计算机系统组成概述

计算机系统组成概述计算机基础教研室教学目标掌握计算机硬件系统和软件系统的组成掌握计算机的工作原理掌握衡量计算机性能的主要指标计算机系统组成概述1.计算机系统组成2.计算机的工作原理3.衡量计算机性能的主要指标4.本章实验计算机系统的组成冯.诺依曼计算机在研制ENIAC的过程中，著名的数学家冯.诺依曼（美籍匈牙利人）博士首先提出了计算机内存储程序的概念，并与莫尔小组合作设计了人类第一台具有内部存储程序功能的EDVAC（电子离散变量自动计算机）。这台计算机有以下3个特点:计算机系统的组成①EDVAC包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件;②使用二进制；③将程序和数据送入内存储器，然后计算机逐条取出进行分析、处理和执行。具有以上三个特点的计算机被称为“冯氏计算机”。小知识：冯.诺依曼其人冯.诺依曼约翰·冯·诺依曼（JohnVonNeuman，1903－1957），美藉匈牙利人，美国普林斯顿大学的第一批终身教授，美国原子能委员会委员，美国数学会主席。主要成就：计算机之父-对计算机科学、计算机技术和数值分析的开拓性工作；博弈论之父-40年代出版的著作《博弈论和经济行为》，在经济学和决策科学领域竖起了一块丰碑。计算机系统的组成一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础；软件系统是为了运用、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和相关文档的总称；通常把不装备任何软件的计算机称为裸机。计算机系统的组成计算机的硬件系统计算机的硬件系统一般由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成：计算机的硬件系统计算机硬件系统又可以分为主机和外部设备两大部分。主机主要包括主板、CPU、内存、硬盘和显卡等设备，外部设备包括鼠标、键盘、显示器、打印机和扫描仪等I/O设备。计算机的硬件系统控制器控制器是计算机的指挥中心，负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按先后顺序，负责向其他各部件发出控制信号；保证各部件协调一致地工作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成。计算机的硬件系统运算器运算器是计算机的核心部件，它负责对信息的加工处理。它在控制器的控制下，与内存交换信息，并进行各种算术运算和逻辑运算，所以在运算器内部有一个算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit，ALU）。运算器还具有暂存运算结果的功能，它由加法器、寄存器、累加器等逻辑电路组成。计算机的硬件系统控制器和运算器之间在结构关系上是非常密切的。到了第四代计算机，由于半导体工艺的进步，将运算器和控制器集成在一个芯片上，形成中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）。计算机的硬件系统存储器存储器是计算机记忆或暂存数据的部件，它负责存放程序和数据。存储器容量的基本单位是字节（Byte，B）。存储器中存储的一般是二进制数据，二进制数只有0和1两个代码，常把一位二进制数称为一位（1bit），1个字节包含8位，即1Byte=8bit。为了便于表示大容量存储器，实际当中还常用KB、MB、GB、TB作为单位，其关系为：1KB＝1024B，1MB＝1024KB，1GB＝1024MB，1TB＝1024GB计算机的硬件系统（1）主存储器主存储器简称主存，是计算机系统的信息交流中心。随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）。RAM的主要特点是既可以从中读出数据，又可以写入数据；RAM是短期存储器，只要断电，其存储内容将全部丢失。计算机的硬件系统只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）。ROM的特点是只能读出原有内容，不能再写入新内容。ROM的数据是厂家在生产芯片时，以特殊的方式固化在上面的，用户一般不能修改。ROM中一般存放系统管理程序，即使断电，ROM中的数据也不会丢失。比如固化在主板上的BIOS程序。计算机的硬件系统（2）辅助存储器辅助存储器，简称外存，属于外部设备，是内存的扩充。外存具有存储容量大，可以长期保存暂时不用的程序和数据，信息存储性价比较高等特点。外存只与内存交换数据，而且存取速度也较慢。常用的外存有硬盘、光盘、U盘等，早期的软盘则逐渐被淘汰。计算机的硬件系统输入设备输入设备用于接受用户输入的原始程序和数据，负责将输入的程序和数据转换成计算机能识别的二进制代码，并放入内存中。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。思考：摄像头属于输入设备么？计算机的硬件系统输出设备输出设备可以将计算机运算处理的结果以用户熟悉的信息形式反馈给用户。通常输出形式有数字、字符、图形、视频、声音等类型。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。思考：耳麦是属于输入设备还是输出设备？微型计算机的硬件系统微型计算机也就是通常所说的PC，它产生于20世纪70年代末。从基本的硬件结构上看，微型计算机的核心是微处理器（Microprocessor）。从外观上看，微型计算机的基本硬件包括主机、显示器、键盘、鼠标。主机箱还包括主板、硬盘、光存储器、电源和插在主板I/O总线扩展槽上的各种功能扩展卡。微型计算机还可以包含其他一些外部设备，如打印机、扫描仪等。微型计算机的硬件系统主板（MainBoard）微机的主机及其附属电路都装在一块电路板上，称为主机板，又称为主板和系统板。微型计算机的硬件系统微处理器（Microprocessor）微处理器是利用超大规模集成电路技术，把计算机的CPU部件集成在一小块芯片上，形成一个独立的部件。微处理器是微型计算机的核心，它的性能决定了整个计算机的性能。微型计算机的硬件系统衡量微处理器性能的最重要的指标之一是字长。