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计算机系统 第2章 1 主要内容 2 1计算机的硬件系统 2 2计算机的软件系统 2 3微型计算机及其硬件系统 2 3 计算机系统的组成 4 2 1 1冯 诺依曼计算机的基本组成 2 1 2计算机硬件的组成 2 1 3计算机的工作原理 2 1计算机硬件系统 5 2 1 1冯 诺依曼计算机的基本组成 1944年8月 冯 诺依曼 VonNeumann 提出了一个全新的存储程序 程序控制的通用电子计算机的方案 该方案主要的3条思想是 计算机的硬件由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备5个基本功能部件组成 在计算机中 程序和数据都用二进制代码表示 它既便于硬件的物理实现 而且运算规则又简单 故可简化计算机结构 提高可靠性和运算速度 把程序和处理问题所需的数据 均以二进制的形式按一定顺序预先存放到计算机的存储器里 计算机运行程序时 依次从存储器里逐条取出指令 执行一系列基本操作 完成该指令所规定的复杂运算 这一切工作都是在控制器的控制下完成的 这就是存储程序 程序控制的工作原理 存储程序实现了计算机的自动计算 成为计算机与计算器及其他计算工具的本质区别 同时也确定了冯 诺依曼型计算机的基本结构 冯 诺依曼的上述思想奠定了现代计算机系统结构的基础 所以人们将采用这种设计思想的计算机称为冯 诺依曼型计算机 6 2 1 2计算机硬件的组成 从1946年第一台计算机诞生至今 虽然计算机硬件的结构和制造技术都有很大发展 但都没有脱离冯 诺依曼型计算机的基本思想 即计算机硬件由运算器 控制器 存储器 输入设备和输出设备组成 从计算机系统的角度看 计算机的硬件也可以描述成 主机 外部设备 7 5个基本功能部件的相互关系 8 计算机硬件 主机 外设 9 2 1 2计算机硬件的组成 1 运算器运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件 主要由算术逻辑单元和一组寄存器组成 在控制器的控制下 它对取自内存储器或寄存器组中的数据进行算术或逻辑运算 再将运算的结果送到内存储器或寄存器组中 2 控制器控制器的功能是控制计算机各部件协调工作而自动执行程序 计算机要自动执行一个程序 就是在控制器的控制下 从第一条指令开始 逐条读取指令 分析指令 执行指令直至执行到程序的最后一条停机指令即完成程序 控制器和运算器合在一起称为中央处理单元 CentralProcessingUnit CPU 它是计算机的核心部件 10 处理器 控制器和运算器 五大模块之一 五大模块之二 11 2 1 2计算机硬件的组成 3 存储器 1 内存储器内存储器可以与CPU直接进行信息交换 用于存放当前CPU要用的数据和程序 存取速度快 价格高 存储容量较小 内存储器与CPU构成了主机 2 外存储器外存储器用来存放要长期保存的程序和数据 属于永久性存储器 需要时应先调入内存 相对内存而言外存的容量大 价格低 但存取速度慢 它连在主机之外故称外存 4 输入设备输入是指利用某种设备将数据转换成计算机可以接收的编码的过程 所使用的设备称为输入设备 5 输出设备输出设备的任务是将信息传送到中央处理机之外的介质上 以人们或其他机器所能接受的形式输出 12 存储器 存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合 每个记忆单元由8位二进制位组成 可读写其中的数据 存储器 存储器通常分为内存储器和外存储器 存放大量信息的外存储器 信息交流中心内存储器 五大模块之三 13 每个记忆单元由8位二进制位组成 1KB 210B 1024B1MB 210KB 1024KB1GB 210MB 1024MB1TB 210GB 1024GB 14 输入输出设备 常用输入设备 键盘 鼠标 扫描仪 光笔 数字化仪等 常用输出设备 显示器 打印机 绘图仪等 五大模块之四 五 15 2 1 2计算机硬件的组成 16 2 1 3计算机的工作原理 17 2 1 3计算机的工作原理 2 指令和程序在计算机中的执行过程要执行程序 首先将程序和程序所操作的数据放入内存 执行程序就是依次执行组成程序的一条条指令 计算机在执行程序中的每条指令时 先将要执行的指令从内存中取出到CPU内 然后通过控制器对该指令进行分析译码 判断该指令要完成的操作 最后向相关部件发出完成该指令的控制信号以完成相应的操作 18 2 2 1系统软件 2 2 2应用软件 2 2计算机软件系统 19 软件 Software 