第二章 计算机系统基础

1、第二章 计算机基础知识,2.1 计算机系统的组成与工作原理 2.2 微型计算机的硬件系统,2.1 计算机系统的组成,系统软件 应用软件,计算机系统分为：硬件+软件,硬 件,软 件,计算机系统的组成,2.1.1 计算机系统的组成,1冯诺依曼计算机的设计思想,对计算机的体系结构和工作原理最具重大影响的是美籍匈牙利数学家冯诺依曼研制的EDVAC计算机。 计算机之所以能够按照人们的意志自动地进行工作，主要是采用了以原理： “存储程序”：数据和程序存储在计算机的内存储器中 “程序控制”原理：计算机各部件做什么工作、怎样工作、什么时候工作都是由指令控制的,冯诺依曼计算机的设计思想可归结为： 计算机应由五个

2、基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。 采用了程序存储和程序控制的原理。程序和数据存放在同一个存储器中，并按地址访问。 程序和数据以二进制表示。,2. 计算机系统的硬件组成,计算机硬件包括主机和外设,计算机的五大部件,冯.诺依曼思想： 二进制 程序与数据一样存放在内存 五大模块,微型计算机系统基本结构,处理器,运算器和控制器一起组成中央处理器，即CPU（Central Processing Unit），它是计算机的核心。,存储器,存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合， 每个记忆单元由8位二进制位组成，可读写其中的数据。,存储器,存储器通常分为内存储器和外存储器,存放大

3、量信息 的外存储器,信息交流中心 内存储器,存储器,每个记忆单元由8位二进制位组成。,1KB=210B=1024B 1MB= 210KB= 1024KB 1GB= 210MB= 1024MB 1TB= 210GB= 1024GB,存储器的有关术语简述如下： 位（Bit）：存放一位二进制数，是存储器的最小组成单位，简写为b。 字节（Byte）：八个二进制位为一个字节，即它是度量存储设备容量最基本的计量单位，简写为B。 字长（Length Word）：CPU在单位时间内（同一时间）能一次处理的二进制数据的位数叫字长。能处理字长为8位数据的CPU通常就称为8位的CPU，能处理字长为32位数据的CPU

4、就称为32位的CPU。字长越长，运算精度越高、处理速度越快，但是价格也高。 地址（Address）：在微型计算机中，整个内存被分成一个个字节，每个字节都由一个唯一的编号来标识，该编号称为地址。如同旅馆中每个房间必须有惟一的房间号，才能找到该房间内的人一样。,输入输出设备,输入设备：用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制数形式存放到内存中。常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。 输出设备：用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们能识别的形式。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音响等。,3.计算机系统的软件组成,计算机软件系统是计算机系统的重要组

5、成部分。计算机软件是程序、运行程序所需要的数据和使用、维护计算机所需的有关文档的总称。通常把软件分为系统软件和应用软件两大类。,1)系统软件,系统软件是控制计算机运行，管理计算机的各种资源并为应用软件提供支持和服务的平台。系统软件通常包括操作系统、程序设计语言处理程序、数据库管理系统及各种服务程序等,操作系统（Operating System）简称OS :用于管理和控制计算机所有的硬件和软件资源的一组程序,计算机硬件与其它软件的接口 用户和计算机的接口,（1）操作系统,（2）程序设计语言,计算机语言是指计算机能够接受和处理且具有约定格式的一种语言。所谓程序，是指使用计算机按照需要求解问题的算法

6、步骤，是计算机要执行的指令集合。而程序全部都是用我们所掌握的语言来编写的。所以，计算机程序所用的语言是人与计算机之间交换信息的工具。 计算机语言的种类非常的多，一般可分为机器语言、汇编语言和高级语言。,机器语言（Machine Language）,机器语言： 第一代计算机程序设计语言 人和计算机交互的一种最原始的语言 由“0”或“1”代码组成的，能被计算机直接识别和执行,指令：就是指挥计算机完成特定任务的一条操作命令，由操作码（又称指令码）和操作数两部分组成。,指令,10110000 00001111 00101100 00001010 11110100,例2.1 计算A=15+10的机器语言

7、程序如下：,把15放入累加器A中,10与累加器A中的值相加，结果仍然放入累加器A中,结束程序,总结：编程质量高、运行速度快。但由于机器语言非常难于学习、记忆，只适合专业人员使用,汇编语言（Assembly Language）,汇编语言： 第二代计算机程序设计语言 最接近机器指令的一种语言 用便于人们记忆的符号来替代机器指令的操作码,注意：CPU不能直接理解和执行用汇编语言编写的程序，必须通过汇编程序将汇编语言的指令翻译成机器语言指令表示的目标程序才能被机器理解和执行。,MOV A,15 ADD A,10 HLT,总结：比机器语言容易些，可读性更高，经汇编生成的可执行文件比较小，执行速度快；但汇

