第3章計算機系統組成 一個完整的計算機系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成 本章主要介紹計算機硬件系統和軟件系統的基本組成 工作原理及其功能 計算機系統組成 3 1計算機系統概述3 2計算機硬件系統3 3計算機軟件系統 3 1 1計算機系統概述 一個完整的計算機系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成 硬件是有形的物理設備 看得見摸得著 它可以是電子的 電磁的 機電的或光學的元件或裝置 或者是由它們所組成的計算機部件 軟件是指在計算機硬件上運行的各類程序和文檔的總稱 它可以提高計算機的工作效率 擴大計算機的功能 3 1 1計算機系統概述 3 1 1計算機系統概述 計算機硬件與軟件系統的關系 軟件與硬件是密切相關和相互依存的 硬件所提供的機器指令 低級編程接口和運算控制能力是實現軟件的基礎 反之 沒有軟件的硬件機器 稱為 裸機 裸機只有極其有限的功能 甚至連最基本的啟動也不能完成 軟件與硬件在邏輯上有著某種等價的意義 即軟件實現的功能可以用硬件來實現 稱為硬化或固化 同樣 硬件實現的功能也可以用軟件來模擬 稱為硬件軟化 3 1 1計算機系統概述 在計算機系統中 硬件與軟件功能的分擔是較重要的設計決策之一 在硬件的基礎上逐層地擴充軟件是形成強大計算機系統的有效途徑 3 1 2計算機系統的基本工作原理 指令與指令系統程序存儲程序控制原理 指令 指令系統與程序 指令是對計算機進行程序控制的最小單位 所有的指令的集合稱為計算機的指令系統 程序是為完成一項特定任務而用某種語言編寫的一組指令序列 存儲程序控制原理 存儲程序控制原理即馮 諾依曼原理 馮 諾依曼 美籍匈牙利科學家 現代計算機之父 率先奠定了現代計算機的基本結構 存儲程序控制原理 用二進制形式表示數據與指令 指令與數據都存放在存儲器中 使計算機在工作時能夠自動高速地從存儲器中取出指令加以執行 程序中的指令通常是按一定順序一條條存放 計算機工作時 只要知道程序中第一條指令放在什么地方 就能依次取出每一條指令 然后按照指令規定的操作來執行相應的動作 計算機系統由運算器 存儲器 控制器 輸入設備和輸出設備五大基本部件組成 并規定了五大部件的功能 3 2計算機硬件系統 微型計算機硬件系統的基本結構 微機的硬件部件 1 一臺普通的微機 秘密在機箱中 2 打開機箱 會看見電線 電路板 裝有硬盤 光驅的鐵盒子 機箱 3 主板 是一個分層的電路板 上面布滿了各種硬件接口 板上有電子線路 它們形成了一個四通八達的通路 把各種接口連接成了一個有機的整體 位于機箱內的主板 4 存儲條 它插入主板上的存儲器擴展槽中 5 40芯線的IDE扁平電纜 一端插入主板上的IDE接口 另一端硬盤或光驅相連 光驅 硬盤 6 各種功能擴展卡 插入主板上的各種擴展槽中 3 2 1主板 微機系統的主板實際上是一塊集成了各類總線的印刷電路板 并在主板上集成了一些重要的核心部件 如CMOS BIOS及一些控制芯片組 3 2 2中央處理器 CPU CPU CentralProcessingUnit 功能 從存儲器中取出指令 按指令要求對數據進行運算 取指令 執行指令 組成 控制器運算器寄存器是計算機系統的核心 微型計算機的CPU稱為微處理器 不是單獨的元件 存在于控制器和運算器中 運算器又稱算術邏輯單元ALU 其主要任務是執行各種算術運算和邏輯運算 運算器 控制器 控制器是計算機的神經中樞 控制器對輸入的指令進行分析 并統一控制計算機的各個部件以完成一定的任務 