第2章 计算机系统

第2章计算机系统,目录,2.1计算机系统概述,2.2计算机硬件系统,2.3计算机软件系统,2.4微型计算机系统,2.5微型计算机的性能评价及选购,计算机系统概述,01part,2.1.1计算机系统定义,计算机系统是由各种借助电、磁、光、机械等原理构成的物理部件组成，在相应软件的控制下，依照存储程序和程序控制的工作原理，能够高速、有效地完成用户指定的各种信息处理任务的自动化综合系统。,2.1.2早期计算机系统,早期的计算机与现阶段计算机不同，它没有可直接运行的软件程序（运行程序通过手动更改电子线路连接来实现），也没有现代计算机上常见的内存、硬盘、光驱，更没有鼠标、键盘、显示器等部件。,ENIAC,2.1.3存储程序计算机系统,“冯诺依曼计算机”：“存储程序”和“采用二进制编码”EDVAC是一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”，为计算机的设计树立了一座里程碑。它是世界上首次设计的存储程序计算机。,2.1.4现代计算机系统,1981年8月12日，IBM推出了IBM5150电脑，宣告了个人计算机(PersonalComputer，PC机)的诞生，也标志着人类进入个人计算机时代。,2.1.4现代计算机系统,多核并行计算机系统,互联网计算机系统,2.1.5计算机系统概述,完整的电子计算机系统包括硬件和软件两大部分。,计算机硬件系统,02part,2.2.1计算机硬件基本组成,冯诺依曼体系结构的计算机，必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中。必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。能够按照要求将处理结果输出给用户。,2.2.2计算机的存储体系,存储器将输入设备接收到的信息根据程序执行需要以二进制的数据形式存放到存储体系中。,2.2.3计算机的基本工作原理,(1)计算机的基本原理是存储程序和程序控制预先要把指挥计算机如何进行操作的指令序列(称为程序)和原始数据通过输入设备输送到计算机内存贮器中。按程序编排的顺序，一步一步地取出指令，自动地完成指令规定的操作是计算机最基本的工作原理。,2.2.3计算机的基本工作原理,(2)指令是人对计算机发出的工作命令，它通知计算机执行某种操作。,2.2.3计算机的基本工作原理,(3)指令系统是计算机硬件的语言系统（也叫机器语言），是计算机硬件系统的全部指令的集合，它是软件和硬件的主要界面，反映了计算机所拥有的基本功能。要使计算机解决特定问题，就需要按照问题要求写出一个指令序列，这个指令序列称为计算机程序，它表达了计算机解决问题需要完成的所有操作。,2.2.3计算机的基本工作原理,(4)程序由指令构成，程序中的指令必须属于该台计算机的指令系统，以便计算机识别并执行。一台计算机的指令是有限，但用它们可以编写出各种不同的程序，完成的任务是无限。,(5)程序自动执行的实现,计算机能够自动完成运算或处理过程的基础是存储程序和程序控制。,(5)程序自动执行的实现,控制器结构与程序自动控制示意图,程序控制，其主体部件是控制器。,在“动力”作用下，它能够自动去下一条“指令”,(5)程序自动执行的实现,计算机程序执行过程,硬件部件和程序共同解决以下三个问题：告诉计算机在什么情况下到哪个地址去取指定的指令；对指令进行分析和执行；当执行完成一条指令后，能自动地取下一条要执行的指令。,计算机软件系统,03part,2.3计算机软件系统,1946年，第一台计算机诞生时，操作系统还未出现，此时计算机工作采用手工操作方式。20世纪50年代后期，手工操作的慢速度和计算机的高速度之间形成尖锐矛盾，手工操作方式已严重损害了系统资源的利用率。为摆脱手工操作，实现作业自动处理，出现了批处理系统。之后，随着计算机软硬件技术水平不断提高，操作系统不断发展，多道程序系统、分时操作系统、实时操作系统等，使计算机的操作便捷性、资源利用率、系统性能不断提升。,2.3.1计算机软件系统运行机制,操作系统在计算机软件系统的作用操作系统是最基本、最底层的系统软件，是计算机系统的控制和管理中心.操作系统是计算机硬件系统、应用程序及用户之间的数据中转站。计算机软件系统运行是围绕着操作系统来展开。,2.3.1计算机软件系统运行机制,操作系统和BIOS实现最低级、最直接的硬件控制操作系统和驱动程序实现计算机正常工作,1.