new第2章计算机系统组成

1、第2章计算机系统组成大学计算机基础2.12.1计算机硬件系统2.22.2计算机软件系统2.32.3计算机性能指标和基本配置 完整的计算机系统需要硬件（Hardware）和软件（Software）两部分。硬件系统是软件系统运行的基础，软件系统则是人与计算机系统进行信息交流的媒介。计算机系统计算机系统硬件硬件软件软件两者缺一不可2.1 计算机硬件系统计算机硬件系统主机箱音箱鼠标键盘显示器台式计算机外观2.1 计算机硬件系统计算机硬件系统台式计算机主机箱内部结构各种计算机的外观各种计算机的外观 桌面一体机智能手机笔记本式计算机平板计算机无论计算机的外观如何变化，其内部的硬件结构都大同小异，都属于冯诺

2、依曼体系结构的计算机，均拥有输入设备、控制器、运算器、存储器、输出设备五大核心部件。五大核心部件五大核心部件 输出设备输出设备 输入设备输入设备 运算器运算器 控制器控制器 存储器存储器程序和数据程序和数据控制流控制流CS数据流数据流DS计算结果计算结果五大核心五大核心部件部件功能功能1、 输入设备输入设备 Input devices：从计算机外部输入信息从计算机外部输入信息2 、存储器、存储器 Memory Unit：存放数据、指令等存放数据、指令等4 、控制器、控制器 Control Unit (CU)： 分析指令，控制指令的执行，协调其它部件工作分析指令，控制指令的执行，协调其它部件工作

3、3 、运算器、运算器 Arithmetic and Logic Unit (ALU)： 执行算术、逻辑运算执行算术、逻辑运算5 、输出设备、输出设备 Output devices ：将加工后的信息输出将加工后的信息输出 运算器和控制器运算器和控制器是信息处理的中心部件，所以它们合称为“中央处理单元中央处理单元”（CPU：Central Processing Unit）。 内存、内存、CPU在信息处理操作中起主要作用，是计算机硬件的主体部分，通常被称为“主机主机”。 而输入（Input）设备和输出（Output）设备统称为“外部设备”，简称为外设或I/O设备。 个人计算机的硬件组成个人计算机的硬

4、件组成个人计算机的硬件组成个人计算机的硬件组成硬件 主机 外围设备 中央处理器 （CPU） 内存储器 运算器 只读存储器（ROM） 外存储器（硬盘、闪存盘、光盘和磁带机等） 其他（网卡、调制解调器、声卡、显卡、视频卡等） 输出设备（显示器、打印机、投影仪、绘图仪、扬声器或音响等） 输入设备（键盘、鼠标、传声器、扫描仪、触摸屏和光笔等） 控制器 随机存储器（RAM） 高速缓冲存储器（Cache） 0102020203位二进制代码串中的每一个“0”或“1”称为“位”或者“比特”（bit），是计算机信息表示的最小单位。存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备。它根据控制器指定的位置存入和取出信

5、息。存储器所能容纳的数据总量称为存储容量。字节8位称为1字节（B），记为1 B，为计算存储器容量的基本单位。2.1.2 信息存储原理信息存储原理存储单位换算存储单位换算单 位换 算 结 果1 B（字节）=8 bit1 KB（千字节）=1024 B=210 B1 MB（兆字节）=1024 KB=10241024 B=220 B1 GB（吉字节）=1024 MB=10241024 KB=102410241024 B=230 B1 TB（太字节）=1024 GB=10241024 MB=102410241024 KB=240 B存储地址存储地址存储器中每个存储单元都指定一个编号，根据编号计算机就能快

6、速地存取指定存储单元中的数据，这个“编号”称为存储单元的“地址”。此单元存放A此单元存放B此单元存放C此单元存放D此单元存放E通过数据总线，可以取出存储单元中的数据通过地址总线，可以定位任意一个存储单元存储器由若干连续的存储单元组成，每个存储单元都有唯一标识的标记地址，可以存储一个字节的数据存储器分类存储器分类存储器内存RAM（随机存储器）DRAM(内存条)SDRAMDDR SDRAMDDR2 SDRAMDDR3 SDRAMSRAMCacheROM（只读存储器）外存硬盘光盘U盘各种移动设备内嵌式BIOS ROM芯片RAM内存条硬盘ROM只读不写，不会因断电而丢失数据。如BIOS就是固化在主板上

