第三讲 计算机的系统组成

1、第三讲 计算机的系统组成李晓xp_1、计算机的系统组成n完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统。n硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称。n软件系统是为了运行、管理和维护计算机而编写的各种程序、数据和相关文档的总称。n计算机中的软、硬件系统相辅相成，共同完成处理任务，二者缺一不可。计算机的系统组成2、计算机的工作原理 1936年，阿兰年，阿兰图灵提出了一种抽象的计算图灵提出了一种抽象的计算模型模型图灵机图灵机 (Turing Machine)。2.1、 图灵模型图灵模型n图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程

2、，他把这样的过程笔进行数学运算的过程，他把这样的过程构造出一台假想的机器，该机器由以下几构造出一台假想的机器，该机器由以下几个部分组成个部分组成 ：（1）一条无限长的纸带 TAPE。（2）一个读写头 HEAD。（3）一套控制规则 TABLE。（4）一个状态寄存器。2.1、 图灵模型图灵模型2.2、冯、冯诺依曼模型诺依曼模型n冯.诺曼提出了关于计算机的“程序存储”的设计思想，其主要内容为：n计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备；n计算机内部采用二进制来表示指令和数据，每条指令一般具有一个操作码和一个地址码；n将编写好的程序和原始数据存入内存储器中。n首先由输入设备接受外界信息(

3、程序和数据)，控制器发出指令将数据送入(内)存储器；n然后向内存储器发出取指令命令。在取指令命令下，程序指令逐条送入控制器。控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令，经过运算器计算并把计算结果存在存储器内。n最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。2.3、计算机的工作原理、计算机的工作原理3、计算机的硬件系统n计算机的硬件系统一般由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备 5 大部分组成3.1、计算机的基本结构n控制器是计算机的指挥中心，主要包括指令寄存器、译码器、程序计数器、时序节拍发生器和操作控制器，其主要功能是

4、从存储器中取出指令并译码；根据指令的要求按时间的先后顺序，向其他的部件发出控制信号；保证相关部件协调一致地工作。3.1.1、控制器n运算器主要有算术逻辑单元（ALU）、累加器、数据缓冲寄存器、标志寄存器和控制线路组成，其主要功能是在控制器的控制下，与内存储器交换信息，并进行算术和逻辑运算。n需要特别指出的是运算器和控制器构成了中央处理器，也就是我们经常说的CPU。3.1.2、运算器n存储器是计算机的记忆装置，主要用于保存数据和程序，分为内存储器和外存储器。n存储器中能够存放的最大信息数量称为存储器的容量，基本单位为字节（Byte），简称为B，1Byte=8bit；常用的存储单位有KB,MB,G

5、B,TB和PB；他们之间的换算关系为： 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 1PB=1024TB3.1.3、存储器n输入设备是重要的人机交互接口，用于接收用户输入的命令、程序、图像、和视频等信息，负责将这些信息转换成二进制代码，存放于内存中；n输出设备可以将计算机处理后的二进制结果转换为人们能够识别的形式，如数字、字符、图像、视频、声音等。3.1.4、输入/输出设备n微型计算机也就是通常所说的 PC，它产生于20世纪70年代末。n从基本的硬件结构上看，微型计算机的核心是微处理器（Microprocessor）。n从外观上看，微型计算机的基本硬件

6、包括主机、显示器、键盘、鼠标。主机箱还包括主板、硬盘、光存储器、电源和插在主板I/O总线扩展槽上的各种功能扩展卡。n微型计算机还可以包含其他一些外部设备，如打印机、扫描仪等。3.2微型计算机的硬件系统微型计算机的硬件系统n主机指计算机用于放置主板及其他主要部件的容器（mainframe）。通常包括 CPU、内存、硬盘、光驱、电源、以及其他输入输出控制器和接口，如 USB 控制器、显卡、网卡、声卡等等。 3.2.1、主机n微处理器是利用超大规模集成电路技术，把计算机的CPU部件集成在一块小的芯片上，而形成的独立部件。n微处理器是微型计算机的核心，它的性能直接决定了整个计算机的性能。3.2.2、微

7、处理器n主板又叫主机板或者系统板，是一块提供了各种插槽和系统总线级扩展总线的电路板。主板一般包括控制芯片组、CPU接口插座、内存插槽、BIOS、CMOS、各种I/O接口、扩展插槽、键盘/鼠标接口、外存储器接口和电源插座等元器件。3.2.3、主板n芯片组是主板的关键部件，用于控制和协调整个微机的运行和各部件的选型。当前比较典型的通常是由北桥芯片和南桥芯片组成。nCPU接口插座是用于在主板上安装连接CPU的芯片，目前CPU插座主要有Socket和Slot两种标准。n内存又被称为主存，是与CPU进行沟通的桥梁其作用是暂时存放CPU中运算的数据以及与硬盘等外部存储器交换的数据。内存的性能指标有传输类型

8、、主频、存储容量、可靠性等。3.2.3、主板nBIOS是主板上的一块只读存储器，存放着与主板匹配的一组基本输入/输出系统程序，系统运行过程中，BIOS是连接硬件和软件的枢纽，可以提供最低级，最直接的硬件控制和支持。CMOS是一种RAM芯片，存储了系统中运行所必需的配置信息，如系统存储器、CPU、磁盘驱动器等设备的参数，系统的日期时间。n总线扩展槽是CPU通过系统总线与外部设备连接的通道。n高速缓存是一种基于集成芯片的存储技术，其存取速度远远高于普通DDR内存，但是价格较为昂贵，通常将封装在CPU内部的Cache称为内部Cache，将安装在主板上的Cache称为外部Cache。3.2.3、主板n

