第2章

計算機系統

計算機系統包括硬件系統和軟件系統兩大部分。其中硬件系統包括主機（中央處理器和內存儲器）和外部設備（輸入設備、輸出設備和外存儲器）。軟件系統包括系統軟件（操作系統、語言處理程序和數據庫管理系統）和應用軟件。

硬件系統是指組成計算機系統的各種物理設備的總稱。軟件是指計算機運行需要的程序、數據和有關的技術文檔資料。計算機硬件是支撐軟件工作的基礎，沒有軟件的計算機通常被稱為“裸機”，無法工作。只有將兩者有效地結合起來，計算機系統才能成為有生命力、有活力的系統。

2.1計算機硬件的組成

計算機硬件系統基本上都采用馮·諾依曼結構，即計算機都是由運算器、控制器、存儲器和輸入設備、輸出設備五大部件組成。

2.1.1運算器

運算器主要負責對信息加工處理，運算器從內存儲器得到需要加工的數據，對數據進行算數運算和邏輯運算，并將最后結果送回到內存儲器中。運算通常由算數邏輯單元、通用寄存器、多路轉換器和數據總線組成。

運算器的性能指標是衡量整個計算機性能的重要因素之一，與運算器相關的性能指標包括計算機的字長和運算速度。

字長是指計算機運算部件一次能同時處理的二進制數據的位數。字長的大小決定了計算機的運算精度，字長越長，所能處理的數的范圍越大，運算精度越高處理速度越快。

運算速度是計算機每秒鐘所能執行加法指令的數目。2.1.2控制器

控制器是中央處理器的核心部件。它控制和協調整個計算機的工作。控制器由指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）、程序計數器（PC）和操作控制器（OC）4個部分組成。

計算機的工作過程實際上是快速地執行指令的過程。計算機的指令執行過程分為如下幾個步驟：（1）取指令

從內存儲器中取出指令送到指令寄存器。（2）分析指令

對指令寄存器中存放的指令進行分析，由譯碼器對操作碼進行譯碼，將指令的操作碼轉換成相應的控制電信號，并由地址碼確定操作的地址。（3）執行指令

根據指令譯碼器向各個部件發出控制信號，完成該指令所需要的操作，控制單元將執行結果寫入內存。

一條指令執行完畢，程序計數器加1或轉移地址碼送入程序計數器。然后回到步驟（1）為執行下一條指令做好準備。

硬件系統的核心是中央處理器（CPU），它主要由控制器和運算器組成。

時鐘頻率是指CPU的時鐘頻率，是微型計算機性能的一個重要指標，它的高低一定程度上決定了計算機速度的高低。主頻越高，速度越快。2.1.3存儲器

存儲器（Memory）是計算機的記憶裝置，用來存儲當前要執行的程序、數據以及結果。所以，存儲器應該具備存數和取數功能。存數是指往存儲器里“寫入”數據；取數是指從存儲器里“讀取”數據。讀寫操作統稱對存儲器的訪問。存儲器分為內存儲器（簡稱內存）和外存儲器（簡稱外存）兩類。

中央處理器（CPU）只能直接訪問存儲在內存中的數據。外存中的數據只有先調入內存后，才能被中央處理器訪問和處理。

存儲器分為兩大類：一類是設在主機中的內部存儲器（簡稱內存），也叫主存儲器，用于存放當前運行的程序和程序所用的數據，屬于臨時存儲器；另一類是屬于計算機外部設備的存儲器，叫外部存儲器（簡稱外存），或稱輔助存儲器（簡稱輔存）。外存屬于永久性存儲器。當需要某一程序或數據時，首先應調入內存，然后再運行。一般的微型計算機中都配置了高速緩沖存儲器（Cache），這時內存包括主存和高速緩存兩部分。1．內存

內存儲器主要用于存放計算機當前正在運行的程序、用到的數據信息和運算結果等。

內存按存取方式可分為隨機存取器（RAM）和只讀存取器（ROM）。通常所說的內存容量一般是指RAM的大小，RAM的內容可以隨機地讀出或寫入，斷電時，RAM的內容丟失。RAM可分為靜態隨機存儲器（SRAM）和動態隨機存儲器（DRAM）ROM中的內容是由生產制造商一次性寫入固化的，使用時只能讀不能寫入。

高速緩沖存儲器（Cache）主要是為了解決CPU和主存速度不匹配，為提高存儲器速度而設計的，Cache一般用SRAM存儲芯片實現。Cache產生的理論依據是局部性原理。2．外存

