第三章 计算机系统.doc

第三章 计算机系统的组成1 计算机系统概述1.1计算机系统组成图示意图1.2计算机系统说明l 一个计算机系统由硬件(Hardware)系统和软件(Software)系统两部分组成 l 硬件系统是指组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机的物质基础。 l 软件系统是指为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称。 l 只有硬件系统的计算机称为祼机 l 硬件和软件的关系n 软件和硬件没有明确分界线 n 软件实现的功能可以用硬件来实现，称为硬化或固化 n 硬件实现的功能也可以用软件来实现，称为硬件软化 1.3计算机系统的层次关系2 计算硬件系统2.1计算机的基本结构1）冯.诺依曼型机的基本结构1944年8月，著名美籍匈牙利数学家冯.诺依曼与美国夕法尼亚大学的莫尔电气工程学院的莫奇利小组合作，在他们研制的ENIAC基础上抽出了一个全新的存储程序的通用电子计算机方案，即EDVAC计算机方案。方案中，冯.诺依曼总结并提出了三条思想：l 计算机由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备l 采用二进制（程序和数据以二进制表示）l 存储程序控制（所谓存储程序，就是把程序和所需数据均以二进制形式预先按一定顺序存放到计算机的存储器里。计算机运行时，依次从内存中逐条取出指令，执行一系列的基本操作，最后完成复杂的运算。这一切工作都是由控制器和运算器共同完成的，这就是存储程序的工作原理。存储程序实现了计算机的自动计算）。现代计算机仍没有脱离冯.诺依曼型计算机的基本思想。2）计算机基本结构图(黑实线为数据流；点线为控制流)2.2中央处理器（CPU）1）中央处理器的概念和组成中央处理器(CPU，Central Processing Unit)是计算机的核心部件，又称微处理器，主要包括运算器(ALU)和控制器两大部件。CPU和内存储器构成了计算机的主机。CPU的性能指标直接决定了由它构成的微型计算机系统性能指标，主要性能指标有字长和时钟主频。字长(CPU在同一时刻一次能处理的二进制数的位数)表示CPU处理数据的能力；主频反映了CPU处理数据的速度。CPU和RAM都挂接在总线上，为了解决它们之间存在速度差问题，在CPU芯片中又集成了高速缓冲存储器(Cache)。所以，CPU中除两大部件外，还包括若干个寄存器和高速缓冲存储器。2）运算器(ALU)运算器(ALU，Arithmetical and Logical Unit)，又称算术逻辑单元，主要功能是算术运算和逻辑运算。算术运算指加、减、乘、除等基本运算；逻辑运算指逻辑判断、关系比较、其它基本逻辑运算(与、或、非)。由于各种运算均可归结为相加和移位两个基本操作，所以运算器的核心是加法器(Adder)。运算器中的数据取自内存，运算结果又送回内存。3）控制器控制器是计算机的神经中枢和指挥中心，由它指挥全机各个部件自动、协调地工作，就象人的大脑指挥躯体一样。控制器的功能是依次从存储器取出指令、翻译指令、分析指令，向其它部件发出控制信号，指挥计算机各部件协同工作。控制器由程序计数器(PC)、指令寄存器(IP)、指令译码器(ID)、时序控制电路以及微操作控制电路等组成。l 程序计数器 用来对程序中的指令进行计数，指出下一条指令的地址l 指令寄存器 存放由存储器取得的指令l 指令译码器 将指令中的操作码翻译成相应的控制信号l 时序控制电路 用来生成时序信号，使计算机有节奏、有次序地工作l 微操作控制电路 用来产生各种控制操作命令2.3存储器1）概述存储器是计算机的记忆装置，主要用来保存数据和程序，所以存储器应该具备存数据和取数据功能。使用时，可以从存储器中取出信息，不破坏原有的内容，这种操作称为存储器的读操作；也可以把信息写入存储器，原来的内容被抹掉，这种操作称为存储器的写操作。存储器分为内存储器和外存储器。