《大学计算机基础教程》计算机系统

1、计算机系统第 2 章主 要 内 容2.1 计算机的硬件系统 2.2 计算机的软件系统 2.3 微型计算机及其硬件系统系统软件应用软件计算机系统分为：硬件+软件硬 件软 件输入设备：键盘、鼠标、扫描仪 输出设备：显示器、打印机 外 存：软、硬盘、光盘、闪存 网络设备：网卡、调制解调器等 计算机系统软件外部设备系统软件应用软件硬件运算器寄存器控制器主机内存CPU随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)高速缓冲存储器 操作系统：Windows、Unix、Linux语言处理程序：C、Pascal、VB等 实用程序：诊断程序、排错程序等 办公软件包、信息管理系统等 计算机系统的组成 2.1.1 冯诺依曼

2、计算机的基本组成2.1.2 计算机硬件的组成2.1.3 计算机的工作原理2.1 计算机硬件系统2.1.1 冯诺依曼计算机的基本组成 1944年8月，冯诺依曼（Von Neumann）提出了一个全新的存储程序、程序控制的通用电子计算机的方案。该方案主要的3条思想是： 计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本功能部件组成。 在计算机中，程序和数据都用二进制代码表示。它既便于硬件的物理实现，而且运算规则又简单，故可简化计算机结构，提高可靠性和运算速度。 把程序和处理问题所需的数据，均以二进制的形式按一定顺序预先存放到计算机的存储器里，计算机运行程序时，依次从存储器里逐条取出指

3、令，执行一系列基本操作，完成该指令所规定的复杂运算。这一切工作都是在控制器的控制下完成的，这就是存储程序、程序控制的工作原理。 存储程序实现了计算机的自动计算，成为计算机与计算器及其他计算工具的本质区别，同时也确定了冯诺依曼型计算机的基本结构。 冯诺依曼的上述思想奠定了现代计算机系统结构的基础，所以人们将采用这种设计思想的计算机称为冯诺依曼型计算机。 2.1.2 计算机硬件的组成 从1946年第一台计算机诞生至今，虽然计算机硬件的结构和制造技术都有很大发展，但都没有脱离冯诺依曼型计算机的基本思想，即计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。 从计算机系统的角度看，计算机的硬件

4、也可以描述成： 主机+外部设备冯.诺依曼思想： 二进制 存储程序 五大模块存储器数据流控制流运算器外存储器输出设备内存储器输入设备控制器5个基本功能部件的相互关系计算机硬件：主机+外设主机外设输入设备输出设备外存设备网络设备2.1.2 计算机硬件的组成1运算器 运算器是进行算术运算和逻辑运算的部件，主要由算术逻辑单元和一组寄存器组成。在控制器的控制下，它对取自内存储器或寄存器组中的数据进行算术或逻辑运算，再将运算的结果送到内存储器或寄存器组中。 2控制器 控制器的功能是控制计算机各部件协调工作而自动执行程序。计算机要自动执行一个程序，就是在控制器的控制下，从第一条指令开始，逐条读取指令、分析指

5、令、执行指令直至执行到程序的最后一条停机指令即完成程序。 控制器和运算器合在一起称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），它是计算机的核心部件。处理器控制器和运算器处理器控制器运算器控制整个计算机所有部件的工作执行算术运算和逻辑运算五大模块之一五大模块之二2.1.2 计算机硬件的组成3存储器（1）内存储器 内存储器可以与CPU直接进行信息交换，用于存放当前CPU要用的数据和程序，存取速度快、价格高、存储容量较小。内存储器与CPU构成了主机。（2）外存储器 外存储器用来存放要长期保存的程序和数据，属于永久性存储器，需要时应先调入内存。相对内存而言外存的容量大、价

6、格低，但存取速度慢，它连在主机之外故称外存。 4输入设备 输入是指利用某种设备将数据转换成计算机可以接收的编码的过程，所使用的设备称为输入设备。 5输出设备 输出设备的任务是将信息传送到中央处理机之外的介质上，以人们或其他机器所能接受的形式输出。 存储器存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合，每个记忆单元由8位二进制位组成，可读写其中的数据。存储器存储器通常分为内存储器和外存储器存放大量信息的外存储器信息交流中心内存储器五大模块之三每个记忆单元由8位二进制位组成。1KB=210B=1024B1MB= 210KB= 1024KB1GB= 210MB= 1024MB1TB= 210GB= 10