8、编源程序一般比较冗长、复杂、容易出错 。,把15放入累加器A中,10与累加器A中的值相加，结果仍然放入累加器A中,结束程序,例2.2 A=15+10的汇编语言程序如下：,高级语言,高级语言 第三代计算机程序设计语言 比较接近自然语言和数学表达式的、面向问题的程序设计语言 广泛流行的高级程序设计语言有Visual Basic、Visual C+、JAVA,例2.3 A=15+10的Visual Basic程序如下： A=15+10 Print A,总结：高级程序设计语言编写的程序与机器无关，程序的可读性好、可移植性好，容易学、容易编写。,注意：高级语言所编制的程序也是不能被计算机直接识别和执行的

9、，必须经过语言处理程序（即编译程序）翻译成机器语言后，才能被识别和执行。,（3）数据库管理系统 数据库管理系统是一种组织、储存、管理和处理信息的系统软件。目前，比较流行的关系型数据库管理系统（Data Base Management System，简称DBMS）有Access、SQL Server、Oracle、Sybase等。 （4）服务程序 服务程序也称为实用程序，能配合各类其他系统软件为用户的应用提供方便和帮助。如磁盘及文件管理软件，瑞星、金山毒霸等反病毒程序等。在Windows的附件中也包含了系统工具，包括磁盘碎片整理程序、磁盘清理等实用工具程序。,2）应用软件,应用软件（Applic

10、ation Software）是指利用计算机的软、硬件资源为某一应用领域解决某类具体问题而专门开发设计的软件。 例如，文字处理软件、电子表格软件、演示文稿软件、网页设计软件等属于应用软件。,常用的应用软件,（1）办公软件 办公软件是为办公自动化服务的，一般包括字处理、桌面排版、演示文稿软件、电子表 格等。目前常用的办公软件有Microsoft公司的Microsoft Office和我国金山公司的WPS Office。,（2）多媒体制作软件 多媒体制作软件是用于录制、播放、编辑声音和图形图像等多媒体信息的一组应用程序。 处理声音的软件 Wave studio、Mixer 处理图形图像的软件Aut

11、oCAD、PhotoShop 动画制作软件Flash、3DS Max,（3）Internet服务软件 Internet服务软件主要包括： 浏览器 电子邮件软件 文件传输软件 （4）娱乐与学习软件 CAI(Computer Assisted Instruction)计算机辅助教学。,2.1.2 计算机基本工作原理,指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码，完成一种操作。,数据传送指令 数据处理指令 程序控制指令 输入输出指令 其它指令,If Goto, And Or,对计算机的硬件进行管理等,指令,结构,分类,操作码 要完成的操作类型或性质 操作数 操作的内容或所在的地址,指令的执行过程,一条指

12、令的执行过程分为以下4步骤： 取指令 按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。 分析指令 对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。 执行指令 由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。 一条指令执行完成，指令计数器加1 或将转移地址码送入程序计数器，然后回到。,计算机完成一条指令所花费的时间称为1个指令周期，指令周期越短，指令执行越快,程序及程序的执行过程,程序：为完成一个处理任务而设计的一系列指令的有序集合。,例2.4 用C语言编写一个程序，求两个数

13、x，y的和sum，并将sum输出。 void main() int x,y,sum; scanf (%d,%d , ,微型计算机的诞生 1971年Intel的工程师马西安霍夫(M.E.Hoff)成功地在一个芯片上实现了中央处理器： 第一片4位微处理器 Intel 4004， 第一台4位微型计算机 MCS-4， 微处理器的发展：4位、8位、16位、32位、64位,2.2 微型计算机的硬件系统,微型计算机的基本结构:显示器、键盘和主机构成。 台式计算机的主机安装在主机箱内，在主机箱内有系统主板（又称母板）、硬盘驱动器、CD-ROM驱动器、软盘驱动器、电源等。,2.2.1 系统主板,微机中最大的一块

14、集成电路板 微机中各种部件的连接载体 主板主要有： CPU插座 控制芯片组 BIOS芯片 内存条插槽 AGP总线扩展槽 局部总线扩展槽其它各种接口,主板主要由两大部分组成：芯片、插槽/接口 芯片 BIOS芯片 北桥芯片 南桥芯片 若干集成芯片（如显卡、声卡、网卡等）,BIOS芯片：存有与该主板搭配的基本输入输出系统程序，能够让主板识别各种硬件，还可以设置引导系统的设备，调整CPU外频等。 北桥芯片：主板芯片组中起主导作用的最重要的组成部分，负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输。 芯片组的名称就是以北桥芯片的名称命名的，例如Intel 875芯片组的北桥芯片是82875