它是指揮整個計算機有條不紊地自動執行程序的元件 寄存器 寄存器 Register 是CPU內部用來存放數據的一些小型的存儲區域 用來暫時存放參與運算的數據以及運算結果 寄存器由電子線路組成 存取速度非常快 與CPU的速度相當 寄存器的成本較高 因而數量較少 CPU內部的寄存器類型有指令寄存器 程序計數器 數據寄存器 地址寄存器以及狀態寄存器等 CPU的較重要的幾個性能指標 時鐘頻率計算機內部有一個時鐘發生器不斷地發出電脈沖 產生系統所需要的標準時鐘信號 每秒鐘產生的時鐘脈沖個數稱為時鐘頻率 也叫主頻 其單位是赫茲 指令周期指令周期是指計算機執行一條指令所用的時間 一個完整的指令周期包括 取指令 解釋指令 執行指令幾個操作步驟 CPU的較重要的幾個性能指標 字長字長是中央處理器可以一次能夠處理的二進制數據的位數CPU緩存為了提高微機的整體性能 CPU芯片生產商在CPU內部增加了一種存儲容量較小的快速存儲器 SRAM 以緩解內存與CPU之間的速度差異 提高CPU的性能 這種存儲器就是CPU快存 指令的兼容性與精簡問題 指令系統每種類型的CPU都有一套指令系統 這套指令系統向程序編制者提供了編寫程序的可用命令 人們把這些命令稱為機器語言 把用這些命令編寫的程序稱為機器語言程序 指令系統的兼容性問題不同類型的CPU提供的機器語言不同 所以用某一類計算機的機器語言編制出來的程序很難直接在其他類型的計算機上有效地運行 這個問題稱為指令不兼容向下兼容與向上兼容指令的精減問題CISC指令系統RISC指令系統 3 2 3存儲器 存儲器是計算機存放程序和數據的物理設備 是計算機的信息存儲和交流中心 存儲容量 存儲器所能容納的二進制信息量的總和存取周期 計算機從存儲器讀出數據或寫入數據所需要的時間 它表明了存儲器存取速度的快慢 3 2 3存儲器 存儲地址 存儲器由許多存儲單元構成 計算機從存儲器讀寫數據是以存儲單元為基本單位 為了區分不同的存儲單元 系統給每個存儲單元賦予一個唯一的編號 這個編號稱為存儲單元的地址 即存儲地址 存儲器的分類 存儲器可分為內存和外存 內存儲器 主存 與CPU直接進行數據交換 ROM RAM 外存儲器 輔存 經主存的過渡與CPU交換數據 軟盤 硬盤 光盤 磁帶 內存儲器 隨機訪問存儲器 RAM RandomAccessMemory 只讀存儲器 即ROM ReadOnlyMemory 內存條 同步動態隨機存儲器 SDRAM SynchronousDynamicRandomAccessMemory 雙倍速率同步動態隨機存儲器 DDR DoubleDataRateSDRAM 外存儲器 計算機中外存儲器主要有軟盤 硬盤 光盤和磁帶等存儲設備 這些存儲設備主要是磁表面存儲器和光盤存儲器 磁盤存儲器基本原理 磁盤存儲原理將磁性材料 磁粉顆粒 涂摸在塑料或金屬圓盤上就形成了磁盤 磁盤上的磁粉顆粒能夠保存它們的磁化方向 可以永久性地保存數據 涂有磁粉顆粒的塑料盤就是軟盤 涂有磁粉顆粒的金屬盤就是硬盤 磁盤存儲器的基本術語 磁道磁盤必須經過格式化后才能存儲數據 在格式化的過程中 磁盤的讀 寫磁頭在磁表面設置磁模式 將磁盤表面劃分成許多同心園 每個同心圓又稱為磁道扇區每個磁道又被等分成許多扇形區域 稱為扇區 數據被存放扇區中 每個扇區的容量是512字節 扇區的首部包含了扇區的惟一地址標識ID 扇區之間有空隙隔開 便于DOS或Windows系統進行識別 磁盤簇在實際系統中 操作系統將磁盤上一個或若干個扇區組織成一個 簇 Cluster 簇是操作系統進行數據讀寫操作的最小邏輯單位 即數據在磁盤上是以簇 不是以扇區 為單位存放的 一個簇由一個或多個扇區組成 