第2章计算机系统1.ppt

第2章 计算机系统,外部存储器（硬盘、光盘、优盘） 输入设备（键盘、鼠标、扫描仪） 输出设备（显示器、打印机） 其他（网卡、显卡、声卡、视频卡）,计算机 系统,硬件 系统,软件 系统,主机,外部设备,CPU 内存储器 输入/输出接口 总线,系统软件,应用软件,操作系统 语言编译系统 工具软件 网络系统,OA软件 管理信息系统 图像处理系统,2.1 计算机系统的组成,硬件,操作系统,其它系统软件,应用软件,用户,计算机系统图：,2.1.1 硬件系统,冯诺伊曼(John Von Neumman)和他的同事门研制了第二台电子计算机EDVAC。提出了 “存储程序”的计算机设计方案，奠定了现代计算机发展的基础。以此概念为基础的各类计算机统称为冯诺伊曼计算机。 50多年来，计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域等方面有了很大差别，但基本机构没有变，都属于冯诺伊曼结构。 冯诺伊曼承认他的关于“存储程序”的想法来自于图灵。,冯 诺依曼机的特点：,1、计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。 2、采用二进制的形式存储程序和数据。 3、将编制好的程序存入计算机存储器，当计算机工作时，能自动地逐条取出指令并执行。,冯 诺依曼计算机结构,主机 外部设备,硬件系统是整个系统运行的物理平台,硬件系统的核心是主机，主机的核心是 CPU。,2.1.2 软件系统,软件系统是支撑硬件系统的逻辑平台，是计算机系统的灵魂、神经中枢和大脑。 软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。 软件系统的核心是系统软件，系统软件的核心是操作系统。,软件,系统软件,应用软件,操作系统,语言处理系统,数据库管理系统,各种服务性程序及网络程序,系统软件是管理、控制和维护计算机的各种资源，扩大计算机功能和方便用户使用计算机的各种程序的集合。,操作系统(OS，Operating System) 是配置在计算机硬件上的第一层软件，其它所有系统软件以及大量的应用软件，都依赖于操作系统的支持，所以它在计算机系统中占据了特殊重要的地位。,微型计算机操作系统,操作系统的远古霸主-DOS 操作系统当代大亨-Windows 诱人的小企鹅-Linux 神奇的精灵-FreeBSD 多彩多艺的艺术大师-BeOS,计算机的程序设计语言,1.机器语言 2.汇编语言 3.高级语言：,1.机器语言,计算机硬件能直接识别的计算机语言，每条语句是二进制形式的指令代码，有操作码和操作数组成。操作码指出进行什么样的操作，操作数指出参与操作的数或该数的内存地址。 缺点：难于记忆、工作量大、容易出错、调试修改麻烦。 优点: 执行速度快。,2. 汇编语言,用助记符代替操作码，用地址符代替操作数。汇编语言编写的程序叫做汇编源程序，不能直接在机器上运行，需要用“汇编程序”翻译成机器语言后才能执行。 优点: 易读、易修改，速度快 缺点：仍然“面向机器”，可移植性差。,3. 高级语言,用英语单词和数学公式按照语法规则编写程序。 优点: 接近自然语言，面向问题，编写简单、编程效率高。可移植性好。 缺点：速度慢，需要编译。,面向过程高级语言：FORTRAN、Pascal、C、BASIC等。 面向对象高级语言： C+、Java、Visual Basic等。,语言处理程序,高级语言是不能被计算机直接识别和执行的, 要运行用高级语言编写的源程序, 必须將其翻译成能被计算机理解和执行的机器语言程序具有自动翻译功能的程序, 称为高级语言处理程序.高级语言处理采用编译和解释两种方式,1) 解释方式 :BASIC、Java 解释方式是將高级语言源程序用该种语言的解释程序进行解释, 逐句翻译, 逐句执行, 即边解释边执行发现错误立即指出, 修改源程序后再次解释并运行, 如无语法错误即可得到运行结果 2) 编译方式:將源程序用该种语言的编译程序进行编译, 得到用机器语言描述的目标程序, 然后再调用连接程序將其与系统提供的标准子程序连接, 才能装配成可执行程序编译过程中发现的错误將被一一列出, 然后再调用编辑程序对源程序进行修改, 再进行编译连接直到无语法错误即可得到可执行程序, 运行可执行程序就能获得源程序预期的结果其他语言,第20页,1. 