計算機系統(tǒng)第二章計算機基礎知識

第二章計算機基礎知識

2.1計算機系統(tǒng)概述

2.2計算機硬件系統(tǒng)和工作原理

2.3計算機軟件系統(tǒng)

2.4微型計算機硬件組成

1

2.1計算機系統(tǒng)概述

計算機系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)

2

計算機系統(tǒng)的組成

運算器

CPU

控制器

主機隨機存儲器(RAM)

內存只讀存儲器(ROM)

I——硬件高速緩沖存儲器(Cache)

計

算一輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀等

機外部設備————輸出設備：顯示器、打印機、音響等

系——外存：軟盤、硬盤、光盤、U盤等

統(tǒng)

一操作系統(tǒng)：DOS、Windows>Unix、Linux

系統(tǒng)軟件——語言處理程序：C、Pascal.VB等

L實用程序：診斷程序、排錯程序等

「軟件

應用軟件——辦公軟件包、數據庫管理系統(tǒng)

3

2.2計算機硬件系統(tǒng)和工作原理

2.2.1計算機硬件系統(tǒng)

輸出設備

主機夕卜設

外存設備

輸入設備

網絡設備

計算機硬件包括主機和外設

4

計算機的五大部件

存儲器

輸

入

設馮?諾依曼思想：

備

?二進制

?程序與數據一樣存放在內存

?五大模塊

數據流］控制流一^

演示：計算機的五大部件5

處理器■

6

存儲器通常分為內存儲器和外存儲器

輸入設備

常用輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀、光筆、數字化儀等。

常用輸出設備：顯示器、打印機、繪圖儀等。

HELP|

^WANTED|

9

2.2.2計算機基本工作原理

指令是能被計算機識別并執(zhí)行的的二進制代碼，完成一種操作。

結構

操作碼要完成的操作類型或性質

操作數操作的內容或所在的地址

?數據傳送指令

?數據處理指令

?程序控制指令

?輸入輸出指令

?其它指令

10

計算機基本工作原理

1.指令的串行執(zhí)行

一條指令的執(zhí)行過程分為以下3步驟：

①取指令按照指令計數器中的地址，從內存儲器中取出指令，并送

往指令寄存器。

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位信號；由地

址碼確定操作數地址。

③執(zhí)行指令由操作控制線路發(fā)出完成該操作所需要的一系列控制

信息，去完成該指令所要求的操作。

一條指令執(zhí)行完成，指令計數器加1或將轉移地址碼送入程序計數器

,然后回到①。

演示：計算機基本工作原理11

計算機基本工作原理

1.指令的執(zhí)行

是依次完成指令的三個部件后，才開始下一條指令的執(zhí)行，在此

過程中在執(zhí)行某功能部件時，其他兩個功能部件是不工作的。

指令流水線技術就是使這三個功能部件并行工作，則可提高計算

機執(zhí)行指令的速度，現在的計算機一般采用流水線技術。

則有三條指令的并行執(zhí)行理論速度是串行執(zhí)行的3倍

取指令1

12

2.3計算機軟件系統(tǒng)

軟件是指程序、程序運行所需要的數據以及開發(fā)、使

用和維護這些程序所需要的文檔的集合。

13

23.1系統(tǒng)軟件

1.操作系統(tǒng)

目的：

■計算機與人交互的接口，不必了解計算機內部結構

?合理地使用系統(tǒng)內包含的各種軟、硬件資源，提高整

個系統(tǒng)的使用效率和經濟效益。

目前典型的操作系統(tǒng)有：Windows、UNIX>Linux等，詳

細介紹見第四章。

14

2.程序設計語言與語言處理程序

(1)機器語言

機器語言是由“o1”二進制代碼按一定規(guī)則組成的、

被機器直接理解、執(zhí)行的指令集合。

例如，計算A=15+10的機器語言程序如下：

1011000000001111：把15放入累加器A中

0010110000001010：10與累加器A的值相加，結

果仍放入A中

11110100：結束，停機

缺點：編程工作量大，難學、難記、難修改，只適合專業(yè)

