lesson02_计算机系统_王亚杰

1、大学计算机基础第第2章章 计算机系统计算机系统 计算机基础教研室 王亚杰本章的主要内容本章的主要内容2.1 引言引言(计算机环境计算机环境)2.2 计算机系统计算机系统(组成与工作原理组成与工作原理)2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统2.1 引言：计算环境的发展引言：计算环境的发展3 3 1. 1.集中计算集中计算n电子计算机时代开始电子计算机时代开始n标志物：标志物：ENIACENIAC和深蓝和深蓝n目的：计算速度的提升和计算能力的提高。目的：计算速度的提升和计算能力的提高。 2.2.个人计算机个人计算机n独立性高，可靠性强独立性高，可靠性强 3. 3. 互联网互联网n多台计算机通

2、过网络连接起来，多台计算机通过网络连接起来，n实现数据和资源的共享及协同工作实现数据和资源的共享及协同工作 4.4.云计算云计算n如何解决无限增长信息的存储和计算如何解决无限增长信息的存储和计算n基于互联网的超级计算模式，基于互联网的超级计算模式， 集中信息和处理器资源集中信息和处理器资源独立或联网工作的通用计独立或联网工作的通用计算机所形成的工作环境算机所形成的工作环境通过终端连接和使用主机，所有的软件、数据和控制都在大型机的主机通过终端连接和使用主机，所有的软件、数据和控制都在大型机的主机2.2 计算机系统计算机系统4 4计算机系统计算机系统= =硬件系统硬件系统+ +软件系统软件系统硬硬

3、 件件软软 件件2.2 计算机系统计算机系统什么是硬件、软件什么是硬件、软件1.硬件系统硬件系统(Hardware)：是指构成计算机系统的各种物理设备的总是指构成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础。称，是计算机系统的物质基础。2.软件系统软件系统(Software)：指存储在存储介质中的各种形式的程序和指存储在存储介质中的各种形式的程序和文档。它可以扩大计算机的功能、提高计算机的效率。文档。它可以扩大计算机的功能、提高计算机的效率。3.相互关系：相互关系：硬件系统和软件系统并不是独立的，软件是建立和依托硬件系统和软件系统并不是独立的，软件是建立和依托在硬件基础上的，没有硬件

4、对软件的支持，软件的功能就无从说在硬件基础上的，没有硬件对软件的支持，软件的功能就无从说起；没有软件的硬件称为起；没有软件的硬件称为裸机裸机，不能使用。它们的关系是相辅相，不能使用。它们的关系是相辅相承、缺一不可的。承、缺一不可的。2.2.1 计算机系统的组成计算机系统的组成 6 6 操作系统：操作系统： DOSDOS 、 WindowsWindows、 Mac OSMac OS、 UNIXUNIX、 LinuxLinux等等 硬件系统硬件系统 主主 机机 运算器运算器(ALU)(ALU) 控制器控制器 (CU)(CU) 输入设备：输入设备：键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风等键盘、鼠标、触摸

5、屏、扫描仪、麦克风等 中央处理器中央处理器 ( (CPUCPU) ) 内内 存存 软件系统软件系统 系统软件系统软件 通用应用软件：通用应用软件： 办公软件包、数办公软件包、数 据库管理系统等据库管理系统等 计算机计算机系统系统 只读存储器只读存储器 ( (ROMROM) ) 随机存取存储器随机存取存储器 ( (RAMRAM) ) 高速缓冲存储器高速缓冲存储器( (CacheCache) ) 外外 设设 输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音响等输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音响等 外外 存：存： 硬盘、光盘、硬盘、光盘、U U盘盘、移动硬盘、移动硬盘等等 实用程序：诊断程序、排错程序等实用

