大学计算机基础第二章

1,第2章计算机系统,2.1计算机系统概述2.2硬件的基本结构2.3微机硬件部分及其功能2.4指令和程序设计语言2.5计算机软件系统2.6计算机的工作原理2.7计算机的主要技术指标2.8多媒体技术概述,2,本章导读,众所周知，用户所面对的计算机不仅是一台由电子元件组成的机器，更是一个由软件和硬件两大部分共同组成的复杂系统。硬件就像是计算机的“躯体”，软件则像是计算机的“灵魂”。本章介绍计算机系统的组成及各自的功能、计算机的常用外部设备、计算机的基本工作原理等。,3,本章主要内容,计算机系统的组成计算机硬件系统的组成、各部分的功能和工作原理计算机软件系统的组成和作用，操作系统的基本概念、分类和功能计算机的工作原理计算机的性能和技术指标,4,2.1计算机系统概述,计算机系统由硬件（Hardware）系统和软件（Software）系统两大部分组成。硬件是指肉眼看得见的机器部件，软件是程序及有关文档的总称。计算机系统是一个整体，既包括硬件也包含软件，两者缺一不可。计算机系统的软、硬件系统相辅相成，共同完成处理任务。计算机系统的组成示意图如图2-1所示。,5,计算机系统,硬件,软件,主机,外设,中央处理器,内存储器（主存）,控制器,运算器,输入/输出设备,外存储器（辅存）,通信设备,数/模、模/数转换器,系统软件,应用软件,操作系统语言处理（翻译）程序服务程序（诊断、排错、编辑等）数据库管理系统,信息管理软件工程辅助设计软件过程控制软件教学辅助软件,键盘、鼠标、扫描仪显示器、打印机,软盘、硬盘,光盘、磁带,图2-1计算机系统组成结构图,6,2.2硬件的基本结构,2.2.1计算机的基本结构原理2.2.2计算机的基本结构部件,7,2.2.1自底向上的设计方法,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宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院的莫奇利小组，在他们研制的ENIAC基础上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，总结并提出了以下三条思想：（1）计算机硬件应具有：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本功能部件，如图2-2所示为计算机硬件基本结构图。（2）在计算机中，程序和数据都用二进制代码表示。,图2-2计算机硬件基本结构图,9,（3）存储程序实现了计算机的自动计算，也成为计算机与计算器及其他计算工具的本质区别。2.微型机硬件的基本结构微型机的结构亦遵循冯诺依曼型计算机的基本思想，一般微机都采用如图2-3所示的典型结构。,10,RAM,ROM,CPU,硬盘接口,软盘接口,键盘接口,显示器接口,打印机接口,硬盘,软盘,键盘,显示器,打印机,图2-3微机总线结构示意图,11,2.2.2计算机的基本结构部件,计算机的五大基本结构部件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。（）运算器主要功能是对二进制数码进行算术运算或逻辑运算。（）控制器是计算机的神经指挥中枢，指挥着全机各个部件自动、协调、有节奏地工作，主要部件有：指令寄存器、指令译码器、时序节拍发生器、操作控制部件和指令计数器（也叫程序计数器）。（）存储器存储器（Memory）是计算机的记忆装置，主要用来保存数据和程序。,12,（）输入设备主要作用是把准备好的数据程序等信息转变为计算机能接收的电信号送入计算机。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。（）输出设备主要功能是把计算机的运算结果以用户所要求的直观形式表现出来，常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。,13,2.微型机硬件部件及其功能,2.3.1中央处理器2.3.2存储器2.3.3输入设备2.3.4输出设备2.3.5总线,14,2.3.1中央处理器,中央处理器（CPU）主要包括运算器（ALU）和控制器（CU）两大部件。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）。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，单位“位”（bit）。而时钟主频越高其处理数据的速度相对也就越快，时钟主频以MHz（兆赫兹）为单位来度量。,15,2.3.2存储器,存储器分为两大类：一类是设在主机中的内存储器，也叫主存储器，用于存放当前CPU要用的数据和程序，属于临时存储器；另一类是属于计算机外部设备的存储器叫外存储器，外存中存放暂时不用的数据和程序，属于永久性存储器，需要时应先调入内存。