计算机系统第二章计算机基础知识

第二章计算机基础知识

2.1计算机系统概述

2.2计算机硬件系统和工作原理

2.3计算机软件系统

2.4微型计算机硬件组成

1

2.1计算机系统概述

计算机系统=硬件系统+软件系统

2

计算机系统的组成

运算器

CPU

控制器

主机随机存储器(RAM)

内存只读存储器(ROM)

I——硬件高速缓冲存储器(Cache)

计

算一输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等

机外部设备————输出设备：显示器、打印机、音响等

系——外存：软盘、硬盘、光盘、U盘等

统

一操作系统：DOS、Windows>Unix、Linux

系统软件——语言处理程序：C、Pascal.VB等

L实用程序：诊断程序、排错程序等

「软件

应用软件——办公软件包、数据库管理系统

3

2.2计算机硬件系统和工作原理

2.2.1计算机硬件系统

输出设备

主机夕卜设

外存设备

输入设备

网络设备

计算机硬件包括主机和外设

4

计算机的五大部件

存储器

输

入

设冯・诺依曼思想：

备

•二进制

•程序与数据一样存放在内存

・五大模块

数据流］控制流一^

演示：计算机的五大部件5

处理器■

6

存储器通常分为内存储器和外存储器

输入设备

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。

HELP|

^WANTED|

9

2.2.2计算机基本工作原理

指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码，完成一种操作。

结构

操作码要完成的操作类型或性质

操作数操作的内容或所在的地址

•数据传送指令

•数据处理指令

•程序控制指令

•输入输出指令

•其它指令

10

计算机基本工作原理

1.指令的串行执行

一条指令的执行过程分为以下3步骤：

①取指令按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送

往指令寄存器。

②分析指令对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操

作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地

址码确定操作数地址。

③执行指令由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制

信息，去完成该指令所要求的操作。

一条指令执行完成，指令计数器加1或将转移地址码送入程序计数器

,然后回到①。

演示：计算机基本工作原理11

计算机基本工作原理

1.指令的执行

是依次完成指令的三个部件后，才开始下一条指令的执行，在此

过程中在执行某功能部件时，其他两个功能部件是不工作的。

指令流水线技术就是使这三个功能部件并行工作，则可提高计算

机执行指令的速度，现在的计算机一般采用流水线技术。

则有三条指令的并行执行理论速度是串行执行的3倍

取指令1

12

2.3计算机软件系统

软件是指程序、程序运行所需要的数据以及开发、使

用和维护这些程序所需要的文档的集合。

13

23.1系统软件

1.操作系统

目的：

■计算机与人交互的接口，不必了解计算机内部结构

•合理地使用系统内包含的各种软、硬件资源，提高整

个系统的使用效率和经济效益。

目前典型的操作系统有：Windows、UNIX>Linux等，详

细介绍见第四章。

14

2.程序设计语言与语言处理程序

(1)机器语言

机器语言是由“o1”二进制代码按一定规则组成的、

被机器直接理解、执行的指令集合。

例如，计算A=15+10的机器语言程序如下：

1011000000001111：把15放入累加器A中

0010110000001010：10与累加器A的值相加，结

果仍放入A中

11110100：结束，停机

缺点：编程工作量大，难学、难记、难修改，只适合专业

人员使用；由于不同的计算机，其指令系统不同，机器语

言随机而异，通用性差，是面向机器的语言。

优点：程序代码不需要翻译，所占空间少，执行速度快。

现在已经没有人用机器语言直接编程了。

15

（2）汇编语言

将机器指令的代码用英文助记符来表示，代替机器语言中的指

令和数据。例如用ADD表示加、SUB表示减、JMP表示程序跳转等

等，这种指令助记符的语言就是汇编语言。

例如，计算A=15+10的汇编语言程序:

MOVA,15：把15放入累加器A中

ADDA,10：10与累加器A相加，结果存入A中

HLT：结束，停机

优点：汇编语言克服了机器语言难读等缺点，保持了其编程质

量高，占存储空间少，执行速度快的优点。

缺点：还是依赖于机器，通用性差。

特点：源程序必须通过汇编程序翻译成机器语言。

常用于：过程控制等编程。

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(3)高级语言

高级语言是由表达各种意义的词和数学公式按照一定的语法规则

来编写程序的语言。

例如，计算A=15+10的BASIC语言程序如下：

A=15+10T5与1。相加的结果放入A中

PRINTA，输出A

END，程序结束

优点：通用性强，编程效率高。

缺点：源程序要翻译成机器语言，代码不最优。

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常用高级语言

♦Fortran语言1954年推出，适用于科学和工程计算。

♦COBOL语言是面向商业的通用语言，1959年推出，主要用于数

据处理，随着数据库管理系统的迅速发展，很少使用。

♦Pascal语言结构化程序设计语言，1968年推出，适用于教学、科

学计算、数据处理和系统软件等开发，目前已被C语言取代.