6、程序：诊断程序、排错程序等 语言处理程序：语言处理程序： C C、 C+C+、 JavaJava等等 专用应用软件：专用应用软件： 各企业的管理信息系统等各企业的管理信息系统等 应用软件应用软件 1.硬件系统基本结构硬件系统基本结构控制器输入设备 输出设备内存储器运算器数据流结果中央处理器CPU.外存储器控制流现代计算机仍然体现美籍匈牙利数学家冯冯.诺依曼的思想：诺依曼的思想： 二进制二进制程序与数据一样存放在内存，并按地址寻访程序与数据一样存放在内存，并按地址寻访五大模块五大模块2.计算机软件构成计算机软件构成软件：程序软件：程序+ +文档文档没有软件我可不能工作呀！软件系统软件 应用软件(

7、1) (1) 系统软件系统软件主要包括：操作系统p 什么是操作系统？什么是操作系统？ 操作系统是指用于控制和管理计算机系统的软硬件资源，合理地组织计算机的工作流程，方便用户操作的一组程序的集合。有了操作系统，可以使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友好的服务界面。p常用的操作系统：常用的操作系统： Windows (2000、2003、2007、me) Windows XP、DOS 还有unix、Netware, OS/2等操作系统的作用操作系统的作用其它系统软件其它系统软件p高级语言处理程序高级语言处理程序 主要包括：机器语言、汇编语言、高级语言。 例如：Pas

8、cal，C/C+，VC+，VB，Java等。p实用程序实用程序 主要用于对计算机系统硬件的检测。 (2)应用软件应用软件p用户编写的软件用户编写的软件p办公软件办公软件OfficeOffice组合软件组合软件p图形和图像处理软件图形和图像处理软件p数据库系统：数据库管理系统；数据库应用程序数据库系统：数据库管理系统；数据库应用程序 例如：例如：Access, Foxpro, SQL, Oracle, SybaseAccess, Foxpro, SQL, Oracle, Sybase2.2.2 计算机基本工作原理计算机基本工作原理1 1. .指令和程序的概念指令和程序的概念 指令：指令：让计算机

9、完成某个操作所发出的命令，是能让计算机完成某个操作所发出的命令，是能被计算机识别并执行的二进制代码。被计算机识别并执行的二进制代码。指令系统：指令系统： 计算机所能执行的全部指令的集合。计算机所能执行的全部指令的集合。操作码操作码 地址码地址码 要完成的操作要完成的操作类型及功能类型及功能操作数或操作数或操作数的地址操作数的地址指令的组成：指令的组成：2.2.2 计算机基本工作原理计算机基本工作原理数据传送指令数据传送指令数据处理指令数据处理指令程序控制指令程序控制指令输入输出指令输入输出指令 其它指令其它指令 If Goto And OrCPUCPU内存内存I/O设备设备主机主机对计算机的硬

10、件进行管理等对计算机的硬件进行管理等指令的种类：指令的种类：2.2.2 计算机基本工作原理计算机基本工作原理开始开始指令指令n n结束结束程序程序指令指令2 2指令指令1 1程序：程序：简单的说，就简单的说，就是一组指令序列。是一组指令序列。 程序是为实现特程序是为实现特定目标而用程序设计定目标而用程序设计语言描述的指令语言描述的指令(语语句句)序列。序列。2.2.2 计算机基本工作原理计算机基本工作原理结束指令？结束指令？取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令开始开始结束结束2.计算机的工作过程计算机的工作过程 就是程序的执行就是程序的执行过程。不断的取指过程。不断的取指令、分析指令和

11、执令、分析指令和执行指令。行指令。 2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统1. 1. 输入设备输入设备2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统2. 输出设备输出设备 主要包括：显示器，打印机，绘图仪，投影仪，音箱等。显示器目前主要是液晶显示器（LCD，如：三星、LG等) 。显示器的三个重要技术指标：分辨率、色深和刷新频率。 显示器通过显卡与主板相连。2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统2. 输出设备输出设备打印机常用的有：针式打印机 喷墨打印机 激光打印机指标：打印速度，分辨率指标：打印速度，分辨率2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统3.中央处理器（中央处理器（CPU