每個簇所占的扇區數由操作系統和磁盤的類型決定 磁盤存儲器容量計算方法 磁盤的容量可以由下面公式來計算 磁盤總容量 記錄面數 磁道數 扇區數 每個扇區字節數例如通常所說的高密軟盤有80磁道 每個磁道包含18個扇區 可以雙面存儲 則其存儲容量為 2 80 18 512 1474560B 1440KB 1 44MB 光盤存儲原理 在光存儲設備中 使用激光在存儲介質的表面上燒蝕出數據 燒蝕在介質表面上微小的凸凹模式表示了數據 實際上 數據都是存放在表面的凹坑槽序列中 光盤讀數據的原理 把光盤光滑無字的一面向下 將光盤放入光驅托架 2 光盤在光驅的帶動下高速旋轉 光驅中有一激光槍 它發出激光 射在光盤表面上 3 光盤是一種分層結構 最表面是一種透明塑料薄膜 激光能夠穿透它 4 塑料薄膜的下面是平滑的反射層 激光能夠燒灼此表面 形成小凹 5 脊是反射層表面未被激光燒灼的平坦區域 谷是被燒灼的小凹 脊和谷可分別表示 和 6 激光射到脊上將原路返回 射到谷上將偏離原方向反射 光驅由此不同的反射光識別0和1 常見的外存儲設備 軟磁盤存儲器 軟盤 硬磁盤存儲器 硬盤 磁帶存儲器光盤存儲器移動存儲設備 軟盤 軟盤是用柔軟的聚酯薄膜塑料制成的圓片 在其表面上涂有磁性材料的物質 數據就記錄在表面的磁介質中 軟盤有3 5英寸和5 25英寸的兩種 使用比較廣泛的是3 5英寸容量為1 44MB的高密盤 軟盤攜帶方便 價格便宜 但讀寫速度慢 而且磁頭容易劃傷盤片 容易受灰塵影響 存儲容量小 不能勝任大量數據的存放 隨著U盤和移動硬盤的出現 軟盤將逐漸淘汰 硬盤的結構又稱為溫盤 把硬盤的磁頭 盤片 主軸電機 尋道電機及相關的控制電路密封在一個金屬盒內 這樣保證了硬盤的高速轉動 每分鐘可達3600轉 4500轉 6300轉 7200轉甚至更高 磁頭的精確定位 使硬盤讀寫速率可達很高 硬盤存儲器 硬盤存儲器 硬盤的磁面 柱面 磁盤容量硬盤的盤體由多個盤片重疊在一起組成 盤片的表面稱為磁面硬盤中所有磁面上半徑相同的同心磁道就稱為一個 柱面 容量 柱面數 盤面數 扇區數 512 例如 某個硬盤有1024個柱面 每磁道有63個扇區 每個扇區記錄512字節信息 硬盤驅動器共有64個磁頭 那么該硬盤的存儲容量為1024 63 512 64 2 016GB 1G 1024M 磁帶存儲器 磁帶存儲器的工作原理同磁帶錄音機 錄像機一樣 它由磁帶機和磁帶兩部分組成 早期的個人計算機使用磁帶機作存儲設備 目前磁帶機主要使用在大中型機上 磁帶存儲容量大 裝卸方便 讀寫速度比磁盤快的多 但只能以順序方式進行讀寫 不太方便而且效率較低 光盤存儲器 光盤的存儲容量較大 一張光盤的容量可達650M目前用于計算機上的光盤有三大類 只讀光盤 一次性寫入光盤 可擦寫型光盤 只讀型光盤CD ROM DVD ROM一次性寫入光盤WORM可擦寫光盤CD RW 移動存儲設備 隨著信息技術的不斷發展 許多小巧 輕便 價格低廉的移動存儲產品正在不斷涌現和普及 如U盤 數碼相機和MP3播放器等 移動存儲設備大都采用FlashMemory芯片構成存儲介質 它是一種非易失性半導體存儲器 在無電源狀態下仍能保持芯片內的信息 不需要特殊的高電壓即可實現芯片內信息的擦寫 移動存儲設備 移動硬盤則是直接由臺式電腦或筆記本電腦的硬盤改裝而成 移動硬盤的存儲容量非常大 性價比較高 3 2 4輸入輸出設備 輸入設備 鍵盤鼠標掃描儀手寫輸入筆數碼相機 輸出設備 顯示器打印機 3 2 5總線與接口 總線是把計算機各組成部件連接起來的一組導線 是計算機各組成部件進行數據傳輸的通路 根據總線傳輸信號的方式可以將總線分為串行總線和并行總線 3 