第3章 计算机系统组成

1、第3章 计算机系统组成传统意义的计算机是由硬件系统和软件系统共同组成独立的，不同的系统配置可形成功能差异很大的计算机系统。近年来，由于网络的普及应用，对计算机概念的内涵和外延又有了新的认识。本章以常见的微机为例，主要介绍计算机硬件和软件系统。 n计算机硬件硬件是可以感触到的实体，主要包括运算器、控制器、内存储器、输入器和输出器五大部分，当然也还包括电源、机箱等辅助部件。习惯上把运算器、控制器、内存储器和电源称为主机，把输入器、输出器称为外部设备。 n计算机软件软件是有重复使用价值的程序和相关文档，主要包括操作系统软件、编译系统软件和应用软件等。 n由intel公司的cpu和微软公司的软件为主组

2、成的计算机系统是目前应用最多的微型计算机系统。n本章重点介绍软件系统。 3.1 计算机硬件系统介 n计算机硬件系统经历了四十多年的发展历程，它的高速、自动化运算特点现已得到充分发挥。但究其构造原理，目前尚未跳出冯诺依曼计算机的基本框框，仍是以存储为中心的计算机结构。也就是说，把运算器、控制器、输入器和输出器通过各种信号线与内存储器联系起来就构成了一台计算机硬件系统。 3.1.1 cpu介绍n随着集成电路技术的进步，可以把复杂的运算器、控制器电路集成在一个芯片中称为中央处理器（central processing unit，cpu）。多数微机具有一个cpu，也有使用两个或更多个cpu协调工作的计

3、算机。n1. 运算器运算器n计算机的运算功能主要靠算术逻辑运算部件（arithmetic logic unit，alu）完成。最简单的运算器是由若干位组成的加法器。一般来讲，加法器的位数越多，可完成的运算就越复杂；完成加法器运算的速度越快，计算机整体速度也越快。 n2. 控制器控制器n控制器的功能是按照计算机内部的时钟节拍，根据指令（instruction），控制协调计算机各个部件工作。它主要由编码电路和译码电路构成。n3. 其他电路其他电路ncpu中有各种特殊命名的寄存器，用来存储运算的中间结果，或正在执行的指令代码；包括各部件之间数据交换的通路，即内部总线；甚至还包括与内存交换数据用的高速

4、缓冲存储器。一些单片机芯片，例如mcs-51、mcs-96系列，几乎包括了冯诺依曼计算机要求必备的五个基本部件电路。 3.1.1 内存储器内存储器n内存储器具有记忆功能，它能把各种以二进制码表示的信息存储起来，是计算机的主要工作存储区。它可以把要执行的程序和数据事先存储，然后在cpu的控制下自动执行程序。ncpu可按照单元编号访问内存储器中的每个单元。一个单元包括8位二进制信息，也称一个字节（byte），单元编号从0开始，到2n-1。内存容量就是计算机可使用内存单元的总和，现在生产的微型计算机内存容量一般在64mb以上。 n微型计算机的内存储器包括ram和rom两部分。rom用于存放内容不变的

5、信息，例如计算机开始工作的引导程序、自检程序等。这些程序在计算机出厂时就已装入rom中。nram用于存放现场程序和数据。ram中的信息是由电路的状态表示的，所以断电后信息一般会立即丢失。由于软件越来越复杂，需要内存的容量也越来越大。 3.1.1 外存储器外存储器n1 硬磁盘n1968年ibm公司首次提出“温彻斯特（winchester）”技术。该技术要求，把整个磁盘机密封，使用高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，从而避免了磁头与盘片的摩擦，提高了盘片的转速。以后研发的提高磁头灵敏度、盘片转数、记录密度等技术使现在的温盘容量可达上百个gb。

