第第3章章 计算机系统组成计算机系统组成 一个完整的计算机系统由一个完整的计算机系统由硬件系统硬件系统和和软软件系统件系统两大部分组成两大部分组成 。本章主要介绍计算本章主要介绍计算机硬件系统和软件系统的基本组成、工作原机硬件系统和软件系统的基本组成、工作原理及其功能。理及其功能。 计算机系统组成计算机系统组成 3.1 计算机系统概述 3.2 计算机硬件系统 3.3 计算机软件系统3.1.1 计算机系统概述计算机系统概述一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件是有形的物理设备，看得见摸得着，它可以是电子的、电磁的、机电的或光学的元件或装置，或者是由它们所组成的计算机部件。软件是指在计算机硬件上运行的各类程序和文档的总称，它可以提高计算机的工作效率，扩大计算机的功能。 3.1.1 计算机系统概述计算机系统概述3.1.1 计算机系统概述计算机系统概述l计算机硬件与软件系统的关系：l软件与硬件是密切相关和相互依存的。硬件所提供的机器指令、低级编程接口和运算控制能力是实现软件的基础。反之，没有软件的硬件机器，称为“裸机”，裸机只有极其有限的功能，甚至连最基本的启动也不能完成。l软件与硬件在逻辑上有着某种等价的意义。即软件实现的功能可以用硬件来实现，称为硬化或固化；同样，硬件实现的功能也可以用软件来模拟，称为硬件软化。3.1.1 计算机系统概述计算机系统概述在计算机系统中，硬件与软件功能的分担是较重要的设计决策之一，在硬件的基础上逐层地扩充软件是形成强大计算机系统的有效途径。3.1.2 计算机系统的基本工作原理计算机系统的基本工作原理 指令与指令系统 程序 存储程序控制原理指令、指令系统与程序指令、指令系统与程序指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。机器指令格式机器指令格式操作码操作码 地址码地址码机器执行什么操作机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）执行对象（具体数、存放位置）存储程序控制原理存储程序控制原理存储程序控制原理即冯诺依曼原理。冯诺依曼：美籍匈牙利科学家，现代计算机之父，率先奠定了现代计算机的基本结构。存储程序控制原理存储程序控制原理用二进制形式表示数据与指令。 指令与数据都存放在存储器中，使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行。程序中的指令通常是按一定顺序一条条存放，计算机工作时，只要知道程序中第一条指令放在什么地方，就能依次取出每一条指令，然后按照指令规定的操作来执行相应的动作。 计算机系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并规定了五大部件的功能。 3.2 计算机硬件系统计算机硬件系统微型计算机硬件系统的基本结构微机的硬件部件1、一台普通的微、一台普通的微机，秘密在机箱中机，秘密在机箱中2、打开机箱，会看、打开机箱，会看见电线、电路板、装见电线、电路板、装有硬盘、光驱的铁盒有硬盘、光驱的铁盒子子机箱机箱3、主板，是一个分层的电路、主板，是一个分层的电路板，上面布满了各种硬件接口，板，上面布满了各种硬件接口，板上有电子线路，它们形成了板上有电子线路，它们形成了一个四通八达的通路，把各种一个四通八达的通路，把各种接口连接成了一个有机的整体接口连接成了一个有机的整体位于机箱内的主板位于机箱内的主板4、存储条，它插入主、存储条，它插入主板上的存储器扩展槽中板上的存储器扩展槽中5、40芯线的芯线的IDE扁平扁平电缆，一端插入主板电缆，一端插入主板上的上的IDE接口，另一接口，另一端硬盘或光驱相连端硬盘或光驱相连光驱硬盘6、各种功能扩展卡，、各种功能扩展卡，插入主板上的各种扩插入主板上的各种扩展槽中展槽中3.2.1 主板主板微机系统的主板实际上是一块集成了各类总线的印刷电路板，并在主板上集成了一些重要的核心部件，如CMOS、BIOS及一些控制芯片组。 