北京大学《计算概论》课件：第03讲-计算机系统.ppt

第三讲 计算机系统,北京大学 信息科学技术学院 2012年9月,计算机的类型,按照性能和规模分类 巨型机 大型机 中型机 小型机 工作站 个人计算机 (Personal Computer, PC) 台式 计算机 笔记本/便携式 计算机 个人数字助理（PDA）,进入90年代后,服务器,其中，性能极高的服务器， 一般称为“超级服务器”,本讲内容,个人计算机 硬件系统 硬件系统概述 主机箱内的部件 基本输入输出设备 外围设备,个人计算机 软件系统 软件系统概述 操作系统的地位 操作系统的引导 操作系统的功能,个人计算机系统,个人计算机硬件系统概述,从“冯诺依曼”结构出发 从计算机外观出发（由外而内）,个人计算机硬件系统概述,从“冯诺依曼”结构出发,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,存储器,运算器,控制器,输入设备,输出设备,CPU,Central Process Unit (中央处理器),硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,存储器,CPU,输入设备,输出设备,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,适配器,CPU,输入设备,内部 存储器,适配器,输出设备,适配器,外部 存储器,外围设备 通过插入适配器上的端口，和适配器连接在一起,适配器,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,CPU,输入设备,内部 存储器,适配器,输出设备,适配器,外部 存储器,如何将这些部件 连接起来？,芯片组,适配器,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,CPU,输入设备,适配器,输出设备,适配器,外部 存储器,如何将这些部件 连接起来？,芯片组,总线 (Bus),内部 存储器,适配器,输出设备,适配器,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,存在很多类型的总线； 每一条总线一般会连接多个适配器；,CPU,输入设备,适配器,外部 存储器,内部 存储器,每一个适配器通过插入总线上的插槽/插座，和总线连接在一起,“CPU”和“内部存储器”是2个例外：它们不需要通过适配器就能和总线连接; 或者说：只有外围设备才需要通过适配器和总线相连,“CPU”和“内部存储器”是两个例外：它们不需要通过适配器就能和总线连接。 或者说：只有外围设备才需要通过适配器和总线相连。,芯片组,适配器,输入设备,适配器,输入设备,适配器,输入设备,适配器,输入设备,适配器,输出设备,适配器,输出设备,适配器,输出设备,适配器,输出设备,CPU,适配器,适配器,外存,外存,适配器,适配器,外存,外存,内存,内存,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,芯片组,个人计算机硬件系统概述,从计算机外观出发（由外而内）,硬件系统基本结构 从计算机外观出发（由外而内）,主机 (卧式机箱),显示器 (CRT),键盘,鼠标,音箱,耳机,硬件系统基本结构 从计算机外观出发（由外而内）,主机 (立式机箱),显示器 (LCD),硬件系统基本结构 从计算机外观出发（由外而内）,主机 (计算设备、存储设备),基本输入设备 (键盘、鼠标),基本输出设备 (显示器),通讯设备,其它外围设备,这里面是啥？,主机内的硬件设备,电源适配器 CPU (Central Processing Unit) 主存储器 (Main Memory)/内部存储器 外部存储器 (External Storage) 硬盘/硬盘驱动器、光盘/光盘驱动器 软盘/软盘驱动器 外围设备适配器/控制器 显示器适配器 (显卡) 以太网适配器 (网卡) 声音适配器 (声卡) 鼠标适配器、键盘适配器 主板 (Mother Board, Main Board, System Board),外围设备适配器,CPU,主机内硬件系统的基本结构,内部 存储器,外部 存储器,主板,电源 适配器,以太网适配器,显示器适配器,集线器,显示器,音响,麦克风,声音适配器,鼠标,键盘,主机,这里面是啥？