第3章 计算机系统基本组成

软件学院信息科学导论课程组软件学院欢迎你软件学院信息科学导论课程组信息科学导论教研组信息科学导论软件学院信息科学导论课程组第3章

计算机系统的组成软件学院信息科学导论课程组本章前序计算机系统能加工处理信息计算机系统包括哪些成份？计算机硬件系统是怎样的组成的？计算机软件系统是怎样组成的？硬件与软件是怎样配合工作的？我们常用的微型计算机是怎样组成的?软件学院信息科学导论课程组本章主要内容计算机硬件系统的组成计算机软件系统的组成微型计算机系统本章小结本章的作业和任务软件学院信息科学导论课程组3.1

计算机硬件系统的组成以内存储器为核心的计算机硬件系统的组成及工作原理冯·诺依曼型计算机工作原理的核心“存储程序”和“程序控制”，特点如下：计算机硬件由五大基本部件组成：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。设置内存，在程序运行之前将程序和数据存入存储器中，并且能够自动依次执行指令。所有的程序和数据均采用二进制0，1代码表示。软件学院信息科学导论课程组软件学院信息科学导论课程组3.1

计算机硬件系统的组成

1.控制器

(ControlUnit)根据程序的指令发出控制信号控制计算机硬件各部件自动地、协调有序工作.

2.运算器

ALU(ArithmeticLogicUnit)也叫算术逻辑单元,在控制器的控制下完成各种算术运算和逻辑运算.控制器和运算器合起来称为中央处理器CPU(Central

ProcessingUnit)3.内存储器(Memory)存放计算机正在使用的程序和数据随机存储器RAM(RandomAccessMemory)只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)高速缓冲存储器Cache软件学院信息科学导论课程组3.1

计算机硬件系统的组成4.输入设备(Inputdevice)用于将外界信息输入到计算机中的设备.例:键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪、光笔、语音输入器、模数转换器、触摸屏等.5.输出设备(Outputdevice)用于将计算机中的信息输出到外界来的设备.例:显示器、打印机、绘图机、语音输出装置、数模转换器等6.外存储器(Externalstorage)用于永久性保留程序和数据的设备例:磁鼓、磁带、磁盘、光盘、U盘等.软件学院信息科学导论课程组3.1

计算机硬件系统的组成

软件学院信息科学导论课程组3.2

计算机软件系统的组成(Cont.)软件定义按照预先设计的算法编制出来的指挥计算机硬件完成任务的以电子格式存储的指令序列和相关数据以及文档.软件=程序+文档+数据程序：对处理过程描述的指令序列.数据：程序加工处理的对象.文档：理解程序和数据所需的资料.软件学院信息科学导论课程组3.2

计算机软件系统的组成(Cont.)1.软件的分类系统软件:用于对计算机进行管理、控制、维护,或者编辑、制作、加工用户程序的一类软件.应用软件:用于解决各种实际问题、进行业务工作的软件.

软件系统系统软件应用软件操作系统编程语言数据库管理系统驱动程序实用软件应用程序套装软件工具软件软件学院信息科学导论课程组3.2

计算机软件系统的组成(Cont.)2.系统软件(1)操作系统OS(OperatingSystem)系统软件的核心,它直接管理和控制计算机的一切硬件和软件资源,使它们能有效地配合,自动协调地工作.典型的操作系统DOS操作系统

Windows操作系统Unix/Linux操作系统NovellNetWare网络操作系统MacOS操作系统软件学院信息科学导论课程组3.2

计算机软件系统的组成(Cont.)(2)计算机语言处理系统用于编辑源程序,将源程序转换成目标程序,并生成可执行程序的软件.结构化程序设计语言Basic,Pascal,FORTRAN,C,Lisp,Prolog,Ada,…面向对象程序设计语言VB,VC,C++,PB,Java,Delphi,…编译程序和解释程序编译程序:

将源程序一次性翻译成目标代码,经过连接产生可执行文件.以后可直接执行可执行文件.解释程序:程序执行时逐句翻译,不产生可执行文件.软件学院信息科学导论课程组3.2

计算机软件系统的组成(Cont.)(3)数据库管理系统DBMS用于对大量数据进行组织和管理的软件系统.数据库应用实例人事管理、设备管理、财务管理、图书资料管理、生产管理、销售管理、学生学籍管理、学生成绩统计、各类数据汇总等典型的关系数据库系统FoxBaseVFPSQLServerSybaseOracleInformixAccess等软件学院信息科学导论课程组3.2