操作系统和BIOS实现最低级、最直接的硬件控制,BIOS（BasicInputOutputSystem即基本输入输出系统）是计算机系统中最基础、最重要的程序之一.BIOS是硬件与操作系统之间的“桥梁”或者说是接口，负责解决硬件的即时需求，并按软件对硬件的操作要求具体执行。,2.操作系统和驱动程序实现应用软件正常工作,BIOS只能控制硬件设备完成的最基本功能；要使硬件用全部和更高级的性能和功能，必须要在操作系统基础上，通过驱动程序来控制使用主板、显卡等硬件设备。注册表起到关键作用。,2.操作系统和驱动程序实现应用软件正常工作,程序处理时，系统首先检验是否需要设备驱动程序？如果没有驱动程序，则BIOS就必须要包含所有的控制命令以控制每一种用户可能安装到计算机的硬件设备，否则，该操作将不能完成。,2.操作系统和驱动程序实现应用软件正常工作,注册表的作用当用户运行一个或多个应用程序，注册表会提供应用程序信息给操作系统，应用程序被找到，其程序功能也就可以被使用。操作系统通过注册表、系统文件或接口程序完成对各种硬件资源的分配控制管理，形成一套简单一致的接口给上层的应用程序去使用。嵌入在操作系统中的驱动程序也可以访问注册表以获得操作系统、其它程序或者其本身存储在其中的信息，完成对硬件设备的驱动工作。,微型计算机系统,04part,2.4微型计算机系统,微型计算机简称“微型机”、“微机”，由于其具备人脑的某些功能，所以也称其为“微电脑”。微型计算机：由大规模集成电路组成的、体积较小的电子计算机。它是以微处理器为核心，配以内存储器及输入输出(I/0)接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。,2.4.1微型计算机的组成结构,1.主板,主板不仅是用来承载计算机关键设备的基础平台,而且，它还起着硬件资源调度中心的作用主板可以说是一台计算机的灵魂，它对于整个系统的稳定性、兼容性及性能的影响是举足轻重的。,1.主板,(a)主板结构,(b)外部接口,1.主板（接口）,2.CPU,中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）在整个计算机系统中居于核心地位，是整个计算机系统的指令中枢。它负责计算机系统指令的执行、逻辑运算以及数据存储、传送和输入/输出操作指令的控制。,2.CPU,CPU从最初发展至今已经有四十多年的历史了，这期间，CPU发展的种类和型号非常多。,2.CPU,2.Intel现代CPU,3.内存,内存是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通桥梁。计算机中所有程序的运行都在内存中进行，因此内存的性能对计算机的影响非常大。,4.辅助存储器,辅助存储器包括硬盘、光驱等。1）硬盘,1）硬盘,4.辅助存储器,2)固态硬盘,4.辅助存储器,(a)内置蓝光光驱(b)翻盖式外置蓝光光驱,4.辅助存储器,3)光盘、光驱,5.显卡与显示器,目前，市场上主流的是PCI-E显卡和LED背光型液晶显示器，如图所示。,6.电源,计算机电源是计算机工作的动力源泉，电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。,7.其它设备,声卡、音箱、键盘、鼠标及网卡是多媒体计算机的必要设备。目前声卡和网卡已成为微机标准配置，一般直接集成在主板上，因此，现代微机上很难见到独立声卡和独立网卡。,独立声卡独立网卡,2.4.2以总线为数据通道的微机体系结构,在微型计算机中，为了既方便数据传送，又能将所有计算机部件都集中到一个系统单元（机箱）内，其体系结构采用了总线设计方案。统一的总线标准易于实现不同设备的互连。,2.4.2以总线为数据通道的微机体系结构,系统对各部件的连接控制主要通过各部件对应总线及北桥芯片、南桥芯片（南北桥芯片是位于主板的重要芯片）来实现。,主板芯片组,CPU通过主板芯片组（Chipset）对主板上的各个部件进行控制，因此主板芯片组是整块主板的核心所在，一般主板都是依据主板芯片组来区分的。主板的芯片组是由北桥芯片和南桥芯片组成的。另外，BIOS芯片也很重要。,2.4.2以总线为数据通道的微机体系结构,2.4.3以操作系统为核心的微机运行管理机制,现代计算机运行和管理离不开操作系统，操作系统是计算机系统的核心软件。,2.4.3以操作系统为核心的微机运行管理机制,操作系统设计的宗旨，是如何高效地分配和使用计算机的各种资源，以提高其利用率和方便用户使用。