第2章 计算机系统

2020年6月7日星期日,第二章计算机系统,主要内容,2.1计算机系统概述2.2计算机系统组成2.2.1计算机硬件系统2.2.2计算机软件系统2.2.3计算机硬件系统与软件系统之间的关系2.3计算机工作原理2.3.1计算机的指令系统2.3.2计算机基本工作原理2.4微型计算机硬件系统的组成2.4.1微型计算机的基本结构2.4.2微型计算机的硬件组成2.4.3计算机的主要技术指标及性能评价,2.1计算机系统概述,台式微型计算机,2.1计算机系统概述,笔记本电脑,2.1计算机系统概述,一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机硬件系统是计算机系统中由电子类、机械类和光电类器件组成的各种计算机部件和设备的总称，是组成计算机的物理实体，是计算机完成各项工作的物质基础。计算机软件系统是在计算机硬件设备上运行的各种程序、相关的文档和数据的总称。计算机硬件系统和计算机软件系统共同构造一个完整的系统，相辅相成，缺一不可。,2.2计算机系统组成,计算机系统,硬件系统,软件系统,主机,外设,内（主）存储器,中央处理器(CPU),控制器,随机存储器(RAM),只读存储器(ROM),运算器,系统软件,应用软件,输入设备,输出设备,外（辅）存储器,高速缓存(Cache),2.2计算机系统组成,1946年，美籍匈牙利数学家冯诺依曼等人，在题为电子计算装置逻辑设计的初步讨论的论文中，系统地、深入地阐述了以存储程序概念为指导的计算机逻辑设计思想（存储程序原理），勾画出了一个完整的计算机体系结构。冯诺依曼的这一设计思想是计算机发展史上的里程碑，标志着计算机时代的真正开始，冯诺依曼也因此被誉为“现代计算机之父”。现代计算机虽然在结构上有多种类别，但就其本质而言，多数都是服从冯诺依曼提出的计算机体系结构理念，因此，称为冯诺依曼型计算机。,2.2计算机系统组成,冯诺依曼型计算机的基本思想如下：（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备大部分组成。（2）数据和程序以二进制代码形式存放在存储器中，存放的位置由地址确定。（3）控制器根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器控制指令的执行。控制器具有判断能力，能以计算结果为基础，选择不同的工作流程。,2.2.1计算机硬件系统,冯诺依曼提出的计算机“存储程序”工作原理决定了计算机硬件系统由大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。这大部分通过系统总线完成指令所传达的操作，当计算机接受指令后，由控制器指挥，将数据从输入设备传送到存储器存放，再由控制器指挥将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果经过存储器由输出设备输出。,2.2.1计算机硬件系统,CPU,内存,外存,2.2.1计算机硬件系统,存储器存储器(MemoryUnit)是用来存放原始数据和程序的部件。通常可分为内部存储器（又称主存储器或简称内存）和外部存储器（辅助存储器或简称外存）。,内存是计算机的数据交换中心,2.2.1计算机硬件系统,计算机中数据的存储单位,位（bit）：计算机中最小的数据单位，是二进制的一个单位，简称位（比特），1位二进制数值为0或1。字节（Byte）：是计算机中存储信息的基本单位，规定把8位二进制数称为1个字节，单位是B,（1B=8bit）。1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB字长：一个字可由若干个字节组成，通常将组成一个字的二进制位数叫做一个字长。通常用来表示计算机中数据和信息的长度。,2.2.1计算机硬件系统,运算器计算机中处理数据的核心部件。主要是执行算术运算和逻辑运算：ALU、存放操作数和运算中间结果的寄存器等。,控制器计算机中控制管理的核心部件。程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、时序控制电路、微操作控制电路等。,2.2.1计算机硬件系统,输入/输出设备简称I/O设备，又称为外部设备，它是与计算机主机进行信息交换、实现人机交互的硬件环境。,2.2.2计算机软件系统,软件系统是指在计算机上运行的各种程序、数据及有关文档。