第二章计算机硬件和计算机软件

江南大学信息工程学院计算机文化基础第二章计算机硬件和计算机软件§2.1计算机系统概述§2.2计算机硬件系统§2.3计算机软件系统§2.4计算机操作系统2§2.1计算机系统概述内容：2.1.1计算机系统的组成2.1.2计算机的基本工作原理2.1.3计算机系统的主要技术指标计算机文化基础32.1.1计算机系统的组成计算机系统计算机系统计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分计算机硬件硬件(Hardware)是构成计算机的物理装置硬件是看得见、摸得着的实实在在的有形的实体计算机的性能在很大程度上决定于计算机硬件的配置计算机软件软件(Software)是计算机运行所需的程序、数据、技术文档资料的总体软件是指令、是代码、是解决问题的思路和方法广义的计算机系统包括人员、规章制度、机器设备以及程序数据和文挡。计算机文化基础4计算机系统的组成中央处理器运算器(CPU)控制器主机只读存储器(ROM)主存储器随机存储器(RAM)硬件系统(内存)高速缓冲存储器(Cache)输入设备外部设备输出设备(I/O)辅助存储器网络设备软件系统2.1.1计算机系统的组成计算机文化基础5计算机系统的组成硬件系统操作系统系统软件语言处理程序和数据库管理系统工具软件和驱动程序软件系统管理信息系统和数据库系统应用软件办公自动化软件和辅助设计软件游戏娱乐软件等2.1.1计算机系统的组成计算机文化基础62.1.1计算机系统的组成计算机硬件和计算机软件计算机硬件和计算机软件是计算机系统的必不可少的组成部分，两者有机结合、互相渗透、互相促进，组成一个统一的整体。在计算机系统中，硬件是整个系统赖以运行的物质基础，相当于计算机系统的“躯体”，硬件系统的性能决定了整个计算机系统的性能；软件是人与硬件之间的界面，是计算机系统得以发挥作用的关键，相当于计算机系统的“灵魂”，计算机系统的功能在更大程度上是由所安装的各种软件来决定的，一套性能优良的计算机硬件能否发挥其应有的功能，很大程度上取决于所配置的软件是否完善和丰富。从功能上来讲，硬件和软件之间没有一个明确的分界线。由硬件实现的功能可以用软件来实现，称为硬件软化；同样，由软件实现的功能也可以用硬件来实现，称为软件硬化或固化。计算机文化基础72.1.1计算机系统的组成计算机系统的层次结构计算机系统是按照层次结构进行组织的计算机文化基础82.1.2计算机的基本工作原理存储程序和程序控制计算机系统从诞生至今的几十年来，硬件系统和软件系统都已经发生了翻天覆地的变化，计算机系统的性能指标也有了惊人的提高。但就其基本工作原理来说，仍然是以“存储程序和程序控制”原理为基础的冯·诺依曼型计算机。冯·诺依曼提出的设计思想包括三个要点：由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机，并规定了各个部件的基本功能。所有指令和数据都用二进制形式表示，指令和数据在外形上没有显著区别，但各自代表意义不同。将程序和数据都事先存储在计算机的存储器中，以便于计算机能够自动高速地取出指令并加以执行。计算机文化基础92.1.2计算机的基本工作原理指令和指令系统指令：指令(Instruction)是告诉计算机进行各种操作的指示和命令，它用二进制表示。在计算机内部，程序是由一系列指令组成的，指令是构成程序的基本单位。指令通常由操作码和操作数地址两个部分组成。操作码用来规定所执行操作的种类和性质；操作数地址主要包括源操作数地址、目的操作数地址等，具体情况由操作码决定。计算机每执行一条指令都分为若干步，每一步完成一个或几个简单操作(微操作)。指令按照其功能可以分为数据传送指令、算术逻辑运算指令、输入输出指令、转移控制指令、位操作指令、堆栈操作指令等类别。计算机文化基础102.1.2计算机的基本工作原理指令和指令系统指令系统：指令系统(InstructionSet)指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性。不同的CPU，所能识别执行的指令的数量和种类通常是不同的。对于不同种类的机器(CPU)而言，指令系统会存在很大的不同，指令系统决定了机器的能力，同时也决定了机器的硬件组成和体系结构。