第2章 计算机系统

第2章计算机系统文斌博士、教授0本章学习目标通过本章的学习，了解计算机基本工作原理，掌握计算机软件系统和硬件系统；了解计算机硬件组成及主要性能指标，掌握数据在计算机中的表示及编码：掌握常用进制数，了解字符编码(ASCII码)、了解汉字(GB码)编码。1信息技术基础本章要点计算机系统；计算机组成及工作原理；计算机软件系统；

计算机主要技术指标；

信息在计算机中的表示形式；

微型计算机硬件组成。2信息技术基础目录2.1计算机系统2.2微型计算机的硬件组成2.3计算机操作系统3信息技术基础2.1计算机系统2.1.1计算机系统的组成计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成。计算机硬件是构成计算机系统各功能部件的集合。是由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础。计算机硬件是看得见、摸得着的，实实在在存在的物理实体。计算机软件是指与计算机系统操作有关的各种程序以及任何与之相关的文档和数据的集合。其中程序是用程序设计语言描述的适合计算机执行的语句指令序列。4信息技术基础2.1.2计算机硬件系统的基本组成及工作原理冯·诺依曼原理基本思想（1946年提出）（1）计算机硬件由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。（2）计算机内部采用二进制来表示程序和数据。（3）采用“存储程序”的方式，将程序和数据放入同一个存储器中(内存储器)，计算机能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行。组成计算机硬件系统的五大硬件（1）运算器（2）控制器（3）存储器（4）输入设备（5）输出设备5信息技术基础2.1.2计算机硬件系统的基本组成及工作原理1．运算器（ALU）运算器也称为算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）。它的功能是完成算术运算和逻辑运算。算术运算是指加、减、乘、除及它们的复合运算。而逻辑运算是指“与”、“或”、“非”等逻辑比较和逻辑判断等操作。在计算机中，任何复杂运算都转化为基本的算术与逻辑运算，然后在运算器中完成。2．控制器（CU）控制器CU（ControllerUnit）是计算机的指挥系统，控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。它的基本功能是从内存取指令和执行指令。通常将运算器和控制器统称为中央处理器，即CPU（CentralProcessingUnit）,它是整个计算机的核心部件，是计算机的“大脑”。它控制了计算机的运算、处理、输入和输出等工作。6信息技术基础2.1.2计算机硬件系统的基本组成及工作原理3．存储器（Memory）存储器是计算机的记忆装置，它的主要功能是存放程序和数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。（1）信息存储单位（2）存储器的分类根据存储器与CPU联系的密切程度可分为内存储器（主存储器）和外存储器（辅助存储器）两大类。（3）存储器工作原理7信息技术基础2.1.2计算机硬件系统的基本组成及工作原理4．输入设备输入设备是从计算机外部向计算机内部传送信息的装置。其功能是将数据、程序及其他信息，从人们熟悉的形式转换为计算机能够识别和处理的形式输入到计算机内部。常用的输入设备有键盘、鼠标、光笔、扫描仪、数字化仪、条形码阅读器等。8信息技术基础2.1.2计算机硬件系统的基本组成及工作原理5．输出设备输出设备是将计算机的处理结果传送到计算机外部供计算机用户使用的装置。其功能是将计算机内部二进制形式的数据信息转换成人们所需要的或其他设备能接受和识别的信息形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。通常我们将输入设备和输出设备统称为I/O设备（Input/Output）。它们都属于计算机的外部设备。9信息技术基础2.1.3计算机软件系统计算机软件系统按其功能划分，可分为系统软件和应用软件两大类型。（1）系统软件（SystemSoftware）系统软件是负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。系统软件使得计算机使用者和其他软件将计算机当作一个整体而不需要顾及到底层每个硬件是如何工作的。系统软件包括操作系统和一系列基本的工具（比如编译器，数据库管理，存储器格式化，文件系统管理，用户身份验证，驱动管理，网络连接等方面的工具）。10信息技术基础2.1.3计算机软件系统（2）应用软件应用软件是指在计算机各个应用领域中，为解决各类实际问题而编制的程序，它用来帮助人们完成在特定领域中的各种工作。应用软件主要包括：为解决各类实际问题而编制的程序，它用来帮肋人们完成在特定领域中的各种工作。如：文字处理程序表格处理软件辅助设计软件实时控制软件用户应用程序11信息技术基础2.1.4计算机的主要性能指标1．运算速度计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数。单位为每秒百万条指令(简称MIPS)或者每秒百万条浮点指令(简称MFPOPS）。2．存储器的指标