微处理器中每个字包含的二进制位数称为字长。微处理器的字长有8位、16位、32位和64位，字长越长，运算精度越高，处理能力越强。微处理器另一个重要性能指标是主频。主频是指微处理器的工作时钟频率，在很大程度上决定了微处理器的运行速度。主频越高，微处理器的运算速度越快。主频通常用MHz（兆赫兹）表示。微型计算机的硬件系统总线（Bus）总线是信号线的集合，是模块间传输信息的公共通道。按相对于CPU或其他芯片的位置可分为片内总线（InternalBus）和片外总线（ExternalBus）。按总线的功能可分为地址总线（AddressBus）、数据总线（DataBus）和控制总线（ControlBus）三类。按照总线的传送方式可分为并行总线（ParallelBus）和串行总线（SerialBus）。微型计算机的硬件系统外存储器（SecondMemory）外存储器主要有软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器和移动存储器。（1）软盘存储器软盘存储器由软盘驱动器和软磁盘组成。常用的软盘驱动器都是3.5英寸，容量1.44MB。微型计算机的硬件系统（2）硬盘存储器硬盘存储器由硬盘片、硬盘驱动器和适配卡组成。硬盘片和硬盘驱动器简称为硬盘，是计算机最主要的外部存储器。微型计算机的硬件系统（3）光盘存储器光盘存储器是由光盘驱动器（CD-ROM）和光盘组成。光驱的核心部件是由半导体激光器和光路系统组成的光学头，光盘片采用激光材料，数据存放在光盘片中连续的螺旋形轨道上。微型计算机的硬件系统（4）移动存储器目前，常用的移动存储器有移动硬盘、闪存（U盘）和记忆棒。微型计算机的硬件系统输入设备（InputDevice）（1）键盘（KeyBoard）键盘是数字和字符的输入装置。键盘上的按键大致可分为3个区域：字符键区、功能键区和数字键区（数字小键盘）。键盘的接口主要有PS/2和USB，有的键盘采用无线连接。微型计算机的硬件系统（2）鼠标（Mouse）鼠标是指点式输入设备，多用于Windows环境中，来取代键盘的光标移动键，使定位更加方便和准确。按照鼠标的工作原理可将常用鼠标分为机械鼠标、光电鼠标和光电机械鼠标3种。按照鼠标与主机接口标准分主要有PS/2接口和USB接口两类。微型计算机的硬件系统（3）扫描仪（Scanner）扫描仪是一种光电一体化的设备，属于图形输入设备。（4）其他手写板、视频头等。微型计算机的硬件系统输出设备（OutputDevice）（1）显示器（Monitor）显示器是微型计算机不可缺少的输出设备，用户通过它可以很方便地查看输入计算机的程序、数据和图形等信息及经过计算机处理后的中间和最后结果。按照显示器工作原理可以将显示器分为3类：阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）等。微型计算机的硬件系统（2）打印机（Printer）打印机（图1-11）是计算机系统最基本的输出设备，可以把文字或图形在纸上输出，供用户阅读和长期保存。计算机软件系统软件（Software）可以对硬件进行管理、控制和维护。根据软件的用途可将其分为系统软件和应用软件。计算机软件系统系统软件系统软件能够调度、监控和维护计算机资源，扩充计算机功能，提高计算机效率。（1）操作系统操作系统（OperatingSystem）是最基本最重要的系统软件，用来管理和控制机算计系统中硬件和软件资源的大型程序，是其他软件运行的基础。计算机软件系统（2）语言处理程序人与计算机交流信息使用的语言叫做程序设计语言。按照其对硬件的依赖程度，通常把程序设计语言分为3类：机器语言、汇编语言和高级语言。（3）数据库管理系统数据库管理系统主要面向解决数据处理的非数值计算问题，对计算机中存放的大量数据进行组织、管理、查询。计算机软件系统应用软件应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及相关资料。计算机系统由硬件系统和软件系统组成。硬件是计算机系统的躯体，软件是计算机的灵魂。硬件的性能决定了软件的运行速度，软件决定了可进行的工作性质。硬件和软件是相辅相成的，只有将两者有效地结合起来，才能使计算机系统发挥应有的功能。微型计算机的软件系统操作系统（1）Windows操作系统Windows操作系统是由美国微软公司推出的一种窗口式的操作系统。Windows是一个完整的图形界面（GUI，GraphicalUserInterface）操作系统。常使用的：Windows2000WindowsXpWindows2003WindowsVista最新的：Windows7微型计算机的软件系统（2）中文（汉字）操作系统在原有的英文操作系统的基础上加入汉字字库，对其进行汉化，成为中文操作系统。一个汉字在计算机中占两个字节。（3）网络操作系统网络操作系统（NetworkOperatingSystem）是网络的心脏和灵魂，是面向网络计算机提供服务的特殊的操作系统。微型计算机的软件系统计算机程序设计语言在微型计算机上可以安装和使用多种程序设计语言，如C、Pascal、Basic等。这些语言的应用程序既有DOS系统下的TurboC、TurboBasic等，也有Windows系统支持的VisualC++和VisualBasic等，应用软件根据需要，我们可以在微型计算机上安装和使用多种应用软件，如财务报表软件、文字处理软件、媒体播放软件、图形图像处理软件、游戏软件等。计算机的工作原理按照冯.诺依曼“存储程序”的思想，为了能使计算机完成特定任务，用户必须首先根据该任务要求编写相应的程序，然后通过输入设备向控制器发出输入信息的请求，在得到控制器许可的情况下，输入设备把程序和数据送到存储器中并保存起来。随后，计算机系统就会在控制器的控制协调下，自动地运行程序，并把程序运行结果存入存储器。最后，在控制器的控制下输出设备把存储器中的运行结果输出，显示为用户容易识别的形式。计算机的工作原理需要计算机完成某项任务时，首先要将任务分解为若干个基本操作的集合，计算机所要执行的基本操作命令就是指令。指令是计算机进行程序控制的最小单元，是采用二进制表示的命令语言。一个CPU能够执行的全部指令的集合就称为该CPU的指令系统。计算机的工作原理计算机的指令由两个部分组成，即操作码和操作数。操作码用来规定指令进行什么操作，而操