计算概论课件：第三章 计算机的基本组成

第三讲计算机系统

第三章计算机的基本组成本讲内容个人计算机硬件系统硬件系统概述主机箱内的部件基本输入输出设备通信设备外围设备网络计算机个人计算机软件系统软件系统概述操作系统的地位操作系统的引导操作系统的功能个人计算机系统最基本的计算机主机显示器键盘鼠标个人计算机—硬件系统概述从计算机外观出发（由外而内）看热闹从“冯·诺依曼”结构出发（由内而外）看门道个人计算机—硬件系统概述从计算机外观出发（由外而内）硬件系统基本结构

—从计算机外观出发（由外而内）主机(卧式机箱)显示器(CRT)键盘鼠标音箱耳机硬件系统基本结构

—从计算机外观出发（由外而内）主机(立式机箱)显示器(LCD)2022/10/27北京大学92022/10/27北京大学10主机内的硬件设备电源适配器CPU(CentralProcessingUnit)主存储器

(MainMemory)/内部存储器外部存储器(ExternalStorage)硬盘/硬盘驱动器、光盘/光盘驱动器软盘/软盘驱动器外围设备适配器/控制器显示器适配器(显卡)以太网适配器(网卡)声音适配器(声卡)鼠标适配器、键盘适配器…

…主板(MotherBoard,MainBoard,SystemBoard)计算机的核心主机板(简称主板)打开主机箱，里面的一块印刷电路板CPUROMRAM总线槽插座电池2022/10/27北京大学13外围设备适配器CPU主机内硬件系统的基本结构内部存储器外部存储器主板电源适配器以太网适配器显示器适配器集线器显示器音响麦克风声音适配器鼠标键盘主机

这里面是啥？一个真实的主板北桥芯片PCI插槽CMOS电池BIOSSATA外存端口IDE外存端口软驱端口主板电源端口超级IO芯片组内存插槽CPU插座CPU风扇电源CPU风扇基座声音适配器网络适配器PCI-E插槽外围设备端口南桥芯片主板上的主要部件总线(Bus)前端总线(Front-SideBus,FSB)【CPU芯片组】内存总线(MemoryBus)【内存芯片组】高速图形总线【显卡芯片组】PCI-E，AGP外部存储器总线【硬盘适配器、光驱适配器芯片组】SATA，IDE，SCSI低速设备总线(LPC)【BIOS芯片组】【键盘适配器、鼠标适配器、软驱适配器、…芯片组】通用型总线【其它外设适配器芯片组】USB(UniversalSerialBus)PCI-E，PCI，ISA内部总线(InternalBus)【芯片组内部互联】接口：插槽(Slot)，插座(Socket)，端口(Connector/Port)CPU插槽/座，内存插槽，PCI(-E)插槽，ISA插槽鼠标端口，键盘端口，USB端口芯片组(Chipset)北桥芯片(NorthBridge)：CPU、内存、显卡南桥芯片(SouthBridge)：BIOS、其它外围设备适配器BIOS(BasicInput/OutputSystem)主板上硬件系统的基本结构CPU北桥芯片前端总线CPU插槽/座内部总线内存插槽内存内存总线显卡图形总线显卡插槽PCI总线ISA总线PCI插槽ISA插槽BIOS外存适配器USB适配器网络适配器声音适配器LPC总线低速设备适配器芯片组软驱适配器键盘适配器鼠标适配器LPC总线一组端口芯片组……超级IO芯片组南桥芯片CMOS插槽适配器端口主板连接关系：

主板适配器外围设备外围设备适配器通过主板上的插槽与主板相连外围设备通过适配器上的端口与适配器相连2022/10/27北京大学19主机箱内的主要部件计算机系统的核心设备，其基本功能是按照程序执行指令。决定CPU性能的主要因素包括：主频：CPU执行指令的速度，例如2.0GHZ数据字长：数据总线的宽度(二进制位数)地址长度：地址总线的宽度指令集：指令系统的处理能力（复杂指令，精简指令）等。在实际选购CPU时，则主要从CPU的制造商、CPU型号、主频、高速缓存的容量等几个方面考虑。CPU，中央处理器（CentralProcessingUnit）IntelAMD