3.2.2 中央处理器（中央处理器（CPU）CPU(Central Processing Unit)功能：从存储器中取出指令，按指令要求 对数 据进行运算。（取指令，执行指令）组成：控制器运算器寄存器是计算机系统的核心。微型计算机的CPU称为微处理器。不是单独的元件，存在于控制器和运算器中！运算器又称算术逻辑单元运算器又称算术逻辑单元ALU 。其主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。其主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。运算器运算器算术逻辑单元算术逻辑单元累加器累加器状态寄存器状态寄存器通用寄存器通用寄存器运算运算暂存操作数和运算结果。暂存操作数和运算结果。存放算术逻辑单元在工存放算术逻辑单元在工作中产生的状态信息。作中产生的状态信息。暂存操作数或数据地址。暂存操作数或数据地址。运算器运算器控制器控制器控制器是计算机的神经中枢。控制器是计算机的神经中枢。控制器对输入的指令进行分析，并统一控制控制器对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件以完成一定的任务。计算机的各个部件以完成一定的任务。它是指挥整个计算机有条不紊地自动执行程它是指挥整个计算机有条不紊地自动执行程序的元件。序的元件。寄存器寄存器 寄存器（Register）是CPU内部用来存放数据的一些小型的存储区域，用来暂时存放参与运算的数据以及运算结果。寄存器由电子线路组成，存取速度非常快，与CPU的速度相当，寄存器的成本较高，因而数量较少。CPU内部的寄存器类型有指令寄存器、程序计数器、数据寄存器、地址寄存器以及状态寄存器等。CPU的较重要的几个性能指标的较重要的几个性能指标时钟频率计算机内部有一个时钟发生器不断地发出电脉冲，产生系统所需要的标准时钟信号，每秒钟产生的时钟脉冲个数称为时钟频率，也叫主频，其单位是赫兹。指令周期指令周期是指计算机执行一条指令所用的时间，一个完整的指令周期包括：取指令、解释指令、执行指令几个操作步骤。CPU的较重要的几个性能指标的较重要的几个性能指标字长字长是中央处理器可以一次能够处理的二进制数据的位数 CPU缓存为了提高微机的整体性能，CPU芯片生产商在CPU内部增加了一种存储容量较小的快速存储器（SRAM）以缓解内存与CPU之间的速度差异，提高CPU的性能，这种存储器就是CPU快存。指令的兼容性与精简问题指令的兼容性与精简问题 指令系统每种类型的CPU都有一套指令系统，这套指令系统向程序编制者提供了编写程序的可用命令，人们把这些命令称为机器语言，把用这些命令编写的程序称为机器语言程序。 指令系统的兼容性问题 不同类型的CPU提供的机器语言不同，所以用某一类计算机的机器语言编制出来的程序很难直接在其他类型的计算机上有效地运行，这个问题称为指令不兼容 向下兼容与向上兼容指令的精减问题 CISC指令系统RISC指令系统3.2.3 存储器存储器存储器是计算机存放程序和数据的物理设备，是计算机的信息存储和交流中心。存储容量：存储器所能容纳的二进制信息量的总和 存取周期：计算机从存储器读出数据或写入数据所需要的时间，它表明了存储器存取速度的快慢。 3.2.3 存储器存储器存储地址：存储器由许多存储单元构成，计算机从存储器读写数据是以存储单元为基本单位，为了区分不同的存储单元，系统给每个存储单元赋予一个唯一的编号，这个编号称为存储单元的地址，即存储地址。 