第2章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

第二章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要內(nèi)容2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成2.3計(jì)算機(jī)工作原理2.4微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述臺(tái)式微型計(jì)算機(jī)2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述筆記本電腦2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子類(lèi)、機(jī)械類(lèi)和光電類(lèi)器件組成的各種計(jì)算機(jī)部件和設(shè)備的總稱(chēng)，是組成計(jì)算機(jī)的物理實(shí)體，是計(jì)算機(jī)完成各項(xiàng)工作的物質(zhì)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備上運(yùn)行的各種程序、相關(guān)的文檔和數(shù)據(jù)的總稱(chēng)。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)共同構(gòu)造一個(gè)完整的系統(tǒng)，相輔相成，缺一不可。2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機(jī)外設(shè)內(nèi)（主）存儲(chǔ)器中央處理器(CPU)控制器隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)只讀存儲(chǔ)器(ROM)運(yùn)算器系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件輸入設(shè)備輸出設(shè)備外（輔）存儲(chǔ)器高速緩存(Cache)2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成1946年，美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼等人，在題為《電子計(jì)算裝置邏輯設(shè)計(jì)的初步討論》的論文中，系統(tǒng)地、深入地闡述了以存儲(chǔ)程序概念為指導(dǎo)的計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)思想（存儲(chǔ)程序原理），勾畫(huà)出了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。馮·諾依曼的這一設(shè)計(jì)思想是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的里程碑，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的真正開(kāi)始，馮·諾依曼也因此被譽(yù)為“現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父”?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)雖然在結(jié)構(gòu)上有多種類(lèi)別，但就其本質(zhì)而言，多數(shù)都是服從馮·諾依曼提出的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)理念，因此，稱(chēng)為馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)。2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本思想如下：（1）計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備５大部分組成。（2）數(shù)據(jù)和程序以二進(jìn)制代碼形式存放在存儲(chǔ)器中，存放的位置由地址確定。（3）控制器根據(jù)存放在存儲(chǔ)器中的指令序列（程序）進(jìn)行工作，并由一個(gè)程序計(jì)數(shù)器控制指令的執(zhí)行?？刂破骶哂信袛嗄芰Γ芤杂?jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，選擇不同的工作流程。2.2.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)馮·諾依曼提出的計(jì)算機(jī)“存儲(chǔ)程序”工作原理決定了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由５大部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。這５大部分通過(guò)系統(tǒng)總線完成指令所傳達(dá)的操作，當(dāng)計(jì)算機(jī)接受指令后，由控制器指揮，將數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備傳送到存儲(chǔ)器存放，再由控制器指揮將需要參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)傳送到運(yùn)算器，由運(yùn)算器進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)器由輸出設(shè)備輸出。2.2.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)程序，數(shù)據(jù)控制信號(hào)線數(shù)據(jù)信號(hào)線存儲(chǔ)器主機(jī)中央處理器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出信息外存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器CPU內(nèi)存外存2.2.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器(MemoryUnit)是用來(lái)存放原始數(shù)據(jù)和程序的部件。通?？煞譃閮?nèi)部存儲(chǔ)器（又稱(chēng)主存儲(chǔ)器或簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)存）和外部存儲(chǔ)器（輔助存儲(chǔ)器或簡(jiǎn)稱(chēng)外存）。內(nèi)存是計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換中心2.2.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單位位（bit）：計(jì)算機(jī)中最小的數(shù)據(jù)單位，是二進(jìn)制的一個(gè)單位，簡(jiǎn)稱(chēng)位（比特），1位二進(jìn)制數(shù)值為0或1。字節(jié)（Byte）：是計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)信息的基本單位，規(guī)定把8位二進(jìn)制數(shù)稱(chēng)為1個(gè)字節(jié)，單位是B,（1B=8bit）。