……

龙芯北大众志

……主机箱内的主要部件系统部件之间信息传送的公用信号线；具有

汇集与分配信息、选择发送信息的部件与接收信息的部件、总线控制权的建立与转移等功能；(在芯片组的控制下)内部含有三种类型的信号线：数据总线、控制总线、地址总线；常见的总线标准ISA（IndustrialStandardArchitectureBus）：8/16位PCI（PeripheralComponentInterconnectionBus）：32/64位AGP（AcceleratedGraphicsPort）：显卡专用总线PCI-E（PCIExpress）：PCI的升级版本；替代PCI和AGPIDE（IntegratedDriveElectronics）：用于连接硬盘、光驱SATA（SerialAdvancedTechnologyAttachment）：IDE的升级版本USB（UniversalSerialBus）：由IBM、Intel及Microsoft等多家公司共同开发的新型外设连接技术总线（Bus）各种总线插槽/端口的外观AGP插槽PCI32插槽PCI64插槽PCI-E插槽USB端口IDE端口SATA端口2022/10/27北京大学23基于大规模集成电路的半导体存储芯片一种随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）具有“易失特性”：掉电后，其内部存储的信息就会丢失主存储器的大小是计算机系统工作的性能指标之一。当前个人计算机内存配置：1G、2G、4G主存储器/内部存储器相对于内部存储器，外部存储器的容量要大得多，但存取速度却低很多。外部存储器的主要种类包括：硬盘、光盘/光盘驱动器、软盘/驱动器、磁带/磁带机等具有“非易失性”：掉电后，其内部存储的信息仍然会长时间或永久保留从物理原理上讲，它们是利用物质的光、电、磁等物理特性，来表示0/1数据外部存储器主机箱内的主要部件硬盘磁带磁带机光驱软盘光盘软驱主机箱内的主要部件机箱和电源个人计算机（台式机）：卧式、立式。标准卧式机箱：箱体架、前面板、开关式稳压电源及上盖板。机箱内部一般有软盘驱动器、光驱的安装位置，有一个到两个安装硬盘的空间。立式机箱的组成与卧式机箱基本相同，但它的内部空间较大。主机箱内的主要部件电源机箱基本输入输出设备基本输入设备键盘鼠标基本输出设备显示器2022/10/27北京大学30键盘不同类型的键盘键盘上按键的排列鼠标(a)鼠标

(b)跟踪球

(c)触摸板

显示器和显卡显示器和显卡共同完成计算机内信息在屏幕上的显示显卡主要技术指标：图形加速能力显存显示器端口图形处理器：GPU(GraphicsProcessingUnit)显存（显卡存储器）显示器和显卡显示器：CRT(CathodeRayTube，阴极射线管)、

LCD（LiquidCrystalDisplay，液晶显示器）

LED（LightEmittingDiode，发光二极管）显示器的主要技术指标（目前LED已成为主流）尺寸：15英寸、17英寸、19英寸、19寸宽屏等。点距：显示屏幕的象素间距，例如：0.28mm

分辨率：分辨率是指屏幕上可以容纳的像素的个数，640X480、800X600、1024X768、1200X800、1440X900刷新频率：即每秒刷新屏幕的次数。

辐射性和绿色环保能力。CRT显示器能耗高、辐射性也较强LED最为省电，环保显示器（a）CRT显示器

（b）LCD显示器

通信设备网络适配器无线网卡调制解调器电缆调制解调器网络适配器网络适配器（网卡），用于将计算机连接到局域网

局域网网线插口无线网卡用于将计算机连接到无线网络

调制解调器(Modem)基本功能：模拟信号和数字信号之间的变化用于通过普通公用电话网络与计算机网络建立连接，包括：ISDN（IntegratedServiceDigitalNetwork）接入卡ADSL（AsymmetricalDigitalSubscriberLoop）接入卡电缆调制解调器电缆调制解调器（CableModem），又名线缆调制解调器，它可以让计算机利用有线电视网进行数据传输。外围设备打印机绘图仪投影仪手写板/图形输入板/数字化板扫描仪/数码照相机/数码摄像机声卡/麦克/音箱激光打印机打印机点阵式打印机喷墨打印机滚筒式绘图仪

投影仪手写板

图形输入板数字化仪扫描仪摄像头

声卡麦克音箱硬件系统基本结构

—从计算机外观出发（由外而内）主机(计算设备、存储设备…)基本输入设备(键盘、鼠标)基本输出设备(显示器)通讯设备其它外围设备个人计算机—硬件系统概述从“冯·诺依曼”结构出发EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)1945年提出设计方案，1951年完成占地面积和消耗电力只有ENIAC的1/3每秒2000次乘法运算，

或10000次加法运算特点：采用二进制表示数据和程序使用“存储程序”的方式

对计算机进行控制冯·诺依曼（主要设计者）第一台现代意义上的计算机：EDVAC“冯·诺依曼”结构的基本思想“冯·诺依曼”结构计算机体系结构的核心思想是：存储程序。“存储程序”概念的内容可以概况为：计算机组成计算机硬件应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；表示方法计算机内部采用二进制来表示指令和数据；存储程序方式将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，自动启动计算机工作，使计算机在不需要人工干预的情况下，自动高效地从存储器中取出指令加以执行。现代计算机的结构：“冯·诺依曼”结构“冯·诺依曼”结构的基本思想“冯·诺依曼”结构计算机体系结构的核心思想是：存储程序。“存储程序”概念的内容可以概况为：计算机组成计算机硬件应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；表示方法计算机内部采用二进制来表示指令和数据；存储程序方式将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，自动启动计算机工作，使计算机在不需要人工干预的情况下，自动高效地从存储器中取出指令加以执行。2022/10/27北京大学59早期计算器现代计算机的结构：“冯·诺依曼”结构计算机硬件组成说明计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件，亦称算术逻辑部件（ALU）运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作运算器算术逻辑单元（ALU）累加器状态寄存器通用寄存器运算器现代计算机的结构：“冯·诺依曼”结构计算机硬件组成说明控制器是整个计算机系统的指挥中心，负责对指令进行分析，并根据指令的要求，有序地、有目的地向各个部件发出控制信号，使计算机的各部件协调一致地工作。控制器控制器的组成控制器控制器指令寄存器指令译码器定时与控制电路程序计数器标志寄存器堆栈和堆栈指针寄存器组最基本的计算机组成控制器运算器存储器输入设备输出设备中央处理器（CPU）CPU