在計算機存儲系統中，內存用來存放當前需要運行的程序和數據，容量相對較小，外存則是用來存放需聯機存儲但暫不運行的程序和數據，外存在功能上是內存的后備和補充，又稱輔助存儲器。對外存的需求是容量大、成本低，掉電后能長期保存信息。目前最常用的有硬盤、U盤和光盤等。（1）硬盤

硬盤具有容量大、速度快、價格相對便宜等特點。是計算機系統最常見的輔存。硬盤屬于旋轉的磁表面存儲設備。由磁盤盤片、磁頭、磁盤驅動器和磁盤控制器組成。硬盤使用前需要進行格式化。格式化后的硬盤容量為數據總容量。目前硬盤的容量普遍在500GB以上，個別高達2TB。

硬盤的盤片由鋁合金制成，表面涂有磁性材料，通過讀寫頭把信息記錄在盤片上。磁盤由多個盤片構成，多個盤片安裝在同一個軸上，實現同時轉動。將磁盤旋轉一周后寫入磁盤的數據位形成的環形稱為磁道。磁盤盤片中有多個磁道，每個磁道可以劃分為固定長度的扇區。位于同一半徑的磁道的集合稱為柱面。磁盤的總容量可以簡單計算出來，即

磁盤總容量＝磁頭數×柱面數×磁道扇區數×每扇區字節數

硬盤的性能指標主要包括：記錄密度、容量和平均存取時間。記錄密度分為道密度和位密度。道密度指盤面徑向上單位長度的磁道數目。位密度是指磁道上單位長度存儲的二進制位的數目。平均存取時間為尋道時間、旋轉定位時間和讀／寫數據時間之和。其中，尋道時間是把磁頭移到目標磁道所需要的時間，包括磁頭啟動和穩定時間。旋轉定位時間是指將磁道上的目標扇區旋轉到磁頭下所花費的時間。讀／寫數據時間也稱為數據傳輸時間，是指磁盤與內存間進行數據傳輸所花費的時間。

硬盤與主機的接口為面向PC機的電子集成驅動器IDE、面向服務器的小型計算機系統接口SCSI和面向多硬盤系統的高端服務器的光纖通道。IDE的前身是ATA，所以也有人稱IDE為PATA。目前，IDE已發展成為結構簡單、支持熱拔的SATA。使用SATA接口的硬盤稱為串口硬盤，SATA國標組織在2009年5月頒布的新標準SATA3.0傳輸速率可達到6GB/s。（2）USB優盤

隨著信息技術的不斷發展，幾十兆甚至幾百兆的信息交換已經成為日常工作中的家常便飯。近幾年來，更多小巧、輕便、價格低廉的移動存儲產品正在不斷涌現和普及。USB優盤又稱拇指盤。它利用閃存（FlashMemory）在斷電后還能保持存儲數據而不丟失的特點而制成，非常適合復制文件及數據交換等應用。由于閃存盤沒有機械讀／寫裝置，避免了移動硬盤容易碰傷、跌落等原因造成的損壞。其優點是重量輕、體積小，一般只有拇指大小，15~30克重；通過計算機的USB接口即插即用，使用方便；容量有從64MB到4GB不等。優盤有基本型、增強型和加密型三種。基本型只提供一般的讀寫功能，價格是這三種盤中最低的；增強型是在基本型上增加了系統啟動等功能，可以替代軟驅啟動系統；加密型提供文件加密和密碼保護功能，在這三種盤中，它的價格最貴。（3）光盤（OpticalDisc）

光盤是一種大容量輔助存儲器，呈圓盤狀，與磁盤類似，也需要有光盤驅動器來讀寫。但它不是用電磁轉換的機制讀寫信息，而是用光學的方式進行的。

根據類型的不同，光盤分為二類，不同種類的光盤，存取原理也有所不同。

第一類是只讀型光盤，包括CD-ROM和DVD-ROM。與ROM類似，即光盤中的數據是由生產廠家預先寫入的，用戶只能讀取其中數據而無法修改。這類光盤目前已在微機中廣泛應用。

第二類是可記錄型光盤，包括CD-R、CD-RW、DVD-R、DVD+R和DVD+RW。這類光盤用戶可以寫入。

對于CD-R光盤，盤上有一層可塑材料。寫入數據時，用高能激光束照射光盤片，在可塑層上灼出極小的坑，并以小坑的有無表示“1”和“0”。讀取時，用低能激光束入射光盤，利用盤表面上的小坑邊緣和平面處的不同反射來區分“1”和“0”。當然，入射激光束的強度應比用以灼坑的激光束要弱得多。由于CD-R光盤中數據固定，所以常用來存放無需修改的數據或計算機輔助教學軟件等。

