第4章 软硬件系统知识1.ppt

第4章硬件和软件系统的知识，计算机系统由硬件系统和软件系统构成，所有的应用软件在基本的硬件和软件环境中运行。 必须开发或运行软件系统(网络环境下的软件系统)。 计算机硬件、操作系统和计算机网络是基本环境。 本章简要介绍计算机的构成原理、操作系统、计算机网络三门课程的主要知识。 第四章硬件和软件系统知识目录，4.1计算机构成原理4.2操作系统4.3计算机网络，4.1计算机构成原理，计算机构成原理主要是计算机各部分的构成、工作原理、逻辑设计和实现，以及它们的机械主要包括系统总线、存储器、中央处理器、外围设备和输入/输出系统。 4.1计算机配置原理目录，4.2.1操作系统概念4.2.2操作系统的形成与发展4.2.4操作系统特征4.2.5操作系统实例，4.1.1系统总线，计算机系统主要部件(步骤最流行的互连方式是由多条线路构成的共享系统总线。在现代系统中，为了提高性能经常采用分层总线。 总线(Bus )是连接多个设备的通用通信线路。 总线的一个重要特点是共享传输介质。 各种设备可以连接在总线上，并且由一个设备发出的信号可以由连接在总线上的所有其它设备接收。 如果同时发送两个设备，则这些信号可能会重复并导致混乱。 因此，一次只能使用一个设备发送数据。 在许多情况下，总线包括多条通信路径或线路，每条线路可以发送表示二进制1和0的信号。 在一段时间内，一条线可以传送一系列二进制数字。 把几条线拼在一起，公共汽车可以同时发送二进制数字。 例如，8位数据可以通过总线的8条线传输。 计算机系统包括在计算机系统的不同级别提供组件之间的通信路径的总线。 此外，单处理器系统的总线大致分为3种，即BUSCPU总线结构的物理实现(1)在CPU内部连接各寄存器与运算部件之间的总线、称为内部总线。 (2)CPU和计算机系统的其他具有高速传送功能的部件，例如存储器、信道等相互连接的总线称为系统总线。 (3)中，连接低速I/O设备的总线被称为I/O总线。 最常见的计算机互连结构使用一条或多条系统总线。 1 .总线的特性从物理上看，总线是一组电气布线，许多布线直接印刷在电路板上，并延伸到各个部件。 图4.1以图形方式示出了各个组件和总线之间的物理安排位置。 此外，图中的CPU、MM、I/O都是部件板，它们通过插头与水平方向总线槽(通过总线标准用印刷基板或电缆连接的多插座)连接。 为了确保机械的可靠连接，并且正确地连接必须限定其机械特性的电连接，为了正确地连接需要限定其电特性的不同部件，还需要限定其功能特性和时间特性。 (1)机械特性机械特性是总线的机械连接方式中的性能，例如插头和插座的使用基准、它们的几何尺寸、形状、针的个数和排列顺序、连接器上的可靠接触等。 (2)电气特性的电气特性是总线中各个传输线路的信号传输方向和有效电平范围。 通常，来自CPU的信号称为输出信号。发送给CPU的信号称为输入信号。 如果地址总线属于单向输出线并且数据总线属于双向传输线，则将它们全部定义为高电平有效。 虽然控制总线的每一根都是单向的，但是从整体来看，既有输入也有输出。 有些高级被定义为有效，有些低级被定义为有效，必须注意不同的标准。(3)功能特性功能特性指的是总线内的各传输线路的功能，例如，地址总线用来表示地址号码的数据总线所传送的控制总线中，存储器的读取/写入、I/O的读取/写入等现有的CPU发出控制信号的I/O向CPU发送(4)时间特性-时间特性是总线中的任何一条线路何时有效。 由于每条总线上的各种信号之间存在有效时序的关系，所以一般来说，可以用时间特性或信号的时序图来描述这些信号。 (1)总线宽度：其指代数据总线的数量，用比特表示，例如8比特、16比特、32比特和64比特(即8比特、16比特、32比特和64比特)； (2)标准传输速率：总线上1秒钟可传输的最大字节数为MB/s秒钟几兆字节)。 总线的动作频率为33MHz，总线宽度为32位时，最大传输速率为132MB/s秒。 (3)时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步动作的总线称为同步总线，不与时钟同步动作的总线称为异步总线。 (4)总线复用：通常地址总线和数据总线是物理上分离的2种总线。 地址总线转送地址代码，数据总线转送数据信息。 