计算机软件系统的组成(Cont.)(4)辅助性工具软件增强或扩展操作系统功能的一类软件.常用的实用工具软件数据备份软件,磁盘整理软件计算机病毒检测与解毒软件;数据压缩软件,文件加密软件,系统性能检测程序CPU速度测试程序,硬盘测试程序,故障检查与诊断程序磁盘管理程序,程序调试程序,连接程序,文件编辑程序网络下载工具软件,防火墙软件……软件学院信息科学导论课程组3.2

计算机软件系统的组成(Cont.)3.应用软件用于解决各种用户实际问题的软件应用程序用于解决某一种问题的软件例如:各种管理程序、游戏软件、音乐播放软件套装软件(应用软件包)用于解决某一类问题的软件例如：办公自动化软件Office,计算机辅助设计软件CAD,建筑设计软件包,各专业设计软件包软件学院信息科学导论课程组3.2计算机软件系统的组成(Cont.)

软件学院信息科学导论课程组3.3

微型机系统(Cont.)微型机硬件系统的组成主机主板CPU:运算器,控制器内存储器:RAM,ROM,Cache总线扩展插槽:数据总线,地址总线,控制总线各种外部设备接口:键盘,鼠标,显示器,USB串行接口并行接口:打印机软盘驱动器,硬盘驱动器,光盘驱动器外部设备软件学院信息科学导论课程组3.3

微型机系统(Cont.)主机及主板软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)软件学院信息科学导论课程组3.3

微型机系统(Cont.)常见外部设备

输入设备键盘KeyBoard鼠标器Mouse扫描器Scanner麦克风Microphone只读光盘CD-ROM输出设备打印机Printer点阵打印机DotPrinter激光打印机LeaserPrinter喷墨打印机JetPrinter输出设备(Cont.)显示器Monitor绘图机Plotter平板式绘图机滚筒式绘图机输入输出设备调制解调器Modem软盘FloppyDisk硬盘HardDiskU盘软件学院信息科学导论课程组3.3

微型机系统(Cont.)软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)CPU是计算机硬件的核心控制器要依据程序控制各部件协同工作.运算器完成各种算术运算和逻辑运算.著名的CPU生产厂家有Intel、AMD、Cyrix和TI等公司.1.CPU软件学院信息科学导论课程组第1阶段：4位和8位低档微处理器时代。如Intel4004/8008第2阶段：8位中高档微处理器时代。如：Intel8080第3阶段：16位微处理器时代。如：Intel8086/8088

第4阶段：32位微处理器时代。如：Intel80286/80386第5阶段：奔腾（pentium）系列微处理器时代。

如:pentium/PentiumⅡ/PentiumⅢ/PentiumⅣ第6阶段：多核微处理器时代。如：酷睿系列软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)CPU的主要性能指标主频(MHz,GHz)CPU的时钟频率.是衡量运算和处理速度的重要标志.字长CPU内部进行存储、运算、信息传输所使用的基本信息单位.衡量CPU每次处理信息量的大小,直接影响到速度.主频=外频x倍频主频:CPU内部的时钟频率，是CPU进行运算时的工作频率。一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。外频:即系统总线的频率，CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。倍频:全称是倍频系数。CPU的核心工作频率与外频之间存在着一个比值关系，这个比值就是倍频系数，简称倍频。原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，随着CPU的速度越来越快，倍频技术也就应允而生。它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来无限提升。软件学院信息科学导论课程组主频=外频x倍频CPU主频的计算方式变为：主频=外频x倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频，CPU主频也就越高。软件学院信息科学导论课程组软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)内存储器也叫主存储器,是CPU能直接访问的存储器.内存储器用于临时保留程序和数据以便控制器读取随机存取存储器RAMRAM一般采用内存条结构,每片内存条上具有一定的存储容量.RAM的特点工作必须加电.断电后,信息丢失.微型机典型RAM的容量128MB,256MB,512MB,1GB等.2.内存储器软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)只读存储器ROMROM的特点信息只能读出,不能写入.断电后信息不丢失,可靠性高ROM的主要分类ROM(ReadOnlyMemory):厂家写入信息,用户不能修改PROM(ProgrammableROM):用户写入信息,但不能修改EPROM(ErasablePROM):用户写入信息,可用紫外线擦除EEPROM(ElectricallyEPROM):用户写入信息,可用电擦除快闪存储器(FlashMemory):用电擦除,但只能整体擦除或分区擦除软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)软盘存储器由软磁盘和软盘驱动器组成.3.外存储器(1)软盘存储器(Floppydiskdrive)软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)硬盘的结构通常是由几个盘片组成的磁盘组.密封在一个空气洁净的密封舱内.存储密度大每个面通常有成百上千个磁道,所以硬盘的软盘.若干个面的相同磁道组成了一个个园柱,因此硬盘的磁道也叫柱面(Cylinder).速度快有一组磁头可以同时对各盘片进行读写.采用温彻斯特(Winchester)技术.(2)硬盘存储器(HardDisk)软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)磁盘存储器的工作原理

