《大学计算机基础》课件-第2章 计算机系统基础

计算机系统组成1计算机硬件系统2计算机工作原理3第二章计算机系统基础计算机软件系统5微型计算机系统

4程序设计语言

6计算机系统组成1一台完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统(Hardware)是组成计算机的各种物理设备的总称，又称机器系统。软件系统(Software)是为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称，又称程序系统。只有硬件而没有软件的计算机称为裸机，裸机是无法工作的。计算机的功能丰富程度不仅取决于硬件系统，在更大程度上是由其所安装的软件系统所决定的。软硬件关系是：①硬件和软件互相依存。②硬件和软件无严格界线。③硬件和软件协同发展。冯·诺依曼于1945年首先提出了以二进制数据为基础的存储程序自动控制思想，奠定了现代电子数字计算机的发展基础。他的基本思想可简要地概括为以下三点：①五大部件结构体系。计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成。②采用二进制指令操作。③存储程序自动控制。存储器运算器控制器输入设备输出设备数据信息流控制信息流图2.1计算机的硬件系统结构

微机由主机+显示器+键盘+鼠标构成计算机硬件系统组成22.1计算机系统硬件2.2计算机主要性能指标

1.字长：字长(Word)是指微处理器内部一次可以并行处理二进制代码的位数，如16位、32位、64位等。2.主机频率：主机频率指专门配备给微CPU工作的时钟信号。主频以赫兹为单位，一般记为4.77MHz，800MHz，1.0GHz，3.0GHz等。3.存储容量：微机内部存储器能存储二进制信息量大小的容量。存储容量一般以字节为最基本的计量单位。一个字节记为1B，1024个字节记为1KB，1024KB记为1MB，1024MB记为1GB(吉字节，GigaByte)，而1024GB记为1TB(太字节，TeraByte)。4.指令系统：CPU所固有的基本指令集合，称为该计算机的指令系统。一台计算机的指令系统一般有几十到几百条。

5.运算速度：指计算机执行一条指令所需的平均时间，其长短反映了计算机执行一条指令运行速度的快慢。技术指标计算机的工作原理

3计算机的工作就是执行指令的过程。指令执行过程分以下4个步骤：①取指令：按照程序计数器中的地址(如：0100H)，从内存储器中取出指令(如：070270H)，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(070270H)进行分析，由译码器对操作码(07H)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(0270H)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。例如做加法指令，取内存单元(0270H)的值和累加器的值相加，结果还是放在累加器。④一条指令执行完成，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到①继续执行。具体工作原理见下图所示。

(1)确定解题方法（建立数学模型），即找出计算的方法；

(2)编写计算程序并送入存储器中；

(3)让计算机执行程序获得计算结果。用计算机的解题过程BeginPi=3.1415Input“r=”,rS=pi*r^2Print“s=”,send计算程序人工输入存入内存，启动运行自动计算处理处理结果，显示、打印输出微型计算机系统4微型机是由微处理器（运算器与控制器）、存储器（内存、外存）和输入输出（I/O）设备，采用总线与接口构成的一个完整的计算机系统。2.3微型计算机的硬件结构一、微处理器（CPU）

2.CPU性能指标

(1)

CPU执行指令的速度：即CPU每秒所能执行的指令的条数。

(2)

