第2章 计算机系统

1、第2章 计算机系统武汉科技大学计算机科学与技术学院2.1 计算机系统概述2.2 计算机硬件系统*2.3 计算机工作原理*2.4 计算机软件系统*2.5 操作系统*2.6 微型计算机硬件系统（自学）2.7 数据在计算机中的表示*说明：*表示重点，*表示又是难点2.1 计算机系统概述武汉科技大学计算机科学与技术学院黑盒模型武汉科技大学计算机科学与技术学院计算机输 入数据输 出数据程序完整的计算机系统武汉科技大学计算机科学与技术学院计计算算机机系系统统硬硬件件系系统统软软件件系系统统主机主机外设外设中央处理器（中央处理器（CPU）内存储器内存储器运算器（运算器（ALU）控制器（控制器（CU）随机存取

2、存储器（随机存取存储器（RAM）只读存储器（只读存储器（ROM）高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）输入设备：键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风、条码扫描器等输入设备：键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风、条码扫描器等输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音箱等输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音箱等外存储器：软盘、硬盘、光盘、外存储器：软盘、硬盘、光盘、U盘等盘等系系统统软软件件应用软件：应用软件：办公自动化软件、专业软件、科学计算软件包、游戏软件等办公自动化软件、专业软件、科学计算软件包、游戏软件等操作系统（操作系统（OS）：）：DOS、Windows、OS/2、UNIX、Linux等等

3、程序设计语言及语言处理程序：程序设计语言及语言处理程序：C、C+、Java等及其语言处理程序等及其语言处理程序系统工具软件：性能监视程序、故障检测和诊断程序、防病毒软件等系统工具软件：性能监视程序、故障检测和诊断程序、防病毒软件等数据库管理系统：数据库管理系统：SQL Server、MySQL、Sybase、Oracle、DB2、Access等等用户所面对的计算机系统武汉科技大学计算机科学与技术学院应用软件软件开发工具操作系统硬件用户2.2 计算机硬件系统计算机硬件系统*武汉科技大学计算机科学与技术学院冯诺依曼模型计算机由5个基本部件组成存储程序的概念指令顺序执行武汉科技大学计算机科学与技术学

4、院中 央 处 理 器（CPU）存储器输入设备输出设备外存储器内存储器运算器控制器程序、数据计算结果数据流控制流运算器ALU主要功能进行算术运算和逻辑运算。计算机的运算器长度一般是8位、16位、32位、64位。运算器对内存储器的读/写操作都是在控制器的控制之下进行的读：运算器中的数据取自内存储器写：运算的结果又回送到内存储器武汉科技大学计算机科学与技术学院控制器CU作用指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求来协调工作的装置，是计算机的神经中枢和指挥中心。地位只有在控制器的控制之下，计算机才能有条不紊地自动执行程序，完成特定的功能。工作特点采用程序控制的方式。武汉科技大学计算机科学与技术学院控制器

5、组成部件程序计数器PC：存放下一条指令的地址指令寄存器IR：存放正在执行或将要执行的指令指令译码器ID：对IR中的指令进行分析、译码，以确定是什么指令地址寄存器AR：存放要读写的内存储器的存储单元的地址。数据寄存器DR：存放已从内存储器读入的要参加运算的数据或者保存运算的中间结果。控制电路：产生时序信号，并根据指令译码器译码的结果发出控制信号，以指挥计算机各个部件的动作。武汉科技大学计算机科学与技术学院中央处理器CPU现在的计算机已经将运算器和控制器做到一个芯片上，称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）CPU是计算机中最核心、最重要的部件武汉科技大学计算机科学

6、与技术学院存储器作用存放程序和执行程序时所需要的数据的记忆装置，是计算机中各种信息交流的中心。地位无论是读操作还是写操作，CPU首先要提供存储单元的地址，查找到相应的存储单元后才能进行读写操作。武汉科技大学计算机科学与技术学院与存储二进制数据有关的基本概念 位（bit）：计算机的最小信息单位，也是存储器中最小的存储单位字节（Byte，B）：8个二进制位组成一个字节，字节是计算机的基本信息单位字（Word）：计算机进行数据处理时，运算器可一次存取、加工和传送的数据称为字。计算机的字长可以是8位，也可以达到64位。存储单元：字存储单元、字节存储单元多数情况下，计算机是按字节寻址的。存储容量：存储器