软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)硬盘的存储容量=柱面数×每磁道扇区数×每扇区字节数×磁头数微型机硬盘存储容量一般为540KB,10MB,20MB,40MB,1GB,2.1GB,3.2GB,4.3GB,6.5GB,8.4GB,10GB,20GB,40GB,60GB,80GB,100GB等主要硬盘生产厂商Quantum,Seagate,Maxtor等.软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)光盘存储器由光盘驱动器和光盘盘片组成.CD-ROM(CompactDisk-ReadOnlyMemory)CD-ROM是使用最广泛的光盘.信息只能读出,不能写入.容量一般为680MB.最早的CD-ROM驱动器(简称光驱)的数据传输速率为150KB/s,称为单速光驱.光驱的速度用X倍速表示.CD-R(CompactDisk-Record)可由用户利用CR-R刻录机写入信息.CD-RW(CompactDisk-ReadandWrite)这种光盘类似于磁盘,可以重复读写.(3)光盘存储器(Opticaldiskdrive)软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)DVD(DigitalVideoDisk)常用于保存多媒体应用程序,容量一般为4.7GB光盘驱动器CD-ROM驱动器:可读CD-ROM,CDRCDR刻录机:可刻录CDR,VCDDVD驱动器:可读DVD,CD-ROM,CDRDVD刻录机:可刻录CDR,VCD,DVD软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)显示器可以显示字符、图形、图像及影像等.显示字符时,笔划经过的位置用点表示显示图像时,有点的地方用1表示,无点的地方用0表示4.显示器(Monitor)字母“A”的显示软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)显示器的分辨率resolution显示器水平方向显示的像素数与垂直方向显示的像素数的乘积称为显示器的分辨率.标准显示器的分辨率800×6001024×7681280×10241600×1200……软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)显示器的分辨率与颜色每一点可区分颜色数目

垂直方向可区分点的数目H-resolution×V-resolution×

Color

水平方向可区分点的数目Color软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)打印机用于将程序、数据、图形或图像在打印纸上输出出来.打印机的分类击打式打印机点阵打印机字锤式打印机非击打式打印机激光打印机喷墨打印机5.打印机(printer)软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)点阵打印机(DotMatrixPrinter)点阵打印机也叫针式打印机,这种打印机利用打印头上的24根打印钢针,击打带油墨的色带,在打印纸上打出点阵字符及图形.点阵打印机分类80列打印机136列打印机专用票据打印机软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)激光打印机(Laserprinter)激光打印机是将激光技术与电子技术相结合,采用电子照相原理制造出来的.常见的激光打印机有HP系列Canon系列联想系列等软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)喷墨打印机(Jetprinter)对应点阵打印机钢针的是一些小喷嘴主机送来1时,喷嘴打开,在打印纸上喷上一个点.主机送来0时,喷嘴不打开,打印纸上保持空白.常见的喷墨打印机有Canon系列EPSON系列HP系列清华紫光系列等.软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)打印机的技术指标分辨率每平方英吋点数dpi(Dotsperinch)颜色单色,彩色打印速度每分钟打印页数ppm(pagesperminute)每秒钟打印字符数cps(characterspersecond)耗材色带,墨盒/墨水,打印鼓/墨粉软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)计算机系统的性能由多项技术指标综合确定,包含硬件和软件.CPU：主频,字长,指令系统主频是指CPU每秒钟所产生的时钟周期数.字长是指CPU每一次操作所能处理的数据位数.内存：存储容量,存取速度,可靠性容量是指内存的大小.存取速度是从存储器读出或写入一个标准单位数据的单位时间.

可靠性是指存储器能否实现正确的读写与保存.5.系统性能软件学院信息科学导论课程组3.3微型机系统(Cont.)外存速度,容量,与CPU/内存匹配,耗电量,可靠性运算速度：每秒钟执行的指令条数，取决于指令的执行时间。单位：MIPS（MillionInstructionsPerSecond,即每秒钟百万条指令）显示器与显示卡尺寸,分辨率,显示卡存储容量,颜色,尺寸,与CPU/内存匹配总线（地址总线AB、数据总线DB、控制总线CB）类型,传输速度其他配套设备打印机,扫描仪,鼠标等计算机的工作过程

1.这里从一个初级的计算机入手来讨论计算机的工作过程，以后再扩展到实际的计算机。

下图给出了一个假想的初级计算机结构，由中央处理器（CPU）、存储器、接口电路组成，通过接口电路再与外部设备相连接。相互之间通过三条总线（地址总线AB、双向数据总线DB和控制总线CB）来连接。为了简化问题，先不考虑外部设备以及接口电路，并认为要执行的程序以及数据已存入存储器内。