之所以说指令系统是一个CPU的根本属性，是因为指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。计算机文化基础112.1.2计算机的基本工作原理指令和指令系统CISC：复杂指令系统计算机(ComplexInstructionSetComputer)为了增强功能、提高速度，人们通过改变指令长度、扩展指令寻址方式、增强指令功能来扩展指令系统中的指令，越来越多的复杂指令被加入了指令系统中。CISC系统的特点是指令数量庞大，含有大量的复杂指令、指令的长度可变、具有多种的寻址方式。这些都大大增加了解码的难度，而在现在的高速硬件发展下，复杂指令所带来的速度提升早已不及在解码上浪费的时间。计算机文化基础122.1.2计算机的基本工作原理指令和指令系统RISC：精简指令系统计算机(ReducedInstructionSetComputer)人们发现其中占总指令数仅20%的简单指令却在程序调用中占了80%，而占指令数80%的复杂指令却只有20%的机会用到。于是通过简化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高计算机的运算速度，达到计算机整体性能的优化。RISC的特点是指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，大多数是简单指令且都能在一个时钟周期内完成，易于设计超标量与流水线，寄存器数量多，大量操作在寄存器之间进行。计算机文化基础132.1.3计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标硬件方面的性能指标主要有：字长计算机单条指令所处理的基本信息单位称为计算机字(机器字)。字长是计算机字所包含的二进制数的位数，它表示了计算精度和处理信息的能力。字长越长，计算精度越高，处理能力越强。通常有32位、64位、128位等多种。主频通常也称为时钟频率，指计算机系统的中央处理器(CPU)内数字电路的工作频率。时钟频率越高，表示工作节奏越快，运算速度也就越快。时钟频率以兆赫(MHz)为单位，通常为几百到几千MHz。计算机文化基础142.1.3计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标硬件方面的性能指标主要有：运算速度计算机系统的运算速度主要取决于指令的执行时间，不同的指令所需要的执行时间是不同的。所以有两种不同的表示方法：一种是表明计算机系统每秒所能够进行的基本运算的次数，目前通常在每秒几千万次到每秒几十亿次之间；另一种则给出每秒能够执行的指令(一般指加法指令)的百万条数(MIPS)。主存的容量和速度主存容量指主存储器所能够存储的二进制信息的总量，它反映计算机处理时容纳数据量的能力。主存的速度表示存储器读写数据所需要的时间。主存容量以字节(Byte)为单位。主存速度以平均读写时间来衡量，以纳秒(ns)为单位。计算机文化基础152.1.3计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标硬件方面的性能指标主要有：系统总线的传输速率计算机系统中的各种硬件设备都是通过系统总线互相连接起来的，系统工作时各个部件之间传递数据的速度受到系统总线的传输速率的限制。一般来说，总线传输速率越高，系统工作速度越快。总线传输速率用每秒兆字节(MB/S)或总线工作频率兆赫(MHz)为单位。辅助存储器的性能在计算机中，只有正在运行的程序和数据才存储在主存储器中，其他各种软件都保存在辅助存储器中，在需要的时候才调入主存并执行。因此辅助存储器的容量、速度、读写可靠性等性能也对整个技术系统的性能产生较大的影响。辅助存储器的容量使用吉字节(GB1GB=230Byte)为单位，速度用平均存取时间(ms)来衡量。计算机文化基础162.1.3计算机系统的主要技术指标计算机系统的主要技术指标硬件方面的性能指标主要有：输入输出设备的性能计算机系统所配置的输入输出设备的种类和数量是由用户的实际需求决定的，主机与输入输出设备交换数据的速率同样也会影响到计算机系统的工作速度。