CPU的“字长”：即CPU一次所能处理数据的二进制位数。

(3)指令本身的处理能力：即CPU所能处理指令数量与复杂度。

CPU(CentralProcessingUnit)是微型机的核心，是将运算器和控制器做在一个芯片上，称为微处理器。是信息加工处理的中心部件，主要完成各种算术及逻辑运算，并控制计算机各部件协调地工作。1.CPU的基本结构①一组称为“寄存器”的高速存储单元，主要用于在CPU内部进行数据和其它信息存储。②一个或几个执行基本算术逻辑动作的计算部件，称为“算术逻辑单元”(ALU)或“运算器”，主要负责用来执行具体的算术运算和逻辑运算任务。③一个作为CPU控制中心的程序控制单元，称为“控制器”，负责处理各种指令、控制各部件的活动。二、（内）存储器的结构与性能1．内存储器又可分为：随机访问存储器(RandomAccessMemory，简写为RAM)与只读存储器(Read-onlyMemory，简写为ROM)。通常所说的计算机内存一般是指随机存储器RAM。2．ROM与RAM的区别：ROM中的信息只能读出不能写入，在计算机断电后，ROM中存储的内容保持不变。在RAM中既可写入信息，也可读出信息，但在计算机断电后，RAM中存储的内容将消失。3．内存储器的地址：即为了查找存储器中的数据而为每个存储单元按一定方式（线性）编排的“位置”码。4．内存储器的性能指标：主要是容量与它的访问速度。

存储器是用来存放计算机程序和数据的电子（磁性）器件。一般分为内存储器和外存储器。内存储器也称为主存(mainmemory)，它和微处理器一起构成了微型机的主机部分。三、总线与接口1．总线：将计算机中的各个部件（包括CPU、存储器和输入输出设备）通过一条公共信息通路连接起来，这条信息通路就称为总线。（1）总线的功能（2）总线的电路组成（3）数据总线的宽度(传输线的根数)：是指数据总线一次能传递的二进制位数①和存储器之间交换信息；②和输入/输出设备之间交换信息；③为了系统工作而接收和输出必要的信号。①数据总线（DB）：用于在各部件之间传递数据(包括指令、数据等)信息，为双向总线。②地址总线（AB）：指示欲传数据的来源地址或目的地址信息。③控制总线（CB）：用于在各部件之间传递各种控制信息。2．接口：用以将计算机和外部设备连接并进行信息交换的电路装置（卡）。常见的有：（1）I/O接口：又分为并行接口与串行接口两种。（2）硬盘接口：主要有IDE、EIDE、SCSI等（3）通用串行总线接口USB目前，微型机上常用的外存储器有磁盘和光盘两种。四、外存储器1.磁盘：是一个封装起来的涂附着磁性材料的塑料圆盘片。目前常用的软盘是直径8.89cm(简称3寸盘)的，如下图所示。盘片容量计算：若分为18个扇区，80个磁道，则：C=（18扇*80道*512字节）*2面

=1.44MB盘片上的信息是按磁道和扇区进行存储的。关于磁道与扇区：磁道是同心圆，由外向里编号（从0开始）。将磁道分成若干等份，每一等份称为扇区。磁盘的存储容量：等于磁道总数、每个磁道的扇区数、每个扇区的存储容量三者的乘积。例如，一个双面3寸盘的容量是：512×18×82×2=1.44MB2.硬磁盘硬磁盘是将若干片(一般有二至八片)同样大小的金属圆盘片固定在同一个轴上并同时高速旋转的机械装置。通常固定安装在微机机箱内。其内部构造见下图所示。磁头驱动机构磁头驱动臂工作时直线电机驱动磁头向里、外直线移动定位，盘片高速运转，读/写数据。3.光盘光盘存储器(简称“光盘”)：是利用激光原理存储和读取信息的媒介。光盘片是由塑料覆盖的一层铝薄膜，通过铝膜上极细微的凹坑记录信息。最常见的光盘是直径12.7cm(5英寸，简称5寸)的只读光盘，可以存放650MB的信息，称为CD-ROM盘。4.磁带等其它外存储器：磁带机也是一种外存储器。磁带存储信息的方式与录音机磁带相仿，但记录的是二进制形式的信息而不是模拟信息五、常用输入输出设备1．键盘(Keyboard)：是由一组按键排成的开关阵列，每按下一个键就会产生一个相应的扫描码，然后由主机将键盘扫描码转换成ASCII码进行处理。键盘是计算机必备的输入设备，目前绝大部分计算机使用标准101键或102键的键盘，专用的文字处理或便携式、笔记本式计算机等。2．鼠标(Mouse)：主要分机械式和光电式两种，一般有两个键和三个键，大多数鼠标采用串行接口或USB接口。3．扫描器(Scanner)：是一种光电转换装置，它能把整幅图像信息扫描后输入到计算机中，转换为二进制数字化信息存储起来。4．显示器(Monitor)