中央处理器,中央处理器简称CPU，主要包括：,运算器 进行加、减、乘、除运算 控制器 包括取指令、取数、运算顺序的控制 内部寄存器组 暂时存放中间的运算结果,运算器,通用寄存器,控制器,专用寄存器,内部总线,操作数,结果,2.2 微型计算机系统,运算器,对数据进行处理， 其主要部件是算术逻辑单元，即ALU(Arithmetic Logical Unit). 基本功能是进行算术运算和逻辑运算。 算术运算是按算术规则进行加、减、乘、除运算；逻辑运算是进行比较、移位、逻辑与、逻辑或、逻辑非等。,控制器,指挥计算机各部件协调工作。 控制器包括程序计数器PC(Program Counter)、指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器(Instruction Decoder)和操作控制器等,运算器和控制器合称为中央处理单元(CPU),CPU微机中央处理器,返回,CPU背面,CPU 插槽,CPU正面,微处理器的主要产品：微处理器大规模生产，主要有Intel 公司(英特尔)、AMD公司，Motorola公司、DEC公司。 Intel 的主要产品286、386、486、586、Pentuim(奔腾)系列、Celeron（赛扬）系列,酷睿等系列。,CPU的性能指标,CPU的性能是计算机系统的主要技术指标之一。 主要性能指标： 速度（主频）指每秒执行指令的条数或每秒主频振荡的次数；条数用MIPS来表示，即每秒百万条指令；Pentium Pro”可达400MIPS；主频振荡用MHZ来表示，即每秒百万次；“Pentium ”达 2.8GHZ，最快的微处理器主频达4GHz。 字长指CPU一次所能处理的数据的二进制的位数。 如果字长是16位，要处理64位的指令就要读取4次。 80386以下的CPU为16位字长，80386及以上的CPU为32位字长。 指令集功能 指令集功能强，计算机处理能力就强。,2. 存储器,存储问题 要运行的程序和要处理的数据都存放在内存中； 文件和程序在外存中永久保存； CPU和外部设备之间的处理速度是不匹配的，如何解决？ 小内存中能否存放、解决大的问题？ ,内存储器 外存储器,定义： 用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序。,主存、cache和虚存的关系,主存 运行程序和保存中间结果。 Cache 高速缓存，基于局部性原理，事先预测，把要调入的程序存入缓存，希望命中率越高越好。 外存 把磁盘的部分空间开辟为虚存。,微型机中的存储系统,通用寄存器,高 速 缓 存,主 存 储 器,联 机 外 存,脱 机 外 存,硬盘,磁带,内存（动态存储器）,高速静态存储器 周期1ns,速度快 容量小,容量大 速度慢,内存储器由存储体、地址寄存器、数字寄存器、译码器及写入电路等组成，因在主板上、CPU直接控制而得名“内存”。内存分为： 随机存储器RAM，供用户使用。 （Random Access Memory) 只读存储器ROM，供系统使用。 （Read Only Memory) 内存的性能指标是: 容量 越大越好；目前在1GB2GB 速度 存取数据的速度；一般在60 120 ns（毫微秒10-9 s），EDO内存为110 ns。,内存及插槽,返回,内存插槽,内存条,每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容的寻址。,内存单元的地址和内容,内存操作,读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变； 写：CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。,内存之外的存储器称为外存储器，外存储器不能被CPU直接访问。外存储器通常指磁盘、磁带、光盘等。磁盘又分为软磁盘和硬磁盘。 磁盘驱动器 磁盘是在磁盘驱动器的带动下工作的。驱动器的功能是： 控制磁盘的机械运动与磁头的定位，执行有关数据的传输命令。 完成数据的存取操作。 有哪些常用外存储器？,磁盘的每个盘片的两个表面都涂附了一层磁性材料，作为存储信息的介质。读写磁盘时，磁头直接接触盘面。 为便于寻址，每个盘面划分出许多不同半径的同心圆，称为磁道，每条磁道上又划分出等分的区段，称为扇区。磁道和扇区都分别编号，便于管理。,硬磁盘（硬盘机）是一种主要的外存储器。目前的微机一般都至少配备一台硬盘机。 在硬盘里保存着计算机系统工作必不可少的程序和重要数据（例如，系统引导程序、文件分配表等）。 