1.内存储器的几个重要概念（1）存储容量1字节（Byte）=8个二进制位（bits）1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB,（2）存取时间目前内存的存取时间为几微秒（10-6秒）至几十纳秒（10-9秒）。2.内存储器的分类（1）随机存储器（RAM）（2）只读存储器（ROM）3.外存储器目前最常用的有磁盘、磁带和光盘等。与内存相比，这类存储器的特点是存储容量大、价格较低，而且在断电的情况下也可以长期保存信息。,（1）磁表面存储器的存储原理磁盘、磁带都是在金属或塑料片上涂一层磁性材料制成的，二进制信息就记录在这层材料的表面，这样的存储器叫做磁表面存储器。其存储原理如图2-所示。,图2-4磁表面存储器磁头读写示意图,18,（2）磁盘的结构及容量的计算其计算公式为：容量磁道数扇区数扇区内字节数面数磁盘片数（3）软盘（FloppyDisk）（4）硬盘（HardDisk）硬盘由一组盘片组成。目前最常用的是温切斯特（Winchester）硬盘，简称温盘。它是一种磁头可移动（磁头可以在磁盘径向移动）、盘片固定的磁盘存储器，如图2-5所示。,19,读磁写盘系组统,电机,图2-5硬盘结构示意图,20,（5）光盘（CompactDisC）（6）光盘存储原理根据性能的不同，可将光盘分为三类，不同种类的光盘，存取原理也有所不同。第一类是只读型光盘CD-ROM。第二类是一次性写入光盘。第三类是可擦写型光盘。图2-6是光盘读写数据的基本机理示意图。,21,图2-6光盘读写示意图,22,（7）光盘的特点a存储容量大，价格低。b不怕磁性干扰。c存取速度高。光盘的型号很多，有直径为14cm、12cm、8cm等。目前，微机上广泛使用的直径为4.72英寸（12cm）光盘的存储容量达700MB。,23,2.3.3输入设备,常用的输入设备有：（）键盘。（）鼠标。（）其他输入设备。如图形扫描仪、条形码阅读器、光学字符阅读器OCR、触摸屏、声音输入设备和手写输入设备等。,24,2.3.4输出设备,常用的输出设备有：1.打印机（）点阵打印机（）喷墨打印机（）激光打印机2.显示器（1）显示器的分类根据显示的内容可分为：字符显示器（只能显示字符）和图形显示器（能显示字符和图形）。根据显示的颜色可分为：黑白显示器和彩色显示器。,25,（2）显示器的主要特性显示器的主要特性：分辨率和灰度、尺寸、刷新频率。分辨率是越大越好，通常分：低分辨率：300200左右。中分辨率：600350左右。高分辨率：有640480、l024768、12801024等几种。,26,灰度：即光点亮度的深浅变化层次，可以用颜色表示。灰度和分辨率决定了显示图像的质量。尺寸：显示器尺寸有14英寸、15英寸、17英寸、19英寸和21英寸。每屏显示字数没有明确的标准，但通常都是每行80个字符，每屏最多25行，其中第25行用于显示机器状态或其他信息而不是数据行。刷新频率：为了防止图像闪烁的视频屏幕回扫频率。刷新频率越高，图像越稳定，使用的系统资源也就越多。,27,（3）显示卡显示器必须与显示卡匹配。显示卡标准有MDA、CGA、EGA、VGA、AVGA等，目前常用的是VGA标准。显卡作为独立的计算机板卡由下面几部分构成：显示主芯片、显存、显示BIOS、数模转换（RAMDAC）部分、总线接口。如今主流显卡主要是以PCI（PeripheralComponentInterface）以及AGP（AcceleratedGraphicsPort）标准作为接口的。3.数据投影设备,28,2.3.5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。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。,29,2.4指令和程序设计语言,2.4.1指令（Istruction）2.4.2程序2.4.3程序设计语言,30,2.4.1指令（Instruction）,指令就是给计算机下达的一道命令，它告诉计算机每一步要进行什么操作、参与此项操作的数据来自何处、操作结果又将送往哪里。一条指令必须包括操作码（命令动词）和操作数（命令对象、或称地址码）两部分，操作码指出该指令完成操作的类型，操作数指出参与操作的数据和操作结果存放的位置。一台计算机可能有多种多样的指令，这些指令的集合称为该计算机的指令系统。,31,2.4.2程序,所谓程序就是用下一小节介绍的程序设计语言描述的、用于控制计算机完成某一特定任务的程序设计语言语句的集合。语句是程序设计语言中具有独立逻辑含义的单元，它可以分解为一条计算机指令，也可以分解为若干条计算机指令的集合。人们通过编写程序，发挥计算机的优势，帮助解决各种问题。,32,2.4.3程序设计语言,程序设计语言通常分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。