人員使用；由于不同的計算機，其指令系統(tǒng)不同，機器語

言隨機而異，通用性差，是面向機器的語言。

優(yōu)點：程序代碼不需要翻譯，所占空間少，執(zhí)行速度快。

現在已經沒有人用機器語言直接編程了。

15

（2）匯編語言

將機器指令的代碼用英文助記符來表示，代替機器語言中的指

令和數據。例如用ADD表示加、SUB表示減、JMP表示程序跳轉等

等，這種指令助記符的語言就是匯編語言。

例如，計算A=15+10的匯編語言程序:

MOVA,15：把15放入累加器A中

ADDA,10：10與累加器A相加，結果存入A中

HLT：結束，停機

優(yōu)點：匯編語言克服了機器語言難讀等缺點，保持了其編程質

量高，占存儲空間少，執(zhí)行速度快的優(yōu)點。

缺點：還是依賴于機器，通用性差。

特點：源程序必須通過匯編程序翻譯成機器語言。

常用于：過程控制等編程。

16

(3)高級語言

高級語言是由表達各種意義的詞和數學公式按照一定的語法規(guī)則

來編寫程序的語言。

例如，計算A=15+10的BASIC語言程序如下：

A=15+10T5與1。相加的結果放入A中

PRINTA，輸出A

END，程序結束

優(yōu)點：通用性強，編程效率高。

缺點：源程序要翻譯成機器語言，代碼不最優(yōu)。

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常用高級語言

?Fortran語言1954年推出，適用于科學和工程計算。

?COBOL語言是面向商業(yè)的通用語言，1959年推出，主要用于數

據處理，隨著數據庫管理系統(tǒng)的迅速發(fā)展，很少使用。

?Pascal語言結構化程序設計語言，1968年推出，適用于教學、科

學計算、數據處理和系統(tǒng)軟件等開發(fā)，目前已被C語言取代.

?C、C++語言1972年推出C語言，1983年加入面向對象的概念，

改名為C++。語言簡練、功能強，適用面廣。

?BASIC語言初學者語言，1964年推出；1991年微軟推出可視化的

、基于對象的VisualBasic開發(fā)環(huán)境，發(fā)展到現在的VB.NET開

發(fā)環(huán)境，則是完全面向對象、功能更強大。

?Java語言一種新型的跨平臺的面向對象設計語言，1995年推出，

適用于網絡應用.

18

語言處理程序

在所有的程序設計語言中，除了用機器語言編制的程序能夠

被計算機直接理解和執(zhí)行外，其他的程序設計語言編寫的源

程序都必須經過一個翻譯過程才能轉換為計算機所能識別的

機器語言程序，實現這個翻譯過程的工具是語言處理程序，

即翻譯程序。用非機器語言寫的程序稱為源程序；通過翻譯

程序翻譯后的程序稱為目標程序。翻譯程序也稱為編譯器。

針對不同的程序設計語言編寫出的程序，有各自的翻譯程

序，互相不通用。

19

語言處理程序——匯編程序

匯編程序是將匯編語言編制的程序（源程序）翻譯成機器語

言程序（目標程序）的工具。

匯編

程序

匯編語言IAS4

源程序-----------S百程ts序

匯編程序的具體翻譯工作步驟：

①用機器操作碼代替符號化的操作符。

②用數值地址代替符號名稱。

③將常數翻譯為機器的內部表示。

④分配指令和數據的存儲單元。

20

語言處理程序——高級語言翻譯程序

1）解釋方式

解釋方式的翻譯工作由解釋程序來完成，這種方式如同“口譯”。

解釋程序對源程序進行逐句分析，若沒有錯誤，將該語句翻譯

成一個或多個機器語言指令，然后立即執(zhí)行這些指令；若解釋

時發(fā)現錯誤，會立即停止，報錯并提醒用戶更正代碼。解釋方

式不生成目標程序。

解釋程序

高級語言

計算結果

源程序

數據

優(yōu)點：查找錯誤的語句行和修改方便

缺點：執(zhí)行速度慢BASIC、LISP等語言采用解釋方式。21

2）編譯方式

翻譯工作由編譯程序完成。如同“筆譯”在紙上記錄翻譯后的

結果。編譯程序過程：

?對源程序編譯產生目標程序；

?連接程序將目標程序和有關的程序庫組合可執(zhí)行程序。

數據

源程序計算結果

.c.OBJ.EXE

優(yōu)點：執(zhí)行速度快，修改源程序后都必須重新編譯。

一般高級語言（C/C++、PASCAL、FORTRAN、COBOL等）都是

r

采用編譯方式。22

實用程序

完成一些與管理計算機系統(tǒng)資源及文件有關的任務

?系統(tǒng)設置軟件（不必直接修改注冊表）

超級兔子軟件、Windows優(yōu)化大師

?診斷程序（識別并且改正計算機系統(tǒng)存在的問題）

控制面板的系統(tǒng)

