《大学计算机-计算思维视角》 课件 第3章 计算机系统

冯诺依曼原理与计算机系统计算机系统章名：节名：冯诺依曼体系结构计算机系统的组成12冯诺依曼理论美籍匈牙利数学家冯·诺依曼在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，形成了将一组数学过程转变为计算机指令语言的基本方法。冯诺依曼理论根据冯诺依曼体系结构组成的计算机，必须具有如下功能：把需要的程序和数据送至计算机中。必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作。能够按照要求将处理结果输出给用户。冯诺依曼理论为了完成上述的功能，计算机必须具备五大基本组成部件，包括：输入数据和程序的输入设备记忆程序和数据的存储器完成数据加工处理的运算器控制程序执行的控制器输出处理结果的输出设备输入设备输出设备运算器（内）存储器控制器程序+数据输出结果数据流控制流CPU计算机系统的组成计算机硬件系统指构成计算机的所有实体部件的集合。通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成，它们都是能看得见、摸得着的，因此通称为“硬件”，是进行一切工作的基础。计算机软件系统是指由系统软件、支撑软件和应用软件组成的计算机软件系统，它是计算机系统中由软件组成的部分。计算机系统硬件软件主机外设中央处理器（CPU）内存储器控制器运算器外存储器输入设备输出设备存储器系统软件应用软件冯诺依曼体系结构计算机系统的组成0102030405060102030405061234V567备用元素计算机的基本部件组成计算机系统章名：节名：微型计算机系统常用硬件简介12微型计算机系统微型计算机是以微处理器作为CPU的计算机。这类计算机的另一个普遍特征就是占用很少的物理空间。微型计算机使用的设备大多数都紧密的安装在一个单独的机箱中，也有一些设备可能短距离地连接在机箱外，例如显示器、键盘、鼠标等等。一般而言，一台微型计算机的尺寸可以使之很容易摆放在大多数桌面上。桌面计算机、笔记本电脑、平板电脑，以及种类众多的手持设备都属于微型计算机的示例。微型计算机中的硬件

从外观上来看，微机由主机箱和外部设备组成。主机箱内主要包括CPU、内存、主板、硬盘驱动器、光盘驱动器、各种扩展卡、连接线、电源等外部设备包括鼠标、键盘等。微型计算机中的硬件微型计算机的主机箱，如下图主板内存微型计算机中的硬件电源CPU硬盘

显卡声卡网卡光驱显示器键盘鼠标打印机3D打印机及其产品扫描仪移动存储设备微型计算机系统微型计算机常用硬件软件与操作系统简介计算机系统章名：节名：软件简介操作系统简介12计算机硬件操作系统系统调用,命令,图标,窗口应用程序及实用程序用户程序员系统设计者计算机系统层次示意图

一个计算机系统可以看成是由硬件和软件按层次结构组成的系统，自底向上各层是：硬件层、操作系统层、语言处理程序层、应用程序层。软件的定义软件是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。软件通常以某种特定的开发语言作为描述语言，可以认为：软件=程序+数据+文档软件的特点软件是无形的，没有物理形态，只能通过运行状况来了解功能、特性、和质量。软件渗透了大量的脑力劳动，人的逻辑思维、智能活动和技术水平是软件产品的关键。软件不会像硬件一样老化磨损，但存在缺陷维护和技术更新。软件的开发和运行必须依赖于特定的计算机系统环境，对于硬件有依赖性，为了减少依赖，开发中提出了软件的可移植性。软件具有可复用性，软件开发出来很容易被复制，从而形成多个副本。软件的分类按应用范围划分，一般来讲软件被划分为系统软件、应用软件和介于这两者之间的中间件。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。可分为操作系统和系统软件，其中操作系统是最基本的软件。应用软件是为了某种特定的用途而被开发的软件。比如绘图软件，文档编辑处理软件，视频播放软件等中间件是一种独立的系统软件或服务程序，是连接两个独立应用程序或独立系统的软件。操作系统简介计算机操作系统是随着计算机研究和应用的发展逐步形成并发展起来的，它是计算机系统中最基本的系统软件，其它软件都在操作系统支持下工作。若操作系统遭到破坏，计算机就无法正常工作，甚至根本不能工作。在操作系统上我们可以通过安装程序来看视频，听音乐，玩游戏、浏览网页，还可以弹出移动硬盘和U盘、管理我们硬盘中的文件等等；我们通过操作系统来和计算机交互，系统协调我们安排给计算机的各种任务。