：是主要的输出设备，主要参数是分辨率。5．打印机(Printer)：打印机也是常用的输出设备，主要种类有击打式的针式打印机与非击打式的激光打印和喷墨打印机。

6.其他输入输出设备：绘图仪（输出）、数字化仪（输入）、话筒（输入）、音箱（输出）等。典型微型计算机硬件系统

一台典型的微型计算机硬件系统由主机、显示器、键盘、鼠标等组成，如图2.5所示。主机的外部是机箱，有卧式和立式两种。在机箱的正面，有电源开关、复位按钮、硬盘指示灯、软盘插口、光驱插口、USB接口以及音视频插口等；在机箱的背面，有电源插座、并行口、串行口、PS-2口、接口卡插口、USB接口以及音视频插口等；在机箱的内部，装有系统主板(又叫主机板，简称主板)、硬盘、光驱、电源等。计算机软件系统

5计算机软件分类：系统软件+应用软件有代表性的系统软件有：①操作系统(OperatingSystem—OS)：操作系统是最基本的系统软件，负责管理计算机硬件资源并且管理其上的信息资源(程序和数据)，为用户提供操作界面，还支持计算机上各种软、硬件之间的运行和相互通信。是用户与计算机之间的接口。目前常用的操作系统有：MS-DOS、WINDOWS、UNIX系统等。②编译系统：计算机在执行程序时，首先要将存储在存储器中的程序指令逐条地取出来，并经过编译后执行规定的操作。③数据库管理系统：数据库管理系统的主要功能是有组织地、动态地存储并管理大量的数据信息，为用户提供方便、高效地使用这些数据信息的方法。1.系统软件：是指管理、控制和维护计算机及其外部设备、提供用户与计算机之间操作界面等方面的软件。2.应用软件：是指专门为解决某类具体问题而编制的软件(或实用程序)。目前常见的应用软件有：①文字处理软件②信息管理软件③计算机辅助设计软件④实时控制软件

①

硬件和软件互相依存：硬件是物质基础，软件运行灵魂。②硬件和软件无严格界线：即计算机的某些功能既可以由硬件实现，也可以由软件来实现。③硬件和软件协同发展：计算机软件随硬件技术的发展而发展，而软件的不断发展又促进硬件的更新。④嵌入式系统3.硬件与软件的关系软硬件的层次关系按层次观点，计算机系统的组成如图2.6所示。其中最内层的裸机是指没有任何软件的(纯硬件)机器。各层次的关系是：内层是外层的支撑，而外层可以不必了解内层细节，只需按约定使用内层提供的服务。从总体上来说，无论是系统软件还是应用软件，都朝着外延进一步“傻瓜化”，内涵进一步“智能化”的方向发展，即软件本身越来越复杂，功能越来越强，但用户的使用越来越简单，操作越来越方便。计算机中的程序设计语言61.程序设计语言分类

程序设计语言就是人与计算机之间进行交流的某种“语言”。分为三类：

1.机器语言：指令在形式上是由“0”和“l”代码组成的，且能被计算机直接理解和执行的语言。被称为机器（指令）语言。

2.汇编语言：用助记符代替机器（指令）码而构成的计算机符号语言，称之为汇编语言。

3.高级语言：是一种类似于“数学表达式”、接近自然语言、又能为机器所接受的计算机程序设计语言。常见的高级语言有：①FORTRAN语言②BASIC语言③Pascal语言④C、C++、VC、C#语言