为了提高总线的利用率并且优化设计，具体而言，将在一组物理线路上共享地址总线和数据总线，并且在某个时间点由总线传输地址信号并且在另一个时间点由总线传输数据信号或命令信号称为总线复用。 (5)信号线数：地址总线、数据总线和控制总线3种总线数的合计。 (6)总线控制方式：包括并行动作、自动配置、调停方式、逻辑方式、计数方式等。 (七)其他指标：负荷能力问题等。 由于电路不同，对总线的负载也不同，因此，即使同一电路基板的动作频率不同，总线的负载也不同，因此，总线的负载能力的指标不太严格。 总线的负载能力通常反映在可连接的放大基板数上。 此外，电源电压是5V、3.3V，总线能否扩展64位宽度等也很重要。 3 .总线标准总线发生在计算机系统模块化的发展过程中，随着计算机应用领域的扩大，计算机系统的各种模块(特别是I/O设备所具有的各种接口模块)的种类非常复杂，往往有一种模块需要配置总线20世纪70年代末，简化系统设计，量产模块化生产，稳定性能，确保质量可靠，实现可移植性，便于维护等，人们开始研究如何确立总线标准，在总线统一标准下，完成系统设计，完成模块化制作。 以此方式，解决了系统、模块、设备与总线之间的不匹配、不通用和不匹配问题。 因此，要求总线获得广泛的技术和法律支持： (1)支持多个性能不同的模块；(2)支持批量生产，质量稳定，价格便宜；(3)可更换，可组合。 总线标准可以被认为是系统与每个模块、模块与模块之间的互连的标准接口。 该接口对于其两端的模块是透明的。 即，接口的任意一方仅仅根据总线标准的请求完成自己一方的接口的功能请求，不需要知道对方的接口与总线的连接请求。 因此，总线标准中设计的接口可以看作通用接口。 (1) isa (工业标准体系结构)总线是IBM为了采用全部16位CPU而推出的，也称为AT总线，因为它使用独立于CPU的总线时钟，所以CPU使用总线频率由于ISA总线不支持总线仲裁的硬件逻辑，因此不能支持多个主设备(不支持多个要求总线控制的设备)系统，ISA上的所有数据传输都是CPU或直接内存访问(DMA )接口ISA总线的时钟频率为8MHz，最大传输速率为16MB/s，数据线为16位，地址线为24位。 (2) eISA (exteddendeddindustrialtandardarchitecture )基于ISA扩展开放式总线标准，与isa完全兼容，从CPU中分离总线控制，通过智能总线支持多总线控制和突发传输EISA总线的时钟频率为8MHz，最大传输速率为33MB/s，数据总线为32位，地址总线为32位。 (3)VL-BUS是VESA (videoelectronicstandardassociated视频电子标准协会)提出的本地总线标准。 本地总线是在系统之外为两个或更多模块提供的高速传输信息信道。 VL-BUS是从CPU总线演化而来的，采用CPU的时钟频率为33MHz，数据线为32位，具有本地控制器。 根据本地控制器的判断，将高速I/O与CPU的总线直接连接，实现CPU与高速外围设备之间的高速数据交换。 (4) PCI (perfereallcomponentinterconnect外部设备互连总线)是英特尔提供的总线标准。 与CPU时钟频率无关，它采用33MHz总线时钟，数据线是32位。 数据传输速率可达132MB/s246MB/s。 与ISA和EISA总线兼容，可转换为标准ISA和EISA。 支持无限读/写突发方案并且可以看作是CPU与外围设备之间的中间层，比直接使用CPU总线的本地总线快，并且通过PCI桥(PCI控制器)连接至CPU。 PCI控制器具有多级缓冲器，可快速将数据写入缓冲器。 当将数据写入PCI设备中时，CPU可以进行与PCI总线上的外围设备并行地操作的其他操作。 PCI总线支持两种电压标准： 5V和3.3V。 3.3V电压的PCI总线可用于便携式微机。 EISA和PCI具有即插即用功能。 换句话说，所有扩展卡只需连接到系统即可工作，尤其是PCI采用了完整的技术，为用户提供了真正的即插即用功能。 PCI总线扩展性好，总线驱动能力不足时，可采用多层结构。 每个PCI还有一个定时器，用于确定系统中的设备使用PCI总线的最长时间，CPU通过PCI总线上的所有设备定时器优化系统性能。 但是，部件并不能按照总线的标准插入。 