第3章+計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成.ppt

第3章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成 一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成 本章主要介紹計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的基本組成 工作原理及其功能 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成 3 1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述3 2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)3 3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng) 3 1 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)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成 硬件是有形的物理設(shè)備 看得見摸得著 它可以是電子的 電磁的 機(jī)電的或光學(xué)的元件或裝置 或者是由它們所組成的計(jì)算機(jī)部件 軟件是指在計(jì)算機(jī)硬件上運(yùn)行的各類程序和文檔的總稱 它可以提高計(jì)算機(jī)的工作效率 擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能 3 1 1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 3 1 1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 計(jì)算機(jī)硬件與軟件系統(tǒng)的關(guān)系 軟件與硬件是密切相關(guān)和相互依存的 硬件所提供的機(jī)器指令 低級編程接口和運(yùn)算控制能力是實(shí)現(xiàn)軟件的基礎(chǔ) 反之 沒有軟件的硬件機(jī)器 稱為 裸機(jī) 裸機(jī)只有極其有限的功能 甚至連最基本的啟動也不能完成 軟件與硬件在邏輯上有著某種等價(jià)的意義 即軟件實(shí)現(xiàn)的功能可以用硬件來實(shí)現(xiàn) 稱為硬化或固化 同樣 硬件實(shí)現(xiàn)的功能也可以用軟件來模擬 稱為硬件軟化 3 1 1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中 硬件與軟件功能的分擔(dān)是較重要的設(shè)計(jì)決策之一 在硬件的基礎(chǔ)上逐層地?cái)U(kuò)充軟件是形成強(qiáng)大計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有效途徑 3 1 2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理 指令與指令系統(tǒng)程序存儲程序控制原理 指令 指令系統(tǒng)與程序 指令是對計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控制的最小單位 所有的指令的集合稱為計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng) 程序是為完成一項(xiàng)特定任務(wù)而用某種語言編寫的一組指令序列 存儲程序控制原理 存儲程序控制原理即馮 諾依曼原理 馮 諾依曼 美籍匈牙利科學(xué)家 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之父 率先奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 存儲程序控制原理 用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)與指令 指令與數(shù)據(jù)都存放在存儲器中 使計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠自動高速地從存儲器中取出指令加以執(zhí)行 程序中的指令通常是按一定順序一條條存放 計(jì)算機(jī)工作時(shí) 只要知道程序中第一條指令放在什么地方 就能依次取出每一條指令 然后按照指令規(guī)定的操作來執(zhí)行相應(yīng)的動作 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由運(yùn)算器 存儲器 控制器 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成 