1)初级计算机的中央处理器CPU的结构如下图所示:

算术逻辑单元ALU是执行算术和逻辑运算的装置。

寄存器组H是多个寄存器组成，它用于暂时存放数据。

指令寄存器（IR）是用于存放当前正在执行的指令。当前指令执行完后，下条指令才可存入。如果不取入新的指令，指令寄存器的内容是不会改变的。

指令译码器（ID）用来对指令进行分析译码，根据指令译码器的输出信号执行当前指令所需要的全部控制信号。

标志寄存器F由一些标志位组成，它为逻辑判断提供状态信息，如溢出。

程序计数器PC又称指令计数器，它的作用是指明将要执行的下一条指令在存储器中的地址。

内部数据总线把CPU内部各寄存器和ALU连接起来，以实现各单元之间的信息传输。

256字节RAM是假想存储器，它用于存放指令和数据。

地址寄存器（AR），由它把要寻址的单元地址通过地址总线，送至存储器。

数据寄存器（DR），用来存放从存储器中读出的数据，并经过内部数据总线送到需要这个数据的寄存器中；或将要写入存储器的数据经过（DR）送给存储器

2)存储器初级计算机的存储器结构如图2.5所示。它由256个单元组成。每个单元被规定一个唯一的编码（既地址）。规定第1个单元的地址为0，最后一个单元地址为255。用二进制表示为00000000～11111111。用十六进制数表示为00H～FFH。每个单元可存放一个8位的二进制信息（即一个字节的信息）。每一个存储单元的地址和这个地址中存放的内容是两个绝然不同的概念，千万不要混淆了。CPU给出要操作的某存储单元地址，该地址通过地址总线AB送到存储器中的地址译码器，从256个单元中找到相应于该地址码的那个存储单元，然后再对这个单元进行读出或写入操作。读操作：把06H号存储单元的内容读出到数据总线上，那么首先要求CPU的地址寄存器(AR)给出地址编码06H，通过地址总线送到存储器，存储器中地址译码器对它进行译码，找到06H号单元。这时CPU再发出读操作命令，将06H号单元的内容（84H）经数据总线送到数据寄存器DR中写操作：要把数据寄存器(DR)中的内容26H写入到10H号存储单元中，则CPU的地址寄存器AR先给出地址10H，并通过地址总线AB送到存储器，经存储器地址译码器译码后找到10H号单元；然后把数据寄存器DR中的内容26H放到数据总线DB上；CPU发出写操作命令，数据总线上内容26H就写入到10H单元

2.计算机的工作过程

下面通过一个例子来讨论这些电路是怎样配合起来执行一段程序的，以了解计算机是怎样工作。例如，要求计算Y=5+9，且将结果放在累加器A中。每种计算机都有自己的指令表，这里假设以下三条指令及功能。

MOVA，05H；将立即数05H送至累加器A中

ADDA，09H；将立即数09H加到累加器A中

HALT；停机

程序通过键盘送入存储器中，以二进制形式存放，每个存储单元存放一个字节内容。三条指令共有5个字节，占5个存储单元。可把这5个字节程序存放在存储器任意区域。假设把存放在以40H地址开始的5个连续单元中

程序输入到计算机后，只要告诉计算机程序的起始地址（这里是40H），并发出一个启动命令，机器就被启动来执行这段程序。执行程序过程就是反复取出指令和执行指令。⑴第一条指令取指阶段。给PC赋以第一条指令的地址40H后，就进入第一条指令的取指阶段，具体过程为：

①PC=40H送地址寄存器AR，使AR=40H。②当PC的内容可靠地送入AR后，PC内容加1变为41H。③地址寄存器AR把地址40H通过地址总线AB送到存储器，经地址译码器译码后，选中40H号单元。④CPU发出读命令。⑤所选中的40H号单元内容3EH读到数据总线DB上。⑥读出的内容经过DB送到数据寄存器DR中。⑦取指阶段取出的是指令操作码，DR把它送指令寄存器IR中，经指令译码器ID和可编程逻辑阵列PLA，发出执行这条指令。

⑵第一条指令执行阶段。经过对第一条指令操作码译码后知道是把操作数送入累加器A的操作，而操作数在指令的第二字节。所以执行第一条指令就须把第二字节中的操作数取来并送到累加器A。其过程如下：

①把PC内容41H送地址寄存器AR，使AR=41H。②当PC的内容可靠地送入AR后，PC自动加1，变为42H。