《計算機系統(tǒng)組成新》課件

計算機系統(tǒng)組成概述計算機系統(tǒng)是現(xiàn)代信息社會的基礎(chǔ)，深刻影響著我們的生活和工作。了解計算機系統(tǒng)組成能夠幫助我們更好地理解計算機的運行原理，并為軟件開發(fā)、系統(tǒng)維護等提供理論基礎(chǔ)。計算機系統(tǒng)概念硬件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的硬件部分，包括CPU、存儲器、輸入輸出設(shè)備等。軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的軟件部分，包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等，負(fù)責(zé)管理硬件資源并提供用戶界面。人機交互系統(tǒng)用戶通過鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備與計算機系統(tǒng)進行交互，實現(xiàn)信息輸入和輸出。計算機系統(tǒng)硬件組成計算機系統(tǒng)硬件組成是指計算機系統(tǒng)中所有物理設(shè)備的集合。這些設(shè)備共同協(xié)作，完成計算機系統(tǒng)的各種功能。計算機系統(tǒng)硬件組成通常包括中央處理器（CPU）、存儲器、輸入輸出設(shè)備和總線系統(tǒng)。中央處理器CPU中央處理器(CPU)是計算機系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、控制數(shù)據(jù)流和處理信息。CPU是一個復(fù)雜的集成電路，包含運算器、控制器、寄存器和高速緩存等部件。CPU的主要功能11.指令控制CPU獲取指令、分析指令、執(zhí)行指令。22.數(shù)據(jù)處理CPU進行各種算術(shù)運算、邏輯運算。33.數(shù)據(jù)傳輸CPU將數(shù)據(jù)從內(nèi)存、外設(shè)等傳輸?shù)狡渌胤健?4.狀態(tài)管理CPU管理系統(tǒng)狀態(tài)、處理中斷、控制其他硬件。CPU的結(jié)構(gòu)和工作過程1指令獲取CPU從內(nèi)存中獲取指令。指令由操作碼和操作數(shù)構(gòu)成。2指令譯碼CPU將指令譯碼為機器可以理解的指令格式，并準(zhǔn)備相關(guān)操作數(shù)。3指令執(zhí)行CPU根據(jù)指令執(zhí)行對應(yīng)的操作，例如數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)傳輸、控制流程等。存儲器系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中必不可少的組成部分，用于存儲程序和數(shù)據(jù)。存儲器系統(tǒng)分為主存儲器和輔助存儲器，兩者協(xié)同工作以滿足不同數(shù)據(jù)存儲需求。存儲器的分類按存儲介質(zhì)分類存儲器根據(jù)存儲介質(zhì)的不同，可分為半導(dǎo)體存儲器和磁存儲器。半導(dǎo)體存儲器，如內(nèi)存，速度快，成本高；磁存儲器，如硬盤，速度慢，成本低。按訪問方式分類存儲器根據(jù)訪問方式的不同，可分為隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。RAM可以隨機訪問，速度快，但斷電后數(shù)據(jù)丟失；ROM只能順序訪問，速度慢，但斷電后數(shù)據(jù)不丟失。主存儲器隨機存取存儲器(RAM)RAM是計算機系統(tǒng)中用于存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)的主存儲器。它具有高速、隨機訪問的特點，數(shù)據(jù)可以從任何位置直接讀取或?qū)懭?。?nèi)存條內(nèi)存條是構(gòu)成RAM的物理實體，由多個存儲芯片組成。它通過插槽連接到主板上，并與CPU進行數(shù)據(jù)交換。存儲芯片存儲芯片是內(nèi)存條的最小單元，用于存儲數(shù)據(jù)和指令。每個芯片具有特定的存儲容量和速度，共同構(gòu)成RAM的整體性能。輔助存儲器輔助存儲器是計算機系統(tǒng)中用來存儲數(shù)據(jù)的非易失性存儲設(shè)備，通常被稱為外存儲器。主要用于存儲當(dāng)前不需要但將來可能需要使用的數(shù)據(jù)，例如操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和用戶文件等。它比主存儲器容量更大、成本更低，但訪問速度也更慢。輸入輸出系統(tǒng)輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等設(shè)備可以將外部信息轉(zhuǎn)換為計算機可識別的形式，供計算機使用。輸出設(shè)備顯示器、打印機、音箱等設(shè)備將計算機處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人可以理解的形式，顯示給用戶。數(shù)據(jù)傳輸輸入輸出設(shè)備與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過總線完成的，總線是連接各種設(shè)備的公共通道。輸入設(shè)備鍵盤鍵盤是用于向計算機輸入文本、指令和控制命令的設(shè)備。常見的鍵盤類型包括標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、筆記本鍵盤和游戲鍵盤。