计算机在运行程序的过程中，至少需要系统对程序的装入支持，需要用户界面提供操作窗口，需要数据管理、文件管理、进程管理、设备管理等功能提供的服务支持。,1.数据存储,如何对存储器进行有效管理，不仅直接影响到存储器资源的利用率，而且会影响整个系统的性能。,1.数据存储,计算机的神奇之处，在于它具有高速分析处理数据的能力。而这些数据都以文件的形式存储在硬盘里。在读取这些数据文件时，就必须遵循相应的规则。这个规则通过分区并格式化硬盘来实现的。,1.数据存储,当硬盘工作时，所有盘片在驱动电机的驱动下转动。需要访问硬盘时，首先确定数据所在位置，然后磁头传动装置移动机械臂，使磁头定位在盘片适当位置。按照文件所在的面、磁道、扇区来进行读写操作,操作系统和驱动程序完成。,1.数据存储,硬盘上的数据按照其不同的特点和作用大致可分为5部分：主引导扇区、操作系统引导扇区、文件分配表、目录区和数据区硬盘5种数据结构是操作系统实现硬盘存储管理和应用的基础。,1.数据存储,主引导扇区:操作系统引导扇区中的数据正确和程序正常执行是操作系统能正常启动的前提；分区表:是操作系统识别分区（C盘、D盘等）的保障；文件分配表、硬盘目录区和硬盘数据区是操作系统实现文件存储管理和程序数据应用的主要依仗。,1.数据存储,1.数据存储,硬盘分区并格式化后，将会被划分为面、磁道、柱面和扇区，（需要注意的是，这些只是个虚拟的概念，并不是真正在硬盘上划轨道）。硬盘分区实质是:修改主引导记录和硬盘分区表，数据区存放的数据存放并没有被改变，这也是许多硬盘数据能够得以修复的原因.,1.数据存储,计算机对硬盘的读写，出于效率的考虑，是以扇区为单位的，以“簇”为基本单位的。“簇”是硬盘上存储数据进行分配的最小单位。当创建一个很小的文件时，例如只有一个字节，而它在磁盘上并不是只占一个字节的空间，它占有的是整个一簇。不同的存储介质（如U盘、光盘、硬盘），不同的分区格式，簇的大小也不一样。,2.文件管理,Windows是通过“某个硬盘硬盘上的某个分区分区上的特定文件系统特定文件系统中的文件”这样的顺序来访问到一个文件的。,2.文件管理,用户通过操作系统利用树型目录结构可以方便地查看和管理文件。树型目录结构与硬盘目录区相对应，而文件信息（文件名、扩展名、起始单元、文件属性、大小、创建日期和修改日期等内容）就是保存在硬盘目录区中。,2.文件管理,硬盘目录区与文件分配表相配合才能准确的定位文件在数据区中的位置。即在操作系统读写文件时，根据硬盘目录区中的文件起始单元并结合文件分配表才可以读取文件在磁盘上的具体位置和内容。,2.文件管理,文件分配表是用来记录文件所在位置的表格，它记录着文件在数据区的空间存放信息，它告诉系统磁盘上哪些簇是坏的或已被使用，哪些簇可以用，并存储每个文件所使用的簇号，它是文件的“总调度师”。,2.文件管理,1）文件读取：如上图所示，操作系统从目录区中读取文件信息（包括文件名、扩展名、文件大小，修改日期和文件在数据区保存的第一个簇的簇号），假设第一个簇号是09。操作系统从09簇读取相应的数据，然后再找到文件分配表中的09单元，如果内容是文件结束标志，则表示文件结束；否则指向保存数据的下一个簇的簇号，这样下去直到遇到文件结束标志。,2.文件管理,2）文件写入：创建或保存新文件时，操作系统首先在目录区中检查是否有相同文件名，若无则使用一个文件目录表项，然后依次检测文件分配表中的哪些簇未被分配，写入数据，将该数据区簇号写入目录区，同时将该簇号写入文件分配表项对应的位置，如文件长度不止一簇，则继续向后寻找可用簇，找到后将其簇号写入上一次找到的表项中，如此直到文件结束，在最后一簇的表项里填上文件结束标志，形成文件链表。,2.文件管理,3）文件删除：平常所做的删除，其实只是系统将“目录区”中记录该文件状态信息的一个状态标志设置为“已删除”（此时硬盘存储空间未被释放，文件可以通过回收站进行还原）；“彻底删除”则是在标记文件“已删除”的目录信息的同时，将文件所占簇号在文件分配表中的记录清零，以释放该文件所占空间。这也就是删除文件后，硬盘空间增大的原因。而真正的文件内容仍保存在数据区中，并未得以删除。要等到以后的数据写入，把此数据区覆盖掉，这样才算是真正把原来的数据删除。如果不被后来保存的数据覆盖，它就不会从磁盘上消失。,3.人机交互的实现,静态的程序要运行起来，需要提交给计算机，加载到内存，并获得CPU的控制权，这就需要有一个人机交互的过程。,3.人机交互的实现,操作系统是用户与计算机硬件系统之间的接口。,3.