《计算机系统组成》PPT课件

1、第三章：计算机系统的组成。传统的计算机由硬件系统和软件系统组成。不同的系统配置可以形成具有不同功能的计算机系统。近年来，由于网络的普及和应用，人们对计算机概念的内涵和外延有了新的认识。本章主要介绍计算机硬件和软件系统，以普通微机为例。计算机硬件是一个有形的实体，它主要包括五个部分：运算单元、控制器、内存、输入设备和输出设备，当然也包括电源和机箱等辅助部件。传统上，算术单元、控制器、内部存储器和电源被称为主机，输入设备和输出设备被称为外部设备。计算机软件是一个可重用的程序和相关文档，主要包括操作系统软件、编译系统软件和应用软件。由英特尔公司的中央处理器和微软公司的软件组成的计算机系统是目前应用最

2、广泛的微机系统。本章重点介绍软件系统。3.1计算机硬件系统计算机硬件系统经历了40多年的发展，其高速和自动操作的特点得到了充分的发挥。然而，它的构造原理还没有跳出冯诺依曼计算机的基本框架，它仍然是一个以存储为中心的计算机结构。也就是说，通过各种信号线将运算单元、控制器、输入设备和输出设备与内部存储器连接起来就构成了一个计算机硬件系统。3.1.1中央处理器简介随着集成电路技术的发展，复杂的运算和控制器电路可以集成到一个芯片上，这个芯片被称为中央处理器。大多数微型计算机只有一个中央处理器，也有使用两个或更多中央处理器一起工作的计算机。1.算术逻辑单元是计算机的主要运算功能。最简单的算术单元是由几个

3、比特组成的加法器。一般来说，加法器的位数越多，可以完成的运算就越复杂；加法器运算完成得越快，计算机的整体速度就越快。控制器控制器的功能是根据计算机内部的时钟节拍和指令来控制和协调计算机各部分的工作。它主要由编码电路和解码电路组成。3.在其它电路的中央处理器中有各种特殊命名的寄存器，用来存储操作的中间结果或正在执行的指令代码；包括用于组件间数据交换的通道，即内部总线；它甚至包括用于与内存交换数据的缓存。一些单片机芯片，如MCS-51和MCS-96系列，几乎包括冯诺依曼计算机所需的五个基本组成电路。3.1.1内存是计算机的主要工作存储区域，具有存储功能，可以存储二进制代码表示的各种信息。它可以预先

4、存储要执行的程序和数据，然后在中央处理器的控制下自动执行程序。中央处理器可以根据单元号访问内存中的每个单元。一个单元包括8位二进制信息，也称为字节，单元号从0到2n-1开始。存储容量是计算机可用存储单元的总和，现在生产的微型计算机的存储容量一般超过64MB。微型计算机的内存由随机存取存储器和只读存储器组成。只读存储器用于存储相同内容的信息，如计算机开始工作时的引导程序和自测程序。当计算机离开工厂时，这些程序被装入只读存储器。内存用于存储现场程序和数据。随机存取存储器中的信息由电路的状态表示，因此信息通常在断电后立即丢失。随着软件变得越来越复杂，内存容量也在增加。1968年，IBM公司首次提出了

5、温彻斯特技术。这项技术要求整个磁盘驱动器是密封的，并且使用高速旋转的电镀磁盘。磁头沿磁盘的径向移动，磁头悬挂在高速旋转的磁盘上方，不与磁盘直接接触，避免了磁头与磁盘之间的摩擦，提高了磁盘的旋转速度。未来为提高磁头灵敏度、磁盘旋转、记录密度等而开发的技术。使当前温度磁盘容量达到数百GB。由于硬盘的高读写速度和大容量，操作软件经常使用部分硬盘内存代替内存作为虚拟内存。随着网络技术的发展，程序变得越来越复杂，存储的信息量越来越大，对数据安全性的要求也越来越高，产生了以磁盘为中心的计算机系统模型。单个磁盘或少量磁盘无法满足计算机对磁盘容量、速度和可靠性的要求。磁盘阵列是解决这些问题的新技术。磁盘阵列是

6、一种技术，其中硬盘控制器控制多个硬盘的互连，同步多个硬盘的读取和写入，减少错误，并提高效率和可靠性。使用该技术的设备分为四个等级：0、1、3和5。磁盘阵列，3.1.1外部设备接口和总线，1。外部设备接口功能计算机硬件接口是计算机中两个相对独立的子系统之间的连接，包括外设与主机、外设与外设之间的连接。有时接口也被称为接口。接口主要解决子系统之间数据和控制信号的传输问题。实现这种传输的PC机硬件通常做成一个独立的接口板(卡)，插入总线接口槽，通过输出电缆与外部设备连接。接口卡也称为适配器。其主要功能如下。(1)对计算机系统中外部设备的名称进行地址解码，如LPT、COM1等。是常见的符号名称，它们所