7、ROM芯片中的一组程序RAM可读可写，断电后数据消失。按照RAM 是否需要周期性充电，可分为动态内存（DRAM）和静态内存（SRAM）两种。DRAM主要用于大容量内存储器，也就是内存条，每条容量一般在512 MB2 GB之间，价格较低，集成度较高，升级灵活，存取速度相对较慢。SRAM在存取速度和稳定性上均优于DRAM，但是集成度较低，价格较高，主要用于Cache。Cache主要作用是缓解高速CPU与低速RAM的速度冲突问题。CPU读取数据的先后顺序为缓存器高速缓存内存储器。内存储器特性内存储器特性2.1.4 外存储器外存储器硬盘硬盘硬盘全称为硬盘驱动器，由一个或者重叠的一组铝制或玻璃制的盘片组

8、成。这些盘片外覆盖了铁磁性材料。绝大多数硬盘都是固定硬盘，被永久性地密封在硬盘驱动器中。读/写磁头磁头臂盘片主轴产品标签图2-9 西部数据2 TB硬盘外观 图2-10 硬盘内部结构2.1.4 外存储器外存储器硬盘硬盘硬盘在使用前要先分区，然后对每个分区进行格式化之后才能使用。硬盘的每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号。多个盘面上具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512 B的信息。在老式硬盘每个磁道的扇区数相等，外道的记录密度要远低于内道，浪费磁盘空间

9、。后来采用等密度结构生产硬盘。外圈磁道的扇区比内圈磁道多，寻址方式也改为线性寻址，即以扇区为单位进行寻址。固态硬盘固态硬盘近年，市场上出现了一种运行速度较快的新型硬盘固态硬盘（Solid State Disk），是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，由控制单元和存储单元组成，存储介质分为FLASH芯片和DRAM芯片两种。固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。其芯片的工作温度范围很大（-4085），成本较高。目前正在逐渐普及到笔记本式计算机和高端PC市场。光驱和光盘光驱和光盘光驱是计算机中比较常见的一个配件，可分为CD-ROM、DVD

10、-ROM、Combo、DVD-RW等。光盘是一种在塑料片上加入一层金属薄膜，并利用激光来识别数据的存储设备。其轨道设计不同于一般磁盘的同心圆方式，它是以螺旋纹的方式设计的，称为光道。沿着光道从内到外压制有一连串的凹坑，通过激光的反射来读出其中存储的信息，如图2-14所示。通常CD可容纳650700 MB 的数据，DVD能存储4.730.0 GB的数据。光驱的主要性能参数光驱的主要性能参数参数说 明倍速指CD光驱的读取速度，以150 KB/s数据传输率的单倍速为基准，如24倍速CD光驱的数据传输率为3 600 KB/s，而DVD光驱的单倍速则是指1 350KB/s，如8倍速DVD光驱的数据传输率

11、为10 800 KB/s，但由于数据读取方式的限制，高倍速光驱并不能总是运行在其标称的速度下，只是在读取某一位置时达到的最大数据传输率容错性容错性指光驱的读盘能力。该指标通常与光驱的速度有关系，通常速度较慢的光驱的容错性要优于高速产品。对于40倍速以上的光驱，最好选择具有人工智能纠错功能的光驱高速缓存缓存配置高不仅可以提高光驱的传输性能和传输效率，而且对于光驱的纠错能力也有非常大的帮助。常见的光驱缓存大小介于256 KB1 MB之间可移动存储设备可移动存储设备许多移动存储设备在计算机上都显示为“可移动磁盘”，大多通过USB 接口传输数据，在Windows系统中可即插即用，而且具有高兼容性与跨平

12、台的特性。 闪存盘 闪存卡 移动硬盘 MP4 CPU简介包括控制器与运算器两大模块。主要的工作就是提取指令，将指令译码和执行。 CPU有两个重要的性能指标，即字长和主频。字长是计算机在单位时间内能一次处理的二进制数的位数。字长越长，计算精度越高，运算速度也越快。字长一般有16位、32位或64位几种。主频就是CPU内核工作时的时钟频率，反映了计算机的工作速度。主频越高，计算机工作速度越快。CPU主频=外频倍频系数多核CPU是指在一枚CPU中集成两个或多个完整的计算引擎（内核），可以在处理器内部共享缓存，须搭配支持多CPU的操作系统和应用程序才能发挥其性能。中央处理器中央处理器CPUIntel C