在微型计算机中，系统资源(中断向量、I/O地址、存储器空间等)有限，因此大多数设备都使用这些系统资源，因此两个以上的设备使用相同的系统资源可能会发生“冲突”，在发生冲突时，系统无法正常工作为了避免与其他设备发生冲突，每个外围扩展卡制造商能够灵活地设计其设备以协调可用系统资源，并且如果其他设备已经占用某个资源，则调整其他资源以使得其他资源使用。 现在，外围设备的这种调整能力多数是通过跳线实现的。 卡的跳线短路l-2通常使用IRQ3(中断3 )，短路3-4使用IRQ5(中断5 )等。 在扩展微机硬件系统的情况下，必须调节每个外围设备的跳线，以避免整个系统资源被占用的冲突。 另外，对于微机的专业技术人员，设置各种跳线以避免系统资源被占用的冲突，在系统和各部件的技术手册一致的情况下可能并不困难。 按照说明分阶段调整即可。 但是，对于专家以外的技术人员来说，这件事很麻烦，即使有手册，也会因为涉及到很多专业用语和用语而头疼。 在这种情况下，需要为许多用户提供最方便的技术，使非专业技术人员能够根据自己的需求扩展系统功能。 这项技术是即插即用技术。 简而言之，即插即用技术只要将扩展卡插入微机的扩展槽中，微机系统就会自动进行扩展卡的配置作业，确保系统资源空间的合理分配，并提供避免系统资源占用的冲突的功能。所有这些都由系统自动完成，无需操作员干预。 由此，非专业技术人员能够进行微机系统的扩展。 即插即用功能主要取决于微机的系统总线结构，EISA和PCI总线结构本身采用该技术，提供该功能。 EISA采用的即插即用技术还不完善，为了扩展EISA卡，需要进行系统配置任务的PCI采用了为用户提供真正的即插即用功能的技术。 另外，由于4.1.2存储器，当前最佳性能的存储器不能满足计算机系统存储器的需要，计算机系统通常包括分层存储子系统。 部分在系统内部(直接由处理器处理)，部分在系统外部(通过I/O模块访问处理器)。 1 .存储器的特性是存储机器语言的存储单元，通常称为字存储单元，对应的单元地址称为字地址。 另外，将存储1字节的单元称为字节存储单元，将对应的地址称为字节地址。 如果计算机中可寻址的最小单位是字存储单元，则该计算机称为字寻址计算机。 如果计算机的最小可寻址单位是字节，则该计算机称为以字节寻址的计算机。 的双曲馀弦值。 机器语言中可以包含多个字节，因此一个存储单元中可以包含多个单独编辑地址的字节地址。 例如，16位二进制字存储器可以用2字节、字地址或字节地址进行地址指定。 用字节地址进行地址指定时，16位存储单元占据2字节地址。 另外，从用户的角度来看，存储器的最重要特性是容量和性能，性能参数通常有访问时间、存储周期和传输率三种。 (1)通常将存储容量能够存储在一个存储器中的存储单元的总数称为该存储器的存储容量。 存储容量越大，能够存储的信息越多。 内存容量用常用字数或字节数(b )表示，如64K字、512KB、64MB等。 内存采用GB、TB等单位来显示更大的存储容量。 其中，1KB=1010B=1024B、1MB=1010KB、1GB=1010MB、1TB=1010GB、b表示字节，1字节被定义为8位的二进制比特，因此计算机内的一字的字长通常为8的倍数。 存储容量这一概念反映了存储容量的大小。 (2)存取时间存取时间ta也被称为存储器存取时间，是在随机存取存储器中执行一次读或写的时间，即从地址已被传送到存储器的时刻到已经存储了数据或使能数据为止的时间。 在非随机存储器中，访问时间是将读/写机制定位到要存储的位置所需的时间。 (3)存储周期tc是连续开始两次读出操作所需的最小时间，等于存取时间加上直到下一次存取开始所需的附加时间。 存储周期比访问时间稍长，时间单位为ns。 该概念主要用于随机存储器，并且该附加时间主要用于信号线上的瞬时消失以及数据破坏之后的再现时间。 (4)传输速率是指数据进入或出入存储单元的速率。 在随机存储器的情况下，传输速率=1/tc。 (5)价格是内存的经济指标，一般按价格标明。 设c为具有s位存储容量的存储器的总价格，则每个价格为g=C/S。 另外，2 .存储器分类存储器是计算机系统的存储装置，存储程序和数据。 存储器种类多种多样，可以从不同角度对存储器进行分类。 (1)存取方法存储器根据数据的存取方法分类，分为4种。 (a )顺序存取存储器被组织成被称为记录的多个数据单位，以特定的线性序列进行存取。 保存的地址信息用于分离记录并帮助搜索。 在共享读写机构中