可擦除型光盤，盤面上涂有一層磁光材料，故也叫“磁光盤”。寫入數據時，用激光束加熱偏置場中的磁光材料，偏置場是由偏置線圈產生的。于是加熱的位置便在偏置場的方向上被極化，待盤表面冷卻后，極化狀態仍保留下來，并以此記錄一位信息。如果將偏置場反向并同時加熱光盤表面，則相應位置上的一位信息就被擦除。因此，要改變盤上的數據，需要兩步操作：首先擦除相應道（類似磁盤的磁道）上的全部數據，然后再寫入新數據。讀出時，則根據盤表面是否被極化而區別存儲的是“1”或“0”。光盤的特點是：

①存儲容量大，價格低。目前，微機上廣泛使用的直徑為120mm光盤的存儲容量達650

MB。這樣每位二進制位的存儲費用要比磁盤低得多。

②不怕磁性干擾。所以，光盤比磁盤的記錄密度更高，也更可靠。

③存取速度快。目前，主流光驅為50倍速和52倍速（傳輸率150KB/s為單倍速）。例如：50倍速光驅的傳輸率為：50×150KB/s=7500KB/s。DVD光盤與CD光盤大小相同，但它存儲密度高，單面光盤可以分單層或雙層存儲信息，一張光盤有兩面，最多可以有4層存儲空間，所以，存儲容量極大。120mm的單面單層DVD盤片的容量為4.7GB。DVD光盤驅動器的單倍速為1350KB/s。類似CD光盤。

藍光光盤是DVD之后的下一代光盤格式之一，用以存儲高品質的影音及高容量的數據存儲。藍光的命名是由于其采用波長為405mm的藍色激光光束來進行讀寫操作。通常，波長越短的激光能夠在單位面積上記錄或讀取的信息越多。因此，藍光極大地提高了光盤的存儲容量。

光盤容量：CD光盤的最大容量是700MB。DVD光盤單面最大容量為4.7GB、雙面為8.5GB。藍光光盤單面單層為25GB，雙面為50GB。3．存儲器的主要技術指標

主存是CPU直接訪問的存儲器，要求其容量大，速度盡量與CPU匹配。主存儲器的主要技術指標包括存儲容量、存取時間、存取周期和存儲器帶寬。

存儲容量是指一個存儲器中可容納的存儲單元總數，存儲容量越大，能存儲的信息就越多。存儲容量常用字數或字節數（B）來表示。存儲容量這一概念僅反映了存儲空間的大小。

存取時間是指從一次讀操作命令發出到該操作完成將數據讀出到數據總線上所經歷的時間。通常取寫草走時間等于讀操作時間，故稱為存儲器存取時間。

存儲周期是指連續啟動兩次讀操作所需間隔的最小時間。

存儲器帶寬是指單元時間內存儲器所存取的信息量，帶寬是衡量數據傳輸速率的重要指標。

存取時間、存儲周期和存儲器帶寬三個概念反映了主存的速度指標。4．層次結構

為了解決同時滿足存取速度快、存儲容量大和存儲價位低的要求，在計算機系統中通常采用多級存儲器結構，即將速度、容量和價格上各不相同的多種存儲器按照一定體系結構連接起來，構成存儲系統。如果單獨使用一種或獨立使用若干種存儲器，會大大影響計算機的性能。圖2-1所示，存儲器層次結構從上至下，速度越來越慢，容量越來越大，價格越來越低。

現代計算機系統基本都采用Cache、主存和輔存三種存儲系統。該系統分為“Cache—主存”層次和“主存—輔存”層次。前者主要解決CPU和主存速度不匹配問題，后者主要解決存儲器系統容量問題。在存儲系統中，CPU可直接訪問Cache和主存；輔存則通過主存與CPU交換信息。2.1.4輸入/輸出設備

輸入／輸出設備（簡稱I/O設備）它是與計算機主機進行信息交換，實現人機交互的硬件設備。輸入設備是將外界的程序數據、文字、圖形、圖像等信息送入到計算機內部的設備。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標掃描儀、條形碼讀入器、手寫筆、麥克風等。輸出設備是將計算機處理后的信息以人們能夠識別的形式（文字、圖形、數值、聲音等）進行顯示和輸出的設備。常見的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。2.1.5計算機的結構

計算機的結構反映的是計算機各個組成部件之間的連接方式。1．直接連接

最早的計算機基本上采用直接連接的方式，運算器、存儲器、控制器和外部設備等四個組成部件之中的任意兩個組成部件，相互之間基本上都有單獨的連接線路。這樣的結構可以獲得最高的連接速度，但不易擴展。如由馮·諾依曼在1952年研制的計算機IAS，基本上就采用了直接連接的結構。IAS的結構如圖2-2所示。