存储器的分类存储器的分类存储器可分为内存和外存。内存储器（主存） 与CPU直接进行数据交换。ROM，RAM。外存储器（辅存） 经主存的过渡与CPU交换数据。 软盘，硬盘，光盘，磁带。CPUCPURAMRAM外存外存ROMROMWWRR内存储器随机访问存储器（RAM：Random Access Memory）只读存储器（即ROM：Read Only Memory） 名称特点用途类型RAM 可随时读写数据，读数据不损坏内容，写数据时会修改、覆盖原有的内容。 随机存取，存取任意单元的时间相同，不必顺序访问。 断电后信息丢失。 存放当前正在执行的程序和数据。 作为I/O数据缓冲存储器。 作为中断服务程序和子程序中保护CPU现场信息的堆栈。 在后备电源及掉电保护电路的支持下，作为存放系统配置参数和高级芯片状态参数的存储器。 SRAM：静态随机存储器 DRAM：动态随机存储器ROM 只能读出数据，不能写入数据，内容由制造商写入。 内存掉电，内容不会丢失。 存放各种固化的系统软件，如ROM BIOS、监控程序等。 掩膜ROM 可编程只读存储器PROM 可擦除可编程只读存储器EPROM 电擦除可编程只读存储器E2PROM内存条内存条同步动态随机存储器（SDRAM，Synchronous Dynamic Random Access Memory） 双倍速率同步动态随机存储器（DDR，Double Data Rate SDRAM） 外存储器外存储器计算机中外存储器主要有软盘、硬盘、光盘和磁带等存储设备，这些存储设备主要是磁表面存储器和光盘存储器。磁盘存储器基本原理磁盘存储器基本原理磁盘存储原磁盘存储原理理将磁性材料（磁将磁性材料（磁粉颗粒）涂摸在粉颗粒）涂摸在塑料或金属圆盘塑料或金属圆盘上就形成了磁盘。上就形成了磁盘。磁盘上的磁粉颗磁盘上的磁粉颗粒能够保存它们粒能够保存它们的磁化方向，可的磁化方向，可以永久性地保存以永久性地保存数据。数据。 涂有磁涂有磁粉颗粒的塑料盘粉颗粒的塑料盘就是软盘，涂有就是软盘，涂有磁粉颗粒的金属磁粉颗粒的金属盘就是硬盘。盘就是硬盘。磁盘存储器的基本术语磁盘存储器的基本术语磁道磁盘必须经过格式磁盘必须经过格式化后才能存储数据。化后才能存储数据。在格式化的过程中，在格式化的过程中，磁盘的读磁盘的读/写磁头在写磁头在磁表面设置磁模式，磁表面设置磁模式，将磁盘表面划分成许将磁盘表面划分成许多同心园，每个同心多同心园，每个同心圆又称为磁道圆又称为磁道扇区每个磁道又被等分成许每个磁道又被等分成许多扇形区域，称为扇区，多扇形区域，称为扇区，数据被存放扇区中，每数据被存放扇区中，每个扇区的容量是个扇区的容量是512字字节。扇区的首部包含了节。扇区的首部包含了扇区的惟一地址标识扇区的惟一地址标识ID，扇区之间有空隙隔开，扇区之间有空隙隔开，便于便于DOS或或Windows系统进行识别。系统进行识别。磁盘簇 在实际系统中，操作系统将磁盘上一在实际系统中，操作系统将磁盘上一个或若干个扇区组织成一个个或若干个扇区组织成一个“簇簇”（Cluster），），簇是操作系统进行数据读写操作的最小逻辑单位，簇是操作系统进行数据读写操作的最小逻辑单位，即数据在磁盘上是以簇（不是以扇区）为单位存即数据在磁盘上是以簇（不是以扇区）为单位存放的。一个簇由一个或多个扇区组成，每个簇所放的。一个簇由一个或多个扇区组成，每个簇所占的扇区数由操作系统和磁盘的类型决定占的扇区数由操作系统和磁盘的类型决定 磁盘存储器容量计算方法磁盘存储器容量计算方法磁盘的容量可以由下面公式来计算： 磁盘总容量记录面数磁盘总容量记录面数磁道数磁道数扇区数扇区数每个扇每个扇区字节数区字节数 例如通常所说的高密软盘有80磁道，每个磁道包含18个扇区，可以双面存储，则其存储容量为：280185121474560B1440KB1.44MB。