第2章 计算机系统

1、第第2 2章章 计算机系统计算机系统主讲教师：李禾主讲教师：李禾本章讲解提纲本章讲解提纲2.1 2.1 计算机系统基本原理计算机系统基本原理 2.4 2.4 计算机操作系统计算机操作系统2.3 2.3 计算机软件系统计算机软件系统2.2 2.2 计算机硬件系统计算机硬件系统 2.1 计算机系统基础原理计算机系统基础原理 计算机计算机 2.1.5 计算机性能评价指标计算机性能评价指标1.1.字长。字长。字长是指字长是指CPUCPU在单位时间内在单位时间内( (同一时间同一时间) ) 一次能处一次能处理的二进制数的位数。理的二进制数的位数。2.2.处理速度。处理速度。每秒钟所能执行的指令条数，用每

2、秒钟所能执行的指令条数，用“百万条指百万条指令令/ / 秒秒”（MIPSMIPS）来描述。）来描述。3.3.主存储器容量。主存储器容量。主存储器容量是指存储单元数与存储字主存储器容量是指存储单元数与存储字长的乘积，存储字长是指单位存储单元内二进制位数。长的乘积，存储字长是指单位存储单元内二进制位数。4.4.辅助存储器容量。辅助存储器容量。辅助存储器容量决定着计算机所能存辅助存储器容量决定着计算机所能存储的总数据量。储的总数据量。5.5.吞吐率。吞吐率。吞吐率是在单位时间内完成的事物数或者作业吞吐率是在单位时间内完成的事物数或者作业数，是系统和它的部件传输数据请求能力的总体评价。数，是系统和它的

3、部件传输数据请求能力的总体评价。6.6.响应时间。响应时间。响应时间指单个事务或作业从发出请求到响响应时间指单个事务或作业从发出请求到响应所经历的时间间隔。应所经历的时间间隔。7.7.主频。主频。即即CPUCPU内核内核工作的工作的时钟频率时钟频率，提高主频可以缩短，提高主频可以缩短程序的运行时间，提高程序的运行时间，提高CPUCPU的处理速度。的处理速度。8.8.兼容性。兼容性。兼容性是指硬件与软件之间协同工作的配合程兼容性是指硬件与软件之间协同工作的配合程度以及硬件与软件使用不同型号或者版本时是否具有通用性。度以及硬件与软件使用不同型号或者版本时是否具有通用性。9.9.功耗。功耗。高功耗导

4、致高热量，容易导致电子元件发生一系高功耗导致高热量，容易导致电子元件发生一系列的故障，当前许多超级计算机通过采用先进冷却系统以及列的故障，当前许多超级计算机通过采用先进冷却系统以及设计工艺上的优化，实现了性能提升、功耗降低、节约能源设计工艺上的优化，实现了性能提升、功耗降低、节约能源的目标。的目标。 2.2 计算机硬件系统计算机硬件系统 计算机硬件系统结构计算机硬件系统结构 2.2 计算机硬件系统计算机硬件系统 1.I/O桥与桥与I/O系统系统（1 1）I/OI/O桥桥CPUCPU通过主板上的通过主板上的I/OI/O桥与其他设备进行通信。桥与其他设备进行通信。 （2 2）I/OI/O系统系统I

5、/OI/O系统包括系统包括I/OI/O设备（包括输入设备（包括输入/ /输出设备和存储设备）、输出设备和存储设备）、设备控制器、高速总线、设备控制器、高速总线、I/OI/O通道或通道或I/OI/O处理机。处理机。I/OI/O设备与设备与CPUCPU之间的通信通过设备控制器实现，之间的通信通过设备控制器实现， I/OI/O通道可通道可以视为可以实现独立以视为可以实现独立I/OI/O操作的特殊处理机，能够减轻操作的特殊处理机，能够减轻CPUCPU与与 I/OI/O设备通信时的负担设备通信时的负担种类（根据传输信号功能的不同）：种类（根据传输信号功能的不同）： （1 1）数据总线数据总线DBDB（D