1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB字長(zhǎng)：一個(gè)字可由若干個(gè)字節(jié)組成，通常將組成一個(gè)字的二進(jìn)制位數(shù)叫做一個(gè)字長(zhǎng)。通常用來(lái)表示計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)和信息的長(zhǎng)度。2.2.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)運(yùn)算器計(jì)算機(jī)中處理數(shù)據(jù)的核心部件。主要是執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算：ALU、存放操作數(shù)和運(yùn)算中間結(jié)果的寄存器等?？刂破饔?jì)算機(jī)中控制管理的核心部件。程序計(jì)數(shù)器（PC）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）、時(shí)序控制電路、微操作控制電路等。2.2.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)輸入/輸出設(shè)備簡(jiǎn)稱(chēng)I/O設(shè)備，又稱(chēng)為外部設(shè)備，它是與計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行信息交換、實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的硬件環(huán)境。攝像頭掃描儀觸摸屏手寫(xiě)板顯示器打印機(jī)投影儀繪圖儀2.2.2計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是指在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的各種程序、數(shù)據(jù)及有關(guān)文檔。通常把計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類(lèi)。1.系統(tǒng)軟件：是維護(hù)、管理計(jì)算機(jī)軟、硬件資源的系統(tǒng)程序。系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng) 語(yǔ)言處理程序 實(shí)用程序診斷程序反病毒程序備份程序文件壓縮程序卸載程序2.2.2計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)2.應(yīng)用軟件：是面向用戶(hù)的使用而編制各種實(shí)用程序。應(yīng)用軟件辦公軟件包數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)瀏覽器實(shí)時(shí)控制軟件圖形圖像處理軟件其它應(yīng)用軟件2.2.3計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)之間的關(guān)系1.硬件是支撐工作的基礎(chǔ)。2.不安裝任何軟件的計(jì)算機(jī)（裸機(jī)）是不能做任何工作的。3.計(jì)算機(jī)軟、硬件之間是協(xié)調(diào)工作、缺一不可的。4.設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須要考慮設(shè)計(jì)的復(fù)雜程序、現(xiàn)有的技術(shù)條件、產(chǎn)品的造價(jià)等因素，然后再確定哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)。2.3計(jì)算機(jī)工作原理依照馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和程序存放在存儲(chǔ)器中，控制器根據(jù)程序中的指令序列進(jìn)行工作，簡(jiǎn)單地說(shuō)計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是運(yùn)行程序指令的過(guò)程。2.3.1計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)1.指令及其格式指令是能被計(jì)算機(jī)識(shí)別并執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，它規(guī)定了計(jì)算機(jī)能完成的某一種操作。一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的所有指令的集合稱(chēng)為該臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)中的指令有規(guī)定的編碼格式。操作碼地址碼規(guī)定了該指令進(jìn)行的操作種類(lèi)給出了操作數(shù)地址、結(jié)果存放地址以及下一條指令的地址2.3.1計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)2.指令的分類(lèi)與功能數(shù)據(jù)傳送型指令：將數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器之間、寄存器之間以及存儲(chǔ)器與寄存器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)處理型指令：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和變換程序控制型指令：控制程序中指令的執(zhí)行順序輸入/輸出型指令：實(shí)現(xiàn)輸入/輸出設(shè)備與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸硬件控制指令：對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件進(jìn)行控制和管理2.3.2計(jì)算機(jī)基本工作原理