7、24GB字节BYTE7 6 5 4 3 2 1 0位Bit输入输出设备常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。五大模块之四、五硬件系统计算机硬件系统组成主机外部设备中央处理器内存储器控制器运算器外存储器输入设备输出设备2.1.2 计算机硬件的组成2.1.3 计算机的工作原理1. 指令和程序 指令 ：是人对计算机发出的完成一个最基本操作的工作命令，计算机指令是以二进制编码形式表示,也称为机器指令。 指令由两部分组成,既操作码和操作数,格式如下: 操作码是指出该指令要完成什么操作 操作数是指参加操作的数或是该数存放的地址 程序:是为完成某项任务而

8、由指令系统中的若干指令组成的有序集合，编制程序称为程序设计。 操作码 操作数2.1.3 计算机的工作原理2指令和程序在计算机中的执行过程 要执行程序，首先将程序和程序所操作的数据放入内存。执行程序就是依次执行组成程序的一条条指令。计算机在执行程序中的每条指令时，先将要执行的指令从内存中取出到CPU内，然后通过控制器对该指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作，最后向相关部件发出完成该指令的控制信号以完成相应的操作。内存CPU指令取指周期:执行周期:有关部件动作CPU 译码控制信号2.2.1 系统软件2.2.2 应用软件2.2 计算机软件系统 软件(Software)是各类程序及其有关文档的总和

9、。计算机系统是在硬件的基础上，通过软件的支持向用户呈现强大的功能和友好的使用界面。通常软件分为系统软件和应用软件。2.2 计算机软件系统软件的分类 系统软件操作系统 DOS/Windows95/98/ME/XP语言处理程序ADA, BASIC, C+服务性程序(邮件,打印，游戏)数据库管理系统 Informix,SQL网络系统字处理软件 WPS, Word表格处理软件 Excel Cell辅助设计软件 AutoCAD实时控制软件 Fix 应用软件软件 系统软件是控制计算机系统并协调管理软硬件资源的程序，其主要功能包括：启动计算机，存储、加载和执行应用程序，对文件进行排序、检索，将程序语言翻译成

10、机器语言等。实际上，系统软件可以看作用户与硬件系统的接口，它为应用软件和用户提供了控制、访问硬件的方便手段，使用户和应用软件不必了解具体的硬件细节就能操作计算机或开发程序。2.2.1 系统软件1操作系统 操作系统（Operating System，OS）是对计算机全部软、硬件资源进行控制和管理的大型程序，是直接运行在裸机上的最基本的系统软件，其他软件必须在操作系统的支持下才能运行。它是软件系统的核心。程序设计语言按发展过程分为: 机器语言：以二进制代码表示的指令的集合，是计算机唯一能识别和执行的语言 汇编语言：是用助记符来表示机器指令的语言 高级语言：它通用性强，是面向问题的，基本上与机器无关

11、2.2.1 系统软件2语言处理系统 机器语言汇编语言高级语言汇编程序面向过程：BASIC、PASCAL、C等面向对象：C+、JAVA、VISUAL BASIC等 计算机不能直接识别和执行高级语言源程序，要用翻译的方法把高级语言源程序翻译成等价的机器语言程序（称为目标程序）才能执行。翻译的方法有两种:“解释”：不保留目标程序代码，“解释一句，执行一句”。“编译”：它调用相应语言的编译程序，把源程序变成目标程序（以.obj为扩展名），然后再用连接程序，把目标程序与各类库文件相连接形成可执行文件。 高级语言源程序（如 C）编译程序目标程序（.obj）执行连接程序可执行程序（.exe）运行可执行程序显

12、示运行结果初始数据库函数高级语言程序的开发过程2.2.1 系统软件2语言处理系统 高级语言源程序解释程序解释语句并执行源程序程序执行结果高级语言翻译过程3服务程序 服务程序能够提供一些常用的服务功能,它为用户开发程序和使用计算机提供了方便,如编辑程序、连接装配程序、测试、诊断程序等。 2.2.1 系统软件4数据库系统 数据库（DataBase，DB）是指按照一定数据模型存储的数据集合。数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）则是能够对数据库进行加工、管理的系统软件。数据库系统（DBS）由数据库、数据库管理系统以及相应的应用程序组成。 5网络软件 计算机网