6、ata BusData Bus）：传输数据信息的双向总）：传输数据信息的双向总线线 （2 2）地址总线地址总线ABAB（Address BusAddress Bus）：传输地址信息的单向）：传输地址信息的单向总线总线 （3 3）控制总线控制总线CBCB（Control BusControl Bus）：传输控制信息、状态）：传输控制信息、状态和请求等信息的双向总线和请求等信息的双向总线CPUCPU与输入与输入/ /输出设备、存储器的连接和数据传输出设备、存储器的连接和数据传输的接口被称为接口。输的接口被称为接口。用来解决计算机不同设备之间的速用来解决计算机不同设备之间的速度、时序、数据类型等不匹

7、配问题。度、时序、数据类型等不匹配问题。常见接口常见接口：连接键盘和鼠标器的连接键盘和鼠标器的PS2PS2接口接口；连接键盘、鼠标器、连接键盘、鼠标器、U U盘存储器、打印机、扫盘存储器、打印机、扫描仪、硬盘、数码相机等的描仪、硬盘、数码相机等的USBUSB接口接口；连接硬盘和光盘驱动器的连接硬盘和光盘驱动器的IDEIDE接口接口和和SATASATA接口接口连接显示器的连接显示器的VGAVGA接口接口（也称（也称D-SUBD-SUB接口，输接口，输出模拟信号）和出模拟信号）和DVIDVI接口接口（输出数字信号）（输出数字信号）连接耳机和音箱的连接耳机和音箱的Line OutLine Out接口

8、接口连接麦克的连接麦克的MicMic接口接口。 2.2.1 中央处理器中央处理器1.1.中央处理器基本组成中央处理器基本组成 （1 1）算术逻辑单元）算术逻辑单元ALU(ALU() )（2 2）寄存器）寄存器( () )（3 3）控制器）控制器( () ) 2.2.2 存储系统存储系统的层次结构存储系统存储系统的层次结构1、存储系统的层次、存储系统的层次结构结构（1 1）半导体存储器）半导体存储器由半导体器件制造，具有体积小、存储速度快、存由半导体器件制造，具有体积小、存储速度快、存储密度高、与逻辑电路接口容易等特点。按其功能储密度高、与逻辑电路接口容易等特点。按其功能可分为：只读存储器（可分

9、为：只读存储器（Read Only MemoryRead Only Memory，ROMROM）和）和随机存取存储器（随机存取存储器（Random Access MemoryRandom Access Memory，RAMRAM）。）。 3 3、存储器介质与分类、存储器介质与分类（2 2）磁表面存储器）磁表面存储器磁表面存储器是指利用磁性材料涂层的磁化原理制磁表面存储器是指利用磁性材料涂层的磁化原理制造的存储器。目前最广泛使用的计算机辅助存储器造的存储器。目前最广泛使用的计算机辅助存储器，如磁卡、计算机磁盘、磁带都是磁表面存储器。，如磁卡、计算机磁盘、磁带都是磁表面存储器。（3 3）光盘存储器

10、）光盘存储器 5.5.辅助存储器辅助存储器辅助存储器包含本地存储器，如硬盘、光盘、辅助存储器包含本地存储器，如硬盘、光盘、U U盘盘等，以及远程存储器，如云存储、分布式文件存储等，以及远程存储器，如云存储、分布式文件存储等。等。IBM公司公司1956年发年发明的世界上第一块明的世界上第一块硬盘，仅有硬盘，仅有5MB的的存储空间，却由存储空间，却由50多块多块24英寸的碟片英寸的碟片组成，所占体积大组成，所占体积大约两个冰箱的大小。约两个冰箱的大小。 （1 1）CacheCache存储器存储器CacheCache存储器由存储器由CacheCache与主存储器组成，目的与主存储器组成，目的是缩小是