是各类程序及其有关文档的总和 计算机系统是在硬件的基础上 通过软件的支持向用户呈现强大的功能和友好的使用界面 通常软件分为系统软件和应用软件 2 2计算机软件系统 20 软件的分类 系统软件 操作系统DOS Windows95 98 ME XP语言处理程序ADA BASIC C 服务性程序 邮件 打印 游戏 数据库管理系统Informix SQL网络系统 字处理软件WPS Word表格处理软件ExcelCell辅助设计软件AutoCAD实时控制软件Fix 应用软件 软件 21 系统软件是控制计算机系统并协调管理软硬件资源的程序 其主要功能包括 启动计算机 存储 加载和执行应用程序 对文件进行排序 检索 将程序语言翻译成机器语言等 实际上 系统软件可以看作用户与硬件系统的接口 它为应用软件和用户提供了控制 访问硬件的方便手段 使用户和应用软件不必了解具体的硬件细节就能操作计算机或开发程序 2 2 1系统软件 1 操作系统操作系统 OperatingSystem OS 是对计算机全部软 硬件资源进行控制和管理的大型程序 是直接运行在裸机上的最基本的系统软件 其他软件必须在操作系统的支持下才能运行 它是软件系统的核心 22 程序设计语言按发展过程分为 机器语言 以二进制代码表示的指令的集合 是计算机唯一能识别和执行的语言 汇编语言 是用助记符来表示机器指令的语言 高级语言 它通用性强 是面向问题的 基本上与机器无关 2 2 1系统软件 2 语言处理系统 23 计算机不能直接识别和执行高级语言源程序 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 称为目标程序 才能执行 翻译的方法有两种 解释 不保留目标程序代码 解释一句 执行一句 编译 它调用相应语言的编译程序 把源程序变成目标程序 以 obj为扩展名 然后再用连接程序 把目标程序与各类库文件相连接形成可执行文件 2 2 1系统软件 2 语言处理系统 24 3 服务程序服务程序能够提供一些常用的服务功能 它为用户开发程序和使用计算机提供了方便 如编辑程序 连接装配程序 测试 诊断程序等 2 2 1系统软件 4 数据库系统数据库 DataBase DB 是指按照一定数据模型存储的数据集合 数据库管理系统 DataBaseManagementSystem DBMS 则是能够对数据库进行加工 管理的系统软件 数据库系统 DBS 由数据库 数据库管理系统以及相应的应用程序组成 5 网络软件计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物 计算机网络由网络硬件 网络软件及网络信息构成 其中的网络软件包括网络操作系统 网络协议和各种网络应用软件 25 为解决各类实际问题而设计的程序称为应用软件 根据其服务对象 又可分为通用软件和专用软件两类 2 2 2应用软件 1 通用软件 字处理软件 Word WPS2000 电子表格软件 Excel Lotus1 2 3 绘图软件 AutoCAD 3DS 课件制作软件 Powerpoint Authorware 网络通信软件 OutLook InternetMail 2 专用软件上述的通用软件或软件包 在市场上可以买到 但有些具有特殊要求的软件是无法买到的 用户为了自己特殊的需要开发的软件就是专用的应用软件 26 2 3 1微型计算机概述 2 3 2微型计算机主机 2 3 3微型计算机的外存储器 2 3微型计算机及其硬件系统 2 3 4微型计算机输入设备 2 3 5微型计算机输出设备 27 1 微型计算机的发展历程1969年 日本的Busicom公司委托Intel公司研制一种用于新型计算器的芯片 1971年 世界上第一个通用微处理器芯片Intel4004问世 4004微处理器包含2300个晶体管 支持46条指令 频率为108kHz 与当年的ENIAC性能相当 Intel公司看到了微处理器的巨大应用前景 又花费6万美元从Busicom公司买回了4004的知识产权 并由此开创了其微处理器领域的霸主地位 4位微处理器 8位微处理器 16位微处理器 32位微处理器及以上 32位微处理器的代表产品是Intel80386 80486 80586 初期的Pentium系列 由它们组成的32位微型计算机 时钟频率达到16MHz 100MHz 数据总线32位 地址总线24位 32位 2 3 1微型计算机概述 28 2 微型计算机的硬件结构微机的硬件系统采用总线结构 总线就是一组公共信息的传输线路 由三部分组成 数据总线 DB 地址总线 AB 控制总线 CB 总线可以单向传输信息 