通常把计算机软件系统分为系统软件和应用软件两大类。1.系统软件：是维护、管理计算机软、硬件资源的系统程序。,系统软件,操作系统,语言处理程序,实用程序,诊断程序,反病毒程序,备份程序,文件压缩程序,卸载程序,2.2.2计算机软件系统,2.应用软件：是面向用户的使用而编制各种实用程序。,应用软件,办公软件包,数据库管理系统,浏览器,实时控制软件,图形图像处理软件,其它应用软件,2.2.3计算机硬件系统与软件系统之间的关系,1.硬件是支撑工作的基础。2.不安装任何软件的计算机（裸机）是不能做任何工作的。3.计算机软、硬件之间是协调工作、缺一不可的。4.设计一个计算机系统必须要考虑设计的复杂程序、现有的技术条件、产品的造价等因素，然后再确定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现。,2.3计算机工作原理,依照冯诺依曼型计算机的体系结构，数据和程序存放在存储器中，控制器根据程序中的指令序列进行工作，简单地说计算机的工作过程就是运行程序指令的过程。,2.3.1计算机的指令系统,1.指令及其格式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操作。一台计算机所能执行的所有指令的集合称为该台计算机的指令系统。,2.3.1计算机的指令系统,2.指令的分类与功能数据传送型指令：将数据在存储器之间、寄存器之间以及存储器与寄存器之间进行数据传送数据处理型指令：对数据进行运算和变换程序控制型指令：控制程序中指令的执行顺序输入/输出型指令：实现输入/输出设备与主机之间的数据传输硬件控制指令：对计算机的硬件进行控制和管理,2.3.2计算机基本工作原理,计算机在工作过程中，主要有两种信息流：数据信息和指令控制信息。数据信息指的是原始数据、中间结果和结果数据等，这些信息是由输入设备输入至存储器，再从存储器读入运算器进行运算，所得的计算结果再存入存储器或传送到输出设备。指令控制信息是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令，指挥各部件协调地工作。,2.3.2计算机基本工作原理,22,译码器,操作控制电路,寄存器组,算术、逻辑运算部件,取指令,控制器,运算器,内存储器,分析指令,执行指令,为下一条指令做准备,2.4微型计算机硬件系统的组成,微型计算机简称微机，属于第四代计算机。微机的一个突出特点是：利用大规模集成电路LSI(LargeScaleIntegration)和超大规模集成电路VLSI(VeryLargeScaleIntegration)技术，将运算器和控制器做在一块集成电路芯片上（微处理器）。微机具有体积小、重量轻、功耗小、可靠性高、对使用环境要求低、价格低廉、易于成批生产等特点。从而得以迅速普及，深入到当今社会的各个领域，是计算机发展史中又一个里程碑。,2.4.1微型计算机的基本结构,CPU、主存、I/O之间采用总线连接,系统总线,时钟信号,微处理器CPU,存储器（主存）,输入/输出接口I/O电路,外部设备,存储总线,2.4.1微型计算机的基本结构,1.微处理器（CPU）在高科技水平的前提下，将计算机的运算器、控制器以及相关的部件集中制作在一块大规模或超大规模集成电路上，即构成了整体的中央处理器（CPU），由于处理器的体积大大减小了，故称为微处理器。习惯上将微处理器直接称为CPU。,2.4.1微型计算机的基本结构,2.总线：连接各个部件之间的总线。总线是将计算机各个部件联系起来的一组公共信号线。（1）系统总线：按着各个部件连接间传送信号的类型来划分（a）数据总线：（DataBus,DB)是传送数据和指令代码的信号线。数据：CPU送到存储器和外设存储器和外设送到CPU（b）地址总线：（AddressBus,AB)是传送所要访问的存储单元或I/O接口地址的信号线。（c）控制总线：（ControlBus,CB)是管理总线上活动的信号线。,2.4.1微型计算机的基本结构,（2）前端总线（FrontSideBus)：按照具体的连接部件且直接关系到CPU与外界交换数据的最主要通道。FBS是由CPU决定的。FBS它是CPU与外界进行数据交换的最主要通道，前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大FBS目前PC机上所能达到的前端总线频率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz几种FBS与系统总线的区别：FBS是CPU和北桥芯片间总线的速度，更实质性的表示了CPU和外界数据传输的速度。