6、n由于硬磁盘的读写速度较高、容量大，操作软件常用部分硬盘存储器代替内存作虚拟内存使用。2 磁盘阵列技术磁盘阵列技术n随着网络技术的发展，程序越来越复杂，需要存储的信息量越来越大，对数据的安全性要求越来越高，出现了以磁盘为中心的计算机系统模式。单个或少量磁盘同时工作满足不了计算机对磁盘容量、速度、可靠性的需求，磁盘阵列是解决这些问题的一种新技术。n磁盘阵列（disk array）是由一个硬盘控制器来控制多个硬盘的相互连接，使多个硬盘的读写同步，减少错误，增加效率和可靠性的技术。使用此技术的设备分0、1、3、5四个等级。磁盘阵列3.1.1 外部设备接口与总线外部设备接口与总线n1. 外部设备接口功

7、能外部设备接口功能n计算机硬件接口是计算机中两个相对独立子系统之间的连接部分，包括外设与主机之间，外设与外设之间的连接。有时接口也称为界面。n接口主要解决子系统之间传递数据与控制信号。接口主要解决子系统之间传递数据与控制信号。pc机实现这种传递的硬件通常做成独立的接口板（卡），插在总线接口插槽里，通过输出线缆与外部设备连接。接口卡也称适配器。 n它的主要功能是如下。n(1) 地址译码 外部设备在计算机系统中的名称如 lpt 、com1等是通用的符号名称，对它代表的某实际设备的控制要由具体接口及控制软件，即驱动程序完成。外设与主机之间交换的二进制信息都暂存在接口寄存器中，这些寄存器可能放在外设（

8、例如键盘）上，也可能放在适配器（如显示器）上。主机以存取内存单元的方式来存取外设的寄存器。因此要为每个外设寄存器设置地址（端口号），通过地址译码电路区别真正要访问外设的寄存器。 n(2) 在主机与外设之间交换控制信息 控制信息主要包括设备“已准备好”、“忙碌”、“完成”、“申请中断”、“响应中断”、“启动”、“停止”等信号。n(3) 支持主机各种中断处理。n(4) 数据类型转换 8位字长与16位字长之间、模拟信号与数字信号之间的转换。n(5) 支持传输过程中的串行/并行转换、错误校验、协议等。 n2. usb接口接口nusb（ universal serial bus）接口使用特殊的接口线实现

9、了热插拔。 n3 总线总线n总线就是信息传输的公共线路，它由若干可控制门电路及连接的导线组成。在微机的主板上表现为若干个可插接各种部件的插槽。计算机均采用总线结构将各部件（cpu、存储器、i/o接口）组成为一个系统。 3.1.5 计算机指令系统计算机指令系统ncpu的控制器根据内存中的每一条指令码控制执行部件运作，计算机才能工作。人们利用指令才可以直接指挥计算机工作。 n各种类型计算机指令的数目和形式差别很大，计算机可有几条、几十条，甚至上百条指令；n一些类型计算机指令的长度是固定的，更多类型计算机的指令长度是可变的，可用单字节、双字节、三字节，或更多字节表示一条指令。n一般情况，一条指令一般

10、包括操作方法和操作对象（数据或数据的地址）两部分，个别的指令仅有操作方法而无操作对象。 n cpu执行指令例子。n设数据区的0号单元存有无符号整数15，1号单元存有无符号整数23，利用指令把两个单元的内容对调。n其操作过程是，先把0单元内容存到名为ah寄存器，再把1单元内容存到名为al寄存器，然后分别存回1单元和0单元。 3.2 计算机软件系统介绍 n软件是有重复使用价值的程序和相关文档。n计算机系统由硬件和软件组成，不同的配置可形成功能差异很大的计算机系统。n由英特尔公司的cpu和微软公司的软件组成的计算机系统是目前应用最多的计算机系统。n计算机软件主要包括操作系统软件、编译系统软件和应用软

11、件。 n 3.2.1 操作系统n1 用户工作方式n单机n分时n多终端n桌上微机n微机网络（服务器/客户端，服务器/浏览器，对等网）n因特网(1)单用户单任务方式单用户单任务方式n 单用户单任务是最典型的计算机系统使用环境，其特点是一人独占一台计算机，执行一个应用程序。在这种环境下，cpu、内存等计算机硬资源利用率低。早期的微型计算机常采用这种方式。其优点是对计算机硬件要求低，管理计算机的软件比较简单，可靠性强，易于操作。支持这种使用环境的微机操作系统常见的有ms-dos 3.0、cp/m及其各种变化版本等。 (2)单用户多任务方式单用户多任务方式n 随着计算机硬件的不断升级，cpu的速度的提高