♦C、C++语言1972年推出C语言，1983年加入面向对象的概念，

改名为C++。语言简练、功能强，适用面广。

♦BASIC语言初学者语言，1964年推出；1991年微软推出可视化的

、基于对象的VisualBasic开发环境，发展到现在的VB.NET开

发环境，则是完全面向对象、功能更强大。

♦Java语言一种新型的跨平台的面向对象设计语言，1995年推出，

适用于网络应用.

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语言处理程序

在所有的程序设计语言中，除了用机器语言编制的程序能够

被计算机直接理解和执行外，其他的程序设计语言编写的源

程序都必须经过一个翻译过程才能转换为计算机所能识别的

机器语言程序，实现这个翻译过程的工具是语言处理程序，

即翻译程序。用非机器语言写的程序称为源程序；通过翻译

程序翻译后的程序称为目标程序。翻译程序也称为编译器。

针对不同的程序设计语言编写出的程序，有各自的翻译程

序，互相不通用。

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语言处理程序——汇编程序

汇编程序是将汇编语言编制的程序（源程序）翻译成机器语

言程序（目标程序）的工具。

汇编

程序

汇编语言IAS4

源程序-----------S百程ts序

汇编程序的具体翻译工作步骤：

①用机器操作码代替符号化的操作符。

②用数值地址代替符号名称。

③将常数翻译为机器的内部表示。

④分配指令和数据的存储单元。

20

语言处理程序——高级语言翻译程序

1）解释方式

解释方式的翻译工作由解释程序来完成，这种方式如同“口译”。

解释程序对源程序进行逐句分析，若没有错误，将该语句翻译

成一个或多个机器语言指令，然后立即执行这些指令；若解释

时发现错误，会立即停止，报错并提醒用户更正代码。解释方

式不生成目标程序。

解释程序

高级语言

计算结果

源程序

数据

优点：查找错误的语句行和修改方便

缺点：执行速度慢BASIC、LISP等语言采用解释方式。21

2）编译方式

翻译工作由编译程序完成。如同“笔译”在纸上记录翻译后的

结果。编译程序过程：

♦对源程序编译产生目标程序；

♦连接程序将目标程序和有关的程序库组合可执行程序。

数据

源程序计算结果

.c.OBJ.EXE

优点：执行速度快，修改源程序后都必须重新编译。

一般高级语言（C/C++、PASCAL、FORTRAN、COBOL等）都是

r

采用编译方式。22

实用程序

完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务

♦系统设置软件（不必直接修改注册表）

超级兔子软件、Windows优化大师

♦诊断程序（识别并且改正计算机系统存在的问题）

控制面板的系统

♦备份程序（备份程序把硬盘上的文件复制到其他存储设备上）

“附件|系统工具|”的“备份”

♦反病毒程序

♦文件压缩程序

23

23.2应用软件

为某一专门的应用目的而开发的软件称为应用软件。

例如:

1.办公软件包

2.图形和图象处理软件

3.数据库系统

4.Ineteruet服务软件

5.娱乐与学习软件

24

2.4微型计算机硬件系统

2.4J主机系统

1,微型计算机的诞生

1971年Intel的工程师马西安•霍夫(MEHoff)成

功地在一个芯片上实现了中央处理器：

第一片4位微处理器一Intel4004,

第一台4位微型计算机一MCS-4,

2.摩尔定律

每18个月，集成度将翻一翻，

速度将提高一倍，

而其价格将降低一半

的涛大孽

主机系统

•主机的基本组成

—主板

-CPU

-存储器：内存、外存

电涛大学

主板(MainBoard)也叫母板(MotherBoard

一散热片（下面是北桥芯片）散热片（下面是南桥芯片）

1•主板/高//SATA接口：

内存条插与：9仆）~nrw|^//连接有SATA

鼠标接口（紫色）

CPU插唱

8Ml引脚

理并行接口U甯SB接可陶燮^

声卡接口网络接口

注：集成了声卡、网卡、IEEE1394卡

没有集成显卡PCI插僧叼

背板上没有串行口和IEEE1394接口PCLExl6拉槽

旦是主板上引脚_______________

PCI-Exl插槽

主板总线图

各种指标及相互关系

最重要的是前端总线频率和外频

假设：外装为

频率越高则性能越好200MHz若倍频为16

Pentium4

则主频为3.2GHz

芯片组:前

端频率=外频*4=800MHz

CPU是大脑，芯片组是心脏总

线位宽为位

由南桥，北桥组成,64

AGP8X北桥（）DIMM

MCH内存

主板架构82875P3.2GB碑

板载功能DDR400MHz

266MBps

就是将某一些接口卡的功

SATAIEEE1394

能集成到主板上。最常见SATA硬盘iIIEEE1394口

150MBp50MBs

的就是集成声卡和网卡的p

IDEUSB2.0

功能。IDE硬盘<*i»USB2.0接口

1OOMBps南桥（ICH）60MBps

IDE_82801EB

CD/DVD10/1OOMbps网卡

1OOMBps20MBps

PCIAC/97

PCI设备声卡

132MBrsIMBps

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芯片组

•是主板的核心，决定了主板的功能和档次，

由北桥和南桥芯片组成。

•北桥芯片(MemoryControIHub,MCH)

-负责与CPU的联系，决定主板支持的CPU的类型、内存的类型

等。

-位置：CPU和内存插槽最近

-北桥芯片决定了主板的性能，人们常用北桥芯片的代号来称

呼主板，如使用Intel915北桥芯H■的主板称为915主板。

•南桥芯片(I/OControlHub,ICH)

一负责与I/O总线的通信，如PCI总线、USB、IDE、SATA等，以

及负责管理音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高

级电源管理等。

-位置：离CPU插槽较远的下方

的涛大孽

主板架构

•主板架构

-概念：是对主板的尺寸大小、形状、各元器件的布局、

排列方式等制定出标准，所有主板厂商都必须遵循。

-主要解决散热、噪声等

•常见架构

-ATX:最常见的主板架构，扩展插槽较多，数量在4-6个

-MicroATX:常说的“小板”，扩展插槽较少

CPU

主频、外频和前端总线频率关系

主频=外频X倍频系数

前端总线频率新引入

CPU和外界交换数据的唯一通道

前端总线数据传输速率=前端总线频率X前端总线数据

宽度/8

字长和位数

通常，CPU位数=CPU的字长二通用寄存器位数

高速缓冲存储器容量

核心数量

通过提高CPU主频来提高计算机运算能力，在早期主频比较低的

时候还可行。随着频率越高，耗电越多，热量越大，问题越多。

多核心可以在较低主频，提高性能。

⑥济丈等

主流CPU产品

Intel产品系列AMD产品系列龙芯

龙芯［号

龙芯2号

Athlon64x2龙芯2号E

Pentium3

IVTSuArAi/WoWn164X2

当

今

主02.45AMDCPU

^

C

P

U

的涛大孽

存储器

数据访问

■内存储器（主存储器），速度快，容量CPU

小，价格较高，可由CPU直接访问。

•外存储器（辅助存储器），速度慢，容

量大，价格低，CPU不可以直接访问。RAM

随机存储器（RAM）

内存只读存储器（ROM）外存

高速缓冲存储器（Cache）

磁介质,软盘和硬盘

外存光盘

Flash存储器

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RAM的发展

SDRAM（同步动态存储器）

一个总线时钟周期

读写一次数据

DDR（双倍数据速率SDRAM）一个总线时钟周期

读写两次数据，2倍

一个总线时钟周期

DDR2读写两次数据

并行存取两个数据，4倍

一个总线时钟周期

DDR3读写两次数据

并行存取四个数据，倍

8DDR3：800/1066/1333MHz

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ROM

•只读存储器,可读，不可写；掉电后数据

不会丢失

•BIOS(BasicInputOutputSystem)即基

本输入输出系统。是被固化到主板ROM芯

片上的程序。

・BIOS主要功能：开机

-识别各种硬件(包括型号)

-引导操作系统自检

-进行硬件最直接的操作，如读文件等。

执行ROM中的启动程序

•引导操作系统过程

-自检。检查电脑硬件是否良好。加载操作系统

-初始化，读取CMOS里设置的参数，对硬件进

行设置。执行操作系统

-引导操作系统。

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Cache

•高速缓存（Cache）,CPU的速度很快而内存速度较慢，

怎么办？Cache,它集成在CPU内部，高速，容量小。

•Cache与内存数据交换是以块（页）为单位的。

•CPU首先从Cache中查找，如果没有找到，再从内存

中读取，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中

cPuCache程力内存

•一级缓存L1Cache,容量小。二级缓存L2Cache,

容量大。主要区别在于CPU查找数据的顺序。

•一般由DRAM（静态存储器）构成。

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外存储器

•外存储器，大容量、能长期保存数据，价格

便宜。

软盘(FloppyDisk)