1.机器语言（MachineLanguage）机器语言是计算机唯一能够识别并直接执行的语言，所以与其他程序设计语言相比，执行速度最快，执行效率最高。机器语言中每条语句都是一串二进制代码，可读性差、不易记忆，编写程序既难又烦，容易出错，程序的调试和修改难度也很大。此外，因为机器语言直接依赖于机器，所以机器语言可移植性差，造成程序成本过高，不易普及。,33,2.汇编语言（Assemblelanguage）汇编语言用比较容易识别、记忆的助记符号代替相应的二进制代码串。所以汇编语言也叫符号语言。汇编语言仍然是一种依赖于机器的语言，可移植性差。3.高级语言高级语言的使用，大大提高了编写程序的效率，改善了程序的可读性、可维护性、可移植性，而且不依赖于计算机的型号，通用性好。目前流行的高级语言如FORTRAN、PASCAL、C、C+等。,34,2.计算机软件系统,2.5.1系统软件2.5.2应用软件,35,2.计算机软件系统,软件可分为系统软件和应用软件两大类，如图2-7所示。,软件系统,系统软件,应用软件,文字/表格处理软件信息管理软件,操作系统语言处理（翻译）系统数据库管理系统,图2-7软件系统分类图,36,2.5.1系统软件,1.操作系统（OperatingSystem）（1）操作系统的功能和主要模块操作系统包括处理器管理、作业管理、存储器管理、设备管理和文件管理五大基本功能模块。（2）操作系统的分类按其发展前后过程，通常分成以下六类：单用户操作系统（SingleUserOperatingSystem）批处理操作系统（BatchProcessingOperatingSystem）分时操作系统（Time-SharingOperatingSystem）,37,实时操作系统（Real-TimeOperatingSystem）网络操作系统（NetworkOperatingSystem）微机操作系统2.语言处理系统计算机只能直接识别和执行机器语言，因此要在计算机上运行汇编和高级语言程序就必须配备程序语言翻译程序（以下简称翻译程序）将汇编和高级语言程序翻译为机器语言程序。对于高级语言来说，翻译的方法有两种：一种称为“解释”（见图2-8），另一种称为“编译”（见图2-9）。,38,图2-8源程序解释执行流程图,39,显示运行结果,高级语言源程序（如C）,编译整个程序,目标程序（.OBJ）,执行连接程序,可执行程序（.EXE）,运行可执行程序,图2-9源程序编译执行流程图,40,3.服务程序微机上经常使用的诊断程序、调试程序均属此类。4.数据库系统数据库（DBDataBase）是指按照一定数据模型存储的数据集合。数据库管理系统（DBMSDataBaseManagementSystem）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。,41,2.5.2应用软件,1.通用软件这类软件通常是为解决某一类问题而设计的，例如：（1）文字处理软件。（2）电子表格。2.专用软件计算机系统由硬件系统和软件系统组成，两者缺一不可。而软件系统又由系统软件和应用软件组成，操作系统是系统软件的核心，每个计算机系统中是必不可少的，其他的系统软件，如语言处理系统可根据不同用户的需要配置不同的程序语言编译系统。随着各用户的应用领域不同可以配置不同的应用软件。,42,2.6计算机的工作原理,下面通过一个简单的任务说明计算机的基本工作原理。假设要求计算机完成一个任务：将任意两个整数相加，输出其和。用C程序设计语言编写一个名为BF1.C的源程序文件，程序如下：,43,#includestdio.hmain()intx,y;scanf(x=%d,y=%d,x,y);printf(sum=%dn,x+y);然后用C编译程序编译成目标程序（文件名为BF1.OBJ）。最后连接装配成可执行的机器语言程序（文件名为BF1.EXE），并执行它。,44,执行时，计算机依次完成如下动作：第一步：操作系统调度BF1.EXE文件执行，将控制权交给该文件。第二步：该文件执行，从键盘读入两个初始数据，分别存储到由名字x和y所代表的存储单元中。第三步：从名字x和y所代表的存储单元中读出数据并相加，并将结果在屏幕上显示输出。第四步：返回操作系统，控制权交回。,45,由上述可知，计算机的基本工作原理可以概括如下：（1）计算机自动计算或处理的过程实际上是由操作系统执行预先存储在计算机里的一段程序的过程，编程所采用的语言可以不同。（2）计算机程序是有序的指令序列，执行程序的过程实际上是依次逐条执行指令的过程。（3）指令的执行是由计算机硬件实现的。每一条指令的实现都经过取指令、分析指令、执行指令三个步骤，并为取下一条指令做好准备。,46,2.7计算机的主要技术指标,1.字长字长是指计算机运算部件一次能同时处理的二进制数据的位数。2.计算速度计算机的速度可用时钟频率和运算速度两个指标评价。3.存