第2章 计算机系统

教学内容提要 2 1计算机硬件系统2 2计算机软件系统2 3计算机的工作原理2 4微型计算机系统 第2章计算机系统 计算机系统 1 计算机系统组成原理2 计算机硬件系统3 计算机软件系统4 微型计算机系统 1 指令和指令系统指令是能被计算机识别并执行的二进制代码 它规定了计算机能完成的某一种基本操作 指令通常包括两部分 操作码和操作数 例如 1011000000000101这是一条2字节指令 第1个字节 即10110000 表示操作码 第2个字节 即00000101 表示操作数 其含义是把数5送入累加器A 一台计算机所有指令的集合称为指令系统 指令系统体现了计算机的基本功能 指令系统是依赖于计算机的 即不同类型的计算机的指令系统各不相同 2 计算机系统组成原理冯 诺依曼思想 美籍匈牙利数学家 1946年提出 1 采用二进制形式表示数据和指令 2 存储程序的概念 将程序和数据存放在计算机的内存中 并让计算机自动执行根据冯 诺依曼的思想 计算机硬件由运算器 控制器 存储器 输入和输出设备五大部件组成 计算机的工作原理 3 计算机硬件系统运算器 算术逻辑单元 ArithmeticalandLogicalUnit ALU 存储器 MemoryUnit 存储程序和各种数据控制器 ControlUnit 计算机系统的控制中心 指挥计算机各部分协调工作通常把控制器与运算器合称为中央处理器 CentralProcessingUnit CPU 输入设备 向计算机输入各种原始数据和程序的设备输出设备 从计算机输出各类数据的设备 4 计算机软件系统计算机软件 计算机程序以及与程序有关的各种文档的总称文档 是指对计算机程序的功能 结构 设计思想以及使用方法等整套文字资料的说明按软件的功能来分 计算机软件分为系统软件和应用软件两大类 系统软件控制和管理计算机的硬件资源 软件资源和数据资源 提高使用效率 发挥和扩大功能 为用户提供方便两个主要特点 通用性 无论哪个应用领域的用户都要用到基础性 应用软件运行的基础一般可分为 操作系统 DOS Windows Unix Linux等语言处理程序 机器语言 汇编语言和高级语言数据库管理系统支撑软件 应用软件为满足用户不同领域 不同问题的应用要求而开发的软件如 压缩软件 财务软件 办公软件 计算机辅助教学软件 CAI 等 计算机软件和硬件的关系计算机系统是硬件和软件相结合的统一体 只由硬件系统构成的计算机称为 裸机 软件 硬件 用户的关系硬件与软件是相辅相成的 硬件是物质基础软件是计算机的灵魂硬件系统的发展给软件系统提供了良好的开发环境 而软件系统的发展又给硬件系统提出了新的要求 5 微型计算机的主要性能指标 1 字长计算机采用二进制 一个二进制位称为一个比特 Bit 8个二进制位称为一个字节 Byte 字长是指同时参与运算的数的二进制位数 它决定着寄存器 加法器 数据总线等部件的位数 因而直接影响着硬件的代价 同时字长标志着计算机的计算精度和表数范围 一般计算机的字长在8 64位之间 即由1 8个字节组成 2 存储器容量内存又称主存 大多数微机以字节为存储容量的基本单位 常用B代表字节 Byte 用KB表示千字节 MB表示兆字节 GB表示吉字节 TB表示太字节 换算关系为 1B 8Bit1KB 210B 1024B1MB 210KB 1024KB 220B1GB 210MB 1024MB 230B1TB 210GB 1024GB 240B 3 运算速度现在通常用等效速度或平均速度来衡量 等效速度由各种指令的平均执行时间及对应的指令使用次数的比例计算 4 外部设备的配置 5 系统软件的配置 6 性能价格比 2 4微型计算机系统 1 微型机的发展2 微型计算机的组成3 微型计算机的引导过程4 微型计算机的选购和组装 1 微型机的发展 2 微型计算机的组成从系统结构上看 微型计算机与其他类型计算机的系统结构是一致的微型计算机的总线结构是一个独特的结构 大体上都包含3种不同功能的总线 简称三总线 即数据总线 DataBus DB 地址总线 AddressBus AB 和控制总线 ControlBus CB 总线是一组用于信息传送的公共信号线 采用总线结构 不但大大简化了结构 提高了系统的可靠性和标准化 还促进了微机系统的开放性和可扩性微型计算机的基本结构 从外观上看 一台微机由主机箱 显示器 键盘和鼠标组成 有时还配有打印机 扫描仪等其他外部设备 而且一些新型外部设备还在不断涌现 在主机箱内 有主板 总线扩展槽和输入输出接口 显示适配卡 声卡 网卡等 CPU 内存储器 外存储器 软盘驱动器 硬盘驱动器 CD ROM驱动器 等设备 1 主板主板 Mainboard 又称系统板 Systemboard 或母板 Motherboard 从功能上讲主板是一个插槽的集合体 也是整个硬件系统的平台 主板是微型计算机系统的主体和控制中心 它几乎集合了全部系统的功能 控制着各部分之间的指令流和数据流 不同型号的微型计算机的主板结构是不一样的 但无论是Intel公司的奔腾 Pentium 赛杨 Celeron 微处理器 还是AMD公司的毒龙 Duron 系列微处理器 所用主板在工作原理 主要器件的设置上都差不多 主板按结构可分为AT主板和ATX主板 微机主板示例 芯片组芯片组可以比作CPU与周边设备通信的桥梁 按照在主板上的排列位置的不同 通常分为北桥芯片 NorthBridgeChip 和南桥芯片 SouthBridgeChip 北桥芯片负责与CPU的联系 在CPU与PCI总线 内存 AGP之间建立通信联系 