11、缩小CPUCPU与主存之间速度的差异，提高与主存之间速度的差异，提高CPUCPU访访问主存的速度。问主存的速度。（2 2）虚拟存储器）虚拟存储器虚拟存储器又称虚拟内存，由主存储器和辅虚拟存储器又称虚拟内存，由主存储器和辅助存储器组成，目的是从逻辑上扩大主存的存助存储器组成，目的是从逻辑上扩大主存的存储容量。储容量。6.Cache6.Cache存储器与虚拟存储器存储器与虚拟存储器 2.2.3 输入输出设备输入输出设备1.1.输入设备输入设备输入设备是将计算机外部的数据和程序存储在计算输入设备是将计算机外部的数据和程序存储在计算机的各种存储设备中。常用的输入设备主要有键盘机的各种存储设备中。常用的

12、输入设备主要有键盘，鼠标，触摸屏、扫描仪、数字照相机等。，鼠标，触摸屏、扫描仪、数字照相机等。 2.2.3 输入输出设备输入输出设备2.2.输出设备输出设备输出设备是使计算机的计算结果或者存储的数据转输出设备是使计算机的计算结果或者存储的数据转换为图像显示、文本打印、声音播放、设备控制操换为图像显示、文本打印、声音播放、设备控制操作的形式向外部输出的终端设备。常见的输出设备作的形式向外部输出的终端设备。常见的输出设备有显示器、投影仪、打印机、绘图仪等。有显示器、投影仪、打印机、绘图仪等。 2.2.4 其他设备其他设备1.1.主板主板2.2.视频卡视频卡3.3.声卡声卡4.4.网卡网卡 2.3

13、计算机软件系统计算机软件系统 2.3.3 系统软件与应用软件系统软件与应用软件1.1.系统软件系统软件系统软件为计算机提供管理、控制维护等最基本的系统软件为计算机提供管理、控制维护等最基本的功能的软件，它可以使计算机硬件协调工作功能的软件，它可以使计算机硬件协调工作. .如操作系统、语言处理程序如操作系统、语言处理程序、数据库管理以及辅助程序等。、数据库管理以及辅助程序等。 2.3.3 系统软件与应用软件系统软件与应用软件应用软件是根据用户自身需求开发的、能够解决特定应用软件是根据用户自身需求开发的、能够解决特定问题的软件。如办公软件、商务软件、多媒体软件、问题的软件。如办公软件、商务软件、多

14、媒体软件、分析软件、游戏软件等。分析软件、游戏软件等。（1 1）办公软件）办公软件（2 2）多媒体软件）多媒体软件（3 3）分析软件）分析软件（4 4）游戏软件）游戏软件（5 5）商务软件）商务软件其他的常用应用软件还包括多媒体软件、聊天工具软其他的常用应用软件还包括多媒体软件、聊天工具软件、浏览器软件、下载软件、系统工具软件、安全杀件、浏览器软件、下载软件、系统工具软件、安全杀毒软件等。毒软件等。2.2.应用软件应用软件2.4 计算机操作系统计算机操作系统 2.4.2 操作系统的分类与功能操作系统的分类与功能操作系统是计算机系统的核心，它直接监管计算机软操作系统是计算机系统的核心，它直接监管

15、计算机软件和硬件资源，协调和控制计算机有效工作，为用户件和硬件资源，协调和控制计算机有效工作，为用户提供良好的交互界面和多样化服务的程序集合。提供良好的交互界面和多样化服务的程序集合。3.3.操作系统的特征操作系统的特征（1 1）并发性）并发性并发性指两个或两个以上的事件或活动在同一间隔时并发性指两个或两个以上的事件或活动在同一间隔时间内发生，交替进行。间内发生，交替进行。（2 2）共享性）共享性共享性指系统中的资源可以被多个用户共同使用。共共享性指系统中的资源可以被多个用户共同使用。共享性存在两种方式，即互斥共享方式和同时访问方式享性存在两种方式，即互斥共享方式和同时访问方式。（3 3）虚拟