15、P。,南桥芯片：主要负责I/O接口控制、IDE设备（硬盘等）控制以及高级能源管理等。 南桥芯片和北桥芯片合称芯片组。芯片组在很大程度上决定了主板的功能和性能。,FLASH演示： 微型计算机系统基本结构演示 主板上各器件组装演示,2.2.2 CPU,(1) CPU主要性能指标 CPU的位数=CPU的字长=CPU中通用寄存器的位数(位宽) 字长：单位时间内能一次处理的二进制的位数。 通用寄存器的位数：等于字长 例如：32位CPU=CPU的字长为32=CPU中通用寄存器为32位,CPU外频：CPU的系统总线的工作频率 CPU主频：CPU的时钟频率、CPU的工作频率，单位一般是兆赫兹（MHz），通常所

16、说的133、166、450等就是指CPU的主频。主频越高，CPU的速度就越快，整机的性能就越高 主频=外频*倍频 生产工艺技术：通常用微米m来描述，但最新的CPU制造工艺已达nm级，可以极大地提高CPU的集成度和工作频率。,(2) Intel当前主要微处理器,Pentium(奔腾)系列,Pentium,Pentium MMX,Pentium 2,Pentium 3,Pentium 4,Pentium 4：普通的CPU，应用于台式电脑 Pentium M：2003年，用于笔记本电脑，即迅驰，支持无线上网 Pentium D：2006年，应用于台式电脑 ，双核心的.,Pentium M,Penti

17、um D,当今 主流 CPU,Celeron(赛扬)系列,Pentium的廉价版本 核心技术与Pentium相同。 主要区别：无一级Cache，但可有二级Cache 目前达到： 主频已达到2.80 GHz，256KB二级Cache,Itanium(安腾)系列,64位微处理器,Itanium,Itanium 2,下一代Itanium,2001年,2002年,400MHz系统总线频率 32KB一级缓存、256KB二级缓存 超大容量的三级缓存（3MB、4MB或6MB）,90nm工艺制造，三级Cache达到9MB,Xeon(至强)系列,2003年3月推出，用于服务器和工作站的处理器。 速度最快：3.0

18、6 GHz主频，533 MHz总线频率，512 KB L2 支持超线程技术,Banias(迅驰)系列,迅驰(Centre Neutrino，Centrino)移动计算技术由3个部分组成： Pentium M移动式处理器 Intel 915系列芯片组 Intel PRO无线网络芯片 集成的芯片产品命名为Banias， 用Centrino技术装备的笔记本电脑，可以方便地进行无线上网,(3) 早期使用过的CPU(Intel),1971年 4004 4位,1972年 8008 8位,1978年 8086 16位,1982年 80286 16位,1985年 80386 32位,1989年 80486 3

19、2位,1993年 Pentium32位,1995年 Pentium Pro 32位,1999年 Pentium III 32位,2000年 Pentimu 4 32位,1997年 Pentium II 32位,1996年 Pentium MMX 32位,(4) 国产CPU龙芯,标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了“零”的突破，打破了我国长期依赖国外CPU产品的无芯的历史。,2.2.3 存储器,根据存储器的功能特征，可分为内存储器(简称内存,又称主存)和外存储器(简称外存,又称辅存)。 内存：ROM、RAM、Cache 速度快，容量小，价格较高，可由CPU直接访问。 ROM：可以读，不可以

20、写；掉电后数据不会丢失 RAM：可以读，也可以写；掉电后数据丢失 外存：磁盘、光盘、优盘 速度慢，容量大，价格低，CPU不可以直接访问。, 随机存取存储器 Random Access Memory，RAM CPU可对它们直接读写,掉电后数据会丢失 目前主要是采用动态随机存储器DRAM ，制作成内存条形式出现,1 内存储器,笔记本电脑内存条,台式机内存条,FLASH演示： 存储器写操作演示 存储器读操作演示, 只读存储器 Read only Memory，ROM CPU对它们只可以读，不可以写，断电时信息不会丢失。 ROM中一般存放计算机系统管理程序。 高速缓冲存储器Cache CPU速度快、内

