《计算机系统组成新》课件

计算机系统组成概述计算机系统是现代信息社会的基础，深刻影响着我们的生活和工作。了解计算机系统组成能够帮助我们更好地理解计算机的运行原理，并为软件开发、系统维护等提供理论基础。计算机系统概念硬件系统计算机系统的硬件部分，包括CPU、存储器、输入输出设备等。软件系统计算机系统的软件部分，包括操作系统、应用软件等，负责管理硬件资源并提供用户界面。人机交互系统用户通过键盘、鼠标等输入设备与计算机系统进行交互，实现信息输入和输出。计算机系统硬件组成计算机系统硬件组成是指计算机系统中所有物理设备的集合。这些设备共同协作，完成计算机系统的各种功能。计算机系统硬件组成通常包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备和总线系统。中央处理器CPU中央处理器(CPU)是计算机系统的核心，负责执行指令、控制数据流和处理信息。CPU是一个复杂的集成电路，包含运算器、控制器、寄存器和高速缓存等部件。CPU的主要功能11.指令控制CPU获取指令、分析指令、执行指令。22.数据处理CPU进行各种算术运算、逻辑运算。33.数据传输CPU将数据从内存、外设等传输到其他地方。44.状态管理CPU管理系统状态、处理中断、控制其他硬件。CPU的结构和工作过程1指令获取CPU从内存中获取指令。指令由操作码和操作数构成。2指令译码CPU将指令译码为机器可以理解的指令格式，并准备相关操作数。3指令执行CPU根据指令执行对应的操作，例如数据运算、数据传输、控制流程等。存储器系统存储器系统是计算机系统中必不可少的组成部分，用于存储程序和数据。存储器系统分为主存储器和辅助存储器，两者协同工作以满足不同数据存储需求。存储器的分类按存储介质分类存储器根据存储介质的不同，可分为半导体存储器和磁存储器。半导体存储器，如内存，速度快，成本高；磁存储器，如硬盘，速度慢，成本低。按访问方式分类存储器根据访问方式的不同，可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM可以随机访问，速度快，但断电后数据丢失；ROM只能顺序访问，速度慢，但断电后数据不丢失。主存储器随机存取存储器(RAM)RAM是计算机系统中用于存放正在执行的程序和数据的主存储器。它具有高速、随机访问的特点，数据可以从任何位置直接读取或写入。内存条内存条是构成RAM的物理实体，由多个存储芯片组成。它通过插槽连接到主板上，并与CPU进行数据交换。存储芯片存储芯片是内存条的最小单元，用于存储数据和指令。每个芯片具有特定的存储容量和速度，共同构成RAM的整体性能。辅助存储器辅助存储器是计算机系统中用来存储数据的非易失性存储设备，通常被称为外存储器。主要用于存储当前不需要但将来可能需要使用的数据，例如操作系统、应用程序和用户文件等。它比主存储器容量更大、成本更低，但访问速度也更慢。输入输出系统输入设备键盘、鼠标、扫描仪等设备可以将外部信息转换为计算机可识别的形式，供计算机使用。输出设备显示器、打印机、音箱等设备将计算机处理的结果转换为人可以理解的形式，显示给用户。数据传输输入输出设备与计算机之间的数据传输是通过总线完成的，总线是连接各种设备的公共通道。输入设备键盘键盘是用于向计算机输入文本、指令和控制命令的设备。常见的键盘类型包括标准键盘、笔记本键盘和游戏键盘。鼠标鼠标是一种用于控制计算机光标的输入设备。常用的鼠标类型包括机械鼠标、光学鼠标和激光鼠标。触摸屏触摸屏是一种支持用户用手指或触控笔直接在屏幕上进行交互的输入设备。扫描仪扫描仪是一种用于将图像或文档转换为数字形式的输入设备。输出设备显示器将计算机处理后的信息转换成视觉图像，呈现给用户。现代显示器种类繁多，如液晶显示器（LCD）和有机发光二极管显示器（OLED）。打印机将计算机数据转换为可视化的纸质文档，包括激光打印机、喷墨打印机和针式打印机。音响系统将计算机处理后的音频信息转换为声音信号，通过扬声器输出，为用户提供声音反馈。其他输出设备例如投影仪、绘图仪、触觉反馈设备等，根据不同的应用场景提供不同的输出功能。总线系统总线是计算机系统中各个部件之间传输信息的公共通道。它相当于信息传输的“高速公路”，连接着CPU、内存、外设等主要组件。总线系统主要负责在不同部件之间传递数据、控制信号和地址信息。总线的类型可以分为系统总线、内部总线和外部总线，每种总线都有其特定的功能和特点。总线的概念和分类总线概念总线是计算机系统中各个部件之间传输信息的重要通道。总线分类总线可分为地址总线、数据总线和控制总线，分别传输地址信息、数据信息和控制信号。