2）存储器的容量单位存储容量：存储器可容纳的二进制信息称为存储容量位(bit)：只能存放(表示)0或者1，存储二进制数的一位字节(Byte)：8个二进制位组成一个一个字节，是存储容量的基本单位常用的存储容量单位：KB(千字节)、MB(兆字节)、GB(千兆字节)、TB1KB=1024B 210B1MB=1024KB 220B1GB=1024MB 230B3）内存储器内存概述内存储器简称内存或主存,是计算机中信息交流的中心(输入设备输入的程序和数据最初送入内存；控制器执行的指令和运算器处理的数据取自内存；运算的中间结果和最终结果首选保存在内存；输出设备输出的信息来自内存)。总之，CPU直接访问内存，内存要与其它各部件打交道，因此，内存的速度直接影响计算机的运算速度。内存被分成一个个字节，每一个字节称为一个存储单元，为了寻找数据的存放位置，要对每个字节进行编号，这个唯一标识该存储单元的编号称为该存储单元的地址(Address)。内存分为随机存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read Only Memory)两类。内存属于临时存储器(ROM除外)，内存中的信息要长期保存，应送到外存储器中。随机存储器(RAM)RAM通常指内存条，是内存主体，CPU对它即可读出数据又可写入数据，但是，一旦关机或断电，其中的信息将全部消失。(刷新的概念：目前在微机广泛采用动态随机存储器，是在半导体器件中分布电容上有无电荷来表示1和0，由于电容上的电荷会随着电容器的漏电而逐渐消失，所以需要周期性地给电容充电，称为刷新)特点：其中的信息可以多次被读出；当写入时原位置的数据被冲掉；断电后信息全部消失，无法恢复只读存储器（ROM）只读存储器中存放的信息只能被读出而不能被写入。里面存放的信息一般由计算机制造商写入并经固化处理，用户无法修改的。即使断电，ROM中的信息也不会丢失。(基本输入/输出系统BIOS)4）外存储器概述外存储器简称外存或辅助存储器,是永久存储信息的外部设备。存储的信息只有调入内存才能处理。常见的外存储器有磁盘(包括硬盘和软盘)、光盘、磁带等。由于外存储器安装在主机外部，所以可以归属外部设备。内存和外存的区别l 外存中的信息必须装入内存才能被处理 l 外存是永久存储信息的地方 l 外存容量一般较大(多个外存合起来，容量更大) l 外存速度相对内存来说速度较慢 l 较便宜 软盘及软盘系统软盘（Floppy Disk）：由护套(读写档板、读写口、写保护口(透光时只读，不透光时即能读也能写)和盘片组成盘片是用柔软的聚酯材料制成的圆形底片，表面涂有磁性材料，封装在护套内。盘片逻辑地划分成若干同心圆，每个同心圆称为一个磁道，从处向里编号为0，1，2等等。每个磁道又等分成若干段，每段称为一个扇区，一个扇区一般可存放512B的数据。目前广泛使用的软盘的容量是1.44M的3.5英寸软盘，共有80个磁道，每个磁道有18个扇区，双面高密度软盘。通过读写磁头在盘片的表面移动来读出或写入信息。软盘系统：由软盘、软盘驱动器（由机械运动和磁头组成，对软盘进行驱动和读写，对应的驱动器符号为A：或B：）和软盘控制器适配卡(与总线的接口)组成。硬盘及硬盘系统硬盘(Hard Disk)：硬盘由一组盘片组成，主要特点是将盘片、磁头、电机驱动部件、读写电路等做成一个不可随意拆卸的的整体。硬盘有很大的容量，与软盘相比，硬盘转速快，存取速度高。硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成，一块硬盘由多个盘片，固定在同一个轴上。每个盘片有两面，编号为0、1、2、3等，每面上划分磁道、扇区硬盘系统：硬盘(盘片和驱动器，可以化分多个逻辑分区，对应的驱动器符号为C：、D：、E：等)和硬盘控制适配卡(与总线的接口)组成。光盘及光盘系统2.4输入设备1）概述输入设备是将数据、程序等转换成计算机能接受的二进制码，并将它们送入内存的设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。2）键盘键盘是系统中标准的输入设备。一般分为功能键区、主键盘区(打字键区)、数字键区(小键盘区)、编辑键区四个区。主键盘区键位排列与标准英文打字机的键位相同，包括26个英文字母、数字、常用字符和一些专用控制键。重点掌握的键位如下：Caps Lock：大写锁定键Shift：上档键，双字符键中输入上面的字符；大写字母的输入(Shift+字母)；与其它键配合形成组合键Ctrl：控制键，主要与其它键配合，形成组合键Alt：转换键，操作菜单，或与其它键配合，形成组合键Tab：制表键Space：空白键Backspace：回退键，删除插入点之前的一个字符Enter：回车键，回车换行；确认输入功能键区该区放置F1F12等功能键和Esc键。