?備份程序（備份程序把硬盤上的文件復制到其他存儲設備上）

“附件|系統(tǒng)工具|”的“備份”

?反病毒程序

?文件壓縮程序

23

23.2應用軟件

為某一專門的應用目的而開發(fā)的軟件稱為應用軟件。

例如:

1.辦公軟件包

2.圖形和圖象處理軟件

3.數據庫系統(tǒng)

4.Ineteruet服務軟件

5.娛樂與學習軟件

24

2.4微型計算機硬件系統(tǒng)

2.4J主機系統(tǒng)

1,微型計算機的誕生

1971年Intel的工程師馬西安?霍夫(MEHoff)成

功地在一個芯片上實現了中央處理器：

第一片4位微處理器一Intel4004,

第一臺4位微型計算機一MCS-4,

2.摩爾定律

每18個月，集成度將翻一翻，

速度將提高一倍，

而其價格將降低一半

的濤大孽

主機系統(tǒng)

?主機的基本組成

—主板

-CPU

-存儲器：內存、外存

電濤大學

主板(MainBoard)也叫母板(MotherBoard

一散熱片（下面是北橋芯片）散熱片（下面是南橋芯片）

1?主板/高//SATA接口：

內存條插與：9仆）~nrw|^//連接有SATA

鼠標接口（紫色）

CPU插唱

8Ml引腳

理并行接口U甯SB接可陶燮^

聲卡接口網絡接口

注：集成了聲卡、網卡、IEEE1394卡

沒有集成顯卡PCI插僧叼

背板上沒有串行口和IEEE1394接口PCLExl6拉槽

旦是主板上引腳_______________

PCI-Exl插槽

主板總線圖

各種指標及相互關系

最重要的是前端總線頻率和外頻

假設：外裝為

頻率越高則性能越好200MHz若倍頻為16

Pentium4

則主頻為3.2GHz

芯片組:前

端頻率=外頻*4=800MHz

CPU是大腦，芯片組是心臟總

線位寬為位

由南橋，北橋組成,64

AGP8X北橋（）DIMM

MCH內存

主板架構82875P3.2GB碑

板載功能DDR400MHz

266MBps

就是將某一些接口卡的功

SATAIEEE1394

能集成到主板上。最常見SATA硬盤iIIEEE1394口

150MBp50MBs

的就是集成聲卡和網卡的p

IDEUSB2.0

功能。IDE硬盤<*i?USB2.0接口

1OOMBps南橋（ICH）60MBps

IDE_82801EB

CD/DVD10/1OOMbps網卡

1OOMBps20MBps

PCIAC/97

PCI設備聲卡

132MBrsIMBps

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芯片組

?是主板的核心，決定了主板的功能和檔次，

由北橋和南橋芯片組成。

?北橋芯片(MemoryControIHub,MCH)

-負責與CPU的聯系，決定主板支持的CPU的類型、內存的類型

等。

-位置：CPU和內存插槽最近

-北橋芯片決定了主板的性能，人們常用北橋芯片的代號來稱

呼主板，如使用Intel915北橋芯H■的主板稱為915主板。

?南橋芯片(I/OControlHub,ICH)