操作系统位于底层硬件与用户之间，是两者沟通的桥梁。用户可以通过操作系统的用户界面，输入命令。

操作系统则对命令进行解释，驱动硬件设备，实现用户要求。以现代标准而言，一个标准PC的操作系统应该提供以下的功能：操作系统的功能1.进程管理不管是常驻程序或者应用程序，都以进程为标准运行单位。进程管理指的是操作系统调整多个进程的功能。现代的操作系统，即使只拥有一个CPU，也可以利用多进程（multitask）功能同时执行多个进程。在多内核或多处理器的情况下，所有进程通过许多协同技术在各处理器或内核上转换。操作系统的功能2.内存管理操作系统的存储器管理提供查找可用的记忆空间、配置与释放记忆空间以及交换存储器和低速存储设备的内含物……等功能。此功能又被称做虚拟内存管理，这大幅增加每个进程可获得的记忆空间。操作系统的功能3.文件系统所谓的文件系统，通常指管理磁盘数据的系统，可将数据以目录或文件的型式存储。每个文件系统都有自己的特殊格式与功能。每个文件系统都实现相似的目录／子目录架构。操作系统的功能4.网络通信许多现代的操作系统都具备操作主流网络通信协议TCP/IP的能力。也就是说这样的操作系统可以进入网络世界，并且与其他系统分享诸如文件、打印机与扫描仪等资源。操作系统的功能5.安全机制大多数操作系统都含有某种程度的信息安全机制。信息安全机制主要基于两大理念：一、操作系统提供外界直接或间接访问数据资源的管道。二、操作系统有能力认证资源访问的请求。允许通过认证的请求并拒绝无法通过的非法请求，并有授权的能力。操作系统的功能6.用户界面现在绝大部分的操作系统都包含图形用户界面（GUI）。许多近代的操作系统已模块化，将图形接口的副系统与内核分开。图形用户界面与时并进，例如Windows在每次新版本上市时就会将其图形用户界面改头换面，而MacOS的GUI也在MacOSX上市时出现重大转变。操作系统的功能7.驱动程序驱动程序是针对特定硬件与特定操作系统设计的软件，通常以操作系统内核模块、应用软件包或普通电脑程序的形式在操作系统内核底下运行，以达到通透顺畅地与硬件交互的效果。理论上适合的驱动程序一旦安装，相对应的新设备就可以无误地运行。驱动程序可以让此设备完美地切合在操作系统中，让用户察觉不到这是操作系统原本没有的功能。操作系统的功能软件简介操作系统简介操作系统的发展与分类计算机系统章名：节名：操作系统的发展操作系统的分类124操作系统(OperatingSystem,OS)是指控制和管理整个计算机系统的硬件和软件资源，并合理地组织调度计算机的工作和资源的分配，以提供给用户和其他软件方便的接口和环境的程序集合。知道了操作系统是用来做什么的，我们来了解一下操作系统的发展历史。操作系统的发展操作系统并不是与计算机硬件一起诞生的，它是在人们使用计算机的过程中，为了满足两大需求：提高资源利用率增强计算机系统性能伴随着计算机技术本身及其应用的日益发展，操作系统逐步地形成和完善起来的。操作系统的发展操作系统的发展手工操作（无操作系统）

1946年第一台计算机诞生--20世纪50年代中期，还未出现操作系统，计算机工作采用手工操作方式。程序员将对应于程序和数据的已穿孔的纸带（或卡片）装入输入机，然后启动输入机把程序和数据输入计算机内存，接着通过控制台开关启动程序针对数据运行；计算完毕，打印机输出计算结果；用户取走结果并卸下纸带（或卡片）后，才让下一个用户上机。操作系统的发展批处理系统它是加载计算机上的一个系统监督软件，在监督程序的控制下，计算机能够自动的、成批的处理一个或多个用户的作业（作业包括程序、数据、命令）。首先出现的是联机批处理系统，即作业的输入输出由CPU来处理。为克服与缓解高速主机与慢速外设的矛盾，提高CPU的利用率，又引入了脱机批处理系统操作系统的发展多道批处理系统