13、络是计算机技术与通信技术相结合的产物。计算机网络由网络硬件、网络软件及网络信息构成。其中的网络软件包括网络操作系统、网络协议和各种网络应用软件。 为解决各类实际问题而设计的程序称为应用软件。根据其服务对象，又可分为通用软件和专用软件两类。2.2.2 应用软件1通用软件 字处理软件：Word、WPS2000 电子表格软件: Excel、Lotus1-2-3 绘图软件: Auto CAD、3DS 课件制作软件: Powerpoint、 Authorware 网络通信软件: OutLook、Internet Mail2专用软件 上述的通用软件或软件包，在市场上可以买到，但有些具有特殊要求的软件是无法

14、买到的。用户为了自己特殊的需要开发的软件就是专用的应用软件。2.3.1 微型计算机概述2.3.2 微型计算机主机2.3.3 微型计算机的外存储器2.3 微型计算机及其硬件系统2.3.4 微型计算机输入设备2.3.5 微型计算机输出设备1微型计算机的发展历程1969年，日本的Busicom公司委托Intel公司研制一种用于新型计算器的芯片。1971年，世界上第一个通用微处理器芯片Intel 4004问世。4004微处理器包含2300个晶体管，支持46条指令，频率为108 kHz，与当年的ENIAC性能相当。Intel公司看到了微处理器的巨大应用前景，又花费6万美元从Busicom公司买回了400

15、4的知识产权，并由此开创了其微处理器领域的霸主地位。 4位微处理器 8位微处理器 16位微处理器 32位微处理器及以上：32位微处理器的代表产品是Intel 80386、80486、80586、初期的Pentium系列。由它们组成的32位微型计算机，时钟频率达到16 MHz100 MHz，数据总线32位，地址总线24位32位。2.3.1 微型计算机概述2微型计算机的硬件结构 微机的硬件系统采用总线结构，总线就是一组公共信息的传输线路，由三部分组成： 数据总线（DB）、 地址总线（AB）、 控制总线（CB）。总线可以单向传输信息，也可以双向传输信息，并能在多个设备中选择唯一的源地址合目的地址。目

16、前微机结构多采用“面向CPU或面向内存的双总线结构。2.3.1 微型计算机概述PC计算机的总线结构存储器内存外存输入设备输出设备运算器控制器总线面向主存储器的双总线系统结构示意图CPU主存储器外存接口其它I/O口输入接口输出接口硬、软盘驱动器键盘鼠标显示器打印机各种外存 中央处理器（CPU）主要包括运算器和控制器两大部件，是计算机的核心部件。CPU是一个体积不大而元件集成度非常高、功能强大的芯片，也称为微处理器（Micro Processor Unit，MPU）。目前大部分微机的CPU都采用Intel公司的80X86系列芯片。（1）CPU性能指标 计算机内所有操作都受CPU控制，CPU的性能指

17、标直接决定了由它构成的微型计算机系统的性能指标。CPU的性能指标主要有字长和时钟主频。字长表示CPU一次处理数据的能力；时钟主频以MHz（兆赫兹）为单位来度量，通常，时钟主频越高其处理数据的速度相对也就越快。2.3.2 微型计算机主机1中央处理器（2）CPU的发展过程 自1978年6月Intel公司推出它的第一个16位微处理器8086以来，计算机技术就开始进入飞速发展的时期。经历了80286、80386、80486、Pentium、Pentium（奔腾）、Pentium （奔腾代）、Pentium 、Pentium 4处理器，酷睿、酷睿双核、酷睿4核等（3）高速缓冲存储器（Cache） 随着C

18、PU速度的不断提高，大大超过了内存的速度，使得CPU在进行数据存取时都需要进行等待，从而降低了整台计算机系统的运行速度，为解决这一问题引入了Cache技术。 Cache就是一个容量小、速度快的特殊存储器。将内存中被CPU频繁存取的数据存入Cache，当CPU要读取这些数据时，则直接从Cache中读取，加快了CPU访问这些数据的速度，从而提高了整体运行速度。2.3.2 微型计算机主机1中央处理器CPU发展简表CPU型号推出时间字长（位）主频（MHz)主要性能说明8028680861978.6准164.7101982.21662580386SX1988.6准321640内部32位，外部16位804