一負責與I/O總線的通信，如PCI總線、USB、IDE、SATA等，以

及負責管理音頻控制器、鍵盤控制器、實時時鐘控制器、高

級電源管理等。

-位置：離CPU插槽較遠的下方

的濤大孽

主板架構

?主板架構

-概念：是對主板的尺寸大小、形狀、各元器件的布局、

排列方式等制定出標準，所有主板廠商都必須遵循。

-主要解決散熱、噪聲等

?常見架構

-ATX:最常見的主板架構，擴展插槽較多，數量在4-6個

-MicroATX:常說的“小板”，擴展插槽較少

CPU

主頻、外頻和前端總線頻率關系

主頻=外頻X倍頻系數

前端總線頻率新引入

CPU和外界交換數據的唯一通道

前端總線數據傳輸速率=前端總線頻率X前端總線數據

寬度/8

字長和位數

通常，CPU位數=CPU的字長二通用寄存器位數

高速緩沖存儲器容量

核心數量

通過提高CPU主頻來提高計算機運算能力，在早期主頻比較低的

時候還可行。隨著頻率越高，耗電越多，熱量越大，問題越多。

多核心可以在較低主頻，提高性能。

⑥濟丈等

主流CPU產品

Intel產品系列AMD產品系列龍芯

龍芯［號

龍芯2號

Athlon64x2龍芯2號E

Pentium3

IVTSuArAi/WoWn164X2

當

今

主02.45AMDCPU

^

C

P

U

的濤大孽

存儲器

數據訪問

■內存儲器（主存儲器），速度快，容量CPU

小，價格較高，可由CPU直接訪問。

?外存儲器（輔助存儲器），速度慢，容

量大，價格低，CPU不可以直接訪問。RAM

隨機存儲器（RAM）

內存只讀存儲器（ROM）外存

高速緩沖存儲器（Cache）

磁介質,軟盤和硬盤

外存光盤

Flash存儲器

的濤大孽

RAM的發(fā)展

SDRAM（同步動態(tài)存儲器）

一個總線時鐘周期

讀寫一次數據

DDR（雙倍數據速率SDRAM）一個總線時鐘周期

讀寫兩次數據，2倍

一個總線時鐘周期

DDR2讀寫兩次數據

并行存取兩個數據，4倍

一個總線時鐘周期

DDR3讀寫兩次數據

并行存取四個數據，倍

8DDR3：800/1066/1333MHz

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ROM

?只讀存儲器,可讀，不可寫；掉電后數據

不會丟失

?BIOS(BasicInputOutputSystem)即基

本輸入輸出系統(tǒng)。是被固化到主板ROM芯

片上的程序。

?BIOS主要功能：開機

-識別各種硬件(包括型號)

-引導操作系統(tǒng)自檢

-進行硬件最直接的操作，如讀文件等。

執(zhí)行ROM中的啟動程序

?引導操作系統(tǒng)過程

-自檢。檢查電腦硬件是否良好。加載操作系統(tǒng)

-初始化，讀取CMOS里設置的參數，對硬件進

行設置。執(zhí)行操作系統(tǒng)

-引導操作系統(tǒng)。

的濤大孽

Cache

?高速緩存（Cache）,CPU的速度很快而內存速度較慢，

怎么辦？Cache,它集成在CPU內部，高速，容量小。

?Cache與內存數據交換是以塊（頁）為單位的。

?CPU首先從Cache中查找，如果沒有找到，再從內存

中讀取，同時把這個數據所在的數據塊調入Cache中

cPuCache程力內存

?一級緩存L1Cache,容量小。二級緩存L2Cache,

容量大。主要區(qū)別在于CPU查找數據的順序。

?一般由DRAM（靜態(tài)存儲器）構成。

的濤大孽

外存儲器

?外存儲器，大容量、能長期保存數據，價格

便宜。

軟盤(FloppyDisk)

?微機使用的軟盤直徑為3.5英寸，稱為3寸

盤，容量為1.44MB。

?軟盤容量小、單位容量成本高、速度慢且可

靠性差。已被U盤替代。

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F盤片

硬盤L主軸

」磁頭組

硬盤（HardDisk）微機中最主要

的輔存，容量大。

盤片：一個硬盤有多個盤片，每

盤片有上下兩個面，都可以保驅動

存數據。機構

磁道

磁道：盤片上不同半徑的同心圓扇區(qū)