提供对CPU类型 主频 内存类型与最大容量 PCI AGP 插槽等设备的控制 北桥起着主导性的作用 也称主桥 HostBridge 南桥芯片则提供对USB 软硬盘数据传输方式 UltraDMA 33 66EIDE传输 ACPI 高级能源管理 和大部分的I O设备 包括键盘 鼠标 串并口 软驱 实时时钟控制器RTC和BIOS 的控制和支持 简单地说 南桥芯片主要负责和所有连上计算机的设备的通信 内存插槽 CPU插槽对386及以前的老式微机 CPU芯片是直接焊接在主板上的 从486开始之后的微机 主板基本上都采用CPU插座或插槽来安装CPU芯片 BIOS和CMOSBIOS是BasicInputOutputSystem 基本输入输出系统 的缩写 是指集成在主板上的一个ROM芯片 其中保存了微机系统最重要的基本输入 输出程序 系统参数设置 自检程序和系统启动自举程序 BIOS为计算机提供最低级 最直接的硬件控制功能 CMOS本意是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片 在这里通常是指微机主板上的一块可读写的RAM芯片 用来保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定 系统在加电引导机器时 只读取CMOS信息 用来初始化机器各个部件的状态 2 总线和接口总线所谓总线 Bus 是计算机部件和部件之间 设备和设备之间传输信息的公共数据通道 因此总线是连接计算机硬件系统内多种设备的通信线路 它的一个重要特征是由总线上的所有部件共享 可以将计算机系统内的多种部件连接到总线上 数据总线DB 传送数据信息 双向 DB的宽度决定了CPU和计算机其他设备之间每次交换数据的位数 即字长 地址总线AB 传送CPU发出的地址信息 单向 AB的宽度决定了CPU的最大寻址能力 控制总线CB 传送控制信号 时序信号和状态信息等 扩展插槽 用来插入各种外设的适配卡 再去连接各种外设 并且与系统总线相连 输入输出接口 3 微处理器 微处理器主要技术参数字长计算机中CPU在同一时间能一次处理的二进制数的位数叫字长 主频 外频和倍频主频是CPU的时钟频率 也就是CPU的工作频率 外频就是系统总线的工作频率 倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数 前端系统总线 FSB 频率前端系统总线负责将CPU连接到内存 前端总线频率则直接影响CPU与内存的数据交换速度 4 内存储器简称为内存 CPU只能和内存直接进行数据交换内存储器分类随机存储器 RandomAccessMemory RAM 只读存储器 ReadOnlyMemory ROM 高速缓冲存储器 Cache 随机存储器RAMRAM是计算机工作的存储区 一切要执行的程序和数据都要先装入该存储器内 RAM中的内容随时可读 可写 断电后RAM中的信息全部丢失 RAM可分为静态RAM SRAM 和动态RAM DRAM 只读存储器ROM对普通用户来说 ROM中的内容只能读出 不能随意删除或修改 断电后信息不会丢失 ROM主要用于存放固定不变的信息 目前常用的只读存储器有可擦除和可编程的ROM EPROM 和电可擦除可编程的ROM EEPROM 和闪速存储器 FlashMemory 等类型 高速缓冲存储器为了解决内存与CPU工作速度上的矛盾 设计者们在CPU和内存之间增设一级容量不大 但速度很高的高速缓冲存储器 Cache Cache中存放常用的程序和数据 当CPU访问这些程序和数据时 首先从高速缓存中查找 如果所需程序和数据不在Cache中 则到内存中读取数据 同时将数据回写入Cache中 因此 采用Cache可以提高系统的运行速度 Cache通常由静态存储器 SRAM 构成 内存的性能指标存储容量存储时间 软盘存储器外存不能直接与CPU交换信息 与内存比较 外存容量一般都比较大 但存取速度慢 软盘一般有5寸盘 5 25 和3寸盘 3 5 高密3寸盘的存储容量为1 44M 高密5寸盘容量为1 2M 现在一般采用3寸盘 在DOS中用 A 来表示软盘的盘符 读写窗口 挡板 塑料壳 轴盘连接孔 盘片 写保护孔 3 5英寸软盘示意图 5 外存储器 磁道00磁道39 或79 扇区软盘边缘主轴孔 软盘的内部结构 磁道和扇区 硬盘存储器 微机的硬盘存储器简称为硬盘 Harddisk 它的性能 可靠性和价格比都优于软盘 并且现在大多数的软件也必须使用硬盘才能运行 常用的硬盘采用的是Winchester技术 硬盘存储系统由硬盘机和硬盘控制器两部分组成 光盘存储器记录密度高 存储容量大 数据保存时间长 分为3种只读性光盘 CD ROM 只能读取信息 不能写入 可提供680M的存储空间 一次写入性光盘 CD R 只能写一次 写后不能修改 可抹性光盘 CD RW 可以重复读写 但需要光盘刻录机操作 移动存储设备优盘 移动硬盘 闪存卡 网盘 按键的数量分类 键 键 键等 按制造工艺分类 机械式 电容式 薄膜式 电阻式等 键盘 6 输入设备 主要用于视窗界面的操作环境中 通过在桌面上移动鼠标带动光标移动来实现各种需要的操作 鼠标通过串口或USB接口与主机相连 有机械式和光电式两种 鼠标 其他输入设备扫描仪光笔数字化仪麦克风数码相机输出设备显示器打印机绘图仪声音输出设备投影仪 2 微型计算机的引导过程 1 加电 2 启动引导程序CPU从内存地址0FFFF 0H处开始执行指令 该地址位于BIOS中 为一条跳转指令 跳到系统BIOS中真正的启动代码处3种计算机启动方