12、、内存容量的加大，用户希望能同时（至少用户感觉是同时）执行多个应用程序，即所谓执行多任务。最先在大、中型计算机上实现了这种方式，以后微机上也实现了多任务管理，典型的微机操作系统有ms-dos 6.0 及windows等。(3)多用户多任务方式多用户多任务方式n 多用户多任务是指在一台大、中型主机（主要包括cpu、内存）上，同时（实际上是分时）为多个用户服务。每个用户作为连接到主机上的终端，执行自己的各种任务。典型的操作系统是unix及其变种xenix、onix、venix等。目前在微机上流行的linux操作系统也支持多用户多任务操作。(4)使用计算机网络使用计算机网络n由于网络环境的不同，支持

13、各种环境的操作系统各异。网络操作系统中功能强、资格老当属unix，而在微机上运行最多的是windows nt（包括windows 2000/xp） 以及大有发展前途的linux操作系统。 2 硬件支撑环境 n 操作系统是管理计算机资源、方便用户使用计算机资源的一套程序。这些程序必须在一定的硬件环境支持下才能正常工作，硬件环境越好，操作系统能提供的服务越多，换句话说，低档计算机只能安装和使用低版本的操作系统。为了能支持功能较强的操作系统，对计算机硬件部件提出以下一些功能要求。 (1)中央处理器（中央处理器（cpu）ncpu是计算机的硬件核心部件，cpu主要包括运算和控制两部分，控制器中对于程序和

14、中断的控制能力最为重要。n1)程序状态字（psw）。 cpu中一般设有若干个寄存器，这些寄存器担负专门的工作。例如指令记数器中记载下一条要执行的指令地址，16位的状态寄存器中的每一位则记录指令执行后的状态。 nc：算术运算中，最高位产生进位时置1；np：操作结果低8位为偶数个1时置1；na：算术运算中，低字节中低4位产生进位或错位时置1；nz：操作结果为0时置1；ns：若操作结果是负数时置1；nt：可由指令设置，1为可单步执行指令；ni：可由指令设置，1为允许外部中断请求；nd：可由指令设置，1为使用串操作指令时地址指针递减；no：运算结果以补码表示超出范围时置1。n其他位保留。1514131

15、211 109876543210o d itszapc(2)中断中断ncpu要能在适当的指令周期内判断是否有内部或外部中断请求，当判断有中断请求并可能接受中断请求后，自动转入中断服务程序。n在完成中断服务后能自动继续执行被中断的程序。 n 支持硬件中断优先级别，若有几个中断源同时申请中断，cpu首先响应级别高的中断申请，中断级别高的中断源可中断低级别的中断服务程序。例如，m68000有七级硬中断、intel 有二级硬中断。(3)存储器存储器n 存储器是计算机的核心部件，一般采用三级存储体系以解决对存储器的容量、速度和价格的需求矛盾。n 第一级是高速缓冲存储器（简称缓存第一级是高速缓冲存储器（简

16、称缓存cache），也叫隐藏存储器。它对于用户是透明的，即操作系统把正在使用的一部分程序或即将要使用的一部分程序由内存（主存）复制到缓存中，cpu直接对缓存读写，由于缓存的读写速度与cpu的执行指令速度相匹配，从而充分发挥了cpu的高速控制、运算能力。目前缓存命中率可达90%以上。 n 第二级是主存储器第二级是主存储器，要执行的程序代码（包括要使用的数据）必须事先读入内存方可在cpu的控制下自动执行。主存储器越大，执行程序就越方便。 n第三级是外部存储器第三级是外部存储器，一般指软、硬磁盘、光盘等。这些介质存放已编制好的程序或数据，较小的程序可一次装（读）入内存，较大的程序需要采用程序覆盖技术

