软件、硬件的相关知识

第二章计算机硬件及软件系统1.2计算机的软件系统内容提要1.1计算机硬件系统第1页，共51页。计算机系统

硬件系统

软件系统

主机

外部设备

控制器

运算器

辅助存储器(外存)硬盘、软盘、光盘、优盘

输入设备键盘、鼠标、话筒、光笔、扫描仪等。

输出设备显示器、打印机、绘图仪、音箱

存储器

系统软件

应用软件

操作系统数据库管理系统

编译或解释系统工具软件信息管理软件(工资、人事)辅助设计软件文字处理软件图形软件各种程序包……中央处理器(CPU)

主存储器(内存)

构成计算机各种物理设备的总称硬件是躯体，软件是灵魂；硬件支持软件，软件开发硬件；两者相辅相成，缺一不可。2.1计算机硬件系统组成软件=程序+文档第2页，共51页。计算机系统硬件主机中央处理器(CPU)运算器控制器内存储器只读存储器(ROM)随机存储器(RAM)外存储器——硬盘、软盘、光盘、优盘外部设备输入设备—键盘、鼠标、话筒、光笔、扫描仪等。输出设备——显示器、打印机、绘图仪、音箱软件系统软件操作系统语言编译系统数据库管理系统服务性软件应用软件文字处理软件信息管理软件图形软件辅助设计软件各种程序包一、计算机系统组成框图第3页，共51页。1.“程序存储”的工作原理（冯·诺依曼原理）程序存储的工作原理是由美籍匈牙利数学家冯·诺依曼在1946年提出的。这种计算机体系的基本思想是：二进制和程序存储控制。程序存储原理确定了计算机的基本工作原理是程序存储和自动控制，冯·诺依曼还提出计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备这五个基本组成部分，这也是迄今为止各种类型计算机的基本工作原理，超越冯诺依曼的计算机至今仍在探索和实验阶段。

第4页，共51页。

2.计算机硬件基本组成（外）存储器（内）存储器中央处理器（CPU）输入设备输出设备数据流地址控制流控制器运算器主机第5页，共51页。二、计算机的工作原理运算（处理）存储（记录）控制（协调）00000100000001000000100000000000000000000001111000000000000000000000000010000000001000000010000000000011111000000000000000000000000000000000000000000000000000110000001000000000000000000000111111111100000000000000000000000000000000000101111100001111000000000000000000000000010000001000000000000000

0000001100000010PC+1第6页，共51页。微机的基本配置：

主机箱、显示器、键盘和打印机。在主机箱内有主机板、多功能卡、显示卡、硬软盘和驱动器等，如下图所示：主机箱显示器键盘打印机音箱鼠标光驱第7页，共51页。

1.主板主板又名主机板、母板、系统板等，是位于主机箱底部的一块大型印刷电路板，有CPU插槽/插座、内存插槽、局域总线的扩展总线、高速缓存、时钟和CMOS主板BIOS、软/硬盘、串口、并口等外设接口、控制芯片等。内存插槽

扩展插槽cpu一、主机南桥芯片组：CPU内存、显存间交换数据北桥芯片组I/o等外设的数据传送、控制及附加功能第8页，共51页。2.CPU（CentralProcessingUnit中央处理器）②插卡式Slot①针脚式Socket中央处理器CPU：是一个大规模集成电路芯片。包括运算器和控制器。CPU可分为：第9页，共51页。微处理器MPU：它是将CPU、时钟脉冲发生器和系统控制器集成在一片或多片大规模集成电路上而形成的一个独立器件。控制器：类似人脑的中枢神经，是计算机的指挥系统，向各部件发出指令，控制计算机有条不紊地协调工作。运算器：完成计算机中的各种算术运算和逻辑运算的装置，由算术逻辑部件(ALU)及寄存器构成。CPU的功能是计算机主要技术指标之一，人们习惯用CPU的档次来大体表示微机的规格。例如，奔3的主频为450-733MHz。Pentium450MHz表示它的型号第10页，共51页。世界上第一款微处理器——4004,1971年代诞生。在这三十多年里，它一直按照“摩乐定律”发展。摩尔定律指出：芯片上晶体管的数量每18个月就会提高一倍，性能提高一倍。用来分隔信息及管道的晶体管壁等将接近到极值，而电子将自动漂移，晶体管的稳定性将消失，也就不可能控制电子流产生0，1信号了，这时摩尔定律将会失效。中国第一个拥有自主知识产权、通用高性能的“龙芯2号”于2005年3月29日在北京发布，是2002年9月28日发布的龙芯1号实测性能的10到15倍。该芯片是由中国科学研究院计算技术研究所研制。龙芯2号采用0.18微米的工艺，实现主频500MHz。第11页，共51页。