12、） Central Processing Unit 计算机的核心部件，其重要性就象人的大脑。(1)运算器运算器(ALU) 进行各种算数运算和逻辑运算。(2)控制器控制器 指挥整个计算机各部件协调工作，是计算机的指挥中心。基本功能是取指令、分析指令和执行指令。2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统CPU的性能指标：的性能指标：(1)主频主频(工作频率工作频率)：指CPU工作时的时钟频率，它反映了指令执行周期的长短。它是考查CPU运行速度的主要参数，主频越高，则运行速度也越高。 常用的CPU频率：166MHZ、200MHZ、 450MHZ3.80GHZ等。(2)外频外频(系统时钟频率系统时钟

13、频率)：也是系统总线的工作频率，CPU与外围设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。 主频=外频 * 倍频系数2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统CPU的性能指标：的性能指标：(3)睿频（睿频加速）：睿频（睿频加速）：是一种能自动超频的技术。它是指CPU通过分析当前任务，智能地进行主频提升，例如：某CPU的主频为 3.6GHZ，而睿频可以达到 3.9GHZ。(4)QPI带宽：带宽：QPI是CPU的内部总线，带宽越高，CPU处理能力越强。2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统CPU的性能指标：的性能指标：(5)字长和位数：字长和位数：在计算机中作为一个整体被传送和

14、运算的一串二进制数码称为字字，每个字所包含的二进制数的位数称为字长字长。二进制数就是逢二进一，只有 1 和 0 两个数位。 字长越长，微机计算的数字的有效位数越多，计算越精确。字长通常是8的整数倍，如16位、32位、64位等。2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统CPU的性能指标：的性能指标：(6)高速缓冲存储器容量：高速缓冲存储器容量：Cache是位于CPU和内存之间的高速存储器，可提高CPU的读取速度，一般为三级缓存。(7)核心数和线程数：核心数和线程数：单个芯片上有多个一样功能的处理器核心，多核心提高CPU的整体性能；多线程减少CPU的闲置时间，提高CPU的并行处理能力。(8)制作

15、工艺制作工艺：电子元件之间的最小距离，例如：45纳米，22纳米。2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统目前生产CPU的厂家：Intel 公司；AMD公司。Intel产品主要有：产品主要有：Pentium(奔腾)系列 Celeron(赛扬)系列 Core(酷睿 )系列 AMD产品：产品：速龙，炫龙，羿龙等。国产国产CPU：中国科学院计算所自主研发了龙芯系列。2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统Core(酷睿酷睿 i )系列：系列：Intel公司公司2010推出推出智能处理器。智能处理器。Core处理器：2005年推出2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统典型典型CPU的性能指

16、标：的性能指标：酷睿i7 4770适用类型：台式机CPU主频：3.4GHz插槽类型：LGA 1150核心代号：Haswell核心数量： 四核心线 程 数：八线程制作工艺：22纳米三级缓存：8MB64位处理器：是2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统4. 存储存储器器主要功能：存放数据和程序。存储器存储器内存（主存储器内存（主存储器）外存（辅助存储器）外存（辅助存储器）2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统4. 存储存储器器内存内存 从输入设备得到的各种数据首先存放到内存里。只有内存才能和CPU 打交道。基本概念：位（位（Bit）：）：一位二进制数（即0或1），简写为b 。字节字节

17、(Byte)=8bit，简写为B。 一个存储单元是1B。字节字节ByteByte7 6 5 4 3 2 1 0位位bitbit2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统4. 存储存储器器内存内存存储容量：描述计算机存储能力的指标。 目前配置的内存容量有 32、64、128、256、5124GB等。1KB=210B=1024B1MB= 210KB= 1024KB1GB= 210MB= 1024MB1TB= 210GB= 1024GB2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统ROM(Read only memory)只读存储器只读存储器 计算机在出厂以前由厂家固化一些程序，例如：开机自检执行B