為磁道。

扇區(qū)：一個磁道被劃分為多個扇a

區(qū)。磁頭

柱面：不同盤片相同磁道構成的

圓柱面即柱面。

存儲容量=盤片數義磁道（柱面）盤片一*二

數X扇區(qū)數X每扇區(qū)字節(jié)數。盤面G

信息記錄可表示為：幾號磁頭

1-

（母R__產磁道（棺柱面

火孽幾號扇區(qū)。

硬盤接口

難點：硬盤接口

IDE接口是一種并行接口

連接IDE硬盤

連接CD或DVD驅動器

SATA接口是一種串行接口

SATA1.0數據傳輸率達到150MBps

SATA2.0數據傳輸率達到300MBps

SATA3.0數據傳輸率達到600MBps

的濤大孽3S5I

硬盤種類

筆記本硬盤的直徑一般僅為2.5英寸和1.8

英寸。

移動硬盤=筆記本硬盤+讀寫控制電路板

+外部接口。外部接口主要有USB2.0和

IEEE1394O

①USB2.0速度可達480Mbps

②IEEE1394速度目前可達400Mbps

微型硬盤一般為1英寸以下的硬盤。主要用

于數碼產品中，如數碼攝像機。

固態(tài)硬盤(soIid-statedisk,SSD)是運

用Flash芯片發(fā)展出最新的硬盤。不怕

摔，能適應極端溫度或濕度，適合工業(yè)

或軍事用途。價格非常高。

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光盤

?CD的容量一般為680M,

?DVD的容量為4.7G?50G,采用更細的激

光束，具有更高的磁道密度。

光驅：

?指示燈托盤面板應急退盤孔

-CD-ROM光驅：只能讀取CD光盤。

-DVD-ROM光驅：可以讀取CD和DVD光盤

-COMBO光驅：“康寶”是一種集合了CD、丁^g?：口口

DVD的讀取和CD的刻錄。|I-I

耳機插孔音量調節(jié)旋鈕播放/快進

-DVD刻錄光驅：包括了CD、DVD的讀取和

彈出/彈入/停止

CD、DVD的刻錄。

?光驅的數據讀取速率用倍速來表示，

CD光驅的1倍速是150KB/S,DVD光驅的

1倍速是1350KB/S

勺64倍速,DVD為20簡麻、.

的濤大孽

總線

總線是各部件（或設備）之間傳輸數據的公用通道

共享總線帶寬獨享總線帶寬

如：USB總線如：AGP總線

PCI總線PCM總線

的濤大孽

總線

?衡量總線的指標就是總線帶寬

?總線帶寬二總線頻率X總線位數X傳輸次數

連

內部總線：連接CPU的各個組成部件（芯片內部）

接I

對系統(tǒng)總線：連接計算機中各大部件I

象外部總線：連接計算機和外部設備!

傳

輸地址總線:傳輸地址信息

內數據總線:傳輸數據信息

容

控制總線:傳輸控制信息

通

信并行總線:通信速度快、實時性好

方串行總線:簡易、方便、靈活

式

謫

?a等

微機系統(tǒng)總線

顯卡

-常見的總線有:

內存

一ISA

CPU

一PCI

FSB

-PCI-E

硬盤

—AGP

iPCI-E

ATA

PCI

的濤大孽

PCI

?PCI是一種32位數據的并行總線（可擴展為64位）

總線頻率為33MHz或66MHz,

最大傳輸速率=66MX64/8=532MB/S。

?優(yōu)點是結構簡單、成本低、設計容易。

?缺點是總線帶寬有限（總線頻率有限），同時多個設

PCI-E

-是一種串行總線，是替代PCI的最新的總線。

有多個通道(Lane),各個通道相互獨立，即PCI-

E的x1、x2、x4、x8、x12xx16和x32等。每個通道單

向傳輸帶寬可達250MB/s,雙向為500MB/S。

?優(yōu)點是數據傳輸速率高，而且?guī)捠歉鱾€設備獨享的。

?PCI-E^日。為隹姑的恒|,而PCI-Ex16取代AGP。

x1

AGP

?AGP（AcceIeratedGraphicsPort,圖形加速端口）

是顯卡的專用擴展插槽，在PCI基礎上發(fā)展而來的。

?AGP接口也有多個通道的版本，AGP1x和AGP2x,AGP

4x,AGP8xo在微機中應用的主要是AGP4x,它的數

據傳輸帶寬有1066MB/S。

串行總線和并行總線

部部

件件

10110100

或或

設設

備備

1次發(fā)送一個bit,1個byte分8次發(fā)送

2.4,15串行總線工作方式

將來：串行總線肯定會逐漸取代并行總線

原因：并行總線高頻率的條件下容易出錯

串行總線：RS232、P