3.存储器随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)存储器内存外存磁盘光盘磁带……软盘硬盘128M、256M。存储正在执行的指令。CPU可以直接访问内存。断电即丢失信息。CPU不直接访问外存。永久保存信息存储器：存储程序和数据的记忆装置，是计算机中各种信息的存储和交流中心。第12页，共51页。（1）内存储器:内存(内存储器)是微型计算机主机的组成部分，用来存放当前正在使用的或随时要使用的程序或数据。CPU可以直接访问内存。第13页，共51页。（2）外存储器及其配置软盘存储器：可移动存储器，常用规格为3.5英寸，容量1.44MB，划分磁道、扇区以记录数据。硬盘存储器：固定存储器，容量在（40GB、80GB等），由多张盘片组成。划分盘面、柱面、扇区以记录数据。可直接被硬件系统识别。光盘存储器：不可直接被硬件系统识别。单倍速：150kB.CD—ROM，只光盘；一次写入型光盘；可擦写型光盘移动设备:

优盘、移动硬盘。

外存储器又称辅助存储器，用于存放等待运行或处理的程序或文件。外存储器一般不直接与微处理器打交道，外存中的数据应先调入内存，再由微处理器进行处理。为了增加内存容量，方便读写操作，有时将硬盘的一部分当做内存使用，这就是虚拟内存。CPU不直接访问，故速度慢于内存。第14页，共51页。

软盘一般有5寸盘(5.25“)和3寸盘(3.5”),高密3寸盘的存储容量为1.44M,高密5寸盘容量为1.2M，现在一般采用3寸盘。在DOS中用“A：”、或“B：”来表示软盘的盘符。软磁盘存储器由软盘、软盘驱动器和软盘适配器组成。软盘驱动器是读写装置，软盘适配器是软盘驱动器与主机连接的接口。软盘驱动器和软盘适配器都安装在主机箱里。①软盘存储器第15页，共51页。读写窗口挡板塑料壳轴盘连接孔盘片写保护孔3.5英寸软盘示意图●盘片

右图为3.5英寸软盘外观示意图，其写保护口中有一小拨块，当移动拨块露出方孔时软盘的记录格式与硬盘的非常相似，也是按磁道和扇区来存储信息。每张软盘对应两个记录面，每面含磁道数为80道，每道扇区数为18块，每块扇区字节数为512B。新购买的软盘必须经过格式化后方可使用。所谓格式化是指对磁盘按标准格式划分磁道、扇区，而且每个扇区按其格式填写地址信息及定义其容纳的字节数。

在划分磁道和扇区的同时，软盘还被分为4个区域。即引导扇区(BOOT)、文件分配表(FAT)、文件目录表(FDT)及数据区。第16页，共51页。磁道(track)：以盘片中心为圆心被格式化的一组同心圆．数据存储在软盘片的磁道内，磁道数一般为40或80,编号从0开始,即0—39或0—79，编号从外到内。扇区(sector)：将各个磁道划分的若干个扇形的区域。扇区是软盘的基本存储单位，一个扇区称为一个记录，计算机在读、写数据时总是以一个或几个完整的扇区为单位。软盘容量计算：容量=磁盘面数每面磁道数每磁道扇区512B。例如：容量=28018

512（字节）=1.44MB

扇区的编号从1开始。每个磁道上的扇区数可为8、9、15或18。每个扇区存储512个字节。面数(side)：分为单面(第0面)和双面(第0、1面)软盘。磁盘结构及磁道扇区划分磁道扇区末道0道第17页，共51页。②硬盘存储器

硬盘存储器简称为硬盘（Harddisk），它的性能、可靠性和价格比都优于软盘，并且大多数的软件也必须使用硬盘才能运行。散热对硬盘的稳定运行非常重要。硬磁盘的盘片是由铝合金制成，在两面镀镍钴合金后再涂上磁性材料，盘片组及磁头等密封在一个腔体内。3.5英寸温彻斯特盘第18页，共51页。