⑤JAVA语言⑥.net语言汇编语言的执行过程为了符合人类的思维习惯，人们开始使用一些容易记忆和辨别的有意义的符号代替机器指令，这就是汇编语言（assemblylanguage），又称符号语言。例如用ADD表示加法（Addition），用SUB表示减法（Subtraction）等。同时又用变量（即符号名）取代各类地址，例如用Addr取代地址码。这样构成的计算机汇编语言。例如，计算A＝16+3的汇编语言程序如下：MOVAX,16 ；把16放入累加器A中ADDAX,3 ；将3与累加器A中的值相加，结果仍放入A中HLT ；结束，停机注：汇编指令中的“AX”表示CPU中的数据寄存器。高级语言的执行过程高级语言是一种接近人类语言，与自然语言和数学语言相似的程序设计语言。程序员就可以集中精力来解决问题本身，即使对计算机内部结构毫无所知的非计算机专业工作者，也能学会使用高级语言编写程序去解决他们需要计算机处理的问题。例如，计算算术表达式A＝16+3的C语言程序如下：main（）{ intA; /*定义变量A*/A=16+3; /*计算A，常量16和3的和赋予A*/printf（“%d”,A）; /*输出结果A*/}高级语言执行过程高级语言的执行过程有两种工作方式：解释方式和编译方式，相应的翻译工具也分别称为解释程序和编译程序。①解释方式

(1)XBASE数据库管理系统

(2)Oracle数据库管理系统

(3)Informix数据库管理系统四、数据库管理系统1.数据库系统数据库(Database—DB)是为了满足一定范围里许多用户的需要，在计算机里建立的一组互相关联的数据集合。2.数据库管理系统数据库管理系统(DatabaseManagementSystems，简记为DBMS)是用于创建和管理数据库的系统软件，是数据库系统的核心组成部分。其主要功能有：定义数据库的结构及其中数据的格式，规定数据在外存储器的存储方式，负责各种与数据有关的操纵和管理，包括维护数据的一致性、完整性，保证数据的安全性等。3.几种常用数据库管理系统程序设计的基本过程

程序设计的基本过程一般由问题分析、算法设计、程序编制、调试运行、整理文档等几个阶段组成，如图2.11所示。问题分析整理文档调试运行程序编制算法设计图2.11程序设计的基本过程1.问题分析对于每一项程序设计任务，都要根据实际问题进行具体研究；分析需要输入/输出数据；讨论问题是否需要精确求解，选择合适的数学模型。在这个阶段，程序员需要明确程序所要达到的预期目标，弄清楚程序设计的条件与设计要求，如对计算机软件与硬件方面的需求、对输入输出、文件的设置和数据的处理过程等方面的要求。2.算法设计算法（Algorithm）是一系列解决问题的清晰指令。算法的初步描述可以采用自然语言方式，然后逐步将其转化为程序流程图或其他直观方式。这些描述方式比较简单明确，能直接展示程序设计的思想，是进行程序编制和调试的重要基础。不同的算法完成同样的任务花费的时间和空间都是不相同的。3.程序编制为了使计算机能够理解人的意图，人类就必须要将需解决的问题的思路、方法、和手段通过计算机能够理解的形式告诉计算机，使得计算机能够根据人的指令一步一步去工作，完成某种特定的任务。这种人和计算机之间交流的过程就是编制程序。编程的过程要严格遵守所用语言的语法规则，准确地使用各种语句和规则。4.调试运行当利用计算机中的编辑器将程序编辑完成后，在投入实际运行前，需要反复进行检查，并通过编译程序对程序进行编译，通过编译器再对程序进行语法和逻辑结构方面的检查。编译链接通过后，才能运行得出结果，如果结果不正确，继续调试、修改程序。对于一个程序，有时需要进行多次的反复检查、修改、调试后才能完成。5.整理文档程序文档一般由三部分组成：操作手册、程序设计文件、程序代码文件。操作手册主要说明运行程序时所需要的计算机软件与硬件环境、安装与启动方法、程序具体功能的操作方法及输入与输出的安排等；程序设计文件主要是在技术方面进行说明，即对程序功能的描述、程序的修改（更新）与维护以及出现意外情况时应该采取的应变措施等。文档内容要做到完整、正确和清晰。一个典型程序设计案例[例2-1]任意给定a、b、c三个数，找出其中的最大数。编写计算机处理问题的程序。⑴问题（或算法）分析在一组数据中找极值是数据处理的一种常见操作。基本思想是：首先假设第一个数是最