,主板上的主要部件,总线 (Bus) 前端总线 (Front-Side Bus, FSB) 【CPU芯片组】 内存总线 (Memory Bus)【内存芯片组】 高速图形总线【显卡芯片组】 PCI-E，AGP 外部存储器总线【硬盘适配器、光驱适配器芯片组】 SATA， IDE，SCSI 低速设备总线(LPC) 【BIOS芯片组】 【键盘适配器、鼠标适配器、软驱适配器、芯片组】 通用型总线【其它外设适配器芯片组】 USB (Universal Serial Bus) PCI-E，PCI，ISA 内部总线 (Internal Bus) 【芯片组内部互联】 接口：插槽 (Slot)，插座(Socket)，端口(Connector/Port) CPU插槽/座，内存插槽，PCI(-E)插槽，ISA插槽 鼠标端口，键盘端口，USB端口 芯片组 (Chipset) 北桥芯片 (North Bridge)：CPU、内存、显卡 南桥芯片 (South Bridge)：BIOS、其它外围设备适配器 BIOS (Basic Input/Output System),主板上硬件系统的基本结构,CPU,北桥芯片,前端总线,CPU插槽/座,内部 总线,内存插槽,内存,内存总线,显卡,图形 总线,显卡插槽,PCI总线,ISA总线,PCI插槽,ISA插槽,BIOS,外存适配器,USB适配器,网络适配器,声音适配器,LPC总线,低速设备 适配器芯片组,软驱适配器,键盘适配器,鼠标适配器,LPC 总线,一组端口,芯片组,超级IO 芯片组,南桥芯片,CMOS,一个真实的主板,北桥芯片,PCI插槽,CMOS电池,BIOS,SATA外存端口,IDE外存端口,软驱端口,主板电源端口,超级IO 芯片组,内存插槽,CPU插座,CPU风扇电源,CPU风扇基座,声音适配器,网络适配器,PCI-E插槽,外围设备端口,南桥芯片,插槽,适配器,端口,主板,连接关系： 主板适配器外围设备,外围设备,适配器通过主板上的插槽与主板相连 外围设备通过适配器上的端口与适配器相连,主机箱内的主要部件,主板（Mother Board, Main Board, System Board）,个人计算机的电路主体 通过总线将CPU、存储设备以及各种输入/输出设备连接起来 还提供多种接口，以便将更多的存储设备和输入/输出设备（外围设备）连接到主机中来,主机箱内的主要部件,计算机系统的核心设备，其基本功能是按照程序执行指令。 决定CPU性能的主要因素包括： 主频：CPU执行指令的速度，例如2.0GHZ 数据字长：数据总线的宽度(二进制位数) 地址长度：地址总线的宽度 指令集：指令系统的处理能力（复杂指令，精简指令）等。 在实际选购CPU时，则主要从CPU的制造商、CPU型号、主频、高速缓存的容量等几个方面考虑。,CPU，中央处理器（Central Processing Unit）,Intel AMD 龙芯 北大众志 ,主机箱内的主要部件,系统部件之间信息传送的公用信号线； 具有 汇集与分配信息、选择发送信息的部件与接收信息的部件、总线控制权的建立与转移等功能；(在芯片组的控制下) 内部含有三种类型的信号线：数据总线、控制总线、地址总线； 常见的总线标准 ISA（Industrial Standard Architecture Bus）：8/16位 PCI（Peripheral Component Interconnection Bus）：32/64位 AGP（Accelerated Graphics Port）：显卡专用总线 PCI-E（PCI Express）： PCI的升级版本；替代PCI和AGP IDE （Integrated Drive Electronics）：用于连接 硬盘、光驱 SATA （Serial Advanced Technology Attachment）：IDE的升级版本 USB（Universal Serial