为改善CPU的利用率，多道程序系统被引入到计算机中。所谓多道程序设计技术，就是指允许多个程序同时进入内存并运行。即同时把多个程序放入内存，并允许它们交替在CPU中运行，它们共享系统中的各种硬、软件资源。当一道程序因I/O请求而暂停运行时，CPU便立即转去运行另一道程序。在前面讲述的批处理系统中，引入多道程序设计技术后形成多道批处理系统操作系统的发展批处理系统存在一个重要缺点：不提供人机交互能力，给用户使用计算机带来不便。虽然用户独占全机资源，并且直接控制程序的运行，可以随时了解程序运行情况。但这种工作方式因独占全机造成资源效率极低。

一种新的追求目标：既能保证计算机效率，又能方便用户使用计算机。20世纪60年代中期，计算机技术和软件技术的发展使这种追求成为可能。操作系统的发展分时系统分时技术：把处理机的运行时间分成很短的时间片，按时间片轮流把处理机分配给各联机作业使用。由于CPU速度不断提高和采用分时技术，一台计算机可同时连接多个用户终端，而每个用户可在自己的终端上联机使用计算机，好象自己独占机器一样。多用户分时系统是当今计算机操作系统中最普遍使用的一类操作系统。操作系统的发展实时系统虽然多道批处理系统和分时系统能获得较令人满意的资源利用率和系统响应时间，但却不能满足实时控制与实时信息处理两个应用领域的需求。于是就产生了实时系统，即系统能够及时响应随机发生的外部事件，并在严格的时间范围内完成对该事件的处理实时系统在一个特定的应用中常作为一种控制设备来使用。操作系统的发展实时系统可分成两类：实时控制系统用于飞机飞行、导弹发射等的自动控制用于轧钢、石化等工业生产过程控制时实时信息处理系统用于预定飞机票、查询有关航班、航线、票价等事宜用于银行系统、情报检索系统特点：1.及时响应2.高可靠性操作系统可以从不同的角度进行分类，以下是常见的两种分类方式根据工作方式分为：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统等；根据运行的环境可以分为：桌面操作系统，服务器操作系统、嵌入式操作系统等；操作系统的分类操作系统的分类网络操作系统（NOS）网络操作系统，是一种能代替操作系统的软件程序，是网络的心脏和灵魂，是向网络计算机提供服务的特殊的操作系统。它除了应具有通常操作系统应具有的处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理外，还应具有以下两大功能：(1)提供高效、可靠的网络通信能力(2)提供多种网络服务功能操作系统的分类分布式操作系统一个分布式系统是若干个独立的计算机的集合。但是对于该系统的用户来说，系统就像一台计算机一样。硬件方面：各个计算机都是自治的。软件方面：用户将整个系统看成一台计算机用于管理分布式计算机系统的操作系统称为分布式操作系统。在该系统中，若干台计算机相互协同完成同一任务。操作系统的分类桌面操作系统桌面操作系统主要用于个人计算机上。一般指的是安装在个人电脑上的图形界面操作系统软件。在桌面操作系统诞生之前，最有名的操作系统就是DOS，但是DOS的操作界面十分不友好，仅仅是代码而已，为此，微软公司推出了它们的第一个图形界面操作系统-windows1.0，尽管只有256色，但是在当时已经够吸引人了，直到今天macos、windows、linux三足鼎立的局面。操作系统的分类服务器操作系统服务器操作系统一般指的是安装在大型计算机上的操作系统，比如Web服务器、应用服务器和数据库服务器等，是企业IT系统的基础架构平台。相比个人版操作系统，在一个具体的网络中，服务器操作系统要承担额外的管理、配置、稳定、安全等功能，处于每个网络中的心脏部位。操作系统的分类嵌入式操作系统运行在嵌入式硬件平台上、对整个系统及其所操作的部件、装置等资源进行统一协调、指挥和控制的系统软件。最熟悉的嵌入式操作系统：应用在智能手机和平板电脑的Android、iOS等交通管理智能家居POS网络环境监测操作系统的发展操作系统的分类常用操作系统介绍计算机系统章名：节名：Windows操作系统Unix操作系统124Linux操作系统34MAC操作系统4手机操作系统5操作系统是管理计算机软硬件资源的一个平台。