●硬盘的生产厂家主要有IBM、迈拓(Maxtor)、三星(Samsung)、希捷(ST，Seagate)、昆腾(Quantum)、富士通(Fujitsu)、西部数据(WD)等。每种品牌的硬盘都有若干个系列。主流产品一般采用UATA/33接口标准或UATA/66接口标准，转速为5400r/min或7200r/min，硬盘Cache为512kB以上，容量为40GB、80GB、160GB或更高。第19页，共51页。（3）光盘存储器

光盘存储器。光盘存储器主要包括光盘、光盘驱动器和光盘控制器。光盘的盘体由特殊的有机玻璃或透明塑料制成，上附一层金属薄膜(如铝等)用以记录信息。光盘的特点是记录密度高，存储容量大，数据保存时间长(可达50年以上)。光盘驱动器的原理与软盘驱动器相似。光盘驱动器由光盘读取头(激光头)电路系统、驱使光盘转动的主轴马达伺服系统、光头寻道定位系统和控制电路等几部分组成。激光发生器、接收器、反射镜和聚焦物镜等是光驱的关键部件。特点：

记录密度高，存储容量大，数据保存时间长。可提供680M的存储空间第20页，共51页。普通的内置式CD–ROM驱动器

第21页，共51页。光盘的种类：只读型光盘。只读光盘是一次成型的产品，其上面信息只能读出，不能写入，通常CD可提供650MB～700MB存储空间，主要用于存储视频图像的DVD，可提供4.7GB～17.7GB存储容量。b)一次性刻录光盘(CD－R和DVD－R)。一次性刻录光盘只能写一次，需用专门的光盘刻录机将信息定入，写入后不能修改。c)可擦写光盘(CD－R/W和DVD-R/W)。可擦型光盘是可以重复读写的光盘，但需要专用光盘刻录机操作。第22页，共51页。（4）移动设备①优盘：又名闪存盘或Ｕ盘，128MB、256MB等。是一种移动存储产品，采用闪存存储介质（FlashMemory）和通用串行总线（USB）接口，具有轻巧精致、使用方便、便于携带、容量较大、安全可靠、时尚潮流等特征。从稳定性上讲，优盘没有机械读写装置，避免了移动硬盘容易碰伤、跌落等原因造成的损坏。特点：防潮、耐高低温、抗震、防电磁波、容量大、携带方便等。第23页，共51页。②移动硬盘特点：容量大，单位存储成本低；速度快；兼容性好，即插即用；具有良好的抗震性能。移动硬盘以高速、大容量、轻巧便捷等优点赢得许多用户的青睐，而更大的优点还在于其存储数据的安全可靠性。移动硬盘大多采用USB、IEEE1394接口，USB1.1/USB2.0标准接口的传输速率分别为12Mb/s和480Mb/s，IEEE1394接口的传输速率是400Mb/s；另外其具有良好的抗震性能，这也是移动硬盘与台式机硬盘的主要区别之一。第24页，共51页。

主板外部接口是用来连接键盘、鼠标、音箱、麦克风、显示器、电源线、电话线等其它外部设备的。

二、总线与接口第25页，共51页。

微型计算机硬件系统由微处理器、存储器、各种输入/输出接口电路以及系统总线组成。

微处理器CPU

主存储器外存接口输入输出接口其他I/O口各种外设键盘、显示器等软、硬盘驱动器ABDBCB微型机的系统结构图如下：第26页，共51页。总线(BUS)

按其功能和传输信息的种类可以分为三类：数据总线(DB－DataBUS)、地址总线(AB－AddressBUS)和控制总线(CB－ControlBUS)，三者在物理上是一体的，工作时各司其职。

数据总线双向，是CPU同各部分交换信息的通路，其宽度与微处理器的位数相对应。

地址总线是单向的，负责传送地址码，由CPU送到内存单元或接口电路，地址总线的位数与所寻址的范围有关，如寻址1MB地址需要20条地址线(220＝1MB)。

控制总线是传送控制信号的，包括CPU送到内存和接口电路的读写信号、中断响应信号、时钟信号、中断申请信号、准备就绪信号等硬件系统结构普遍采用三总线结构。总线宽度指一次能并行传输的二进制位数。例如32位总线一次能传送32位数据。总线频率表征总线的速度，常见的总线频率有66MHz，100MHz，133MHz甚至更高。第27页，共51页。