7、代表的某个实际设备的控制应该由特定的接口和控制软件(即驱动程序)来完成。外设和主机之间交换的二进制信息暂时存储在接口寄存器中，这些寄存器可以放在外设(如键盘)或适配器(如显示器)上。主机通过访问存储单元来访问外围设备的寄存器。因此，有必要为每个外设寄存器设置地址(端口号)，并通过地址解码电路区分真正需要访问外设的寄存器。(2)主机与外设之间交换控制信息控制信息主要包括“就绪”、“忙碌”、“完成”、“申请中断”、“响应中断”、“启动”和“停止”等信号。(3)支持主机的各种中断处理。(4)8位字长和16位字长之间以及模拟信号和数字信号之间的数据类型转换。(5)支持串行/并行转换、错误检查、协议等。

8、2.通用串行总线接口使用特殊的接口线实现热插拔。总线是信息传输的公共线路，由若干可控门和连接线组成。微机主板上有几个插槽，可以插入各种元件。计算机使用总线结构形成一个包含所有组件(中央处理器、内存和输入输出接口)的系统。3.1.5计算机指令系统，中央处理器的控制器控制执行部件根据存储器中的每个指令代码进行操作，然后计算机才能工作。人们可以通过使用指令直接操纵计算机。各种计算机指令的数量和形式千差万别，计算机可以有几条、几十条甚至上百条指令；某些类型计算机的指令长度是固定的，而更多类型计算机的指令长度是可变的。一条指令可以用单字节、双字节、三字节或更多字节来表示。通常，指令通常包括操作方法和操作

9、对象(数据或数据地址)。单个指令只有一个操作方法，但没有操作对象。由中央处理器执行的指令示例。假设无符号整数15存储在数据区的单元0中，无符号整数23存储在单元1中，并且两个单元的内容由指令切换。操作过程是：首先，单元0的内容存储在名为ah的寄存器中，然后单元1的内容存储在名为al的寄存器中，然后分别存储回单元1和单元0。3.2计算机软件系统简介软件是一个具有可重用价值的程序和相关文档。计算机系统由硬件和软件组成，不同的配置可以形成具有不同功能的计算机系统。由英特尔中央处理器和微软软件组成的计算机系统是目前使用最广泛的计算机系统。计算机软件主要包括操作系统软件、编译系统软件和应用软件。3.2.

10、1操作系统、1用户工作模式、单机、分时和多终端台式微机网络(服务器/客户机、服务器/浏览器、对等网络)、以及(1)单用户和单任务模式，这是最典型的计算机系统使用环境，其特征是一个人独占一台计算机并执行一个应用程序。在这种环境下，计算机硬件资源如中央处理器和内存的利用率很低。早期的微型计算机经常使用这种方法。其优点是对计算机硬件要求低，计算机管理软件简单，可靠性强，操作方便。支持这种使用环境的微型计算机操作系统通常有微软操作系统3.0、客户程序及其各种版本等。(2)随着计算机硬件的不断升级、中央处理器的速度和内存容量的增加，用户希望能够同时执行多个应用程序(至少用户感觉是同时执行的)，即执行多任

11、务。这种方法首先在大中型计算机上实现，然后在微型计算机上实现多任务管理。典型的微型计算机操作系统包括微软操作系统6.0和视窗。(3)多用户多任务模式。多用户和多任务意味着在大中型主机(主要包括中央处理器和内存)上同时为多个用户服务(实际上是分时服务)。作为连接到主机的终端，每个用户都执行自己的各种任务。典型的操作系统是UNIX及其变种XENIX、ONIX、VENIX等。目前，在微机上流行的Linux操作系统也支持多用户多任务操作。(4)使用计算机网络，由于网络环境不同，支持各种环境的操作系统也不同。UNIX是最强大、最合格的网络操作系统，而Windows NT(包括Windows 2000/X