在个人电脑发展史上，出现过许多不同的操作系统，经过多年的竞争，目前最为常用的有以下几种：Windows、Unix、Linux、Mac、手机操作系统下面分别介绍这几种操作系统的发展过程和功能特点。常见操作系统Windows操作系统Windows系列是目前最广泛应用的一个系统，是微软公司开发的软件产品。笔记本和台式电脑都可以应用该系统，目前市面上购买到的除苹果品牌以外的个人计算机，都会预装windows10操作系统。windows是Microsoft公司在1985年11月发布的第一代窗口式多任务系统，它使PC机开始进入了所谓的图形用户界面（GUI：GraphicUserInterface）时代。在图形用户界面中，每一种应用软件（即由windows支持的软件）都用一个图标（Icon）表示，用户只需把鼠标移到某图标上，连续两次按下鼠标器的拾取键即可进入该软件，这种界面方式为用户提供了很大的方便，把计算机的使用提高到了一个新的阶段。Windows操作系统Windows1.0Windows1.0是基于MS-DOS开发操作系统，是Windows系列的第一个产品。鼠标的作用得到特别的重视允许用户同时执行多个程序，并在各个程序之间进行切换自带了一些简单的应用程序，包括日历、记事本、计算器等等。Windows3.0Windows3.0系列是Windows在桌面PC市场开疆扩土的头号功臣图片显示效果大有长进提供了对虚拟设备驱动的支持，极大改善了系统的可扩展性提供了对多媒体，网络等众多最先进技术的支持，从而被称为软件技术的一场革命。该系列最出色的代表是win95和win98Windows95的特点全新的用户界面新增的程序和附件Web服务器功能对便携机的强力支持联网功能Windows9X系列Windows98的改进安装简便具有“即插即用”功能鼠标的作用更突出自动播放CD高级的因特网浏览功能Windows9X系列WindowsXPWindowsXP是Windows系列中最经典的一个版本。更加华丽的界面与更加丰富多彩的娱乐功能兼容性好，对新技术、新产品的支持良好自带软件，集成防火墙提供了更好的Wi-Fi支持，实现“热插拔”Windows7操作系统Windows7是继XP之后又一款占有率最高的桌面操作系统操作系统更加简化，占用空间更小个性化桌面体验高效、强大的搜索功能快速释放资源，确保电脑运行流畅休眠和启动反应更快速用户账户控制更加安全Windows8操作系统Windows8是是第一款带有Metro界面的桌面操作系统更快的安装与开机速度全面增强的应用软件对云计算、智能移动设备、自然人机交互等新技术新概念的全面融合提供了一个跨越电脑、笔记本电脑、平板电脑和智能手机的统一平台。Windows10操作系统Windows10是微软发布的最后一个独立Windows版本新增的WindowsHello生物识别技术强大的Cortana搜索功能提供专门平板电脑模式放弃Metro风格，回归传统风格开始菜单进化新的Edge浏览器UNIX操作系统，是一个强大的多用户、多任务操作系统，支持多种处理器架构，按照操作系统的分类，属于分时操作系统UNIX操作系统Unix操作系统Unix是专业的服务器操作系统。服务器操作系统一般没有专门的图形界面。对于UNIX，大多UNIX可以用开源的图形界面，界面是什么样也是取决于这些具体的软件，和UNIX本身的关系并不是太大。Unix操作系统可靠性高许多UNIX主机和服务器在国外大中型企业中每天24小时，每年365天不间断地运行。伸缩性强UNIX系统是世界上唯一能笔记本电脑，PC，直到巨型机上运行的操作系统开放性好这是UNIX系统最重要的本质特征，也是UNIX强大生命力之所在。网络功能强UNIX支持所有最通用的网络通讯协议，使得UNIX系统能方便地与主机、各种广域网和域网相连。