人机交互的实现,1）命令方式是指操作系统提供一组联机命令接口，它允许用户通过键盘输入相关命令来取得操作系统的服务，并控制用户程序的运行。,3.人机交互的实现,2）图形化用户接口GUI几乎所有的现代操作系统都提供了这种图形化的接口方式,3.人机交互的实现,3)系统调用用户可以在自己的应用程序中通过相应系统调用实现与操作系统的通信，并取得操作系统的服务。由操作系统中由所有系统调用构成的集合被称为程序接口或应用编程接口(ApplicationProgrammingInterface，API)。,4.程序运行管理,在早期的计算机系统中，一旦某个程序开始运行，它将占用整个系统的所有资源，直到该程序运行结束，这就是所谓的单道程序系统。在单道程序系统中，系统的资源利用率不高，大量的资源在许多时间处于闲置状态。,(1)单道程序系统,4.程序运行管理,(2)多道程序系统为提高系统资源的利用率，允许同时有多个程序被加载到内存中执行，这样的操作系统被称为多道程序系统。多道程序系统中，宏观上看，多个程序被并发执行，但从微观上看，任一时刻处理机仅在执行一道程序。由于系统中同时有多道程序在运行，它们共享系统资源，从而提高了系统资源的利用率。,4.程序运行管理,程序一个静态的概念，并不能如实反映程序并发执行过程的特征。为了深刻描述程序动态执行过程的实质，人们引入“进程(Process)”概念。进程操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象。在一个系统上可以同时运行多个进程，而每个进程都好像在独占地使用硬件，即并发运行。,(3)程序和进程,4.程序运行管理,CPU看上去像在并发地执行多个程序，是通过处理器在进程间切换实现。,微型计算机系统的性能评价及选购,05part,2.5.1微型计算机系统的性能评价,一般来说，计算机系统性能主要涉及以下几方面：1）处理能力2）可靠性3）利用率4）易用性5）功耗及对环境的要求,1.性能评价指标,2.5.1微型计算机系统的性能评价,处理能力：一般包括计算速度、吞吐率、响应时间/平均响应时间，其中计算速度是评价计算机尤其是高性能计算机的主要指标。虽然CPU的主频不代表CPU的速度，但提高主频对于提高CPU运算速度至关重要；吞吐率是单位时间内计算机系统完成的任务数，吞吐率越高，计算机系统的处理能力就越强；响应时间/平均响应时间是从计算机系统从输入到给出输出结果之间的时间，不过一般响应时间还和使用的软件有关。,2.5.1微型计算机系统的性能评价,一般个人计算机用户更关注的是微型机的处理能力。就处理能力来说，微型计算机性能不能简单的通过某一个硬件部件的技术指标去衡量，它由计算机软件兼容性、硬件整体配置合理性来决定。我们主要讨论微型机的硬件配置合理性。,目前，很多用户认为CPU的性能等同于整机性能。不可否认，CPU的性能在整机中起到重要作用，但是想要发挥计算机整体性能还需要其他硬件搭配使用才可以。经典例子木桶效应,2.5.1微型计算机系统的性能评价,2.木桶效应,2.5.1微型计算机系统的性能评价,计算机系统性能评价的方法通常采用测量法，即通过测试设备或测试软件直接对计算机系统进行测试，并得到相应的性能指标。优点是真实，可靠；缺点是评价结果可能与被测量计算机系统的具体用途有很大关系。,3.性能测试软件,2.5.1微型计算机系统的性能评价,3.性能测试软件,2.5.1微型计算机系统的性能评价,4.性能体验指数操作系统自带综合性能测试工具，如Windows7自带的“Windows体验指数”可评估计算机硬件配置的综合性能，并将此评估结果表示为一个基础分数。,2.5.1微型计算机系统的性能评价,5.性能查看,2.5.1微型计算机系统的性能评价,“查看和打印详细的性能和系统信息”则可查看有关计算机硬件（例如处理器速度、已安装的随机存取内存(RAM)的数量及硬盘大小）的详细信息。,5.性能查看,2.5.2微型计算机的选购,随着计算机的日益普及，计算机已经成为人们生活工作中不可缺少的工具，拥有第二台甚至第三台计算机的家庭越来越多。相比第一台计算机一般会追求性能，第二台、第三台计算机更多的是追求其它方面的应用需求。这时具有移动便携、应用方便、外观时尚、摆放灵活、节省空间就成为用户考虑的主要因素。,2.5.2微型计算机的选购,1.式样选择2.品牌选择3.系列选择4.配置选择5.购买方式选择,1.式样选择,1.式样选择,一体机介于台式机与笔记本之间的中间体，与传统台式电脑相比，一体式电脑的优势在于节省空间、摆放位置随意。相比笔记本