9、总线(BUS)是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，通过它实现计算机各部件之间的数据、地址和控制信息的传送。3.2.4、总线n总线的技术指标包括总线带宽，也就是单位时间内总线上数据传送量，单位为MB/s；总线位宽，也就是总线能同时传送的二进制位数，单位bit，总线的工作频率，单位是MHz，工作频率越高，总线的工作速度就越快，带宽也就越宽。n三者之间的关系为： 总线带宽=总线工作频率x总线位宽/83.2.4、总线n根据不同的层次和角度可以对总线进行如下分类：n按照功能和规范分类：片总线、内总线、片内总线、片外总线；n按照传输的信息分类：地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB；n按照传

10、送方式分类：并行总线、串行总线、USB总线；n按照连接部件的不同分类：内部总线、外部总线；3.2.4、总线1）存储器的概述n存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。2）存储器的构成n构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。3.2.5、存储器3）存储器的用途n根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为

11、主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等。为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。3.2.5、存储器n外存储器简称外存或者辅存，属于外部设备，是对内存的扩充。外存具有存储容量大、可以长期保存暂时不用的程序和数据、信息存储性价比高等特点。n微机的外存储器主要有软盘、硬盘、优盘和光盘。3.2.5、存储器n输入设备主要有键盘、鼠标、摄像头、触摸屏、光学标记阅读机、手写输入板、语音输入装置等；n输出设备的功能是将计算机处理后的信息以人或者其他设备能够接受的形式输出。显示器和打印机等都是计算机必备的输出设备

12、。3.2.6、输入/输出设备1）输入输出系统控制方式）输入输出系统控制方式（1）程序查询方式）程序查询方式n这种方式是在程序控制下CPU与外设之间交换数据。n程序查询方式是一种程序直接控制方式,这是主机与外设间进行信息交换的最简单的方式,输入和输出完全是通过CPU执行程序来完成的。n这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可，缺点是由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。3.2.6、输入/输出设备1）输入输出系统控制方式）输入输出系统控制方式（2）中断方式）中断方式n中断是主机在执行程序过程中，遇到突发事件而中断程序的正常执行，转去对突发事情的处理，待处理完成

13、后返回原程序继续执行。中断过程如下：中断请求，中断响应，中断处理和中断返回。n中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率，还满足了外设的实时要求。缺点是对系统的性能要求较高。3.2.6、输入/输出设备1）输入输出系统控制方式）输入输出系统控制方式（3）直接存储器访问方式（）直接存储器访问方式（DMA）nDMA方式指高速外设与内存之间直接进行数据交换，不通过CPU并且CPU不参加数据交换的控制。工作过程如下：外设发出DMA请求，CPU响应DMA请求，把总线让给DMA控制器，在DMA控制器的控制下通过总线实现外设与内存之间的数

14、据交换。nDMA最明显的一个特点是它不是用软件而是采用一个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交流，无须CPU介入，大大提高CPU的工作效率。3.2.6、输入/输出设备2） I/O接口接口n使主机和外设能够按照各自的形式传输信使主机和外设能够按照各自的形式传输信息。息。3.2.6、输入/输出设备n字长：字长是计算机一次能够直接处理的二进制位数，其他的质变相同时，字长越大，计算机处理数据的速度就越快；n主频：主频是指CPU的时钟频率，它在很大程度上决定了计算机的运算速度，单位为GHz，一般而言，主频越高，速度越快；n运算速度：运算速度是指用基准程序测试到的计算机每秒钟能够执行的指令条数，一般用

15、MIPS或者MFPOPS来描述；n存储容量：存储容量主要包括主存容量和辅存容量，这里主要指主存容量。n存取周期：内存完成一次读或者写操作所需的时间成为存储器的存取时间或者访问时间，而连续两次读或者写所需的最短时间称为存储器的存取时间或者访问时间。n微机的技术指标还包括可靠性、可维护性、平均无故障时间和性价比等。3.3微型计算机的主要性能指标微型计算机的主要性能指标4、计算机的软件系统n相对于硬件而言，软件是计算机的灵魂。软件是一系列按照指定顺序组织的计算机数据和指令的集合；n计算机软件系统可划分为系统软件、应用软件及介于两者之间的中间件。n系统软件能够调度、监控和维护计算机资源，扩充计算机功能

16、，提高计算机效率。n（1）操作系统 操作系统（Operating System）是最基本最重要的系统软件，用来管理和控制机算计系统中硬件和软件资源的大型程序，是其他软件运行的基础。操作系统有两大功能： n其一是对计算机系统硬件和软件资源进行管理、控制和调度，以提高计算机的效率和各种硬件的利用率；n其二是作为人机交互的界面，为用户提供最佳的工作环境和最友好的服务。4.1、系统软件n（2）语言处理程序n语言处理程序是为用户设计的编程服务软件，用于将高级语言源程序翻译成计算机能够识别的目标程序，从而让计算机解决实际问题。n按照语言处理程序对硬件的依赖程度，通常将其分为机器语言、汇编语言和高级语言。4.1、系统软件n（3）数据库管理系统n数据库管理系统是位于用户和操作系统之间的数据管理软件，能够科学地组织和存储数据、高效的获取和维护数据。n数据库管理系统主要功能包括数据定义、数据操作、数据库的运行管理、数据库的建立和维护等。4.1、系统软件n应用软件包括各种程序设计语言，以及程序设计语言编制的应