LinuxLinux操作系统诞生于1991年，是一套免费使用和自由传播的类Unix操作系统，它能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议。Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，是一个性能稳定的多用户网络操作系统。Linux操作系统Linux操作系统完全免费：用户可以通过网络或其他途径免费获得，并可以任意修改其源代码。完全兼容可移植操作系统接口标准：为用户从Windows转到Linux奠定了基础。多用户、多任务：用户对自己的文件有特殊的权利，多个程序同时独立地运行。良好的界面：Linux同时具有字符界面和图形界面。在字符界面用户可以通过键盘输入指令来进行操作。它同时也提供了图形界面X-Window系统。支持多种平台：,该操作系统可安装在各种计算机硬件设备中，比如手机、平板电脑、路由器、视频游戏控制台、台式计算机、大型机和超级计算机。MacOS操作系统MacOS是一套运行于苹果Macintosh系列电脑上的，基于Unix内核的图形化操作系统。MacOS是首个在商用领域成功的图形用户界面操作系统。一般情况下在普通PC上无法安装的操作系统。由苹果公司自行开发。MacOS操作系统全屏模式：优点在于，以用户感兴趣的当前任务为中心，减少了多个窗口带来的困扰，并为全触摸计算铺平了道路。任务控制：整合了Dock和控制面板，并可以窗口和全屏模式查看各种应用。快速启动面板：通过滑动鼠标，用户可以很容易地找到各种应用。应用商店：当用户从该商店购买一个应用后，Mac电脑会自动将它安装到快速启动面板中。更加安全：疯狂肆虐的电脑病毒几乎都是针对Windows的，由于MAC的架构与Windows不同，所以很少受到病毒的袭击。手机操作系统手机操作系统主要应用在智能手机上。按照源代码、内核和应用环境等的开放程度划分，智能手机操作系统可分为开放型平台（基于Linux内核）和封闭型平台（基于UNIX和Windows内核）两大类。流行的智能手机操作系统有SymbianOS、AndroidOS、WindowsPhone、iOS、Blackberry等。目前GoogleAndroid和苹果的iOS系统不仅仅在智能手机市场份额中维持领先，而且这种优势仍在不断增加。手机操作系统2007年6月，苹果公司的iOS登上了历史的舞台，手指触控的概念开始进入人们的生活，iOS将创新的移动电话、可触摸宽屏、网页浏览、手机游戏、手机地图等几种功能融合为一体。优雅直观的界面。软硬件搭配的优化组合。安全可靠的设计。手机操作系统2008年9月，AndroidOS，由Google研发团队设计的小机器人悄然出现在世人面前，良好的用户体验和开放性的设计，让AndroidOS很快地打入了智能手机市场。Android平台最大优势是开放性，允许任何移动终端厂商、用户和应用开发商推出功能各具特色的应用产品。Windows操作系统Unix操作系统Linux操作系统MacOS操作系统手机操作系统常用应用软件介绍计算机系统章名：节名：系统工具软件办公软件124互联网软件34多媒体软件45计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。应用软件是为满足用户不同领域、不同问题的应用需求而提供的那部分软件。它可以拓宽计算机系统的应用领域，放大硬件的功能。系统工具软件办公软件互联网软件多媒体软件计算机应用软件系统工具软件文件压缩管理软件，能创建和解压缩RAR、ZIP和其他格式的压缩文件能轻松辨别电脑硬件真伪，测试电脑配置，进行系统漏洞扫描和修复，优化清理系统WinRAR鲁大师Nero全球应用最多的光介质媒体烧录软件，支持所有流行的文件格式驱动精灵一款万能的驱动程序。为用户提供驱动备份、恢复、安装、删除、在线更新等实用功能。360软件管家集软件下载、更新、卸载、优化于一体的工具。全面检测电脑软件问题并一键修复。DiskGenius专业级的数据恢复软件。支持多种文件丢失、分区丢失的数据恢复；支持分区备份，硬盘复制。系统工