它更多的影响了PCI及其他总线的频率。,2.4.2微型计算机的硬件组成,微型计算机的硬件配置,台式机,主机箱,鼠标,键盘,音箱,显示器,笔记本电脑,2.4.2微型计算机的硬件组成,电源,主机板,CPU,硬盘,光驱,内存条,显卡,2.4.2微型计算机的硬件组成,电源插座,键盘口,鼠标口,LPT并口,COM串口,显示器口,USB口,网络接口,麦克风口,音箱接口,2.4.2微型计算机的硬件组成,1.主板,主板又称系统板或母板，是微机的核心连接部件。是在一块较大的集成电路板上配以各种必需的电子元件、接口插座和插槽。,2.4.2微型计算机的硬件组成,CPU插座,内存条插槽,USB口,LPT并口,扩展槽,键盘接口,鼠标接口,网络接口,麦克风/音箱口,芯片组,2.4.2微型计算机的硬件组成,2.CPU,CPU是微机的核心部件，在微机系统中特指微处理器芯片，目前主流的CPU多由Intel和AMD两大厂家生产。,2.4.2微型计算机的硬件组成,3.内存条,微机系统的内储存器是将多个储存器芯片并列焊在一块长方形的电路板上，构成内存组，一般称之为内存条，通过主板的内存插槽接入系统。,2.4.2微型计算机的硬件组成,4.外储存器（1）硬盘（2）软盘和软盘驱动器（3）光盘和光盘驱动器（4）U盘,2.4.2微型计算机的硬件组成,（1）硬盘,2.4.2微型计算机的硬件组成,硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面硬盘容量视具体类型而定,2.4.2微型计算机的硬件组成,（2）软盘和软盘驱动器,软盘是一个可移动的外部存储器，用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材料制成。读写软盘时，磁头直接接触盘面。常用软盘容量为1.44MB软盘驱动器又叫软驱，是用来读写软盘数据的设备。,2.4.2微型计算机的硬件组成,（3）光盘和光盘驱动器,光盘驱动器是用来驱动光盘，完成主机与光盘的信息交换的设备，简称光驱，是利用激光的投射与反射原理来实现数据存储与读取。光盘驱动器分为：只读型光驱刻录机光驱的主要技术指标是“倍速”。,光盘只读光盘一次写入光盘可擦写光盘,2.4.2微型计算机的硬件组成,（4）U盘,也称为闪存，采用半导体存储介质存储数据信息，通过微机的USB口连接，可以带电拔插。,（5）其它存储设备,ZIP软盘和MO磁光盘磁带,2.4.2微型计算机的硬件组成,5.显示器与显示卡,（1）显示器,标准计算机系统中的重要输出设备。分为阴极射线管显示器（CRT）和液晶显示器（LCD）两大类。,2.4.2微型计算机的硬件组成,（2）显示器适配卡,简称显示卡或显卡，是微机与显示器之间的一种接口卡。用于图形数据处理、传输数据给显示器并控制显示器的数据组织方式。显卡的性能主要决定于显卡上的图形处理芯片。目前主流显卡是：2D、3D图形处理功能的AGP接口或PCI-E接口的卡。,2.4.2微型计算机的硬件组成,6.键盘与鼠标,键盘是最主要也是最常用的输入设备。常用的标准键盘是104键，还有许多添加了特定功能键的多媒体键盘。,2.4.2微型计算机的硬件组成,鼠标最早用于苹果公司生产的系列微机中，随着windows操作系统的流行，鼠标已变为不可缺少的工具。常用的鼠标有双键鼠标和三键鼠标,鼠标分类,机械式鼠标,光电式鼠标,工作原理,接口,PS/2鼠标,串口鼠标,USB鼠标,近年来，随着科技的发展还出现了无线鼠标。,2.4.2微型计算机的硬件组成,7.扫描仪,图像扫描仪简称扫描仪。目前常用扫描仪的光学分辨率是2400*4800，主流接口标准是USB接口。,8.打印机,打印机是重要的输出设备，可以分为击打式打印机和激光打印机两种。,2.4.3计算机的主要技术指标及性能评价,计算机的主要技术指标,1.字长字长是指CPU能够同时处理的比特数目。它直接关系到计算机的计算精度、功能和速度。字长越长，计算精度越高，处理能力越强。2.主频主频即CPU的时钟频率，是CPU内核电路的实际运行频率。一般称为CPU运算时的工作频率，简称主频。主频越高，单位时间内完成的指令数也越多。,2.4.3计算机的主要技术指标及性能评价,3.运算速度一般以计算机单位时间内执行的指令条数表示运算速度。单位是MIPS（每