計(jì)算機(jī)在工作過(guò)程中，主要有兩種信息流：數(shù)據(jù)信息和指令控制信息。數(shù)據(jù)信息指的是原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和結(jié)果數(shù)據(jù)等，這些信息是由輸入設(shè)備輸入至存儲(chǔ)器，再?gòu)拇鎯?chǔ)器讀入運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，所得的計(jì)算結(jié)果再存入存儲(chǔ)器或傳送到輸出設(shè)備。指令控制信息是由控制器對(duì)指令進(jìn)行分析、解釋后向各部件發(fā)出的控制命令，指揮各部件協(xié)調(diào)地工作。2.3.2計(jì)算機(jī)基本工作原理指令寄存器07H2015H譯碼器操作控制電路指令計(jì)數(shù)器0132H寄存器組算術(shù)、邏輯運(yùn)算部件地址內(nèi)容…0130H0131H0132H…2015H……指令指令072015H…數(shù)據(jù)…①取指令控制器運(yùn)算器內(nèi)存儲(chǔ)器②分析指令③執(zhí)行指令④為下一條指令做準(zhǔn)備2.4微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)微機(jī)，屬于第四代計(jì)算機(jī)。微機(jī)的一個(gè)突出特點(diǎn)是：利用大規(guī)模集成電路LSI(LargeScaleIntegration)和超大規(guī)模集成電路VLSI(VeryLargeScaleIntegration)技術(shù)，將運(yùn)算器和控制器做在一塊集成電路芯片上（微處理器）。微機(jī)具有體積小、重量輕、功耗小、可靠性高、對(duì)使用環(huán)境要求低、價(jià)格低廉、易于成批生產(chǎn)等特點(diǎn)。從而得以迅速普及，深入到當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)發(fā)展史中又一個(gè)里程碑。2.4.1微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)CPU、主存、I/O之間采用總線連接系統(tǒng)總線時(shí)鐘信號(hào)微處理器CPU存儲(chǔ)器（主存）輸入/輸出接口I/O電路外部設(shè)備存儲(chǔ)總線2.4.1微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.微處理器（CPU）在高科技水平的前提下，將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器、控制器以及相關(guān)的部件集中制作在一塊大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路上，即構(gòu)成了整體的中央處理器（CPU），由于處理器的體積大大減小了，故稱(chēng)為微處理器。習(xí)慣上將微處理器直接稱(chēng)為CPU。2.4.1微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.總線：連接各個(gè)部件之間的總線?？偩€是將計(jì)算機(jī)各個(gè)部件聯(lián)系起來(lái)的一組公共信號(hào)線。（1）系統(tǒng)總線：按著各個(gè)部件連接間傳送信號(hào)的類(lèi)型來(lái)劃分（a）數(shù)據(jù)總線：（DataBus,DB)是傳送數(shù)據(jù)和指令代碼的信號(hào)線。數(shù)據(jù)：CPU送到存儲(chǔ)器和外設(shè)存儲(chǔ)器和外設(shè)送CPU（b）地址總線：（AddressBus,AB)是傳送所要訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元或I/O接口地址的信號(hào)線。（c）控制總線：（ControlBus,CB)是管理總線上活動(dòng)的信號(hào)線。2.4.1微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（2）前端總線（FrontSideBus)：按照具體的連接部件且直接關(guān)系到CPU與外界交換數(shù)據(jù)的最主要通道。FBS是由CPU決定的。FBS它是CPU與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的最主要通道，前端總線的數(shù)據(jù)傳輸能力對(duì)計(jì)算機(jī)整體性能作用很大FBS目前PC機(jī)上所能達(dá)到的前端總線頻率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz幾種FBS與系統(tǒng)總線的區(qū)別：①FBS是CPU和北橋芯片間總線的速度，更實(shí)質(zhì)性的表示了CPU和外界數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。②它更多的影響了PCI及其他總線的頻率。2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件配置臺(tái)式機(jī)主機(jī)箱鼠標(biāo)鍵盤(pán)音箱顯示器筆記本電腦2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成電源主機(jī)板CPU硬盤(pán)光驅(qū)內(nèi)存條顯卡2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成電源插座鍵盤(pán)口鼠標(biāo)口LPT并口COM串口顯示器口USB口網(wǎng)絡(luò)接口麥克風(fēng)口音箱接口2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成1.主板

主板又稱(chēng)系統(tǒng)板或母板，是微機(jī)的核心連接部件。是在一塊較大的集成電路板上配以各種必需的電子元件、接口插座和插槽。2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成CPU插座內(nèi)存條插槽USB口LPT并口擴(kuò)展槽鍵盤(pán)接口鼠標(biāo)接口網(wǎng)絡(luò)接口麥克風(fēng)/音箱口芯片組2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成2.CPUCPU是微機(jī)的核心部件，在微機(jī)系統(tǒng)中特指微處理器芯片，目前主流的CPU多由Intel和AMD兩大廠家生產(chǎn)。2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成3.內(nèi)存條