17、，分段装入内存，不断覆盖掉已经执行完的程序段。(4) 操作系统的人操作系统的人机界面机界面n1) 图形用户接口（图形用户接口（gui）n支持图形命令方式的操作系统称为窗口系统，最典型的是微机上使用的windows（视窗）（windows nt）和unix系统使用的x windows（x 窗口）。 n1998年为gui制定了图形接口的标准部件，包括：n窗口：终端屏幕上的一个矩形区域，由标题栏、菜单栏、边框、控制按钮、用户区等组成。n菜单：一系列可选的命令。n对话框：包括显示消息和输入请求信息对话框。n命令按钮：表示执行某个具体命令的图标。n各种具有gui接口形式的操作系统或应用软件都有类似的界面

18、风格。 2)终端命令方式终端命令方式n 对于专业人员来讲，使用已经熟记的对于专业人员来讲，使用已经熟记的终端命令来指挥计算机工作效率最高。终端命令来指挥计算机工作效率最高。n例如：在dos操作系统中，如下命令代表：ndir 列出当前磁盘目录ncopy x y 把x文件拷贝一份，但文件名改为y3 操作系统软件功能n操作系统统一管理4类资源：n存储器存储器 三级管理三级管理n处理器（处理器（cpu） 解决cpu（或多个cpu）与内存储器速度间的不匹配的矛盾。 ni/o设备 n程序和数据n操作系统对资源管理的主要功能包括监视资源、管理策略、根据策略实施分配资源和用毕回收资源。 (1) 进程管理进程管

19、理n什么是作业、进程 n指令指令（instruction）是计算机执行动作的最小单位，它指挥计算机完成一个简单的操作 。n程序程序（program）是一系列排列有序的指令和数据的集合称为程序，它可以使计算机完成一套完整的功能。n作业作业（job） 是用户交由计算机执行的一个或若干个相互关联的程序。 n进程进程（process， linux把进程也称为任务task） 程序调入内存后，必须根据现有的计算机环境条件决定是否能执行，正在运行的程序和环境的结合构成一个运行实体，该实体称为进程。n 对于操作系统而言，它在接受并执行用户作业时除了启动程序外，还要创造为了执行程序所需要的环境，即执行进程。程序

20、只要不被删除就永程序只要不被删除就永远存在，而进程是程序执行的一个过程。远存在，而进程是程序执行的一个过程。一个进程有它的建立、执行和撤消过程。操作系统为执行同一个程序所建立的进程在不同的资源环境下有可能不同，当然执行的最后结果应当是一样的。 1）进程状态）进程状态n由于进程是程序执行的过程，因而它的状态会随着程序的执行、资源环境的变化（其他进程的建立肯定会影响对资源的使用）、各种预定或突发事件（随机中断）的发生等等，使得进程状态在不断变化。进程基本有四种状态：n. 运行（running）状态。 进程在处理机上正在执行。n. 就绪（ready）状态。 进程已获得一切必要的资源，一旦获得处理机即

21、可运行。 n. 等待（bloked）状态或睡眠状态。 当进程所需的资源不足，或等待输入/输出完成的消息时，虽然操作系统可以把处理机分配给它，但仍不能继续执行，此时进程处于等待状态。n. 僵死（zombie）状态。 进程终止，但记录进程状态的记录仍存在。2）进程控制块）进程控制块n进程中的程序（包括数据）是静态的，整个进程是动态的，因此，操作系统若要控制进程的活动过程，就必须开辟一部分存储器空间来记录有关进程的信息。操作系统把这些信息放在进程控制块（process control block ，简称pcb）中。npcb是一种数据结构，不同的操作系统可是一种数据结构，不同的操作系统可采用不同结构。

22、采用不同结构。 3）进程调度）进程调度n 进程本身没有启动或终止其他进程的功能，切换进程是靠操作系统的进程调度程序执行的。当一个进程的已获得除cpu之外的所有资源后，调度程序会根据某种算法启动该进程。 例如linux 操作系统把cpu中寄存器的现状保存到task_struct中。限制每个进程每次占用cpu的时间（200毫秒），这样即便某进程出现死循环现象，也不会造成整个系统陷入死循环。 (2) 存储管存储管理n 所谓实存实存即实际存在的物理内存物理内存（main memory,主存储器），管理这部分内存时主要考虑在多任务情况下如何分配内存以及当实际内存单元数量超出可编址范围后如何管理编址范围外