21、存速度慢，为了协调两者的速度设置Cache Cache一般采用静态随机存取存储器SRAM构成，速度约是DRAM的10倍。,FLASH演示： Cache工作演示, 软盘,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,3 外部存储器,容量=磁面数磁道数扇区数扇区字节数,例如，3.5英寸软盘格式化后两个面上都可以存储数据，每面80磁道，每磁道18个扇区，每扇区可存放512字节，故其容量为：,28018512 B=1474560 B,约为1.44 MB。,重要概念： 磁道 扇区 柱面,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

22、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, 硬盘,硬盘的主要技术指标有两个：存储容量和转速。 存储容量：一般以GB为度量单位，目前，硬盘存储容量已经超过3TB。 转速：指硬盘盘片每分钟转动的圈数，单位为rpm，是标示硬盘档次的重要参数之一，转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快。,特点：容量大、成本低廉、便于携带， 保存时间长。 类型： 只读型光盘CD-ROM 一次性可写入光盘CD-R ,需要光盘刻录机完成数据的写入 可重复刻录的光盘CD-RW 衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速 一倍速率=150kb/s 40倍速光驱数据传输速率可达到40150kb/s=6Mb/s。,

23、 光介质存储器, 移动存储产品,(a) 移动硬盘 数据接口电路有三种： USB 1.1 速度可达每秒12MB USB 2.0 速度可达每秒480MB IEEE 1394 速度可达每秒450MB,(b) Flash存储设备 用Flash Memory芯片构成的存储介质 广泛用于数字摄像机、数码相机、MP3 播放器、PDA等 采用USB的接口 可擦写100万次以上 USB有两个规范： USB 1.1 可达12Mbps。 USB 2.0 可达480Mbps USB 2.0可以向下与USB1.1兼容,总线：连接CPU、存储器和外部设备的公共信息通道,2.2.4 总线与接口,处理器,存储子 系统,I/O

24、子 系统,总线分类,地址总线:传输地址信息 数据总线:传输数据信息 控制总线:传输控制信息,内部总线：连接CPU的各个组成部件（芯片内部） 系统总线：连接计算机中各大部件 外部总线：连接计算机和外部设备,连接对象,传输对象,并行总线:通信速度快、实时性好 串行总线:简易、方便、灵活,通信方式,计算机与外部设备接口,(1) 串行接口 插座有为9或25个针 (插头为孔) 早期用于连接鼠标和调制解调器 设备名：COM1、COM2、 一次只能传输一位数据,(2) 并行接口 插座上有25个小孔(插头为针) 常用于连接打印机 设备名：LPT1、LPT2 一次并行传送一个字节,(3) USB接口 目前外设的

25、主流接口方式，绝大多数外设都能支持USB接口 特点：支持热插拔、传输速率较高 USB 1.1 可达12Mbps USB 2.0 可达480Mbps USB 2.0向下与USB1.1兼容,FLASH演示： 串行接口传送演示 并行接口传送演示,2.2.5 输入/输出设备,1. 输入设备 将输入的数据、程序等转换成二进制，并送入内存。,键盘,光电鼠标,扫描仪,光笔,轨迹球,触摸屏,游戏操纵杆,2. 输出设备,显示器, 针式打印机,喷墨打印机,激光打印机,将计算机处理的结果转换成人们能够识别的数字、字符、 图像、声音等形式显示、打印或播放出来,1）显示器与显示卡,计算机的显示系统由显示器与显示卡两部分

26、组成。 1显示器(监视器) 是计算机最主要的输出设备之一，主要有以下几类。 CRT显示器：使用阴极射线管的显示器。 LCD显示器：又称液晶显示器，优点是机身薄、占地小、辐射小，给人以一种健康产品的形象。 LED显示屏：一种通过控制半导体发光二极管的显示方式。目前，LED显示器已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等。 PDP等离子显示屏：继阴极射线管和液晶屏之后的一种新颖直视式图像显示器。,显示器的性能指标： 分辨率：显示器所显示的图形和文字是由许多“点”组成的，这些点称为像素。屏幕上水平方向和竖直方向所显示的点数（像素数）即为分辨率。 1024768 刷新频率：屏幕上的图像每秒钟刷新的次数，以Hz为单位。只有刷新频率在75Hz以上，人眼才没有明显的感觉。 显示内存：设置在显示卡内，它是CPU与显示器之间的数据缓冲区，显示器要从显存中读取信息再进行显示，显存越大，屏幕上的图像越连续。 颜色的位数：颜色的位数越多，颜色数量越多，显示的色彩越逼真。例如，将颜色位数设置为24位（真彩色），则颜色数量为224种。,2显示卡 显示卡（显示接口卡，显示适配器，显示器配置卡）简称为显卡，通常将显卡分为两类： (1)集成显卡