也可以双向传输信息 并能在多个设备中选择唯一的源地址合目的地址 目前微机结构多采用 面向CPU或面向内存的双总线结构 2 3 1微型计算机概述 29 PC计算机的总线结构 存储器 内存 外存 输入设备 输出设备 运算器 控制器 总线 30 面向主存储器的双总线系统结构示意图 31 中央处理器 CPU 主要包括运算器和控制器两大部件 是计算机的核心部件 CPU是一个体积不大而元件集成度非常高 功能强大的芯片 也称为微处理器 MicroProcessorUnit MPU 目前大部分微机的CPU都采用Intel公司的酷睿双核系列芯片 1 CPU性能指标计算机内所有操作都受CPU控制 CPU的性能指标直接决定了由它构成的微型计算机系统的性能指标 CPU的性能指标主要有字长和时钟主频 字长表示CPU一次处理数据的能力 时钟主频以MHz 兆赫兹 为单位来度量 通常 时钟主频越高其处理数据的速度相对也就越快 2 3 2微型计算机主机 1 中央处理器 32 2 CPU的发展过程自1978年6月Intel公司推出它的第一个16位微处理器8086以来 计算机技术就开始进入飞速发展的时期 经历了80286 80386 80486 Pentium Pentium 奔腾 Pentium 奔腾 代 Pentium Pentium4处理器 酷睿 酷睿双核 酷睿4核等 3 高速缓冲存储器 Cache 随着CPU速度的不断提高 大大超过了内存的速度 使得CPU在进行数据存取时都需要进行等待 从而降低了整台计算机系统的运行速度 为解决这一问题引入了Cache技术 Cache就是一个容量小 速度快的特殊存储器 将内存中被CPU频繁存取的数据存入Cache 当CPU要读取这些数据时 则直接从Cache中读取 加快了CPU访问这些数据的速度 从而提高了整体运行速度 2 3 2微型计算机主机 1 中央处理器 33 存储器的分类 2 3 2微型计算机主机 2 微型计算机的内存储器 34 内存中的ROM和RAM 随机存储器 RAM RAM用于存放输入设备输入的数据和程序 存放的内容可随时读 写 但断电后 RAM中存放的内容全部丢失 RAM又可分为静态随机存储器 SRAM 动态随机存储器 DRAM 只读存储器 ROM ROM中存放的信息固定不变 只能读出不能写入 但断电后ROM中的内容保持不丢失 常见的只读存储器有EPROM 紫外线擦除 和EEPROM 电擦除 上一页 下一页 2 3 2微型计算机主机 2 微型计算机的内存储器 35 2 内存条微机中的RAM基本上是以内存条的形式进行组装的 由于内存条可随意拆装 使得内存的维修和扩展十分方便 如果用户需要增加内存 只需购买相应的内存条 然后将其插在主板上的内存插槽中即可 上一页 下一页 2 3 2微型计算机主机 2 微型计算机的内存储器 DDR DoubleDataRate 双倍数据传输率 允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据 这样在不提高时钟频率的情况下就能加倍提高读写速度 DDR2 DoubleDataRate2 DDR2拥有两倍于DDR的预读取能力 即DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读 写数据 并且能够以内部控制总线4倍的速度运行 目前数据传输速率可达到533Mbps 36 3 总线所谓总线 Bus 就是系统部件之间传送信息的公共通道 各个部件由总线连接并经它相互通信 上一页 下一页 2 3 2微型计算机主机 根据所连接部件的不同 总线可分为 内部总线 也叫片总线 是同一部件 如CPU 内部连接各寄存器及运算部件的总线 系统总线 是同一台计算机各部件 如CPU 内存 I O接口 之间相互连接的总线 系统总线又分为数据总线 地址总线和控制总线 分别传递数据 地址和控制信号 扩展总线 负责CPU与外部设备之间的通信 总线在发展过程中也形成了许多标准 如ISA PCI AGP等 PCI总线 并行处理能力 支持自动配置 I O过程不依赖CPU 满足多媒体要求 在CPU控制下 通过总线来沟通计算机所有部件之间信息的流通 USB总线 串行总线 可使微机与各种低速的外部设备相连接 达到 即插即用 的目的 USB能以树状结构连接127个外设 37 4 输入 输出接口由于主机中的CPU和内存都是由大规模集成电路组成的 而I O设备是由机电装置组合而成 它们之间在速度 时序 信息格式和信息类型等方面存在着不匹配 I O接口的功能就是解决上述这些不匹配 使主机与外部设备能协调地工作 由于这些I O接口一般制作成电路板的形式 所以常把它们称为适配器 