・微机使用的软盘直径为3.5英寸，称为3寸

盘，容量为1.44MB。

・软盘容量小、单位容量成本高、速度慢且可

靠性差。已被U盘替代。

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F盘片

硬盘L主轴

」磁头组

硬盘（HardDisk）微机中最主要

的辅存，容量大。

盘片：一个硬盘有多个盘片，每

盘片有上下两个面，都可以保驱动

存数据。机构

磁道

磁道：盘片上不同半径的同心圆扇区

为磁道。

扇区：一个磁道被划分为多个扇a

区。磁头

柱面：不同盘片相同磁道构成的

圆柱面即柱面。

存储容量=盘片数义磁道（柱面）盘片一*二

数X扇区数X每扇区字节数。盘面G

信息记录可表示为：几号磁头

1-

（母R__产磁道（棺柱面

火孽几号扇区。

硬盘接口

难点：硬盘接口

IDE接口是一种并行接口

连接IDE硬盘

连接CD或DVD驱动器

SATA接口是一种串行接口

SATA1.0数据传输率达到150MBps

SATA2.0数据传输率达到300MBps

SATA3.0数据传输率达到600MBps

的涛大孽3S5I

硬盘种类

笔记本硬盘的直径一般仅为2.5英寸和1.8

英寸。

移动硬盘=笔记本硬盘+读写控制电路板

+外部接口。外部接口主要有USB2.0和

IEEE1394O

①USB2.0速度可达480Mbps

②IEEE1394速度目前可达400Mbps

微型硬盘一般为1英寸以下的硬盘。主要用

于数码产品中，如数码摄像机。

固态硬盘(soIid-statedisk,SSD)是运

用Flash芯片发展出最新的硬盘。不怕

摔，能适应极端温度或湿度，适合工业

或军事用途。价格非常高。

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光盘

•CD的容量一般为680M,

•DVD的容量为4.7G〜50G,采用更细的激

光束，具有更高的磁道密度。

光驱：

•指示灯托盘面板应急退盘孔

-CD-ROM光驱：只能读取CD光盘。

-DVD-ROM光驱：可以读取CD和DVD光盘

-COMBO光驱：“康宝”是一种集合了CD、丁^g・：口口

DVD的读取和CD的刻录。|I-I

耳机插孔音量调节旋钮播放/快进

-DVD刻录光驱：包括了CD、DVD的读取和

弹出/弹入/停止

CD、DVD的刻录。

•光驱的数据读取速率用倍速来表示，

CD光驱的1倍速是150KB/S,DVD光驱的

1倍速是1350KB/S

勺64倍速,DVD为20简麻、.

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总线

总线是各部件（或设备）之间传输数据的公用通道

共享总线带宽独享总线带宽

如：USB总线如：AGP总线

PCI总线PCM总线

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总线

•衡量总线的指标就是总线带宽

•总线带宽二总线频率X总线位数X传输次数

连

内部总线：连接CPU的各个组成部件（芯片内部）

接I

对系统总线：连接计算机中各大部件I

象外部总线：连接计算机和外部设备!

传

输地址总线:传输地址信息

内数据总线:传输数据信息

容

控制总线:传输控制信息

通

信并行总线:通信速度快、实时性好

方串行总线:简易、方便、灵活

式

谪

®a等

微机系统总线

显卡

­常见的总线有:

内存

一ISA

CPU

一PCI

FSB

-PCI-E

硬盘

—AGP

iPCI-E

ATA

PCI

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PCI

•PCI是一种32位数据的并行总线（可扩展为64位）

总线频率为33MHz或66MHz,

最大传输速率=66MX64/8=532MB/S。

•优点是结构简单、成本低、设计容易。

•缺点是总线带宽有限（总线频率有限），同时多个设

PCI-E

­是一种串行总线，是替代PCI的最新的总线。

有多个通道(Lane),各个通道相互独立，即PCI-

E的x1、x2、x4、x8、x12xx16和x32等。每个通道单

向传输带宽可达250MB/s,双向为500MB/S。

•优点是数据传输速率高，而且带宽是各个设备独享的。

•PCI-E^日。为隹姑的恒|,而PCI-Ex16取代AGP。

x1

AGP

•AGP（AcceIeratedGraphicsPort,图形加速端口）

是显卡的专用扩展插槽，在PCI基础上发展而来的。

•AGP接口也有多个通道的版本，AGP1x和AGP2x,AGP

4x,AGP8xo在微机中应用的主要是AGP4x,它的数

据传输带宽有1066MB/S。

串行总线和并行总线

部部

件件

10110100

或或

设设

备备

1次发送一个bit,1个byte分8次发送

2.4,15串行总线工作方式

将来：串行总线肯定会逐渐取代并行总线

原因：并行总线高频率的条件下容易出错

串行总线：RS232、P