Bus）：由IBM、Intel及Microsoft等多家公司共同开发的新型外设连接技术,总线（Bus）,各种总线插槽/端口的外观,AGP插槽,PCI32插槽,PCI64插槽,PCI-E插槽,USB端口,IDE端口,SATA端口,类似于互联网络中的路由设备； 控制信息在CPU、内存、显卡、硬盘、以及各种外围设备之间通过总线进行传输； 北桥芯片：通过总线连接CPU、内存、显卡和南桥芯片 南桥芯片：通过总线连接BIOS、各种外围设备/适配器 和 北桥芯片,芯片组（Chipset）,芯片组,CPU,内存,显卡,BIOS (Basic Input/Output System) 基本输入输出系统 主板上的一块只读的芯片，其中固化了一组程序 用于：操作系统的引导、对CMOS中参数的设置 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 互补金属氧化物半导体 主板上的一块可读写的芯片，用来保存当前系统的硬件配置和用户对系统某些参数的设定 需要一块电池为其供电（CMOS电池）,BIOS 和 CMOS,通过 BIOS 设置 CMOS参数 的界面,主板用于插接CPU、内存、各种外设适配器、和各种外设的设施 CPU插座 内存插槽 各种扩展插槽（插接各种外设适配器） ISA、PCI、PCI-E、AGP 各种外设端口 USB、IDE、SATA、键盘端口、鼠标端口,接口,不同级别的存储设备,存储设备 主要用于存放 计算机指令 以及 所要处理的数据； 由于CPU处理速度非常快，而向存储器中读写数据的速度却相对较慢，造成对CPU处理能力的浪费； 因此，在计算机内设有不同访问速度的存储设备，以尽可能充分利用的CPU处理能力,CPU,主存储器 （内存）,外存储器 （磁盘）,基于大规模集成电路的半导体存储芯片 一种随机存取存储器（Random Access Memory，RAM） 具有“易失特性” ：掉电后，其内部存储的信息就会丢失,主存储器的大小是计算机系统工作的性能指标之一。 当前个人计算机内存配置：1G、2G、4G,主存储器/内部存储器,相对于内部存储器，外部存储器的容量要大得多，但存取速度却低很多。 外部存储器的主要种类包括： 硬盘、光盘/光盘驱动器、软盘/驱动器、磁带/磁带机等 具有“非易失性”：掉电后，其内部存储的信息仍然会长时间或永久保留 从物理原理上讲，它们是利用物质的光、电、磁等物理特性，来表示0/1数据,外部存储器,主机箱内的主要部件,硬盘,磁带 磁带机,光驱,软盘,光盘,软驱,主机箱内的主要部件,机箱和电源 个人计算机（台式机）：卧式、立式。 标准卧式机箱：箱体架、前面板、开关式稳压电源及上盖板。 机箱内部一般有软盘驱动器、光驱的安装位置，有一个到两个安装硬盘的空间。 立式机箱的组成与卧式机箱基本相同，但它的内部空间较大。,主机箱内的主要部件,电源,机箱,基本输入输出设备,基本输入设备 键盘 鼠标 基本输出设备 显示器,2019/6/16,北京大学,38,键盘,不同类型的键盘,键盘上按键的排列,鼠标,(a)鼠标 (b)跟踪球 触控板,显示器和显卡,显示器和显卡共同完成计算机内信息在屏幕上的显示 显卡主要技术指标： 图形加速能力 显存,图形处理器：GPU (Graphics Processing Unit),显存（显卡存储器）,显示器和显卡,显示器：CRT (Cathode Ray Tube，阴极射线管)、 LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器） LED（Light Emitting Diode，发光二极管） 显示器的主要技术指标（目前LED已成为主流） 尺寸：15英寸、17英寸、19英寸、19寸宽屏等。 点距：显示屏幕的象素间距，例如：0.28mm 分辨率：分辨率是指屏幕上可以容纳的像素的个数， 640 X 480、800 X 600、1024 X 768、1280 X 800、 1440 X 900 2560 X 1600 2880 X 1800 视网膜 刷新频率：即每秒刷新屏幕的次数。 辐射性和绿色环保能力。 