7、中所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。通常用单位KB、MB、GB和TB武汉科技大学计算机科学与技术学院不同的存储单位单位不同单位的换算关系近似值千字节（KB）1KB=1024B=210B103B兆字节（MB）1MB=1024KB=220B106B吉字节（GB）1GB=1024MB=230B109B太字节（TB）1TB=1024GB=240B1012B武汉科技大学计算机科学与技术学院存储器的分类内存储器（内存）存放要执行的程序和需要用到的数据内存要与计算机的各个部件打交道，进行信息的传送又分为：RAM随机存取存储器和ROM只读存储器。通常内存指的是RAM。外存储器（外存）主要用来长期存放“暂

8、时不用”的程序和数据外存只和内存交换数据，成批地交换数据高速缓冲存储器（Cache）解决CPU和内存之间速度不匹配武汉科技大学计算机科学与技术学院中央处理器CacheCPUCache内存M1块传送M2字传送存储器的层次结构武汉科技大学计算机科学与技术学院访问速度越来越快容量越来越大价格越来越便宜CPU内主板内主板外输入、输出设备及输入/输出接口输入设备的作用：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部能接收和识别的二进制信息形式。输出设备的作用：把计算机处理的结果变换成人或者机器设备能接收和识别的信息形式。由于外设种类繁多且速度各异，因而它们不是直接地同高速工作的主机相连接，而是通过输入/输出接

9、口（I/O接口）（也称为适配器、控制器）部件与主机相联系。武汉科技大学计算机科学与技术学院系统的内部连接总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行信息传送的公共通路。借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信号的交换，并在争用资源的基础上进行工作。总线的分类：内部总线、系统总线和I/O总线数据总线、地址总线和控制总线串行总线和并行总线武汉科技大学计算机科学与技术学院CPU内存内存I/O接口接口I/O设备设备数据总线数据总线DB数据总线数据总线DB地址总线地址总线AB控制总线控制总线CB主机主机2.3 计算机工作原理计算机工作原理*武汉科技大学计算机科学与技

10、术学院计算机的指令和程序指令是指示计算机进行基本操作的命令，表示成二进制形式。每条指令的功能直接由硬件电路实现。CPU能执行的全部指令的集合称为该CPU的指令系统。指令系统是衡量计算机性能的一个重要指标。武汉科技大学计算机科学与技术学院操作码操作数计算机的指令和程序程序是能完成一定功能的指令序列，是计算机指令的有序集合。编写程序的工具是程序设计语言：机器语言汇编语言高级语言武汉科技大学计算机科学与技术学院语言处理程序用汇编语言和高级语言编写的程序称为源程序。源程序必须经过翻译过程才能转换成计算机能识别的机器语言程序。实现这个翻译工作的工具是语言处理程序。武汉科技大学计算机科学与技术学院汇编语言

11、汇编语言源程序源程序机器语言机器语言程序程序汇编程序汇编程序高级语言高级语言源程序源程序计算结果计算结果解释程序解释程序高级语言高级语言源程序源程序目标程序目标程序编译程序编译程序连接程序连接程序可执行可执行程序程序计算5+8的程序片段汇编语言机器语言指令的功能C语言MOV A,51011 0000 0000 0101将常量5送入A累加器int z;z = 5 + 8;ADD A,80000 0100 0000 1000将A累加器的内容加上8，结果再送入A累加器MOV Z,A1011 0010 0100 1011将A累加器的内容送入地址为Z的存储单元武汉科技大学计算机科学与技术学院注：A累加器

12、是运算器内部的部件，用于存放参加计算需要的临时数据。计算机工作过程程序的装入武汉科技大学计算机科学与技术学院地址内容说明0000 00000000 00010000 00100000 00110000 01000000 01010100 10111011 00000000 01010000 01000000 10001011 00100100 1011MOV A,5的第1字节MOV A,5的第2字节ADD A,8的第1字节ADD A,8的第2字节MOV Z,A的第1字节MOV Z,A的第2字节存储单元Z程序区数据区计算机工作过程程序的运行：第一条指令的执行过程武汉科技大学计算机科学与技术学院内

13、存储器内存储器控制器控制器地址内容程序计数器PC0000 00000000 00010000 00100000 00110000 01000000 01010100 10111011 00000000 01010000 01000000 10001011 00100100 1011自动加1起始地址运算器运算器程序区0000 0000指令寄存器IR操作码1011 0000操作数0000 0101指令译码器ID控制线路累加器数据区计算机工作原理计算机工作原理控制器就是这样不断地重复取指令、分析指令、执行指令的过程，直到整个程序执行完毕。存储程序并按地址顺序执行，这就是冯诺依曼型计算机的工作原理，也