CPU是中央处理器(CentralProcessingUnit)的英文缩写，它是计算机的运算控制中心，是计算机中集成度最高、最贵重的一块芯片。它是由几千~几千万个晶体管组成的超大规模的集成电路芯片。计算机所有数据的加工处理都是在CPU中完成的。CPU还负责发出控制信号，使计算机的各个部件协调一致地工作。

现代计算机的结构：“冯·诺依曼”结构存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。运算器存储器不同级别的存储设备存储设备主要用于存放计算机指令以及所要处理的数据；由于CPU处理速度非常快，而向存储器中读写数据的速度却相对较慢，造成对CPU处理能力的浪费；因此，在计算机内设有不同访问速度的存储设备，以尽可能充分利用的CPU处理能力存取速度制造成本CPU主存储器（内存）外存储器（磁盘）CPU寄存器高速缓存现代计算机的结构：“冯·诺依曼”结构计算机硬件组成说明输入设备键盘、鼠标、光学标记阅读机、图形（图像）扫描仪语音麦克视频摄像头I/O设备计算机硬件组成说明输出设备显示器、打印机、绘图仪影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备I/O设备计算机的核心主机板(简称主板)打开主机箱，里面的一块印刷电路板CPUROMRAM总线槽插座电池硬件系统基本结构

—从“冯·诺依曼”结构出发存储器运算器控制器输入设备输出设备输入信息输入信息CPU

CentralProcessUnit(中央处理器)硬件系统基本结构

—从“冯·诺依曼”结构出发存储器CPU输入设备输出设备分解为内部存储器外部存储器硬件系统基本结构

—从“冯·诺依曼”结构出发适配器CPU输入设备内部存储器适配器输出设备适配器外部存储器外围设备通过插入适配器上的端口，和适配器连接在一起适配器硬件系统基本结构

—从“冯·诺依曼”结构出发CPU输入设备内部存储器适配器输出设备适配器外部存储器

如何将这些部件连接起来？芯片组适配器硬件系统基本结构

—从“冯·诺依曼”结构出发CPU输入设备适配器输出设备适配器外部存储器

如何将这些部件连接起来？芯片组总线(Bus)内部存储器适配器输出设备适配器硬件系统基本结构

—从“冯·诺依曼”结构出发存在很多类型的总线；每一条总线一般会连接多个适配器；CPU输入设备适配器外部存储器芯片组内部存储器每一个适配器通过插入总线上的插槽/插座，和总线连接在一起适配器输入设备适配器输入设备适配器输入设备适配器输入设备适配器输出设备适配器输出设备适配器输出设备适配器输出设备CPU适配器适配器外存外存适配器适配器外存外存内存内存硬件系统基本结构

—从“冯·诺依曼”结构出发芯片组硬件系统基本结构

—从计算机外观出发（由外而内）主机(卧式机箱)显示器(CRT)键盘鼠标音箱耳机计算机软件系统的组成计算机硬件系统和软件系统计算机系统包括硬件系统软件系统系统软件操作系统其它系统软件：数据库、设备驱动程序、编译器、…应用软件计算机硬件系统和软件系统的层次关系计算机软件系统的组成面向硬件连接面向应用软件开发面向人们的各类实际需求计算机中最基础、最核心的软件操作系统的地位驱动程序数据库、工具软件/包、程序语言操作系统是

连接硬件和应用软件的中间层软件操作系统操作系统

是

计算机系统最基础的软件如果没有它的支持，作为用户的人简直就没有办法让计算机为自己做任何事情人使用计算机做任何事情都需要与操作系统打交道操作系统举例来说，我们在键盘上按了一下字母键a，键盘会把一串二进制代码送入计算机，随之可以看到字母a显示在屏幕上。是谁接收了键盘送去的代码并处理与之有关的问题？是操作系统在完成了一系列工作后，通过应用软件的配合，最终把这个字母送到显示器。这只是操作系统丰富功能的一个小侧面操作系统操作系统软件的主要任务是管理计算机系统的硬件资源和信息资源（程序和数据）。此外，操作系统还要为计算机上各种硬软件的运行及其相互通信提供支持，并为计算机的普通用户和管理人员提供各种服务。任务调度和资源分配操作系统的功能CPU管理和任务管理：对CPU的工作时间时间进行划片将CPU的各个时间片断分配给各项任务管理CPU在各个任务之间的切换存储资源管理：