2 5總線與接口 根據傳輸信號的類型 總線可分為數據總線 DB DataBus 地址總線 AB AddressBus 控制總線 CB ControlBus 三大類 DB 用于在CPU與內存或輸入輸出設備之間傳送數據 AB 用于傳送存儲單元或輸入輸出接口的地址信息 CB 用來傳送控制器的各種控制信號 3 2 5總線與接口 接口是介于主機與外部設備之間的一種緩沖電路 用于實現計算機與外部設備之間的信息交換 接口與計算機的各大總線相連接 是微機和外部設備聯系的橋梁和紐帶 接口的功能 進行數據格式變換 如進行串行與并行數據格式之間的變換 數據緩沖 接口對數據傳送提供緩沖 為協調CPU與外部設備在速度上的差異提供可能 電氣特性匹配 完成主機與外部設備在電氣特性上的適配 如電壓高低的轉換 主機板上的各類接口 3 2 6微機主要性能指標 3 3計算機軟件系統 軟件的概念及分類系統軟件應用軟件 3 3 1軟件的概念及分類 軟件的基本概念軟件的特性軟件的功能軟件的分類 軟件的基本概念 利用計算機本身提供的邏輯功能 合理的組織計算機的工作流程 簡化或替代人們使用計算機過程中的各個環節 提供給用戶一個便于操作的工作環境的 程序集 它包括計算機程序和與之相關的文檔資料的總和 文檔是指編制計算機程序所使用的技術資料和使用該程序的說明性資料 即開發 使用和維護程序所需的一切資料 軟件的特性 軟件是由開發或工程化而形成的 而不是傳統意義上制造產生的 軟件的成本集中于開發上 而硬件的成本除了開發之外還有生產成本 軟件不會磨損 軟件的故障率隨時間的推移而降低 而硬件的故障率隨時間的推移而增加 硬件磨損后可以用新的配件來替換 而軟件故障則多為其中的錯誤 沒有可替換的備件 大多數軟件是自定義的 而不是通過已有的組件組裝而成的 當然 目前基于組件的軟件開發技術已經成為一種發展趨勢 軟件的功能 管理計算機系統 提高系統資源利用率 協調計算機各組成部件之間的合作關系 在硬件提供的設施與體系結構的基礎上 不斷擴展計算機的功能 提高計算機實現和運行各類應用任務的能力 面向用戶服務 向用戶提供盡可能方便 合適的計算機使用界面與工作環境 為用戶運行各類作業和完成各種任務提供相應的軟件支持 為軟件開發人員提供開發工具和開發環境 提供維護 診斷 調試計算機的工具 軟件的分類 軟件 系統軟件 應用軟件 系統軟件是為整個計算機系統配置的 不依賴于特定應用領域的通用軟件 用來管理計算機的硬件系統和軟件資源 應用軟件是指用于應用領域的各種應用程序及其文檔資料 是各領域為解決各種不同的問題而編寫的軟件 3 3 2系統軟件 操作系統語言處理程序數據庫管理系統 操作系統 操作系統 OS OperatingSystem 是直接運行在 裸機 之上的最基本的系統軟件 其他軟件都必須在操作系統的支持下才能運行 操作系統是由早期的計算機管理程序發展而來的 目前已經成為計算機系統中各種硬件資源和軟件資源的統一管理 控制 調度和監督者 由它合理的組織計算機的工作流程 協調計算機和各部件之間 系統與用戶之間的關系 語言處理程序 計算機語言 用戶通過計算機語言編寫程序 指示計算機完成一定的工作 語言處理程序 把用戶的程序轉換為計算機能識別的指令的程序 它可分為編譯系統和解釋系統 語言處理程序 編譯方式 源程序 目標程序 可執行程序 編輯程序 匯編程序或編譯程序 連接程序 解釋方式 解釋一句執行一句 無目標程序生成 計算機語言的翻譯 翻譯翻譯指的是將計算機高級語程序程序轉換成計算機能夠識別的機器指令程序 翻譯有兩種方式 解釋和編譯 編譯 編譯是將高級語言程序 源程序 轉換成與之對應的計算機機器指令程序 稱為目標