按照总线所连接部件的不同，可以分为内部总线、系统总线和外设总线。

内部总线是用于同一部件内部的连接，例如CPU内部互连各寄存器和运算部件的总线。

系统总线是连接同一台计算机的各个部件，用于CPU与内存和输入输出设备适配器的连接总线。一组导线和相关的控制、驱动电路组成。总线互连多个部件，芯片之间、插板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息。总线的性能通过总线宽度和总线频率来表征。微型计算机的。系统总线是连接同一台计算机的各个部件，用于CPU与内存和输入输出设备适配器的连接总线。系统总线按其功能又可以分为数据总线、地址总线和控制总线三类，分别用来传送数据、地址和控制信号。第28页，共51页。从传送信息的方式上可分为串行接口和并行接口。串行接口中，接口和外设之间的信息按代码的位进行传送，微机上用来连接鼠标的RS-232C接口是一种常用的串口。并行接口和外设之间的信息交换都是按字节或字进行传送，各位同时传送，传送速度快。微机上连接打印机的LPT接口是一种常用的并口。目前，由Intel公司提出的新型接口标准USB(UniversalSerialBUS，通用串行总线)被广泛用于微机上。该接口是为了解决现行PC与各种外设的通用连接而设计的，其目的是使所有低速外设都可以连接到统一的USB接口上。由于它提供电源，支持热插拔，具有“即插即用”功能，因而成为目前最受欢迎的总线接口标准。接口从其在系统中的作用可分为输入接口和输出借口，而从其传输信息的类型又可分为数字接口和模拟接口。第29页，共51页。三、外设电源直流稳压电源：向主板、软盘驱动器、硬盘驱动器或光盘驱动器等提供电源(位于机箱内)不间断电源：用于交流稳压以及停电保护(如：UPS)第30页，共51页。1.输入设备键盘：分为四个区：主键区、功能键区、光标控制键区和小键盘鼠标器：有左键和右键，可以进行移动、左键单击（单击）、

左键双击（双击）、右键单击、拖动等五种基本操作

扫描仪：将图形、图片信息输入到计算机数码相机、话筒（语音）第31页，共51页。按键的数量分类：８３键，８８键，１０１键等。按制造工艺分类：机械式，电容式，薄膜式，电阻式等。（1）键盘第32页，共51页。键盘结构F1F2F3F4F5F6F7F8F9F10F11F12TabCapsShiftShiftCtrlCtrlAltAlt空格Enter←Esc←↑↓→主键盘功能键区光标控制键小键盘<>第33页，共51页。（2）鼠标第34页，共51页。鼠标结构左键右键滑轮101键标准键盘及鼠标USB的全称是UniversalSerialBus第35页，共51页。（3）扫描仪扫描仪是一种光电一体化的输入设备，它可以将图文形象转换成可由计算机处理的数字数据。（4）数码相机

主要的性能指标：像素、分辨率、存储容量、变焦性能和接口类型。第36页，共51页。2、输出设备①显示器：

最基本的输出设备，将主机对用户提交任务的处理结果以数字、字符、图形和图像等形式显示出来。分类：a)按显示器件：阴极射线管(CRT)、液晶(LCD)、发光二极管(LED)、等离子体(PDP)、荧光(VF)等。b)按显示颜色：单色、彩色。

第37页，共51页。②刻录机③声音输出设备扬声器音箱目前主要分为：CD-R和CD-RW两种类型。主要的技术参数：刻录速度、复写速度和读盘速度。④绘图仪：绘图仪是一种输出图形的硬拷贝设备。第38页，共51页。主要技术指标：打印速度：CPS（字符/秒）表示；打印分辨率：DPI（点/英寸）表示；最大打印尺寸：A4或A3。⑤打印机：可以对数据进行永久性保存，常用的基本输出设备，有点阵式、激光、喷墨打印机。第39页，共51页。四、微型计算机的主要性能指标1．时钟主频时钟主频是指CPU在单位时间内(秒)发出的脉冲数。通常以兆赫(MHz)为单元，如PentiumⅢ800是指其主频为800MHz，主频越高，计算机的运算速度越快(运算速度是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用百万次/s(MIPS)来描述)。2.内存容量内存容量反映内存存储数据的能力，内存容量越大，其运算速度也快，一些操作系统和大型应用软件常对内存容量有要求，如Windows98最低内存配置为32MB，建议内存配置64MB，Windows2000最低内存配置为64MB，建议内存配置为128MB第40页，共51页。3.字长字长是指CPU能够同时处理数据的二进制数位数。它直接关系到计算机的运算速度、精度和功能。有8位、16位、32位、64位之分，当前主流产品为32位。