23、的内存；所谓虚存即非实际存在的物理内存，它是外存储器（一般是硬磁盘）的一种虚拟映像，利用管理内存的方法来管理这些硬盘空间。1）固定分区）固定分区n 操作系统将内存中固定地址的存储区存放专门的程序。例如ms dos 操作系统把内存的0号单元开始的1k字节定义为系统的中断向量区，在这个区中存放可用的255个（有的位置暂时保留未用）中断调用程序的起始地址。 n为了解决如何寻找大于1mb的地址，操作系统把大于1mb的内存称为扩充内存（extended memory）。扩充内存最前面的64kb为高内存区hma（high memory area），可以把操作系统调入hma以增加可用的常规内存使用区。64m

24、b内存的主存储器划分方法可下图。n 2）虚拟内存管理）虚拟内存管理nwindows 可以在磁盘分区中由用户或自动选择一定数量的磁盘空间作为虚拟内存使用。linux则在安装系统时由用户专门划分一个磁盘分区（一般是实存的2倍）作为交换（swap ）分区，来实现虚拟内存。 linux的虚拟内存采用分页机制 (3) 文件管理文件管理n 不同的操作系统采用了不同的实际物理存储格式。建立存储格式的软件是对磁盘进行分区和格式化的程序。以linux 为例，它采用ext2格式，这种格式可以兼容dos操作系统的fat、windows的fat32、windows nt的ntfs以及cd-rom的iso9660等格式

25、。反之，多数其他文件系统不兼容ext2格式，例如dos和windows都不能访问linux文件系统。1）文件目录和文件名文件目录和文件名n 在dos中把软盘、光盘、硬盘分区都以盘符表示，其上的文件都各自存放在其根或各级子目录中。windows把文件都各自存放在其根或文件夹（各级子目录）中。n而linux中没有盘符的概念，仅有统一的根目录/（注意：反斜杠 在linux中用作命令续行符）和根下的各级子目录。软盘、光盘、硬盘分区都以子目录表示。2) dos 目录目录3) windows 文件夹文件夹4) windows 文件类型(4) 设备管理n 一般情况下，即使外部设备硬件上已一般情况下，即使外部

26、设备硬件上已装入到计算机上，若未安装其驱动程序，装入到计算机上，若未安装其驱动程序，操作系统也无法对它管理，因而不能使用。操作系统也无法对它管理，因而不能使用。n 在dos、windows、linux采用不同的方式管理设备。 n 近来流行的“即插即用”技术，并非不需要驱动程序，只不过是操作系统中预先安装了标准的外部设备驱动程序，许多外部设备厂依照标准设计硬件接口而已。当硬件有较大改进后，仍需要安装厂家提供的驱动程序，以便操作系统管理该设备。4 操作系统的安全操作系统的安全n（1）用户管理n（2）文件使用权限n（3）补救操作失误n（4）防止恶意攻击 操作系统应用举例n 3.2.2 计算机语言编译

27、系统n 1 低级语言n 用一组易记的符号代表一个机器指令，如用“add 1，2”代表一次加法1+2，用“sub 1，2”代表一次减法1-2，汇编语言中的一条指令一般与一条机器指令相对应。机器语言和汇编语言都是面向具体计算机面向具体计算机的语言的语言，每一种类型的计算机都有自己的机器语言和汇编语言，不同机器之间互不相通。由于它们依赖于具体的计算机，被称为“低级语言”。n 1 低级语言n真正的机器指令中,只包含0和1两个代码, 许多个0,1代码放在一起,构成了多种组合形式,每一种都可以指定一种操作。例如，有的机器中，让10110110表示做加法的命令，用10110101表示做减法的命令。在这里做加