硬盘具有容量较大、速度较快（7500转15000转/分）及可靠性较好等优点。 目前标准配置硬盘160320GB。, 保持使用环境的清洁 避免震动与冲击 避免频繁开关电源,硬盘使用注意事项,微机使用的小型硬盘机从外观上看是一个密封的金属盒子，其中有若干片固定在同一个轴上、同样大小、同时高速旋转的金属圆盘片。每个盘片的两个表面都涂附了一层磁性材料，作为存储信息的介质。靠近每个盘片的两个表面各有一个读写磁头。这些磁头全部固定在一起，可同时移到磁盘的某个磁道位置。 硬盘片表面分为一个个同心圆磁道，每个磁道又分为若干扇区，数据和信息是以扇区为单位存放在盘片上。,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。 软盘的特点是便于携带、交流、价格低。 常用软盘容量为1.44MB。 新型磁盘具有100MB250MB容量, 保持使用环境的清洁 不能弯折、划伤盘片 注意防潮，不要出现霉点 存放数据的盘，不要长期不用 重要数据盘，要关闭写保护,软盘使用注意事项,磁盘容量的计算公式,容量 = 记录面数×磁道数/面×扇区数/道×字节数/扇区,以软盘为例。3.5英寸高密度软盘，格式化后有2个面、每面80个磁道，每个磁道18个扇区，每个扇区存储512个字节。 其存储容量为： 存储容量 = 2×80×18×512 = 1.44MB,光盘是利用激光原理存储和读取信息的存储媒介。光盘具有体积小、速度快、容量大、可靠性高等特点。,光盘驱动器 只读型(CD-ROM) 追加型(WORM) 可擦写型（RW-CD),常用的是只读型光盘CD-ROM 光盘刻录机是写光盘的设备 后继产品DVD-ROM。,可移动介质,“优盘”是一种可读写的半导体存储器闪速存储器（Flash Memory）。性能指标：可擦写次数100万次以上，可保存10 年，存取速度比软盘快15倍，可望达到10GB以上。,内存储器 外存储器 CUP直接访问；快 CPU不能直接访问；慢 用于执行程序 用于存放程序 信息暂时存放 信息永久保留 价格贵 价格便宜 不便于交流 便于交流,3 .总线,总线 是连接计算机各部件的一簇公共信号线，它是计算机中各个部件之间传送地址、数据和控制信息的公共通道。 CPU内部的总线称为内部总线，CPU、存储器和I/O接口之间的总线称为外部总线。,现代微机中多总线结构示意图,北桥,CPU,磁盘控制器,南桥,PCI接口卡,主存储器,PCI总线,声效卡,MODEM卡,ISA接口卡,AGP总线,存储器总线,AGP显卡,ISA总线,前端总线,网络卡,USB卡,键盘、鼠标、串并行口,IBM 公司 8/16位标准总线、数据传输率为8MB/s,Intel 32/64位标准总线。适应性强、速度快、数据传输率为133MB/s。,一种专为提高视频带宽而设计的总线规范。,总线工作示意图,总线分类,总线主要性能指标,总线位宽（bit） 能同时传送的数据位数 总线的工作频率 决定了流量（MHz） 总线带宽（B/S） 单位时间内总线上可传送的数据量 总线的发展趋势是位数越来越宽（从8位发展到64位），传输速率越来越快（从16MB/s发展到1GB/s）。,4. 输入/输出接口,I/O接口是CPU与外部设备间的桥梁和通道。不同的外设要与主机相连都要配备不同的接口。 CPU和外存储器以及输入输出设备之间不能直接交换数据，必须通过“接口”设备来转接。,接口分类,串行接口 按位传送、效率低；适合远距离传输。例如，RS-232串口、打印机、鼠标接口。 并行接口 传输速度快、效率高。,输入接口 键盘 输出接口 打印机,模拟接口 Modem 调制解调器输出 数字接口 Modem 调制解调器输入,接口要解决的问题,速度匹配 CPU高速度与I/O设备低速度的匹配，通过缓冲区来解决 ； 信号的驱动能力 CPU需要的是低电平15V，而外设需要高电平，通过电平转换器、驱动器解决 ； 信号形式和电平的匹配 CPU只处理数字信号，外设的信号形式有多种，如模拟信号，数字信号和模拟信号之间的转换，即A/D、D/A； 信息格式问题 CPU总线传送的是8、16、32位并行二进制数据，而外设使用的数据格式、方式可能不同； 时序匹配 CPU的操作是在统一的时钟信号作用下完成的，而外设的定时和控制逻辑有所不同。,接口的功能,数据缓冲寄存 信号电平或类型的转换 增加信号的驱动能力 对外设进行监测、控制管理、中断处理等 实现主机与外部设备之间的运行匹配。