4．外部设备配置微型计算机作为一个系统，外部设备的性能也对其有直接影响。例如磁盘驱动器的配置、硬盘的接口类型与容量、显示器的分辨率、打印机的型号与速度等。……字长第41页，共51页。…服务程序语言处理程序操作系统用户程序应用软件包工具软件…系统软件应用软件2.2软件系统系统软件生成应用软件第42页，共51页。软件：软件是为运行、管理和维护计算机而编制的程序和文档的总和，是指挥计算机工作的程序、与程序运行时所需的数据以及与这些程序和数据的有关说明的文档资料。可以扩大计算机的功能，提高计算机的效率。软件分为系统软件和应用软件两类。软件系统是计算机上可运行的全部程序的总和。只有通过软件系统的支持，计算机硬件系统才向用户呈现出强大的功能和友好的使用界面。一、系统软件

最接近硬件的一层软件，典型的系统软件有：操作系统、语言处理程序、工具软件等。系统软件通常包含操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和各种工具程序。第43页，共51页。1．操作系统

操作系统(OperatingSystem，简称OS)是控制和管理计算机全部软、硬件资源，为用户提供使用计算机资源的接口或界面。是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，是对硬件功能的扩充，配上操作系统的“裸机”被称为“虚拟机”，其功能更强大。其它软件只有操作系统的支持下才能运行。常用的操作系统有DOS、Windows、Unix、Netware等。2．程序设计语言和语言处理程序计算机是在程序控制下工作，而程序需要计算机程序设计语言来编写。对程序设计语言可以从不同角度进行分类，如面向对象的程序设计语言、结构化程序设计语言、面向机器的程序设计语言。也可根据程序设计语言与机器的联系程度将其分为机器语言、汇编语言、高级语言三类。前两者依赖于机算机硬件，有时统称为低级语言，而高级语言与计算机硬件关系较小。第44页，共51页。用汇编语言和高级语言编写的程序称为“源程序”，不能被计算机直接执行，必须把它们翻译成机器语言程序，机器才能识别及执行。这种翻译也是由程序实现的，不同的语言有不同的语言翻译程序，把翻译程序称为语言处理程序。因此，计算机上能提供的各种语言，必须配备相应的语言处理程序。通常的翻译有两种方式：编译方式和解释方式。编译方式是用相应语言的编译程序将源程序翻译成目标程序，再用连接程序将目标程序与函数库等连接，最终生成可执行程序，才可在机器上执行。解释方式是通过相应语言解释程序对源程序逐条翻译成机器指令，每译完一句立即执行一句，直至执行完整个程序

解释程序编译程序连接程序

↓

↓

↓

源程序→执行结果源程序→目标程序→可执行程序→执行结果第45页，共51页。3．数据库管理系统数据库是按一定方式组织起来的相关数据的集合。数据是用来记录信息的可识别符号，是信息的具体表现形式。同一条信息可以有多种不同的数据表现形式，例如可表现为文字、数值、图像、声音等。20世纪60年代开发出的数据库系统(DataBaseSystem,简称DBS)，使得数据处理成为计算机应用的一个重要领域。数据处理是一系列活动的总过程，包括收集、存储、加工、检索和发布，并在此过程中过滤掉无关数据，抽取最有价值的相关数据。4．工具程序服务程序是指一些公用的工具类程序，以方便用户对计算机的使用及维护管理。主要的服务程序有编辑程序、打印管理程序、测试程序、诊断程序等。5．设备驱动程序设备驱动程序是对连接到计算机系统上的设备进行控制驱动，使其正常工作的软件。在系统中可能已安装了某种设备，但只有安装并配置了适当的驱动程序以后计算机才能使用该设备。第46页，共51页。二、应用软件针对某个应用领域中的具体问题而编制的程序，字处理软件、电子表格软件、文件与磁盘管理软件、病毒防治软件、压