由于各种设备的工作速度差异很大，在某些情况下可能会成为系统工作的“瓶颈”。常用计算机系统主机所能支持的数据输入输出最大速率来表示输入输出设备的性能。系统的平均无故障工作时间平均无故障工作时间用来表示计算机系统工作的可靠程度。目前计算机系统的平均无故障工作时间都可达到几万至几十万小时。计算机文化基础17§2.2计算机硬件系统内容：2.2.1计算机硬件的基本组成2.2.2中央处理器2.2.3存储系统2.2.4输入输出设备2.2.5PC机的典型硬件设备计算机文化基础182.2.1计算机硬件的基本组成硬件系统的组成由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。以存储器为中心。计算机文化基础运算器运算器的主要功能是进行算术运算和逻辑运算，它的主要组成部分称为算术逻辑单元(ArithmeticandLogicUnit,ALU)。在计算机系统中运算器进行诸如加、减、乘、除、判断、比较、与、或、非等基本运算，而复杂的运算都要通过若干基本运算一步一步实现。控制器控制器是计算机的指挥中心，只有在控制器的控制下整个计算机才能有条不紊地工作。控制器的功能是依次从存储器的程序中取出指令、翻译并分析指令、将指令转化为各种控制信号，从而控制各个部件协同工作。存储器存储器分为主存储器(又称内存)和辅助存储器(又称外存)两部分。主要作用是存储程序和数据。内存内存是计算机中信息交流的中心，输入设备输入的程序和数据最初保存在内存，控制器执行的指令取自内存，运算器处理的数据来自内存，数据处理中间结果和最终结果也保存在内存，输出设备输出的信息也来自于内存。外存内存中的信息若要长期保存，应送到外存储器中，常见的外存是磁盘、磁带和光盘，采用磁或者光的方式记录信息。输入设备输入设备的作用是用来接受用户所输入的程序以及原始数据，将它们转换为二进制形式，然后存放到存储器中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪、摄录设备等。输出设备输出设备是用来将计算机中的文档和处理结果转换为人们能够识别的形式并进行输出的设备。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音响等。192.2.1计算机硬件的基本组成总线计算机系统是由许多担负各种功能的部件所组成的，而将这些部件连接起来，在它们之间传输数据的传输线路称为总线(Bus)。总线是各个部件共享的传输介质，它由许多传输线和相关的控制电路组成，也是计算机系统中的一个比较复杂的部件。计算机文化基础地址总线(AddressBus,AB)地址总线用来指明存储器的存储单元或输入输出接口的位置。地址信号总是单向的，即只能从中央处理器向存储器或输入输出接口传输。当中央处理器需要输入数据时，它在地址总线上给出数据的源地址，相应的存储单元或输入接口就将数据放到数据总线，供中央处理器读取；当中央处理器需要输出数据时，它将数据放到数据总线，在地址总线上给出数据的目的地址，相应的存储单元或输出接口就接收这个数据。数据总线(DataBus,DB)数据总线用来在各个部件之间传输数据信息。数据总线是双向的，即可从中央处理器传向存储器或输入输出接口，又可以从输入输出接口传向中央处理器。数据总线的位数(又称为数据总线宽度)决定了能够同时传输的数据的二进制位数，通常与计算机的字长相同。控制总线(ControlBus,CB)控制总线用来传输各种控制信号。在控制总线中，部分传输线是从中央处理器传向存储器或输入输出接口，另一部分传输线是从存储器或输入输出接口传向中央处理器。由于地址总线和数据总线是由各个设备共享的，这些设备对于总线的正确使用需要由控制总线的控制来完成。202.2.2中央处理器中央处理器的作用和组成中央处理器(CentralProcessingUnit)简称为CPUCPU是计算机系统的核心部件。CPU的主要任务是执行指令，它按照指令的要求完成对数据的运算和处理，主要由寄存器组、运算器和控制器三部分组成。计算机文化基础为了提高CPU的处理速度，增强CPU的处理能力，CPU实际的结构要复杂得多。各种不同类型、不同档次、不同用途的CPU的内部结构具有较大的差别，但其