28、法还是做减法只指出了做何种操作，大多数操作还需要操作数。因此,对操作数的说明也应该反映在指令当中。 n 操作码是用来表示机器待执行的任务的说明。如加、减、乘、除、移位、传送、输出、停机等操作。地址码是用来表示操作数在存储器中所处的位置。如图下所示：每个地址对应着一个存储单元,存储单元之中的内容就是具体的操作数值。事时上，存储单元中存放的不仅仅是数据，指令也是存储在存储单元中的。不论是数据还是指令，它们的位置都是以地址的形式给出的。计算 f=ax+b n第一步：通过键盘或其它输入方式将上表中的指令及数据代码送入计算机09号单元之中。n第二步：启动主机后，计算机便自动按照存储器中存放指令的顺序，有

29、序地逐条地执行各条指令，完成序列中所有纸令的全部操作。n第三步： 当机器执行完最后一条指令后，机器停止工作。n 对于未经过专门训练的用户而言，用对于未经过专门训练的用户而言，用二进制码表示的指令很难掌握。二进制码表示的指令很难掌握。2 高级语言n20世纪50年代，出现了“高级语言”。它不依赖于具体的计算机，而是在各种计算各种计算机上都通用的一种计算机语言机上都通用的一种计算机语言。高级语言接近人们习惯使用的自然语言和数学语言，使人们易于学习和使用，人们认为，高级语言的出现是计算机发展史上一次惊人的成就，使千万非专业人员能方便地编写程序，操纵使用计算机按人们的指令进行工作。n。3 编译系统n计算

30、机本身是不能直接识别高级语言。必须将高级语言的程序翻译成计算机能识别的机器指令，计算机才能执行。这个翻译的工作是由“编译系统编译系统”软件软件来完成的。 n不同类型的计算机上使用的翻译软件是不同的。因此，在一台计算机上能运行某一种高级语言程序的条件是：必须在此计算机系统上配有此语言的编译系统。例如要在一台微机上运行c语言程序，必须先将为该微机设计的c编译系统装入计算机内。编译过程n一般编译分2次进行：n 首先编译器（程序）把用高级语言书写的源代码（字符、符号）通读一遍，然后检查有无语法错误，如有错误，分析出错原因，并给出提示；n然后，对无语法错误的源程序进行代码转换，包括把符号指令转为二进制指

31、令码，加入一些公用的程序段，分配内存资源等工作，最后形成统一的一个或一组可执行的程序，存到磁盘上。 n 有些编译器不生成可执行代码文件，称为解释器，例如basic语言就可一边解释源程序，一边执行。n 有些编译器可把已经编译后的程序反编译成它的源程序，称为反编译器。n 反编译器多数用来刨析可执行程序，以发现程序的设计机密。n 4 源程序设计步骤n计算机的解题过程n无论多么复杂的应用问题，深入到计算机硬件一级时，就只有加法和传递两种算术运算（其效果相当于加、减、乘、除）和与、或、非等逻辑运算了。因此，在此之前，需要做大量的工作。从拿到一个任务到得出正确的结果，要经过以下几个阶段： n(1) 建立数

32、学模型n对于一个实际问题的解决，首先要将其数学化，将一个物理状态或工作过程用数学形示表示出来。这部分工作常常由本领域的科技人员来完成。n(2) 确定计算方法n必须将数学模型进一步处理将其表示成只包含加、减、乘、除的算术运算和与、或、非逻辑运算的近似公式。 n例如，对于 sin(x) 来说只能采用近 似计算的方法，所以计算机是按照下列公式来实现对 sin ( x ) 的求值 n(3) 编制解题程序n所谓程序就是用计算机语言（包括机器语言和高级语言）写出的具体的结题步骤。它告诉计算机做什么以及怎样做。 n程序本身并不是机器所能识别的形式(或称指令)，程序只是用一些由英文助记符规定的语句按一定的语法规则所描述的算法，机器只能识别机器指令。因此在执行程序之前，还必须经过一个叫编译的过程，编译的功能可以比喻成人和机器之间的翻译，它把程序翻译成机器所能读懂的机器指令。运算序列的特征n有限性有限性：即序列的项数有限，且每一运算项都可在有限的时间内完成; n确定性确定性：即序列的每一项运算都有明确的定义，无二义性; n有输出运算有输出运算:可以没有输入运算项，但一定要有输出运算项;