19、86SX1991.43225100内部，外部32位Pentium1993.33260233Pentium MMX1997.13266233内部数据线32位，外部64位上一页下一页2.3.2 微型计算机主机1中央处理器存储器的分类 内存储器RAM（随机存取存储器）ROM（只读存储器）磁鼓机磁盘机磁带机硬盘(C：、D：.)软盘(A:、B:）光盘固态盘(U盘,MP3、存储卡、移动硬盘) 外存储器存储器2.3.2 微型计算机主机2微型计算机的内存储器 内存中的ROM和RAM 随机存储器（RAM）:RAM用于存放输入设备输入的数据和程序，存放的内容可随时读、写。但断电后，RAM中存放的内容全部丢失。RA

20、M又可分为静态随机存储器（SRAM）、动态随机存储器（DRAM）只读存储器（ROM）:ROM中存放的信息固定不变，只能读出不能写入，但断电后ROM中的内容保持不丢失。常见的只读存储器有EPROM（紫外线擦除）和EEPROM（电擦除）上一页下一页2.3.2 微型计算机主机2微型计算机的内存储器 （2）内存条 微机中的RAM基本上是以内存条的形式进行组装的，由于内存条可随意拆装，使得内存的维修和扩展十分方便，如果用户需要增加内存，只需购买相应的内存条，然后将其插在主板上的内存插槽中即可。上一页下一页2.3.2 微型计算机主机2微型计算机的内存储器 DDR（Double Data Rate，双倍数据

21、传输率）：允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿传输数据，这样在不提高时钟频率的情况下就能加倍提高读写速度 DDR2（Double Data Rate 2） DDR2拥有两倍于DDR的预读取能力，即DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行，目前数据传输速率可达到533Mbps3总线 所谓总线（Bus）就是系统部件之间传送信息的公共通道，各个部件由总线连接并经它相互通信。 上一页下一页2.3.2 微型计算机主机 根据所连接部件的不同，总线可分为： 内部总线，也叫片总线，是同一部件（如CPU）内部连接各寄存器及运算部件的总线。系统总线，是同一台计算机各部

22、件（如CPU、内存、I/O接口）之间相互连接的总线。系统总线又分为数据总线、地址总线和控制总线，分别传递数据、地址和控制信号。扩展总线，负责CPU与外部设备之间的通信。 总线在发展过程中也形成了许多标准，如ISA、PCI、AGP等。PCI 总线 ：并行处理能力，支持自动配置，I/O过程不依赖CPU，满足多媒体要求，在CPU控制下，通过总线来沟通计算机所有部件之间信息的流通。 USB 总线：串行总线。可使微机与各种低速的外部设备相连接，达到“即插即用”的目的。USB能以树状结构连接127个外设。4输入/输出接口 由于主机中的CPU和内存都是由大规模集成电路组成的，而I/O设备是由机电装置组合而成

23、，它们之间在速度、时序、信息格式和信息类型等方面存在着不匹配。 I/O接口的功能就是解决上述这些不匹配，使主机与外部设备能协调地工作。由于这些I/O接口一般制作成电路板的形式，所以常把它们称为适配器，简称XX卡，如声卡、显示卡、网卡等。 为了将外部设备的适配器连接到微型计算机主机中，在系统主板上有一系列的扩展插槽供适配器使用。这些扩展槽与主板上的系统总线相连。适配器插入扩展槽后，就通过系统总线与CPU连接，进行数据的传送。PC这种开放的体系结构允许用户按照自己的需求选择不同的外部设备装配微机。2.3.2 微型计算机主机（3）内存储器插槽（4）BIOS和CMOS（5）总线扩展插槽（3）内存储器插