并規(guī)定了五大部件的功能 3 2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 微機(jī)的硬件部件 1 一臺普通的微機(jī) 秘密在機(jī)箱中 2 打開機(jī)箱 會看見電線 電路板 裝有硬盤 光驅(qū)的鐵盒子 機(jī)箱 3 主板 是一個(gè)分層的電路板 上面布滿了各種硬件接口 板上有電子線路 它們形成了一個(gè)四通八達(dá)的通路 把各種接口連接成了一個(gè)有機(jī)的整體 位于機(jī)箱內(nèi)的主板 4 存儲條 它插入主板上的存儲器擴(kuò)展槽中 5 40芯線的IDE扁平電纜 一端插入主板上的IDE接口 另一端硬盤或光驅(qū)相連 光驅(qū) 硬盤 6 各種功能擴(kuò)展卡 插入主板上的各種擴(kuò)展槽中 3 2 1主板 微機(jī)系統(tǒng)的主板實(shí)際上是一塊集成了各類總線的印刷電路板 并在主板上集成了一些重要的核心部件 如CMOS BIOS及一些控制芯片組 3 2 2中央處理器 CPU CPU CentralProcessingUnit 功能 從存儲器中取出指令 按指令要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算 取指令 執(zhí)行指令 組成 控制器運(yùn)算器寄存器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心 微型計(jì)算機(jī)的CPU稱為微處理器 不是單獨(dú)的元件 存在于控制器和運(yùn)算器中 運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元ALU 其主要任務(wù)是執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算 運(yùn)算器 控制器 控制器是計(jì)算機(jī)的神經(jīng)中樞 控制器對輸入的指令進(jìn)行分析 并統(tǒng)一控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件以完成一定的任務(wù) 它是指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)有條不紊地自動執(zhí)行程序的元件 寄存器 寄存器 Register 是CPU內(nèi)部用來存放數(shù)據(jù)的一些小型的存儲區(qū)域 用來暫時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)以及運(yùn)算結(jié)果 寄存器由電子線路組成 存取速度非?？?與CPU的速度相當(dāng) 寄存器的成本較高 因而數(shù)量較少 CPU內(nèi)部的寄存器類型有指令寄存器 程序計(jì)數(shù)器 數(shù)據(jù)寄存器 地址寄存器以及狀態(tài)寄存器等 CPU的較重要的幾個(gè)性能指標(biāo) 時(shí)鐘頻率計(jì)算機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器不斷地發(fā)出電脈沖 產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號 每秒鐘產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)稱為時(shí)鐘頻率 也叫主頻 其單位是赫茲 指令周期指令周期是指計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令所用的時(shí)間 一個(gè)完整的指令周期包括 取指令 解釋指令 執(zhí)行指令幾個(gè)操作步驟 CPU的較重要的幾個(gè)性能指標(biāo) 字長字長是中央處理器可以一次能夠處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)CPU緩存為了提高微機(jī)的整體性能 CPU芯片生產(chǎn)商在CPU內(nèi)部增加了一種存儲容量較小的快速存儲器 SRAM 以緩解內(nèi)存與CPU之間的速度差異 提高CPU的性能 這種存儲器就是CPU快存 指令的兼容性與精簡問題 指令系統(tǒng)每種類型的CPU都有一套指令系統(tǒng) 這套指令系統(tǒng)向程序編制者提供了編寫程序的可用命令 人們把這些命令稱為機(jī)器語言 把用這些命令編寫的程序稱為機(jī)器語言程序 指令系統(tǒng)的兼容性問題不同類型的CPU提供的機(jī)器語言不同 所以用某一類計(jì)算機(jī)的機(jī)器語言編制出來的程序很難直接在其他類型的計(jì)算機(jī)上有效地運(yùn)行 這個(gè)問題稱為指令不兼容向下兼容與向上兼容指令的精減問題CISC指令系統(tǒng)RISC指令系統(tǒng) 3 2 3存儲器 存儲器是計(jì)算機(jī)存放程序和數(shù)據(jù)的物理設(shè)備 