鼠標(biāo)鼠標(biāo)是一種用于控制計算機光標(biāo)的輸入設(shè)備。常用的鼠標(biāo)類型包括機械鼠標(biāo)、光學(xué)鼠標(biāo)和激光鼠標(biāo)。觸摸屏觸摸屏是一種支持用戶用手指或觸控筆直接在屏幕上進行交互的輸入設(shè)備。掃描儀掃描儀是一種用于將圖像或文檔轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的輸入設(shè)備。輸出設(shè)備顯示器將計算機處理后的信息轉(zhuǎn)換成視覺圖像，呈現(xiàn)給用戶。現(xiàn)代顯示器種類繁多，如液晶顯示器（LCD）和有機發(fā)光二極管顯示器（OLED）。打印機將計算機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化的紙質(zhì)文檔，包括激光打印機、噴墨打印機和針式打印機。音響系統(tǒng)將計算機處理后的音頻信息轉(zhuǎn)換為聲音信號，通過揚聲器輸出，為用戶提供聲音反饋。其他輸出設(shè)備例如投影儀、繪圖儀、觸覺反饋設(shè)備等，根據(jù)不同的應(yīng)用場景提供不同的輸出功能?？偩€系統(tǒng)總線是計算機系統(tǒng)中各個部件之間傳輸信息的公共通道。它相當(dāng)于信息傳輸?shù)摹案咚俟贰?，連接著CPU、內(nèi)存、外設(shè)等主要組件?？偩€系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)在不同部件之間傳遞數(shù)據(jù)、控制信號和地址信息?？偩€的類型可以分為系統(tǒng)總線、內(nèi)部總線和外部總線，每種總線都有其特定的功能和特點?？偩€的概念和分類總線概念總線是計算機系統(tǒng)中各個部件之間傳輸信息的重要通道?？偩€分類總線可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，分別傳輸?shù)刂沸畔ⅰ?shù)據(jù)信息和控制信號?？偩€類型總線類型包括串行總線、并行總線和內(nèi)部總線，分別對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸方式和應(yīng)用場景?？偩€的工作過程1請求CPU發(fā)出請求2尋址定位目標(biāo)地址3傳輸數(shù)據(jù)在總線上流動4應(yīng)答接收數(shù)據(jù)確認(rèn)總線工作過程包含四個步驟：請求、尋址、傳輸、應(yīng)答。CPU首先發(fā)出請求，然后通過總線尋址目標(biāo)地址，接著傳輸數(shù)據(jù)。最后，接收目標(biāo)地址的應(yīng)答信號確認(rèn)數(shù)據(jù)成功傳輸。計算機系統(tǒng)軟件組成計算機系統(tǒng)軟件是計算機系統(tǒng)不可或缺的一部分，它為用戶提供操作和使用計算機系統(tǒng)的接口，并管理計算機系統(tǒng)資源。計算機系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件概念系統(tǒng)軟件是控制和管理計算機硬件資源的軟件，為用戶提供運行環(huán)境。系統(tǒng)軟件位于應(yīng)用軟件和硬件之間，充當(dāng)橋梁，管理和調(diào)度計算機資源。系統(tǒng)軟件類型操作系統(tǒng)語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)工具應(yīng)用軟件滿足特定需求應(yīng)用軟件針對用戶特定需求，提供各種功能，比如辦公、娛樂、設(shè)計等。用戶界面友好應(yīng)用軟件提供圖形界面或命令行界面，讓用戶方便地操作。種類繁多應(yīng)用軟件涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括辦公軟件、游戲軟件、多媒體軟件、網(wǎng)絡(luò)軟件等等。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)簡介操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件，它負(fù)責(zé)管理計算機系統(tǒng)的硬件資源和軟件資源，為用戶提供一個友好的使用環(huán)境。操作系統(tǒng)的核心功能操作系統(tǒng)主要功能包括進程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備管理等，這些功能共同保證了計算機系統(tǒng)高效穩(wěn)定地運行。操作系統(tǒng)分類操作系統(tǒng)可以分為單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)、單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)、多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)等，它們的功能和應(yīng)用范圍各不相同。操作系統(tǒng)的功能管理系統(tǒng)資源操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計算機系統(tǒng)中的硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、存儲器和外設(shè)，以確保它們能夠有效地被應(yīng)用程序使用。提供用戶界面操作系統(tǒng)為用戶提供與計算機交互的界面，例如命令行界面或圖形用戶界面，便于用戶操作計算機。