ESC：逃逸键，在一些软件的支持下，通常用于退出某种环境或状态。F1F12：功能键，在一些软件的支持下，通常将常用的命令设置在功能键上。Print Screen键：在一些软件支持下，可将屏幕上正显示的内容送到打印机去打印(在Windows系统下，将整个屏幕复制到剪贴板)数字键区主要是方便数字数据的录入与编辑。Num Lock：数字锁定键，数字输入功能/编辑功能的开关键编辑键区该区包括方向键、Page Up、Page Down等键，主要用于编辑修改。Insert：插入键，是一个开关键，在“插入”/“改写”两种方式之间转换Home：行首键，插入点回到当前行行首End：行尾键，插入点回到当前行行尾Page Up/Page Down：向上/下翻页键Delete：删除键，删除插入点之后的一个字符3）鼠标标是计算机中重要的输入设备，主要有机械鼠标和光电鼠标。结构及用法介绍常用的三键鼠标结构和用法主要操作指向：单击：双击：右键单击：拖动：2.5输出设备1）概述输出设备将计算机处理的结果转换成人们能够识别的形式(数字、字符、图像、声音等)显示、打印或播放出来。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。2）显示器又称监视器(Monitor)，是计算机系统中的标准输出设备。分类分类标准很多。通常分为阴极射线管显示器(CRT，Cathode ray tubes)和液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)显示器的主要特性分辨率(Resolution) 屏幕上图像的分辨率或清晰度取决于能在屏幕上独立显示的点的直径，这种独立显示的点称作像素(Pixel)。微机上使用的显示器的像素直径(或称点距有0.28mm、0.26mm、0.20等)。一般地，点距越小，分辨率越高，显示器质量也就越好。整个屏幕上像素的数目(列X行)也间接反映了分辨率(800X600、1024X768、1280X1024等)尺寸屏幕刷新率灰度光点亮度的深浅变化层次，可以用颜色数量表示显示系统显示器 显示适配卡(显卡，与总线的接口卡)3）打印机打印机是最常用的输出设备。分类按打印原理来分：击打式打印机如针式打印机非击打式打印如喷墨打印机、激光打印机打印机的主要特性分辨率以dpi为单位(600dpi 1200dpi等) 打印纸张范围打印速度以p/m分单位2.6总线1）概念总线是计算机各部分之间进行信息传送的公共通道。2）分类根据连接部件的不同，总线可分为内部总线和系统总线。内部总线是同一部件（如CPU的控制器、运算器和各寄存器之间）内部连接的总线 系统总线是同一台计算机的各部件(CPU、内存、I/O接口)之间相互连接的总线。根据传输信息的不同又分为：数据总线可实现各部件间数据交换地址总线地址信息，用来寻找存储单元或I/O端口的控制总线传输控制信息系统总线在发展过程中形成许多标准，如PCI（Peripheral Component Interconnect）、AGP（Advanced Graphics Port）等系统总线集成在主板上（Main Board）3 计算机软件系统3.1概述1）软件的概念软件是指为使用计算机和提高使用效率而组织的程序以及用于开发、使用和维护的有关文档。软件中的程序是由程序设计语言编写的。编写程序主要是按一定的逻辑结构组织计算机指令。2）软件来源软件中重要的是程序，程序是用程序设计语言编写的。可执行程序是按一定的逻辑组织起来的指令的集合，即计算机是通过执行指令序列来解决问题的。计算机指令系统计算机指令就是计算机能识别的一道命令(二进制代码),它规定计算机完成的某一种操作(做什么)，与此操作相关的数据来自何处，操作结果送到哪里。一条指令通常由两部分组成：操作码和操作数(地址码)一台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。计算机正是由于有的指令系统，人们才可以通过编程的方式组织这些指令，来让计算机完成一定的任务。编程离不开程序设计语言。程序设计语言像人们交流需要语言一样，人们与计算机交流也要使用相互理解的语言，以便人们把意图告诉计算机。