是計(jì)算機(jī)的信息存儲和交流中心 存儲容量 存儲器所能容納的二進(jìn)制信息量的總和存取周期 計(jì)算機(jī)從存儲器讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)所需要的時(shí)間 它表明了存儲器存取速度的快慢 3 2 3存儲器 存儲地址 存儲器由許多存儲單元構(gòu)成 計(jì)算機(jī)從存儲器讀寫數(shù)據(jù)是以存儲單元為基本單位 為了區(qū)分不同的存儲單元 系統(tǒng)給每個(gè)存儲單元賦予一個(gè)唯一的編號 這個(gè)編號稱為存儲單元的地址 即存儲地址 存儲器的分類 存儲器可分為內(nèi)存和外存 內(nèi)存儲器 主存 與CPU直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 ROM RAM 外存儲器 輔存 經(jīng)主存的過渡與CPU交換數(shù)據(jù) 軟盤 硬盤 光盤 磁帶 內(nèi)存儲器 隨機(jī)訪問存儲器 RAM RandomAccessMemory 只讀存儲器 即ROM ReadOnlyMemory 內(nèi)存條 同步動態(tài)隨機(jī)存儲器 SDRAM SynchronousDynamicRandomAccessMemory 雙倍速率同步動態(tài)隨機(jī)存儲器 DDR DoubleDataRateSDRAM 外存儲器 計(jì)算機(jī)中外存儲器主要有軟盤 硬盤 光盤和磁帶等存儲設(shè)備 這些存儲設(shè)備主要是磁表面存儲器和光盤存儲器 磁盤存儲器基本原理 磁盤存儲原理將磁性材料 磁粉顆粒 涂摸在塑料或金屬圓盤上就形成了磁盤 磁盤上的磁粉顆粒能夠保存它們的磁化方向 可以永久性地保存數(shù)據(jù) 涂有磁粉顆粒的塑料盤就是軟盤 涂有磁粉顆粒的金屬盤就是硬盤 磁盤存儲器的基本術(shù)語 磁道磁盤必須經(jīng)過格式化后才能存儲數(shù)據(jù) 在格式化的過程中 磁盤的讀 寫磁頭在磁表面設(shè)置磁模式 將磁盤表面劃分成許多同心園 每個(gè)同心圓又稱為磁道扇區(qū)每個(gè)磁道又被等分成許多扇形區(qū)域 稱為扇區(qū) 數(shù)據(jù)被存放扇區(qū)中 每個(gè)扇區(qū)的容量是512字節(jié) 扇區(qū)的首部包含了扇區(qū)的惟一地址標(biāo)識ID 扇區(qū)之間有空隙隔開 便于DOS或Windows系統(tǒng)進(jìn)行識別 磁盤簇在實(shí)際系統(tǒng)中 操作系統(tǒng)將磁盤上一個(gè)或若干個(gè)扇區(qū)組織成一個(gè) 簇 Cluster 簇是操作系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作的最小邏輯單位 即數(shù)據(jù)在磁盤上是以簇 不是以扇區(qū) 為單位存放的 一個(gè)簇由一個(gè)或多個(gè)扇區(qū)組成 每個(gè)簇所占的扇區(qū)數(shù)由操作系統(tǒng)和磁盤的類型決定 磁盤存儲器容量計(jì)算方法 磁盤的容量可以由下面公式來計(jì)算 磁盤總?cè)萘?記錄面數(shù) 磁道數(shù) 扇區(qū)數(shù) 每個(gè)扇區(qū)字節(jié)數(shù)例如通常所說的高密軟盤有80磁道 每個(gè)磁道包含18個(gè)扇區(qū) 可以雙面存儲 則其存儲容量為 2 80 18 512 1474560B 1440KB 1 44MB 光盤存儲原理 在光存儲設(shè)備中 使用激光在存儲介質(zhì)的表面上燒蝕出數(shù)據(jù) 燒蝕在介質(zhì)表面上微小的凸凹模式表示了數(shù)據(jù) 實(shí)際上 數(shù)據(jù)都是存放在表面的凹坑槽序列中 光盤讀數(shù)據(jù)的原理 把光盤光滑無字的一面向下 將光盤放入光驅(qū)托架 2 光盤在光驅(qū)的帶動下高速旋轉(zhuǎn) 光驅(qū)中有一激光槍 它發(fā)出激光 射在光盤表面上 3 光盤是一種分層結(jié)構(gòu) 最表面是一種透明塑料薄膜 激光能夠穿透它 4 塑料薄膜的下面是平滑的反射層 激光能夠燒灼此表面 形成小凹 5 脊是反射層表面未被激光燒灼的平坦區(qū)域 谷是被燒灼的小凹 脊和谷可分別表示 和 6 激光射到脊上將原路返回 射到谷上將偏離原方向反射 光驅(qū)由此不同的反射光識別0和1 常見的外存儲設(shè)備 軟磁盤存儲器 軟盤 硬磁盤存儲器 硬盤 磁帶存儲器光盤存儲器移動存儲設(shè)備 軟盤 軟盤是用柔軟的聚酯薄膜塑料制成的圓片 在其表面上涂有磁性材料的物質(zhì) 數(shù)據(jù)就記錄在表面的磁介質(zhì)中 軟盤有3 5英寸和5 25英寸的兩種 使用比較廣泛的是3 5英寸容量為1 44MB的高密盤 軟盤攜帶方便 價(jià)格便宜 但讀寫速度慢 而且磁頭容易劃傷盤片 容易受灰塵影響 存儲容量小 不能勝任大量數(shù)據(jù)的存放 隨著U盤和移動硬盤的出現(xiàn) 軟盤將逐漸淘汰 硬盤的結(jié)構(gòu)又稱為溫盤 把硬盤的磁頭 