12、P)和Linux操作系统是在微机上运行的最流行的操作系统，具有很大的发展前景。硬件支持环境，操作系统是一组管理计算机资源和方便用户使用计算机资源的程序。这些程序必须得到特定硬件环境的支持才能正常工作。硬件环境越好，操作系统可以提供的服务就越多。换句话说，低级计算机只能安装和使用低版本的操作系统。为了支持强大的操作系统，对计算机硬件组件提出了以下功能要求。(1)中央处理器是计算机硬件的核心部件，主要包括操作和控制两部分，其中程序和中断的控制能力在控制器中最为重要。1)程序状态字。通常，在中央处理器中有几个寄存器，它们负责特殊的工作。例如，指令计数器记录下一条要执行的指令的地址，16位状态寄存器中

13、的每一位记录指令执行后的状态。c:在算术运算中，当最高位产生进位时，置1；p:当运算结果的低位8位为偶数时置1；答：在算术运算中，当低位字节的低位4位产生进位或错位时，置1；z:当运算结果为0时，设置为1；s:如果运算结果为负，则设置为1；t:可通过指令设置，1为单步指令；I:可以通过指令设置，1是允许外部中断请求；d:可以通过指令设置，1表示使用字符串操作指令时地址指针递减；o:当运算结果超出补码范围时，设置为1。其他位被保留。(2)中断，中央处理器应能在适当的指令周期内判断是否有内部或外部中断请求，并在判断有中断请求并可能接受中断请求后，自动转到中断服务程序。完成中断的服务后，自动继续执行

14、中断的程序。支持硬件中断优先级，如果几个中断源同时申请中断，CPU将首先响应高中断级别的中断申请，而高中断级别的中断源可以中断低中断级别的中断服务程序。例如，M68000有7级硬中断，英特尔有2级硬中断。(3)内存是计算机的核心组件，一般采用三级结构它对用户是透明的，也就是说，操作系统将一部分正在使用或将要使用的程序从内存(主内存)复制到缓存，而中央处理器直接读写缓存。由于缓存的读写速度与中央处理器的指令执行速度相匹配，充分发挥了中央处理器的高速控制和操作能力。目前，缓存命中率可以达到90%以上。第二层是主存储器，要执行的程序代码(包括要使用的数据)必须先读入存储器，然后才能在中央处理器的控制

15、下自动执行。主内存越大，执行程序就越方便。第三层是外部存储器，一般指软、硬盘和光盘。这些媒体存储程序或数据。较小的程序可以一次加载(读取)到内存中，而较大的程序需要分段加载到内存中，不断覆盖执行的程序段。(4)操作系统的人机界面(1)图形用户界面(图形用户界面)支持图形命令模式的操作系统称为窗口系统，最典型的是在微机上使用的视窗操作系统和在UNIX系统上使用的视窗操作系统。1998年，为图形用户界面建立了图形界面的标准组件，包括：窗口：终端屏幕上的矩形区域，由标题栏、菜单栏、边框、控制按钮和用户区组成。菜单：一系列可选命令。对话框：包括显示消息和输入请求信息的对话框。命令按钮：代表执行特定命令

16、的图标。各种具有图形用户界面的操作系统或应用软件都有相似的界面风格。2)终端命令模式。对于专业人员来说，使用记忆的终端命令来指挥计算机是最有效的。例如，在DOS操作系统中，以下命令表示：dir列出当前磁盘目录，copy x y复制x文件，但文件名改为y，3操作系统软件功能，操作系统统一管理四种资源：内存三级管理处理器(CPU)解决了CPU(或多个CPU)与内存速度不匹配的矛盾。输入/输出设备程序和数据操作系统在资源管理方面的主要功能包括监控资源、管理策略、根据策略实施分配资源以及在使用后恢复资源。(1)过程管理，什么是作业，过程指令是计算机执行一个动作的最小单位，它指导计算机完成一个简单的操作

17、。程序是一组有序的指令和数据，称为程序，它能使计算机完成一整套功能。作业是用户交给计算机执行的一个或几个相互关联的程序。在Linux中，一个程序被称为一个任务后，必须根据现有的计算机环境条件来决定它是否可以执行。运行的程序和环境的组合构成了一个运行的实体，称为进程。就操作系统而言，它不仅应该启动程序，还应该创建执行程序所需的环境，即执行过程。只要不被删除，程序就永远存在，而进程就是程序执行的过程。流程有其建立、执行和撤销流程。操作系统为执行同一程序而建立的进程在不同的资源环境中可能不同，但执行的最终结果应该是相同的。1)进程状态，因为进程是一个程序执行的过程，它的状态会随着程序的执行、资源环境的变化(其他进程的建立肯定会影响资源的使用)、各种预定或意外事件的发生(随机中断)等等而不断变化。一个过程基本上有四种状态。运行状态。该进程正在处理器上执行。就绪状态。进