总线类型总线类型包括串行总线、并行总线和内部总线，分别对应不同的数据传输方式和应用场景。总线的工作过程1请求CPU发出请求2寻址定位目标地址3传输数据在总线上流动4应答接收数据确认总线工作过程包含四个步骤：请求、寻址、传输、应答。CPU首先发出请求，然后通过总线寻址目标地址，接着传输数据。最后，接收目标地址的应答信号确认数据成功传输。计算机系统软件组成计算机系统软件是计算机系统不可或缺的一部分，它为用户提供操作和使用计算机系统的接口，并管理计算机系统资源。计算机系统软件主要包括系统软件和应用软件两大类。系统软件系统软件概念系统软件是控制和管理计算机硬件资源的软件，为用户提供运行环境。系统软件位于应用软件和硬件之间，充当桥梁，管理和调度计算机资源。系统软件类型操作系统语言处理程序数据库管理系统网络软件系统工具应用软件满足特定需求应用软件针对用户特定需求，提供各种功能，比如办公、娱乐、设计等。用户界面友好应用软件提供图形界面或命令行界面，让用户方便地操作。种类繁多应用软件涵盖广泛领域，包括办公软件、游戏软件、多媒体软件、网络软件等等。操作系统操作系统简介操作系统是计算机系统中最重要的系统软件，它负责管理计算机系统的硬件资源和软件资源，为用户提供一个友好的使用环境。操作系统的核心功能操作系统主要功能包括进程管理、内存管理、文件管理、设备管理等，这些功能共同保证了计算机系统高效稳定地运行。操作系统分类操作系统可以分为单用户单任务操作系统、单用户多任务操作系统、多用户多任务操作系统等，它们的功能和应用范围各不相同。操作系统的功能管理系统资源操作系统负责管理计算机系统中的硬件资源，例如CPU、内存、存储器和外设，以确保它们能够有效地被应用程序使用。提供用户界面操作系统为用户提供与计算机交互的界面，例如命令行界面或图形用户界面，便于用户操作计算机。管理程序运行操作系统负责加载、运行、管理和终止应用程序，确保应用程序能够正常运行。保护系统安全操作系统负责保护系统安全，防止恶意程序或用户错误操作造成系统崩溃或数据丢失。进程管理创建和撤销操作系统负责创建新进程和撤销不再需要的进程，确保系统资源的合理分配。调度操作系统根据策略选择运行的进程，并分配CPU时间，提高系统效率。同步和通信操作系统协调多个进程之间的协同工作，处理共享资源访问冲突和信息交换。进程间通信操作系统提供了机制，使不同进程之间能够进行数据交换和信息传递。内存管理内存分配内存管理中一项重要任务，为程序分配所需的内存空间。根据不同需求，采取不同的内存分配策略，如静态分配、动态分配等。内存保护防止不同程序之间相互干扰，保证系统稳定运行。使用内存保护机制，例如地址空间隔离和访问权限控制，来保护系统和应用程序的安全。文件管理文件组织文件管理系统负责组织和存储文件，提供目录结构和文件命名规则，方便用户管理和访问文件。权限控制文件管理系统可以设置不同用户的访问权限，保护文件安全，防止未经授权的访问。数据备份文件管理系统支持文件备份和恢复功能，保护数据安全，防止数据丢失。文件共享文件管理系统可以实现文件共享，允许多个用户访问和修改同一个文件。设备管理1管理策略设备管理策略包括设备分配、设备共享、设备安全等方面。操作系统需要合理管理设备，确保系统稳定运行。2资源分配设备管理系统负责分配设备，并为每个设备分配唯一的标识符，以便系统识别和管理。3数据传输设备管理系统负责数据传输，例如从磁盘读取数据到内存，或从内存写入数据到硬盘。4出错处理设备在工作过程中可能出现错误，设备管理系统负责处理这些错误，并确保数据完整性。计算机系统的体系结构计算机系统的体系结构是指计算机系统的组织结构和工作方式，包括硬件系统、软件系统以及它们之间的相互关系。它是计算机系统设计的蓝图，决定了计算机系统的功能、性能、成本以及可扩展性等重要因素。不同的计算机系统有不同的体系结构，常见的体系结构包括冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构等。这些体系结构在指令和数据存储、数据处理方式以及硬件结构等方面存在差异。计算机系统的发展历程第一代计算机1946年，第一台电子计算机ENIAC诞生，采用电子管作为主要元件，体积庞大，速度慢，功耗高。第二代计算机1955年，晶体管计算机问世，体积更小，速度更快，功耗更低，标志着计算机进入一个新的发展阶段。第三代计算机1964年，集成电路计算机出现，将多个晶体管集成在一个芯片上，体积进一步缩小，速度更快，功能更强大。第四代计算机1971年，微处理器问世，将整个计算机系统集成在一个芯片上，标志着计算机进入微型化时代，并逐渐普及。第五代计算机当前，人工智能、云计算等新技术的发展，推动着计算机系