用来同计算机交流的语言叫程序设计语言。分类如下：低级语言机器语言 汇编语言 高级语言面向过程的高级语言 面向对象的高级语言 机器语言每种型号的计算机都有自己的指令系统，也叫机器语言。每条指令都对应一串二进制代码。用机器语言编写的程序叫机器语言程序，完全由0、1二进制信息组成，是唯一能被计算机直接识别和执行的。例：00000010 11001111 (ADD CL，BH 作用是把CL中的数和BH中的数相加，结果放到CL中) 主要特点有：执行效率高；可移植性差；不易掌握和使用。汇编语言为了便于理解与记忆，把指令中的操作码和操作数用较容易识别、记忆的助记符号来表示，这种符号化了的语言称为汇编语言。它与机器指令是一一对应的。用汇编语言编写的程序称为汇编语言源程序。汇编语言源程序不能被计算机直接识别和执行，必须经过翻译之后，才能被计算机识别和执行。例：ADD CL，BH (作用是把CL中的数和BH中的数相加，结果放到CL中)主要特点有：执行效率高；可移植性差；仍不易掌握和使用。高级语言低级语言开发的程序对机器硬件依赖性大(可移植性差)，并且通用性和可读性也差，普通用户很难胜任。随着计算机技术的发展及计算机应用领域的不断扩大，出现了高级语言。这里的“高级”是指这类语言与自然语言和数学式子相当接近，而且不依赖于计算机的型号，通用性好。高级语言的使用，大大提高了编写程序的效率，改善了程序的可读性。用高级语言编写的程序称为高级语言源程序，计算机是不能直接识别和执行高级语言源程序的，也要用翻译的方法把高级语言源程序翻译成等价的机器语言程序(目标程序)才能执行。翻译的方法有两种：解释和编译。3）分类系统软件操作系统语言处理系统汇编程序解释程序编译程序服务程序数据系统应用软件通用的应用软件专用的应用软件3.2系统软件1）概述系统软件由一组控制计算机系统并管理其资源的程序组成，主要功能包括：对计算机资源进行管理，使各部件协调一致的工作；应用软件与计算机的接口；用户与计算机的接口；辅助用户使用计算机。2）分类操作系统 语言处理系统汇编程序 解释程序 编译程序 服务程序 数据系统 3）操作系统（Operating System)概述为了使计算机系统的所有软、硬件资源协调一致、有条不紊地工作，就必须有一种软件来进行统一的管理和调度，这种软件就是操作系统。操作系统是最基本的系统软件。操作系统直接运行在裸机之上，是对计算机硬件系统的第一次扩充。它的主要目的有两个：一是方便用户使用计算机，是用户和计算机的接口；二是统一管理计算机系统的全部资源，合理组织计算机工作流程，以便充分、合理地发挥计算机的效率。操作系统的功能（了解）处理器管理。（当多个程序同时运行时，解决处理器时间的分配问题） 作业管理。（完成某个独立任务艰巨程序及其所需的数据组成一个作业。作业管理的任务主要是为用户提供一个使用计算机的界面使其方便地运行自己的作业，并对所有进入系统的作业进行调度和控制，尽可能高效地利用整个系统资源。） 存储器管理。(为各个程序及其使用的数据分配存储空间，并保证它们互不干扰。) 设备管理。（根据用户提出使用设备的请求进行设备分配，同时还能随进接受设备的请求中断，如要求输入信息。） 文件管理。（主要负责文件的存储、检索、共享和保护，为用户提供文件操作的方便。） 操作系统分类按其发展前后过程，通常分成以下几类：单用户操作系统批处理操作系统分时操作系统实时操作系统网络操作系统微机操作系统常见的操作系统Windows 2000 professional、windows 2000 server、windows XP、windows 2003 server、Unix、Linux等4）语言处理系统计算机只能直接识别和执行机器语言程序。把用汇编语言或高级语言编写的源程序翻译成用机器指令表示的程序，以便在机器上运行，具有这种工能的程序称为语言处理程序。汇编程序：把汇编程序翻译成与之等价的目标程序 解释程序：把高级语言编写的源程序逐条“翻译”，并且执行。即一边解释，一边执行，不产生目标程序，用这种翻译方式工作的语言处理程序称为解释程序。(1边解释边执行2不产生目标程序) 编译程序：把高级语言源程序翻译成等价的目标程序，这种语言处理程序称为编译程序。(1先编译后执行2产生目标程序) 5）服务程序服务程序能够提供一些常用的服务性功能,它们为用户开发程序和使用计算机提供了方便.像微机上经常使用