16、性）虚拟性虚拟是指一个物理实体映射到若干个逻辑实体。物理虚拟是指一个物理实体映射到若干个逻辑实体。物理实体是客观上实际存在的事物，而逻辑实体是用户感实体是客观上实际存在的事物，而逻辑实体是用户感觉上存在的事物。觉上存在的事物。（4 4）异步性）异步性在多道程序环境下，多个程序可以同时运行，当程序在多道程序环境下，多个程序可以同时运行，当程序访问临界资源时，由于某个进程常常需要等待其他进访问临界资源时，由于某个进程常常需要等待其他进程释放资源后才能获得执行，因此，程释放资源后才能获得执行，因此，异步性是指一般异步性是指一般情况下，程序的执行不能够持续进行，而是与等待交情况下，程序的执行不能够持续

17、进行，而是与等待交替进行，程序的运行情况具有不可预测性。替进行，程序的运行情况具有不可预测性。 目前的操作系统种类繁多，很难用单一标准目前的操作系统种类繁多，很难用单一标准统一分类。统一分类。1 1、根据应用领域来划分，根据应用领域来划分，可分为桌面操作系统可分为桌面操作系统、服务器操作系统、主机操作系统、嵌入式操、服务器操作系统、主机操作系统、嵌入式操作系统；作系统；2 2、根据所支持的用户数目根据所支持的用户数目，可分为单用户，可分为单用户(MSDOS(MSDOS、OS/2)OS/2)、多用户系统、多用户系统(UNIX(UNIX、MVSMVS、Windows)Windows)；3 3、根据

18、源码开放程度根据源码开放程度，可分为开源操作系统，可分为开源操作系统(Linux(Linux、Chrome OS)Chrome OS)和不开源操作系统和不开源操作系统(Windows(Windows、Mac OS)Mac OS)； 2.4.2 操作系统的分类操作系统的分类(不要求不要求)与功能与功能4 4、根据硬件结构根据硬件结构，可分为网络操作系统，可分为网络操作系统(Netware(Netware、Windows NTWindows NT、OS/2 warp)OS/2 warp)、分布式、分布式系统系统(Amoeba)(Amoeba)、多媒体系统、多媒体系统(Amiga)(Amiga)；5

19、 5、根据操作系统的使用环境和对作业处理方式根据操作系统的使用环境和对作业处理方式来考虑，可分为批处理系统来考虑，可分为批处理系统(MVX(MVX、DOS/VSE)DOS/VSE)、分时系统分时系统( Linux( Linux、UNIXUNIX、XENIXXENIX、Mac OS)Mac OS)、实、实时系统时系统(iEMX(iEMX、VRTXVRTX、RTOS,RT WINDOWS)RTOS,RT WINDOWS)； 6 6、根据操作系统的技术复杂程度根据操作系统的技术复杂程度，可分为简单，可分为简单操作系统、智能操作系统。操作系统、智能操作系统。4.4.操作系统的基本功能操作系统的基本功能

20、（1 1）处理器管理功能）处理器管理功能（2 2）存储管理功能）存储管理功能（3 3）设备管理功能）设备管理功能（4 4）文件管理功能）文件管理功能（5 5）操作系统与用户之间的接口）操作系统与用户之间的接口WindowsWindows操作系统操作系统是当前个人微型计算机中应用最广是当前个人微型计算机中应用最广泛的一种操作系统。泛的一种操作系统。19851985年年5 5月诞生月诞生 WindowsWindows的第一个版本的第一个版本Windows1.0Windows1.019951995年年8 8月月2424日诞生的日诞生的Windows95Windows95操作系统，是操作系统，是真正真正的操作系统的操作系统 。20012001年推出的年推出的 Windows XPWindows XP是第一个既适合家庭用户是第一个既适合家庭用户，又适合商业用户使用的，又适合商业用户使用的新型操作系统新型操作系统。 Windows 操作系统 1 2.4.3