13、ore 2四核Q94002.1.6 主板主板主板（Mainboard）是计算机中最大的一块集成电路板，安装在机箱内，是计算机最基本的也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元器件。总线结构总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。根据传输信息种类划分为控制总线、数据总线、地址总线。扩展插槽接口与主板连接的扩展插槽接口主要包括ISA、EISA、VESA、PCI、AGP、PCI Express等几种。USB接口已成为计算机和大量智能设备必

14、配的接口之一，支持设备的即插即用和热插拔功能。USB 1.0传输速度1.5 Mbit/s，USB 2.0速度480 Mbit/s，USB 3.0速度可达5.0 Gbit/s。硬盘接口硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度2.1.7 总线和接口总线和接口其他常用接口其他常用接口USB接口IEEE 1394串行接口音频接口PS/2接口VGA接口DVI接口 2.1.8 输入设备输入设备 输入设备（Input Device）是将数据和信息输入计算机主机的设备，键盘、鼠标是最主要的输入设备，此外还有扫描仪、数码照相机、

15、数码摄像机、传声器、摄像头、操纵杆、触摸屏、条形码阅读器等。 键盘和鼠标 扫描仪数码照相机 数码摄像机 摄像头2.1.9 输出设备输出设备 输出设备（Output Device）顾名思义就是将计算机中的数据输出的设备。常见的输出设备有显示器、打印机、磁记录设备、绘图仪和音箱等。显示器根据制造材料的不同可分为阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（LCD）、发光二极管（LED）显示器、等离子显示器（PDP）等类型。技 术 指 标屏幕尺寸响应时间分辨率刷新频率色彩位数常用的打印机，主要有针式、喷墨和激光3种2.2 计算机软件系统计算机软件系统软件与硬件是相辅相成的，没有软件，就没有人机交互界面，用

16、户根本无法使用计算机。而要让计算机使用更加方便，就需要开发具有各种功能用途的软件来丰富计算机的功能。软件是计算机系统中重要的、必不可少的组成部分。2.2.1 软件分类软件分类 软 件 系 统 软 件 应 用 软 件 操 作 系 统 、 语 言 处 理 程 序 支 撑 软 件 、 系 统 服 务 程 序 M icrosoft O ffice、 A utoC A D Photoshop、 Flash 其 他 应 用 软 件 2.2.2 指令和指令系统指令和指令系统 指令就是指示计算机执行某种操作的命令，如加、减、乘、除和逻辑运算等。一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。由操作

17、码和操作数地址码两部分构成。指令系统是指计算机所能执行的全部指令的集合。不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同，一般均包含算术运算型、逻辑运算型、数据传送型、判定和控制型、移位操作型、位（位串）操作型、输入和输出型等指令。名 称功 能 说 明操作码规定计算机进行何种操作，如加、减、乘、除、数据传送等操作数地址码指出参与操作的数据放在哪里以及操作的结果保存到哪里表2-10 指令的构成2.2.3 程序与计算机语言程序与计算机语言 程序 程序是指挥计算机实现某一特定功能的一组命令序列，是指令的有序集合，是由程序计数器控制的一系列语句和指令程序设计 程序设计是指设计、编制、调试程序的方法和过程

18、，其内容涉及有关的程序基本概念、编程工具、方法以及方法学等，是目标明确的智力活动。计算机语言 计算机语言指用于人与计算机之间通信的语言，是人与计算机之间传递信息的媒介。计算机语言主要分为机器语言、汇编语言和高级语言3种。使用汇编语言和高级语言编写的程序称为源程序，而使用机器语言编写的程序则称为目标程序。语言处理程序语言处理程序 计算机并不能直接接收和执行用汇编语言或高级语言编写的源程序。源程序在输入计算机时，必须经由语言处理程序“翻译”成机器语言形式的目标程序，才能被计算机识别和执行。汇 编 语 言 源 程 序 汇 编 程 序 进 行 汇 编 机 器 语 言 目 标 程 序 （ a） 汇 编