微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)儲(chǔ)存器是將多個(gè)儲(chǔ)存器芯片并列焊在一塊長(zhǎng)方形的電路板上，構(gòu)成內(nèi)存組，一般稱(chēng)之為內(nèi)存條，通過(guò)主板的內(nèi)存插槽接入系統(tǒng)。2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成4.外儲(chǔ)存器（1）硬盤(pán)（2）軟盤(pán)和軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（3）光盤(pán)和光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（4）U盤(pán)2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成（1）硬盤(pán)2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成柱面扇區(qū)磁道硬盤(pán)片是由涂有磁性材料的鋁合金構(gòu)成讀寫(xiě)硬盤(pán)時(shí)，磁性圓盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的托力使磁頭懸浮在盤(pán)面上而不接觸盤(pán)面硬盤(pán)容量視具體類(lèi)型而定2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成（2）軟盤(pán)和軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器軟盤(pán)是一個(gè)可移動(dòng)的外部存儲(chǔ)器，用表面涂有磁性材料柔軟的聚酯材料制成。讀寫(xiě)軟盤(pán)時(shí)，磁頭直接接觸盤(pán)面。常用軟盤(pán)容量為1.44MB軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器又叫軟驅(qū)，是用來(lái)讀寫(xiě)軟盤(pán)數(shù)據(jù)的設(shè)備。2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成（3）光盤(pán)和光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)驅(qū)動(dòng)光盤(pán)，完成主機(jī)與光盤(pán)的信息交換的設(shè)備，簡(jiǎn)稱(chēng)光驅(qū)，是利用激光的投射與反射原理來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取。光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器分為： 只讀型光驅(qū) 刻錄機(jī)光驅(qū)的主要技術(shù)指標(biāo)是“倍速”。光盤(pán) 只讀光盤(pán) 一次寫(xiě)入光盤(pán) 可擦寫(xiě)光盤(pán)2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成（4）U盤(pán)也稱(chēng)為閃存，采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)微機(jī)的USB口連接，可以帶電拔插。（5）其它存儲(chǔ)設(shè)備ZIP軟盤(pán)和MO磁光盤(pán)磁帶2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成5.顯示器與顯示卡（1）顯示器標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要輸出設(shè)備。分為陰極射線管顯示器（CRT）和液晶顯示器（LCD）兩大類(lèi)。2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成（2）顯示器適配卡

簡(jiǎn)稱(chēng)顯示卡或顯卡，是微機(jī)與顯示器之間的一種接口卡。用于圖形數(shù)據(jù)處理、傳輸數(shù)據(jù)給顯示器并控制顯示器的數(shù)據(jù)組織方式。顯卡的性能主要決定于顯卡上的圖形處理芯片。目前主流顯卡是：2D、3D圖形處理功能的AGP接口或PCI-E接口的卡。2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成6.鍵盤(pán)與鼠標(biāo)鍵盤(pán)是最主要也是最常用的輸入設(shè)備。常用的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)是104鍵，還有許多添加了特定功能鍵的多媒體鍵盤(pán)。2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成

鼠標(biāo)最早用于蘋(píng)果公司生產(chǎn)的系列微機(jī)中，隨著windows操作系統(tǒng)的流行，鼠標(biāo)已變?yōu)椴豢扇鄙俚墓ぞ?。常用的鼠?biāo)有雙鍵鼠標(biāo)和三鍵鼠標(biāo)鼠標(biāo)分類(lèi)機(jī)械式鼠標(biāo)光電式鼠標(biāo)工作原理接口PS/2鼠標(biāo)串口鼠標(biāo)USB鼠標(biāo)近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展還出現(xiàn)了無(wú)線鼠標(biāo)。2.4.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成

7.掃描儀圖像掃描儀簡(jiǎn)稱(chēng)掃描儀。目前常用掃描儀的光學(xué)分辨率是2400*4800，主流接口標(biāo)準(zhǔn)是USB接口。