（1）存取速度（2）存储容量3．I/O的速度

主机I／O的速度，取决于I/O总线的设计。以上只是一些主要性能指标。除了上述这些主要性能指标外，微型计算机还有其他一些指标，例如，所配置外围设备的性能指标以及所配置系统软件的情况等等。12信息技术基础2.1.5计算机中信息的表示计算机要处理的信息是多种多样的，如日常的十进制数、文字、符号、图形、图像和语言等。但是计算机无法直接“理解”这些信息，所以计算机需要采用数字化编码的形式对信息进行存储、加工、和传送。信息的数字化表示就是采用一定的基本符号，使用一定的组合规则来表示信息。计算机中采用的二进制编码，其基本符号是“0”和“1”。13信息技术基础2.1.5计算机中信息的表示1．进制计数的方法有很多种，在日常生活中我们最常见的是国际上通用的计数方法——十进制计数法。计算机中使用的是二进制。这几种进制采用的都是带权计数法，它包含两个基本要素：基数、位权。进制转换在计算机世界中还涉及到八进制、十进制和十六进制。下面将讲述这几种进制之间的转换。14信息技术基础2.1.5计算机中信息的表示2．二进制与十进制的转换（1）二进制转十进制方法：“按权展开求和”（2）十进制转二进制十进制整数转二进制数：“除以2取余，逆序输出”十进制小数转二进制数：“乘以2取整，顺序输出”。3．八进制与二进制的转换4．十六进制与二进制的转换15信息技术基础2.1.5计算机中信息的表示5．二进制的运算：（1）算术运算加法：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10减法：0－0=0，1－0=1，1－1=0，10－1=1乘法：0*0=0，0*1=0，1*0=0，1*1=1（2）位运算与：0and0=0,0and1=0,1and0=0,1and1=1或：0or0=0,0or1=1,1or0=1,1or1=1非：not0=1,not1=0异或：0xor0=0,0xor1=1,1xor0=1,1xor1=0（3）位移运算左移（二进制数k左移n位）：kshln=k*2n右移（二进制数k右移n位）：kshrn=kdiv2n16信息技术基础2.1.5计算机中信息的表示6．计算机中数的表示在普通数字中，用“+”或“—”符号在数的绝对值之前来区分数的正负。在计算机中有符号数包含三种表示方法：原码、反码、补码。（1）原码表示法：用机器数的最高位代表符号位，其于各位是数的绝对值。符号位若为0则表示正数，若为1则表示负数。（2）反码表示法：正数的反码和原码相同，负数的反码是对原码除符号位外各位取反。（3）补码表示法：正数的补码和原码相同，负数的补码是该数的反码加1。17信息技术基础2.1.5计算机中信息的表示7．计算机中非数值数据的表示（1）字符的表示：在计算机处理信息的过程中，要处理数值数据和字符数据，因此需要将数字、运算符、字母、标点符号等字符用二进制编码来表示、存储和处理。目前通用的是美国国家标准学会规定的ASCII码——美国标准信息交换代码（ASCII码）。每个字符用7位二进制数来表示，共有128种状态。（2）汉字的数字化表示GB2312－80标准包括了6763个汉字，按其使用频度分为一级汉字3755个和二级汉字3008个。一级汉字按拼音排序，二级汉字按部首排序。此外，该标准还包括标点符号、数种西文字母、图形、数码等符号682个。18信息技术基础（3）字符和汉字的输出字符和汉字除用"内码"被表示、存储和处理外，另一个重要的表示是字符和汉字的"图形"字符输出，即显示和打印出字符和汉字的外部形状。为此，计算机系统必须维护一个"字库"，存储每一个字符或汉字的可视字形。这种可视字形称为"字模"。字模犹如印刷厂里活字排版用的铅字；不同的是计算机字库中对每一个字符或汉字只保存一个字模，而印刷厂却要保存许多铅字。字库有ASCII字符字库和汉字字库，分别存储字符字模和汉字字模。（4）其它信息的数字化①图像信息的数字化、②声音信息的数字化、③视频信息的数字化19信息技术基础2.2微型计算机的硬件组成微型机的基本构成都是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有主板、硬盘驱动器、CDROM驱动器、软盘驱动器、电源、显示适配器（显示卡）等。一个完整的微机系统同样也是由硬件系统和软件系统组成的。微型机的核心部分是由一片或几片超大规模集成电路组成的，称为微处理器。20信息技术基础2.2.1主板