盤片 主軸電機(jī) 尋道電機(jī)及相關(guān)的控制電路密封在一個(gè)金屬盒內(nèi) 這樣保證了硬盤的高速轉(zhuǎn)動 每分鐘可達(dá)3600轉(zhuǎn) 4500轉(zhuǎn) 6300轉(zhuǎn) 7200轉(zhuǎn)甚至更高 磁頭的精確定位 使硬盤讀寫速率可達(dá)很高 硬盤存儲器 硬盤存儲器 硬盤的磁面 柱面 磁盤容量硬盤的盤體由多個(gè)盤片重疊在一起組成 盤片的表面稱為磁面硬盤中所有磁面上半徑相同的同心磁道就稱為一個(gè) 柱面 容量 柱面數(shù) 盤面數(shù) 扇區(qū)數(shù) 512 例如 某個(gè)硬盤有1024個(gè)柱面 每磁道有63個(gè)扇區(qū) 每個(gè)扇區(qū)記錄512字節(jié)信息 硬盤驅(qū)動器共有64個(gè)磁頭 那么該硬盤的存儲容量為1024 63 512 64 2 016GB 1G 1024M 磁帶存儲器 磁帶存儲器的工作原理同磁帶錄音機(jī) 錄像機(jī)一樣 它由磁帶機(jī)和磁帶兩部分組成 早期的個(gè)人計(jì)算機(jī)使用磁帶機(jī)作存儲設(shè)備 目前磁帶機(jī)主要使用在大中型機(jī)上 磁帶存儲容量大 裝卸方便 讀寫速度比磁盤快的多 但只能以順序方式進(jìn)行讀寫 不太方便而且效率較低 光盤存儲器 光盤的存儲容量較大 一張光盤的容量可達(dá)650M目前用于計(jì)算機(jī)上的光盤有三大類 只讀光盤 一次性寫入光盤 可擦寫型光盤 只讀型光盤CD ROM DVD ROM一次性寫入光盤WORM可擦寫光盤CD RW 移動存儲設(shè)備 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展 許多小巧 輕便 價(jià)格低廉的移動存儲產(chǎn)品正在不斷涌現(xiàn)和普及 如U盤 數(shù)碼相機(jī)和MP3播放器等 移動存儲設(shè)備大都采用FlashMemory芯片構(gòu)成存儲介質(zhì) 它是一種非易失性半導(dǎo)體存儲器 在無電源狀態(tài)下仍能保持芯片內(nèi)的信息 不需要特殊的高電壓即可實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)信息的擦寫 移動存儲設(shè)備 移動硬盤則是直接由臺式電腦或筆記本電腦的硬盤改裝而成 移動硬盤的存儲容量非常大 性價(jià)比較高 3 2 4輸入輸出設(shè)備 輸入設(shè)備 鍵盤鼠標(biāo)掃描儀手寫輸入筆數(shù)碼相機(jī) 輸出設(shè)備 顯示器打印機(jī) 3 2 5總線與接口 總線是把計(jì)算機(jī)各組成部件連接起來的一組導(dǎo)線 是計(jì)算機(jī)各組成部件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?根據(jù)總線傳輸信號的方式可以將總線分為串行總線和并行總線 3 2 5總線與接口 根據(jù)傳輸信號的類型 總線可分為數(shù)據(jù)總線 DB DataBus 地址總線 AB AddressBus 控制總線 CB ControlBus 三大類 DB 用于在CPU與內(nèi)存或輸入輸出設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù) AB 用于傳送存儲單元或輸入輸出接口的地址信息 CB 用來傳送控制器的各種控制信號 3 2 5總線與接口 接口是介于主機(jī)與外部設(shè)備之間的一種緩沖電路 用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的信息交換 接口與計(jì)算機(jī)的各大總線相連接 是微機(jī)和外部設(shè)備聯(lián)系的橋梁和紐帶 接口的功能 進(jìn)行數(shù)據(jù)格式變換 如進(jìn)行串行與并行數(shù)據(jù)格式之間的變換 數(shù)據(jù)緩沖 接口對數(shù)據(jù)傳送提供緩沖 為協(xié)調(diào)CPU與外部設(shè)備在速度上的差異提供可能 電氣特性匹配 完成主機(jī)與外部設(shè)備在電氣特性上的適配 如電壓高低的轉(zhuǎn)換 主機(jī)板上的各類接口 3 2 6微機(jī)主要性能指標(biāo) 3 3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng) 軟件的概念及分類系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件 3 3 1軟件的概念及分類 軟件的基本概念軟件的特性軟件的功能軟件的分類 軟件的基本概念 利用計(jì)算機(jī)本身提供的邏輯功能 合理的組織計(jì)算機(jī)的工作流程 簡化或替代人們使用計(jì)算機(jī)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié) 提供給用戶一個(gè)便于操作的工作環(huán)境的 