24、槽（4）BIOS和CMOS（5）总线扩展插槽2.3.2 微型计算机主机主板的主要组成部分芯片组 CPU插座 内存储器插槽BIOS和CMOS总线扩展插槽 有些主板还集成了显卡、声卡和网卡等适配器。5主板 主板是一个提供了各种插槽和系统总线及扩展总线的电路板，又叫主机板或系统板。主板上的插槽用来安装组成微型计算机的各部件，而主板上的总线可实现各部件之间的通信，所以说主板是微机各部件的连接载体。 1磁盘存储器 磁盘存储器包括磁盘驱动器、磁盘控制器和磁盘3部分。磁盘分为软磁盘和硬磁盘两大类。（1）软盘 目前已很少使用的软盘（Floppy Disk）过去曾扮演着重要角色。软盘包括：盘片、档板、读写窗口、

25、轴盘连接孔、写保护口等。注：软盘在进行读写操作时，指示灯亮。此时，不能将软盘从驱动器中取出，否则会使数据丢失，或损坏磁盘。长期存放的磁盘，其中的信息也可能丢失，所以，重要的资料应及时刷新。2.3.3 微型计算机的外存储器标签软盘标签读/写保护口轴空磁头读/写窗口索引孔、硬盘存储器硬盘存储器的结构 硬盘机由磁盘组、读/写磁头、定位机构、传动系统等组成。 磁盘组：若干个平行安装、同轴旋转的圆形磁盘片 读/写磁头：用来对磁盘上的信息进行读写，每个盘片的两面都有一个读/写磁头，可沿盘片表面做径向同步移动。硬磁盘的种类 按盘片直径分：1.8、2.5、3.5、5.25英寸 按硬盘机的结构分：盒式硬盘机、可

26、换盘片组硬盘机、固定式硬盘机1磁盘存储器2.3.3 微型计算机的外存储器磁盘格式化磁道（cylinders,同心圆）0磁道中存有文件分配表（FAT）信息扇区（Sectors,为512字节）。簇（Cluster）一个磁道上的两个或更多扇区组合成一个簇。磁盘容量容量=磁盘面数磁道数/面扇区数/磁道字节数/扇区例如软盘的容量计算：容量 = 2 80 18 512（字节） = 1474560（字节） 1024 1440（KB）磁盘结构及磁道扇区划分磁道扇区1磁盘存储器2.3.3 微型计算机的外存储器 光盘（Compact Disk）是大容量辅助存储器，光盘需要有光盘驱动器配合使用，但它不是用电磁转换的

27、机制读写信息，而是用光学的方式进行的。根据性能的不同，可将光盘分为3类。 只读光盘（Compact Disk Read Only Memory，CD-ROM）。光盘中的数据是由生产厂家预先写入的，用户只能读取而无法修改， 一次性写入光盘（Write Once Read Many times，WORM）。这类光盘用户可以写入信息，但只能写入一次。一旦写入，可多次读取。 可擦写型光盘。用户可以多次对其进行读/写。2光盘2.3.3 微型计算机的外存储器光盘的特点:存储容量大、价格低。光盘不怕磁性干扰，所以光盘比磁盘的记录密度更高，也更可靠。 光盘的存取速度高。 （1）移动硬盘 移动硬盘通过相关设备将

28、IDE转换成USB或Firewire接口连接到计算机，从而完成读写数据的操作。（2）优盘 移动闪存盘是近两年来发展比较迅速的小型便携式存储器，又称为优盘或U盘。它具有体积小、使用方便、数据安全、可靠性高等优点，正被越来越多的用户所青睐。2.3.3 微型计算机的外存储器3移动存储器 2. 鼠标（Mouse） 有机械式鼠标和光电式鼠标两种。2.3.4 微型计算机输入设备1. 键盘3其他输入设备 键盘和鼠标器是微型计算机中最常用的输入设备，此外，还有一些常用的输入设备。2.3.4 微型计算机输入设备图形扫描仪：一种图形、图像输入设备，它可以直接将图形、图像、照片或文本输入计算机中，例如可以把照片、图片经扫描仪输入到计算机中。 条形码阅读器：是一种能够识别条形码的扫描装置，连接在计算机上使用。 光学字符阅读器OCR：一种快速字符阅读装置。汉字语音输入设备和手写输入设备：可以直接将人的声音或手写的文字输入到计算机中，使文字输入变得更为方便、容易。 1显示器（1）显示器的分类 按显示器件：有阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器（LED）和等离子显示器。前者多用于普通台式微型计算机或终端；液晶和等离子显示器为平板式，体积小、重量轻、功耗少，目前正在取代阴极CRT显示器。 按显示