主板位于机箱的内部。主板是一块矩形的印刷电路板，上面分布着南桥、北桥芯片、各种插槽、跳线、外设的接口以及许多的元器件等。主板是整个计算机的中枢，所有部件及外设都是通过主板与处理器连接在一起，并进行通信，然后由处理器发出相应的操作指令，执行相应的操作。21信息技术基础2.2.2微处理器CPU（CentralProcessingUnit），中央处理器或微处理器，主要用于运算和控制操作，是整个微机系统的核心。CPU常用的技术指标1.主频、外频和倍频（1）主频也叫做时钟频率，是CPU的核心工作频率。（2）外频是CPU与主板之间同步运行的速度，目前大部分计算机系统中外频也是内存与主板之间同步运行的速度。（3）倍频就是CPU的核心工作频率与外频之间的倍数，在相同的外频下，倍频越高，CPU的工作频率也越高。22信息技术基础2.前端总线FSB3.内存总线速度内存总线速度(Memory-BusSpeed)也就是系统总线速度，一般等同于CPU的外频。4.缓存缓存又称为高速缓存，就是指可以进行高速数据交换的存储器。5.工作电压工作电压指CPU正常工作所需的电压。6.制造工艺更精细的工艺使得原有的晶体管电路大限度地缩小了，能耗越来越低，CPU也就更省电。可以极大地提高CPU的集成度和工作频率。23信息技术基础2.2.3内存内存的定义内存是存储器的一种，存储器是计算机的重要组成部分。存储器按其用途可分为主存储器(MainMemory，简称主存)和辅助存储器(AuxiliaryMemory，简称辅存)，主存储器又称内存储器(简称内存)，辅助存储器又称外存储器(简称外存)。24信息技术基础2.2.4显示卡显示卡的基本结构25信息技术基础2.2.4外部存储器1.硬盘硬盘作为微机系统的外存储器成为微机的主要配置，它由硬盘片、硬盘驱动电机和读写磁头等组装并封装在一起成为温彻斯特驱动器。硬盘使用前要经过低级格式化、分区及高级格式化后即可使用。硬盘的低级格式化出厂前已完成。描述硬盘性能参数的技术术语很多，如：容量、磁头数、柱面数、扇区数、盘片数、转速、缓冲区大小、S．M．A．R．T支持、平均寻道时间、最大寻道时间、最大外部数据传输率等等。26信息技术基础2.2.4外部存储器2.光盘光盘是利用激光原理进行读写的设备，目前微机上配备CDROM（只读型光盘）驱动器。CDROM容量为680MB。最近DVD驱动器也开始流行，它的存储容量更大。3.U盘U盘即USB盘的简称，而优盘只是U盘的谐音称呼。U盘是闪存的一种，因此也叫闪盘。闪存盘，是中国在计算机存储领域二十年来唯一属于中国人的原创性发明专利成果。最大的特点就是：小巧便与携带、存储容量大、价格便宜。是移动存储设备之一。27信息技术基础2.2.4外部存储器4.移动微盘存储设备移动硬盘顾名思义是以硬盘为存储介质，强调便携性的存储产品。因为采用硬盘为存储介质，因此移动硬盘在数据的读写模式与标准IDE硬盘是相同的。移动硬盘多采用USB、IEEE1394等传输速度较快的接口，可以较高的速度与系统进行数据传输。28信息技术基础2.2.5输入/输出设备1.输入设备输入设备：向计算机输入数据和信息的设备。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔，手写输入板，游戏杆，语音输入装置等都属于输入设备。输入设备（InputDevice）是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。29信息技术基础2.2.5输入/输出设备2.输出设备输出设备（OutputDevice）是人与计算机交互的一种部件，用于数据的输出。它把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。输出设备的功能是将计算机内部二进制形式的信息转换成人们所需要的或其他设备能接受和识别的信息形式。常见的输出设备有打印机、显示器