,CPU插座 芯片组（固定在主板上的一组超大规模集成电路芯片总称，南桥、北桥） 内存插槽 系统BIOS（含上电自检、系统初始化、系统设置） CMOS（本意是指互补金属氧化物半导体存储嚣，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料)是微机主板上的一块可读写的RAM芯片，主要用来保存当前系统的硬件配置和操作人员对某些参数的设定. 总线扩展槽 串行、并行接口,主机的大部分部件主要安装在主机板上。例如CPU、内存、时钟发生器等重要部件和电路都安装在主板上。,5. 主板,第58页,第59页,APG扩展插槽,APG加速图形卡扩展插槽。,返回,APG扩展插槽,PCI扩展插槽,PCI扩展插槽 接插各种扩充设备;例如网卡、声卡、多功能卡、电视卡等。,返回,BIOS芯片,存放与主板匹配的基本输入/输出程序。,返回,南桥芯片,南桥负责磁盘与PCI之间的数据流通。,返回,北桥芯片,北桥负责CPU、内存和显卡间“交通”。,返回,外设接口,返回,12V电源接口,IDE 集成设备电子部件，连接硬、软盘、光盘等,USB接口,声卡、Midi接口,串行接口,CMOS电源,供主板时钟电源。,返回,6. 输入输出系统,输入输出系统：,I/O系统,输入输出设备 输入输出接口 输入输出软件,I/O设备可按传输方式划分：字符设备和块设备。 字符设备 以字符为单位传输的设备，如：键盘 块设备 以块为单位传输的设备，如：磁盘 按速度可划分为：高速设备和低速设备。 高速设备 例如光盘等； 低速设备 例如打印机等。 常用I/O设备有： 输入设备 键盘、鼠标器、数字化扫描仪、数码像机 输出设备 显示器、打印机、绘图仪,标准输入设备。用于编辑程序、输入数据、发出命令等操作。 键盘按键字数分为：101104键键盘。 键盘中的每个按键通过电路与计算机内部的扫描码一一对应，再由扫描码转换成ASCII码。,小键盘区,功能键区,控制键区,主键盘区,第70页,图形用户环境下的标准输入设备。用于选择窗口、菜单、控件等操作。 鼠标器分机械式和光电式。 鼠标的一个主要技术参数是分辨率（dpi），即鼠标每移动1英寸所能测出的点数。 操作方法极其简单。主要有4种形式的操作： 左键单击 选择对象 右键单击 击活快捷菜单 左键双击 执行选择的对象 左键拖动 移动选择的对象,左键,右键,滚轮,标准输出设备。用于显示交互式操作的对话框及操作结果，是人机对话的主要界面。 显示器用分辨率来衡量其性能，即屏幕画面的清晰度是由横、竖交叉点（像素）的多少来衡量。显然，像素点越密，图像就越清晰。,像素点,CRT显示器,液晶屏显示器,显示器显像原理与电视机的类似。屏幕上的文字或图形是由一个个像素点组成的。 今天计算机使用的大都是高分辨率图形显示器，常见分辨率有800×600，1024×768，1280×1024等多种。 分辨率越高，显示的图像越清晰、逼真。 显示器的适配器又称显示卡，显示器必须配备显示卡才能完成其显示功能。常用显示卡的标准为: ESA增强型图形适配器，640×480、16色 VGA视频图形阵列， 640×480、256色 SVGA超级VGA型，分辨率可达1280×1024，真彩色（ 16.7M色),显示适配器（显卡）,打印机是输出设备，它将输出结果在打印纸上印出。 微机配备的打印机一般分为： 点阵打印机 它的打印头是由若干行和列根打印针及驱动电路组成(16针、24针等),缺点:速度慢、噪声大； 喷墨打印机 是非击打式打印机，它将墨水通过喷墨管喷射到打印纸上，优点是：低噪声、质量好、价格低； 激光打印机 采用激光和电子放电技术，通过静电吸附墨粉后在纸上印出。它的主要特点是：速度快、分辨率高、无噪声、打印质量好、但价格较高。 打印机输出过程： 英文字符 打印机中有一个“字符发生器”，打印时，将字符自动转换成点阵信息印出； 汉字字符 采用类似方式将“汉字库”存放于打印机中，打印时，将汉字机内码自动转换成汉字点阵码印出。, 打印机的分辨率 点阵打印机常见的分辨率为每英寸180个点或300个点，记为180dpi（或300dpi）。常用的小型激光或喷墨打印机的分辨率为300600dpi。 打印机的幅面宽度 一般打印副宽为80个字符或132个字符。一般的打印幅面为A4型标准纸张。 打印速度 点阵打印机用每秒打印字符来表示，一般每秒300个字符，记为300cps。激光打印机以页面计数，每分钟输出几页到几十页，记为ppm。,电源 为计算机及外部设备提供电源动力。,