19、程 序 高 级 语 言 源 程 序 编 译 程 序 进 行 编 译 机 器 语 言 目 标 程 序 （ b） 编 译 程 序 高 级 语 言 源 程 序 解 释 程 序 解 释 执 行 （ c） 解 释 程 序 运 行 结 果 计算机语言计算机语言 机器语言机器语言是二进制编码形式的机器指令及其使用规则的集合。它是目前计算机硬件唯一可以直接识别和执行的语言。如某种计算机的指令为10110110 00000000，它表示让计算机进行一次加法操作；而指令10110101 00000000则表示进行一次减法操作。它们的前8位表示操作码，而后8位表示地址码。汇编语言汇编语言是一种符号语言。例如：LDA

20、 x 表示取数x。每一种处理器都会有自己专属的汇编语言语法规则和编译器。即使是同一种类型的处理器，也可能拥有不同的汇编语言编译器。低级语言包括机器语言和汇编语言，这两种语言都是面向机器的语言高级语言高级语言接近人们日常熟悉的自然语言和数学语言，可读性强，编程方便。目前绝大部分的程序员编写程序时多使用高级语言。高级语言有许多种，使用比较普遍的有C、C+、Pascal、C#、Visual Basic、Delphi、Java、Python、Lisp和Prolog等。程序设计语言程序设计语言 计算例子计算例子s=x+y-z，用，用C语言实现，语言实现，可写可写成成：main() /*程序开始*/ in

21、t x,y,z; int s; printf(please input x:); /*提示输入x*/ scanf(%d,x); /*从键盘输入x值*/ printf(please input y:); scanf(%d,y); printf(please input z:); scanf(%d,z); s=x+y-z; /*计算x+y-z 的结果值存入s*/ printf(x+y-z=%d,s); /*输出s*/2.2.4 程序设计方法程序设计方法 程序设计的过程就是分析要解决的实际问题，得出解决问题的具体方法和步骤，并且用某种计算机语言编写成可执行程序的过程。在这个过程中需要构建合适的数据结

22、构并设计有效的算法，因此有：数据结构算法程序设计2.2.4 程序设计程序设计方法两大类方法两大类 面向过程在解决问题时采用功能分解方法，即将一个系统看作一些功能块的组合，这些功能块可以被进一步分解，直到参与设计和编程的人员可以理解的步骤和过程为止。面向过程的程序设计方法只允许全部程序均由顺序、分支和循环3类基本结构构成。常用的面向过程程序设计的高级语言主要有C语言、Basic语言、Pascal语言、Fortran语言、COBOL语言、Ada语言等。面向对象通过面向对象的方式，将现实世界的事物抽象成对象，现实世界中的关系抽象成类、继承，帮助人们实现对现实世界的抽象与数字建模。更有利于采用人能理解

23、的方式对复杂系统进行分析、设计与编程。系统可以像搭积木一样被快速开发出来。常用面向对象程序设计的高级语言主要有Java、C+、C# 、Visual Basic、Delphi等。程序设计程序设计3类基本结构类基本结构两种程序设计方法对比两种程序设计方法对比 面向过程 程序的可重用性差 通讯机制几乎空白 数据处理范围较小 程序的数据与操作相分离面向对象 程序不易理解 初学者入门有困难 程序的依赖性分析有难度两种方法对比两种方法对比-开发五子棋游戏开发五子棋游戏 面向过程 开始游戏 黑子先走 绘制画面 判断输赢 轮到白子 绘制画面 判断输赢 返回步骤2 输出最后结果将上述9个步骤分别用函数来实现，问

24、题就解决了。面向对象黑白双方，这两方的行为是一模一样的棋盘系统，负责绘制画面规则系统，负责判定诸如犯规、输赢等第一类对象（玩家对象）负责接受用户输入，并告知第二类对象（棋盘对象）棋子布局的变化棋盘对象接收到棋子的变化就要负责在屏幕上面显示出这种变化利用第三类对象（规则系统）来对棋局进行判定。面向对象的相关理论面向对象的相关理论 类对象方法继承封装多态抽象2.2.5 Python语言语言 Python是一种面向对象、直译式的解释性编程语言，语法简洁而清晰，具有丰富且强大的类库。Python将源代码转换成名为字节码的中间形式，然后再将字节码翻译为计算机的机器语言并运行。在此过程中不用担心编译程序和