18、IOS，这些程序断电后也不丢失。RAM(Random access memory)随机存取器随机存取器 通常指所说的内存，RAM信息可以读出、写入，但断电后信息丢失。内存分类内存分类只读存储只读存储器器（ROM）随机存储器随机存储器（RAM）高速缓冲存储器高速缓冲存储器（Cache）2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统高速缓冲存储器高速缓冲存储器(Cache) 计算机工作时CPU频繁地和内存交换信息，CPU的速度越来越快，已达到了几ns(纳秒)，而RAM访问数据的周期最快也需50ns。 Cache是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，是CPU和RAM之间的桥梁，用于解决它们

19、之间的速度冲突问题。CPUCacheRAM2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统4. 存储存储器器外存外存常用的有光盘、硬盘、U盘等。指指 标标内内 存存外外 存存存储容量存储容量小小大大存取速度存取速度快快慢慢与与CPU交换信息交换信息可以可以不可以不可以信息的保留信息的保留断电丢失断电丢失永久保留永久保留2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统驱动器的命名驱动器的命名问题：A：和B：呢？硬盘的磁道、硬盘的磁道、扇区、柱面扇区、柱面柱面柱面扇扇区区磁磁道道 硬盘片是由涂有磁性材料的铝硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成，读写硬盘时，磁性圆盘合金构成，读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的

20、托力使磁头悬浮在高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面，硬盘容量视盘面上而不接触盘面，硬盘容量视具体类型而定。具体类型而定。硬盘片硬盘片读写磁头读写磁头外存外存-硬盘技术硬盘技术2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统外存外存硬盘技术硬盘技术硬盘的指标：容量和转速。目前硬盘容量已达到几TB，转速已达10000rpm。硬盘的接口：IDE(PATH)SATA 硬盘总容量=磁头数磁道数扇区数每扇区字节数 若某牌号的硬盘有32个磁头，4096个柱面，每个磁道上有36个扇区数，则： 硬盘总容量= 32409636512B=4.2GB 2.3 微型

21、计算机硬件系统微型计算机硬件系统外存外存光盘技术光盘技术pCD-ROM： 分为只读型和可读写型，容量可达650MB。 倍速：衡量光盘驱动器传输数据速率的指标。 最高64倍速。 一倍速率= 150KB/秒p 后继产品后继产品DVD-ROM(它向下兼容它向下兼容) 可读音频CD和CDROM，容量可达17GB。 最高20倍速。 一倍速率=1.3MB/秒2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统外存外存Flash移动存储技术移动存储技术 闪存芯片为存储介质 采用USB的接口； (Universal Serial Bus通用串行总线)； 可擦写100万次以上 。2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件

22、系统5. 总线与接口总线与接口P34 总线是各部件或设备之间传输数据的公用通道， (也叫BUS)。主要用于连接CPU、内存、外存和各种输入输出设备并协调它们的工作。2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统5. 总线与接口总线与接口P34按数据传输方式，总线可分为：按数据传输方式，总线可分为： 串行总线：串行总线：二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的部件或设备。 并行总线：并行总线：数据线有许多根，故一次能发送多个二进制数据位。 从表面上看，并行总线似乎比串行总线快，其实从表面上看，并行总线似乎比串行总线快，其实在高频率的条件下串行总线比并行总线更好，并将在高频率的条件下串行总线比并行总线

23、更好，并将会逐渐取代。会逐渐取代。 2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统5. 总线与接口总线与接口P34按总线内所传输的信息种类，可分为：按总线内所传输的信息种类，可分为： 数据总线数据总线(DB)：CPU与内存或I/O接口之间的数据传递。 地址总线地址总线(AB)：内存与I/O接口的地址信息，它的条数决定了内存空间的范围大小。 控制总线控制总线(CB)：传送控制器的控制信息，它的条数由CPU的字长决定。2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统5. 总线与接口总线与接口 接口：各种外部设备通过接口与主机相连。接口：各种外部设备通过接口与主机相连。 2.3 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统6. 主板主板 也称Main Board或Mother Board，是微型计算机中最大的一块电路板。它是其它部件和各种外部设备的连接载体。两大部分：两大部分：芯