14、是计算机自动化工作的关键。控制器每取出一条指令，程序计数器PC的内容就加1，从而为取下一条指令做好准备，这就是为什么指令在内存中顺序存放的原因。武汉科技大学计算机科学与技术学院2.4 计算机软件系统计算机软件系统*武汉科技大学计算机科学与技术学院软件分类一种通常的分类方法是将软件分为系统软件和应用软件两大类。武汉科技大学计算机科学与技术学院系统软件和应用软件系统软件控制计算机的运行、管理计算机的各种资源、并为应用软件提供支持和服务的一类软件。在系统软件的支持下，用户才能运行各种应用软件。系统软件通常包括操作系统、程序设计语言及语言处理程序和各种系统工具软件。应用软件办公软件、图形和图像处理软件

15、、数据库系统、 Internet服务软件、娱乐与学习软件等等。武汉科技大学计算机科学与技术学院2.5 操作系统*武汉科技大学计算机科学与技术学院操作系统简介为了使计算机系统中的所有软件、硬件资源协调一致、有条不紊地工作，必须有一个软件来进行统一的管理和调度，这种软件就是操作系统。操作系统的出现是计算机软件发展史上的一个重大转折，也是计算机系统的一个重大转折。引入操作系统的原因主要有两个：用户的角度：更加灵活方便和安全可靠的虚拟机，提高用户的工作效率；合理地使用系统内包含的各种软件、硬件资源，提高整个系统的使用效率。操作系统是最基本的系统软件，其性能在很大程度上直接决定了整个计算机系统的性能。武

16、汉科技大学计算机科学与技术学院操作系统的功能计算机硬件与其它软件的接口，也是用户和计算机的接口。“管家婆” 对计算机系统的软硬件资源进行合理的调度与分配，改善资源的共享和利用状况，最大限度地发挥计算机系统的工作效率。“接待员” 通过友好的工作环境，改善用户与计算机的交互界面。武汉科技大学计算机科学与技术学院操作系统操作系统处理机管处理机管理理内存管内存管理理信息管信息管理理设备管设备管理理用户用户接口接口CPU内存内存外存外存I/O设设备备用用户户2.6 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统（自学）（自学）了解：了解：微型计算机硬件系统的组成及各部件的功能微型计算机硬件系统的组成及各部件的功能

17、掌握：掌握：微机的主要技术指标微机的主要技术指标武汉科技大学计算机科学与技术学院2.7 数据在计算机中的表示数据在计算机中的表示*武汉科技大学计算机科学与技术学院进位计数制及其相互转换进位制进位制十进制十进制二进制二进制八进制八进制十六进制十六进制计数规则逢十进一逢二进一逢八进一逢十六进一基数102816数码090，10709，AF权值10i2i8i16i符号表示D（Decimal）B（Binary）O（Octal）H（Hexadecimal）武汉科技大学计算机科学与技术学院（N）r = an-1an-2a1a0a-1a-m = an-1rn-1 + an-2rn-2 + + a1r1 + a

18、0r0 + a-1r-1 + + a-mr-m 不同进位计数制之间的转换r进制转换成十进制权值累加法武汉科技大学计算机科学与技术学院1010111.11B = 126+ 124+ 122+ 121+120+12-1+12-2 =87.75D123.4O = 182+ 2 81+380+48-1 =83.5D3D.8H =3161+13160+816-1 =61.5D不同进位计数制之间的转换十进制转换成r进制1)整数：“连除取余法”2)小数：“连乘取整法”武汉科技大学计算机科学与技术学院十进十进制制二进二进制制八进八进制制十六进十六进制制十进十进制制二进二进制制八进八进制制十六进十六进制制000

19、0810001081111910011192102210101012A3113311101113B41004412110014C51015513110115D61106614111016E71117715111117F武汉科技大学计算机科学与技术学院015十进制数与二进制、八进制、十六进制十进制数与二进制、八进制、十六进制之间的转换关系之间的转换关系不同进位计数制之间的转换二进制、八进制、十六进制之间的转换BO：“3位并1位”OB：“1位扩3位”BH：“4位并1位”HB：“1位扩4位”武汉科技大学计算机科学与技术学院数据在计算机中的表示武汉科技大学计算机科学与技术学院整数的编码表示无符号数：直接转换有符号数通常规定一个数的最高位为符号位，用0表示正号，用1表示负号，其余位仍表示数值。原码、反码、补码武汉科技大学计算机科学与技术学院+1原码 = 0000 0001+1反码 = 0000 0001+1补码 = 0000 0001-1原码 = 1000 0001-1反码 = 1111 1110-1补码 = 1111 1111+127原码 = 0111 1111+127反码 = 0111 1111+127补码 = 0111 1111-127原码 = 1111 1111 -127反码 = 1000 0000-127