管理程序運行操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)加載、運行、管理和終止應(yīng)用程序，確保應(yīng)用程序能夠正常運行。保護系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護系統(tǒng)安全，防止惡意程序或用戶錯誤操作造成系統(tǒng)崩潰或數(shù)據(jù)丟失。進程管理創(chuàng)建和撤銷操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)創(chuàng)建新進程和撤銷不再需要的進程，確保系統(tǒng)資源的合理分配。調(diào)度操作系統(tǒng)根據(jù)策略選擇運行的進程，并分配CPU時間，提高系統(tǒng)效率。同步和通信操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)多個進程之間的協(xié)同工作，處理共享資源訪問沖突和信息交換。進程間通信操作系統(tǒng)提供了機制，使不同進程之間能夠進行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。內(nèi)存管理內(nèi)存分配內(nèi)存管理中一項重要任務(wù)，為程序分配所需的內(nèi)存空間。根據(jù)不同需求，采取不同的內(nèi)存分配策略，如靜態(tài)分配、動態(tài)分配等。內(nèi)存保護防止不同程序之間相互干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。使用內(nèi)存保護機制，例如地址空間隔離和訪問權(quán)限控制，來保護系統(tǒng)和應(yīng)用程序的安全。文件管理文件組織文件管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)組織和存儲文件，提供目錄結(jié)構(gòu)和文件命名規(guī)則，方便用戶管理和訪問文件。權(quán)限控制文件管理系統(tǒng)可以設(shè)置不同用戶的訪問權(quán)限，保護文件安全，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。數(shù)據(jù)備份文件管理系統(tǒng)支持文件備份和恢復(fù)功能，保護數(shù)據(jù)安全，防止數(shù)據(jù)丟失。文件共享文件管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)文件共享，允許多個用戶訪問和修改同一個文件。設(shè)備管理1管理策略設(shè)備管理策略包括設(shè)備分配、設(shè)備共享、設(shè)備安全等方面。操作系統(tǒng)需要合理管理設(shè)備，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。2資源分配設(shè)備管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配設(shè)備，并為每個設(shè)備分配唯一的標(biāo)識符，以便系統(tǒng)識別和管理。3數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，例如從磁盤讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存，或從內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)到硬盤。4出錯處理設(shè)備在工作過程中可能出現(xiàn)錯誤，設(shè)備管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理這些錯誤，并確保數(shù)據(jù)完整性。計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是指計算機系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和工作方式，包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及它們之間的相互關(guān)系。它是計算機系統(tǒng)設(shè)計的藍圖，決定了計算機系統(tǒng)的功能、性能、成本以及可擴展性等重要因素。不同的計算機系統(tǒng)有不同的體系結(jié)構(gòu)，常見的體系結(jié)構(gòu)包括馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)等。這些體系結(jié)構(gòu)在指令和數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理方式以及硬件結(jié)構(gòu)等方面存在差異。計算機系統(tǒng)的發(fā)展歷程第一代計算機1946年，第一臺電子計算機ENIAC誕生，采用電子管作為主要元件，體積龐大，速度慢，功耗高。第二代計算機1955年，晶體管計算機問世，體積更小，速度更快，功耗更低，標(biāo)志著計算機進入一個新的發(fā)展階段。第三代計算機1964年，集成電路計算機出現(xiàn)，將多個晶體管集成在一個芯片上，體積進一步縮小，速度更快，功能更強大。第四代計算機1971年，微處理器問世，將整個計算機系統(tǒng)集成在一個芯片上，標(biāo)志著計算機進入微型化時代，并逐漸普及。第五代計算機當(dāng)前，人工智能、云計算等新技術(shù)的發(fā)展，推動著計算機系