程序集 它包括計(jì)算機(jī)程序和與之相關(guān)的文檔資料的總和 文檔是指編制計(jì)算機(jī)程序所使用的技術(shù)資料和使用該程序的說明性資料 即開發(fā) 使用和維護(hù)程序所需的一切資料 軟件的特性 軟件是由開發(fā)或工程化而形成的 而不是傳統(tǒng)意義上制造產(chǎn)生的 軟件的成本集中于開發(fā)上 而硬件的成本除了開發(fā)之外還有生產(chǎn)成本 軟件不會磨損 軟件的故障率隨時(shí)間的推移而降低 而硬件的故障率隨時(shí)間的推移而增加 硬件磨損后可以用新的配件來替換 而軟件故障則多為其中的錯(cuò)誤 沒有可替換的備件 大多數(shù)軟件是自定義的 而不是通過已有的組件組裝而成的 當(dāng)然 目前基于組件的軟件開發(fā)技術(shù)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢 軟件的功能 管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 提高系統(tǒng)資源利用率 協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各組成部件之間的合作關(guān)系 在硬件提供的設(shè)施與體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上 不斷擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的功能 提高計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行各類應(yīng)用任務(wù)的能力 面向用戶服務(wù) 向用戶提供盡可能方便 合適的計(jì)算機(jī)使用界面與工作環(huán)境 為用戶運(yùn)行各類作業(yè)和完成各種任務(wù)提供相應(yīng)的軟件支持 為軟件開發(fā)人員提供開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境 提供維護(hù) 診斷 調(diào)試計(jì)算機(jī)的工具 軟件的分類 軟件 系統(tǒng)軟件 應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件是為整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置的 不依賴于特定應(yīng)用領(lǐng)域的通用軟件 用來管理計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)和軟件資源 應(yīng)用軟件是指用于應(yīng)用領(lǐng)域的各種應(yīng)用程序及其文檔資料 是各領(lǐng)域?yàn)榻鉀Q各種不同的問題而編寫的軟件 3 3 2系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng)語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng) OS OperatingSystem 是直接運(yùn)行在 裸機(jī) 之上的最基本的系統(tǒng)軟件 其他軟件都必須在操作系統(tǒng)的支持下才能運(yùn)行 操作系統(tǒng)是由早期的計(jì)算機(jī)管理程序發(fā)展而來的 目前已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種硬件資源和軟件資源的統(tǒng)一管理 控制 調(diào)度和監(jiān)督者 由它合理的組織計(jì)算機(jī)的工作流程 協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)和各部件之間 系統(tǒng)與用戶之間的關(guān)系 語言處理程序 計(jì)算機(jī)語言 用戶通過計(jì)算機(jī)語言編寫程序 指示計(jì)算機(jī)完成一定的工作 語言處理程序 把用戶的程序轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識別的指令的程序 它可分為編譯系統(tǒng)和解釋系統(tǒng) 語言處理程序 編譯方式 源程序 目標(biāo)程序 可執(zhí)行程序 編輯程序 匯編程序或編譯程序 連接程序 解釋方式 解釋一句執(zhí)行一句 無目標(biāo)程序生成 計(jì)算機(jī)語言的翻譯 翻譯翻譯指的是將計(jì)算機(jī)高級語程序程序轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的機(jī)器指令程序 翻譯有兩種方式 解釋和編譯 編譯 編譯是將高級語言程序 源程序 轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的計(jì)算機(jī)機(jī)器指令程序 稱為目標(biāo)