CRT显示器能耗高、辐射性也较强 LED最为省电，环保,显示器,（a）CRT显示器 （b）LCD/LED显示器,通信设备,网络适配器 无线网卡 调制解调器 电缆调制解调器,网络适配器,网络适配器（网卡），用于将计算机连接到局域网,无线网卡,用于将计算机连接到无线网络,调制解调器 (Modem),基本功能：模拟信号 和 数字信号 之间的变化 用于通过普通公用电话网络与计算机网络建立连接，包括： ISDN（Integrated Service Digital Network）接入卡 ADSL（Asymmetrical Digital Subscriber Loop）接入卡,电缆调制解调器,电缆调制解调器（Cable Modem），又名线缆调制解调器， 它可以让计算机利用有线电视网进行数据传输。,外围设备,打印机 绘图仪 投影仪 手写板/图形输入板/数字化板 扫描仪/数码照相机/数码摄像机 声卡/麦克/音箱,激光打印机,打印机,点阵式打印机,喷墨打印机,滚筒式绘图仪,投影仪,手写板,图形输入板,数字化仪,扫描仪,摄像头,声卡,计算机软件系统的组成,计算机硬件系统和软件系统,计算机系统包括 硬件系统 软件系统 系统软件 操作系统 其它系统软件：数据库、设备驱动程序、编译器、 应用软件,计算机硬件系统和软件系统的层次关系,硬件系统,操作系统,Unix,Linux,Mac OS,Windows,IOS,Android,其它系统软件,数据库,设备驱动程序,软件开发工具,函数库,应用软件,文档编写,计算器,财务 会议,游戏 软件,文件 管理,幻灯片制作,绘图软件,互联网软件, ,计算机软件系统的组成,软件,系统软件,应用软件,操作系统,设备驱动程序,数据库,工具软件,软件开发环境,Windows,Linux,Mac OS,显示驱动,打印驱动,鼠标驱动,Oracle,MySQL,MongoDB,数学软件,网络软件,图形软件,C/C+,Java,HTML,幻灯片制作,游戏软件,财务软件,信息管理,面向 硬件连接,面向软件开发,面向 各类 应用 领域 需求,面向各类 软硬件资 源的管理,操作系统的地位,驱动程序,数据库、工具软件/包、程序语言,操作系统 是 连接 硬件 和 应用软件 的中间层软件,操作系统,操作系统 是 计算机系统最基础的软件 如果没有它的支持，作为用户的人简直就没有办法让计算机为自己做任何事情 人使用计算机做任何事情都需要与操作系统打交道,操作系统,举例来说，我们在键盘上按了一下字母键a， 键盘会把一串二进制代码送入计算机， 随之可以看到字母a显示在屏幕上。 是谁接收了键盘送去的代码并处理与之有关的问题？ 是操作系统在完成了一系列工作后，通过应用软件的配合，最终把这个字母送到显示器。 这只是操作系统丰富功能的一个小侧面,操作系统,操作系统软件的主要任务是管理计算机系统的硬件资源和信息资源（程序和数据）。 此外，操作系统还要为计算机上各种硬软件的运行及其相互通信提供支持，并为计算机的普通用户和管理人员提供各种服务。,操作系统的引导,在计算机的电源接通，硬件开始工作后， 首先必须把操作系统的常驻内核从磁盘装入主存储器，并且使它进入正常工作状态，这样的一个过程称为操作系统的引导（System Booting）。 只有操作系统正常工作之后，整个计算机系统的工作才能够继续，能够开始接受和执行用户命令。,操作系统的引导,操作系统的引导,操作系统引导是个很复杂的过程 以DOS 操作系统引导的几个主要步骤作为例子,DOS: Disk Operation System,操作系统的引导,1）计算机的电源接通； 2）CPU就绪： CPU上电后首先完成复位操作，使自身处于“就绪”状态； 然后搜寻 BIOS，并执行BIOS中预先设置的启动程序,DOS 系统的引导,操作系统的引导,3）设备检查： BIOS 启动程序的开始是一段检测程序，依次检查各硬部件（内存、键盘、总线及各个扩展卡等）是否进入正常状态 在全部检测无误之后，BIOS 中的启动程序被复制到内存（在内存里程序执行速度更快一些）,DOS 系统的引导,操作系统的引导,4）装载引导程序： 通过BIOS的指示，寻找操作系统的“引导程序”（BOOT程序）。引导程序被找到后即被装入内存。 “引导程