25、加载依赖库，这使Python更易使用。同时也使Python具备更好的可移植性。Python能够很轻松地把用其他语言制作的各种模块（尤其是C/C+）联结在一起。常见的一种应用情形是，使用Python快速生成程序的原型（有时甚至是程序的最终界面），然后对其中有特别要求的部分，用更合适的语言改写，比如3D游戏中的图形渲染模块，速度要求非常高，就可以用C+重写。第一个第一个Python程序程序 采用两种方式实现Hello World的输出。 选择“开始”“所有程序”Python 3.3 IDLE（Python GUI），打开Python Shell窗口。 单步直译运行方式：在提示符号“”后输入prin

26、t(“hello,world!”)后按键，输出效果如图2-32所示。 文件运行方式：在Python Shell窗口中选择File New Window菜单项，打开编辑窗口，输入print(“hello,world!”) ，如图2-33所示。选择File Save菜单项，保存为hello.py文件。选择Run Run Module菜单项，运行文件，看到的效果与单步直译运行方式相同。 图2-32 单步直译运行输出效果图2-33 Python编辑窗口Python语法概述语法概述 （1）缩进在Python语言里，缩进被用于表示语句块的开始和退出，而非花括号或者某种关键字。增加缩进表示语句块的开始，而减

27、少缩进则表示语句块的退出。缩进成为了语法的一部分。例如从键盘接收年龄数字，判断该年龄能做的事情：age=int(input(age:) #将输入的数据转换为int整数类型if age 、=、!=、=表示大于、小于、等于、不等于、小于等于、大于等于。l Python使用and、or、not表示逻辑运算。is、is not用于比较两个变量是否是同一个对象。in、not in用于判断一个对象是否属于另外一个对象。l Python区分列表（list）和元组（tuple）两种类型。l 使用lambda表示匿名函数。匿名函数体只能是表达式。l 使用y if cond else x表示条件表达式。l 支持“

28、列表推导式”l 使用（单引号）和（双引号）来表示字符串。l 支持列表切割Python语法概述语法概述 （4）函数Python的函数支持递归、默认参数值、可变参数，但不支持函数重载。为了增强代码的可读性，可以在函数后书写“文档字符串”（Documentation Strings），用于解释函数的作用、参数的类型与意义、返回值类型与取值范围等。可以使用内置函数help()打印出函数的使用帮助。比如：（5）对象Python是完全面向对象的语言。在Python中，一切都是对象，一个整数是一个对象，一个字符串也是一个对象，更为奇妙的是，类型也是一个对象，整数类型是一个对象，字符串类型也是一个对象，并且完

29、全支持继承、重载、派生、多继承，这有益于增强源代码的复用性。同时，Python也支持泛型设计。2.2.6 软件工程简介软件工程简介 从软件开发的角度看，程序设计仅是软件开发工作中的一部分工作。要进一步理解软件开发过程，还需学习有关的软件工程知识。软件工程主要研究和应用如何以系统性的、规范化的、可定量的过程化方法去开发和维护软件，以及如何把经过时间考验证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来。软件工程的目标是在给定成本、进度的前提下，开发出具有适用性、有效性、可修改性、可靠性、可理解性、可维护性、可重用性、可移植性、可追踪性、可互操作性和满足用户需求的软件产品。追求这些目标有助于提高软件产品的质量和开发效率，减少维护的困难。软件开发软件开发3个阶段个阶段 定义阶段：可行性研究、初步项目计划、需求分析。开发阶段：概要设计、详细设计、实现、测试。运行和维护阶段：运行、维护、废弃。软件工程的基本原理软件工程的基本原理 l用分阶段的生命周期计划严格管理l坚持进行阶段评审l实行严格的产品控制l采用现代程序设计技术l结果应能清楚地审查l承认不断改进软件工程实践的必要性l开发小组的人员应该少而精软件开发方法软件开发方法 l结构化开发方法l面向数据结构的方法l统一建模语言l原型化