围后如何管理编址范围外的

内存；所谓虚存即非实际存在的物理内存，它是

外存储器（一般是硬磁盘）的一种虚拟映像，利

用管理内存的方法来管理这些硬盘空间。

1）固定分区

操作系统将内存中固定地址的存储区存

放专门的程序。例如MSDOS操作系统把

内存的0号单元开始的1K字节定义为系统的

中断向量区，在这个区中存放可用的255个

（有的位置暂时保留未用）中断调用程序的

起始地址。

■为了解决如何寻找大于1MB的地址，操作

系统把大于1MB的内存称为扩充内存一

(ExtendedMemory)。扩充内存最前面

的64KB为高内存区HMA(HighMemory

Area),可以把操作系统调入HMA以增加

可用的常规内存使用区。64MB内存的主存

储器划分方法可下图。

63MB

扩充内存

64KB

(HMA)

64MB384KB

(UMA、扩展内存

UMB)

1..M•LB

640KB常规内存

64MB主存储器划分

2）虚拟内存管理

■Windows可以在磁盘分区中由用户或

自动选择一定数量的磁盘空间作为虚

拟内存使用。Linux则在安装系统时由

用户专门划分一个磁盘分区（一般是

实存的2倍）作为交换（swap）分区,

来实现虚拟内存。

Linux的虚拟内存米用分页机制

虚存

文件管理

不同的操作系统采用了不同的实际物

理存储格式。建立存储格式的软件是对磁盘

进行分区和格式化的程序。以Linux为例，

它采用ext2格式，这种格式可以兼容DOS

操作系统的FAT、Windows的FAT32、

WindowsNT的NTFS以及CD-ROM的

ISO9660等格式。反之，多数其他文件系统

不兼容ext2格式，例如DOS和Windows都

不能访问Linux文件系统。

1）文件目录和文件名

■在DOS中把软盘、光盘、硬盘分区都

以盘符表示，其上的文件都各自存放在其根

或各级子目录中。Windows把文件都各自

存放在其根或文件夹（各级子目录）中。

■而Linux中没有盘符的概念，仅有统一的根

目录/（注意：反斜杠'在Linux中用作命令

续行符）和根下的各级子目录。软盘、光盘、

硬盘分区都以子目录表示。

2)dos目录

VolumeindriveCisWIN_ME

VolumeSerialNumberisO719-1CO4

DirectoryofC：\

WINDOWS<DIR>04-08-0220:56WINDOWS

CONFIGSYS010-24-0219：28CONFIG.SYS

PDOSDEF2,16406-08-0017:00PDOS.DEF

TEMP<DIR>11-03-0223:50TEMP

PROGRAM<DIR>04-08-0220:57ProgramFiles

MYDOCU"l<DIR>04-08-0221：52MyDocuments

AUTOEXECBAK31010-23-0222:42AUTOEXEC.BAK

NCDTREE<DIR>05-03-0220:00NCDTREE

AUTOEXECNAV19404-08-0222：12autoexec,nav

冬威软<DIR>10-02-0218:19冬威软件工作室

COMPATIDTXT53911-16-0220:30COMPATID.TXT

SCANDISKLOG71411-20-0223:14SCANDISK.LOG

HEROSOFT<DIR>05-20-0220:09HEROSOFT

MYINTR'l<DIR>05-11-0218:44MyIntranet

MYMUSlj<DIR>09-21-0222：30MyMusic

X011-21-0210:39x

7file(s)3,921bytes

9dir(s)446,533,632bytesfree

3）Windows文件夹

x

I:-C）MyVideos.

®OMyWebs

日❷我的电脑

审目3.5软盘（A：）

®WIN_ME（C：）

日日FILES卬：）

LJfiles

1-0GHO

B匚］IE-Temp

田：_2jTemporaryInternetFiles

BIProgramFiles

田0rAdo-be

11CWeb_Meeting

i5Ji_2jKingsoft

「1mail

El11Microsoft60MinuteIntranetKit

4)Windows文件类型

文件夹选项JZJ凶

常规|查看文件类型

确定取消|应用以

(4)设备管理

■一般情况下，即使外部设备硬件上已

装入到计算机上，若未安装其驱动程序，

操作系统也无法对它管理，因而不能使用。

■在DOS、Windows、Linux采用不同的

方式管理设备。

近来流行的“即插即用”技术，并非不

需要驱动程序，只不过是操作系统中预先安

装了标准的外部设备驱动程序，许多外部设

备厂依照标准设计硬件接口而已。当硬件有

较大改进后，仍需要安装厂家提供的驱动程

序，以便操作系统管理该设备。

4操作系统的安全

■(1)用户管理

■(2)文件使用权限

■(3)补救操作失误

■(4)防止恶意攻击

操作系统应用举例

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