简称XX卡 如声卡 显示卡 网卡等 为了将外部设备的适配器连接到微型计算机主机中 在系统主板上有一系列的扩展插槽供适配器使用 这些扩展槽与主板上的系统总线相连 适配器插入扩展槽后 就通过系统总线与CPU连接 进行数据的传送 PC这种开放的体系结构允许用户按照自己的需求选择不同的外部设备装配微机 2 3 2微型计算机主机 38 3 内存储器插槽 4 BIOS和CMOS 5 总线扩展插槽 3 内存储器插槽 4 BIOS和CMOS 5 总线扩展插槽 2 3 2微型计算机主机 主板的主要组成部分 芯片组 CPU插座 内存储器插槽 BIOS和CMOS 总线扩展插槽有些主板还集成了显卡 声卡和网卡等适配器 5 主板主板是一个提供了各种插槽和系统总线及扩展总线的电路板 又叫主机板或系统板 主板上的插槽用来安装组成微型计算机的各部件 而主板上的总线可实现各部件之间的通信 所以说主板是微机各部件的连接载体 39 1 磁盘存储器磁盘存储器包括磁盘驱动器 磁盘控制器和磁盘3部分 磁盘分为软磁盘和硬磁盘两大类 1 软盘目前已很少使用的软盘 FloppyDisk 过去曾扮演着重要角色 软盘包括 盘片 档板 读写窗口 轴盘连接孔 写保护口等 注 软盘在进行读写操作时 指示灯亮 此时 不能将软盘从驱动器中取出 否则会使数据丢失 或损坏磁盘 长期存放的磁盘 其中的信息也可能丢失 所以 重要的资料应及时刷新 2 3 3微型计算机的外存储器 40 硬盘存储器 硬盘存储器的结构硬盘机由磁盘组 读 写磁头 定位机构 传动系统等组成 磁盘组 若干个平行安装 同轴旋转的圆形磁盘片 读 写磁头 用来对磁盘上的信息进行读写 每个盘片的两面都有一个读 写磁头 可沿盘片表面做径向同步移动 硬磁盘的种类 按盘片直径分 1 8 2 5 3 5 5 25英寸 按硬盘机的结构分 盒式硬盘机 可换盘片组硬盘机 固定式硬盘机 1 磁盘存储器 2 3 3微型计算机的外存储器 41 磁盘格式化 磁道 cylinders 同心圆 0磁道中存有文件分配表 FAT 信息 扇区 Sectors 为512字节 簇 Cluster 一个磁道上的两个或更多扇区组合成一个簇 磁盘容量容量 磁盘面数 磁道数 面 扇区数 磁道 字节数 扇区例如软盘的容量计算 容量 2 80 18 512 字节 1474560 字节 1024 1440 KB 磁盘结构及磁道扇区划分 1 磁盘存储器 2 3 3微型计算机的外存储器 42 光盘 CompactDisk 是大容量辅助存储器 光盘需要有光盘驱动器配合使用 但它不是用电磁转换的机制读写信息 而是用光学的方式进行的 根据性能的不同 可将光盘分为3类 只读光盘 CompactDiskReadOnlyMemory CD ROM 光盘中的数据是由生产厂家预先写入的 用户只能读取而无法修改 一次性写入光盘 WriteOnceReadManytimes WORM 这类光盘用户可以写入信息 但只能写入一次 一旦写入 可多次读取 可擦写型光盘 用户可以多次对其进行读 写 2 光盘 2 3 3微型计算机的外存储器 光盘的特点 存储容量大 价格低 光盘不怕磁性干扰 所以光盘比磁盘的记录密度更高 也更可靠 光盘的存取速度高 43 1 移动硬盘移动硬盘通过相关设备将IDE转换成USB或Firewire接口连接到计算机 从而完成读写数据的操作 2 优盘移动闪存盘是近两年来发展比较迅速的小型便携式存储器 又称为优盘或U盘 它具有体积小 使用方便 数据安全 可靠性高等优点 正被越来越多的用户所青睐 2 3 3微型计算机的外存储器 3 移动存储器 44 2 鼠标 Mouse 有机械式鼠标和光电式鼠标两种 2 3 4微型计算机输入设备 1 键盘 45 3 其他输入设备键盘和鼠标器是微型计算机中最常用的输入设备 此外 还有一些常用的输入设备 2 3 4微型计算机输入设备 图形扫描仪 一种图形 图像输入设备 它可以直接将图形 图像 照片或文本输入计算机中 例如可以把照片 图片经扫描仪输入到计算机中 条形码阅读器 是一种能够识别条形码的扫描装置 连接在计算机上使用 光学字符阅读器OCR 一种快速字符阅读装置 汉字语音输入设备和手写输入设备 可以直接将人的声音或手写的文字输入到计算机中 使文字输入变得更为方便 容易 46 1 显示器 1 显示器的分类按显示器件 有阴极射线管显示器 CRT 液晶显示器 LED 和等离子显示器 前者多用于普通台式微型计算机或终端 液晶和等离子显示器为平板式 体积小 重量轻 功耗少 目前正在取代阴极CRT显示器 按显示颜色 分为单色显示器 显示黑 白 和彩色显示器 现在基本上都是彩色显示器 2 显示器的显示方式显示器的显