光盘存储原理光盘存储原理在光存储设备在光存储设备中，使用激光中，使用激光在存储介质的在存储介质的表面上烧蚀出表面上烧蚀出数据。烧蚀在数据。烧蚀在介质表面上微介质表面上微小的凸凹模式小的凸凹模式表示了数据，表示了数据，实际上，数据实际上，数据都是存放在表都是存放在表面的凹坑槽序面的凹坑槽序列中。列中。 光盘读数据的原理光盘读数据的原理、把光盘光滑无字的一面、把光盘光滑无字的一面向下，将光盘放入光驱托架向下，将光盘放入光驱托架2、光盘在光驱的带动下高速、光盘在光驱的带动下高速旋转，光驱中有一激光枪，旋转，光驱中有一激光枪，它发出激光，射在光盘表面它发出激光，射在光盘表面上上3、光盘是一种分层结、光盘是一种分层结构，最表面是一种透明构，最表面是一种透明塑料薄膜，激光能够穿塑料薄膜，激光能够穿透它透它4、塑料薄膜的下面是平滑的反射层，激光能、塑料薄膜的下面是平滑的反射层，激光能够烧灼此表面，形成小凹够烧灼此表面，形成小凹5、脊是反射层表面未被激光烧灼的平、脊是反射层表面未被激光烧灼的平 坦区域；坦区域； 谷是被烧灼的小凹，谷是被烧灼的小凹， 脊和谷可分别表示和脊和谷可分别表示和6、激光射到脊上将原路返回，、激光射到脊上将原路返回， 射到谷上将偏离原方向反射，射到谷上将偏离原方向反射， 光驱由此不同的反射光识别光驱由此不同的反射光识别0和和1常见的外存储设备常见的外存储设备软磁盘存储器（软盘）硬磁盘存储器（硬盘）磁带存储器光盘存储器移动存储设备软盘软盘软盘是用柔软的聚酯薄膜塑料制成的圆片，在其表面上涂有磁性材料的物质，数据就记录在表面的磁介质中。软盘有3.5英寸和5.25英寸的两种，使用比较广泛的是3.5英寸容量为1.44MB的高密盘。软盘携带方便、价格便宜，但读写速度慢，而且磁头容易划伤盘片，容易受灰尘影响，存储容量小，不能胜任大量数据的存放。随着U盘和移动硬盘的出现，软盘将逐渐淘汰。硬盘的结构硬盘的结构又称为温盘。把又称为温盘。把硬盘的磁头、盘硬盘的磁头、盘片、主轴电机、片、主轴电机、寻道电机及相关寻道电机及相关的控制电路密封的控制电路密封在一个金属盒内，在一个金属盒内，这样保证了硬盘这样保证了硬盘的高速转动的高速转动（每（每分钟可达分钟可达3600转、转、4500转、转、6300转、转、7200转甚至转甚至更高），更高），磁头的磁头的精确定位，使硬精确定位，使硬盘读写速率可达盘读写速率可达很高。很高。 硬盘存储器硬盘存储器 硬盘存储器硬盘存储器硬盘的磁面、柱面、磁盘容量 硬盘的盘体由多个盘硬盘的盘体由多个盘片重叠在一起组成片重叠在一起组成 ，盘片的表面称为磁面盘片的表面称为磁面硬盘中所有磁面上半硬盘中所有磁面上半径相同的同心磁道就径相同的同心磁道就称为一个称为一个“柱面柱面” 容量容量 = 柱面数柱面数盘面数盘面数扇区数扇区数512例如，某个硬盘有例如，某个硬盘有1024个柱面，每磁道有个柱面，每磁道有63个扇区，每个扇区记录个扇区，每个扇区记录512字节信息，硬盘驱动器共有字节信息，硬盘驱动器共有64个磁头，那么该硬盘的存储容量为个磁头，那么该硬盘的存储容量为10246351264 = 2.016 GB（1G = 1024M）磁带存储器磁带存储器磁带存储器的工作原理同磁带录音机、录像机一样，它由磁带机和磁带两部分组成。早期的个人计算机使用磁带机作存储设备，目前磁带机主要使用在大中型机上。磁带存储容量大，装卸方便，读写速度比磁盘快的多，但只能以顺序方式进行读写，不太方便而且效率较低。光盘存储器光盘存储器光盘的存储容量较大，一张光盘的容量可达650M 目前用于计算机上的光盘有三大类：只读光盘，一次性写入光盘，可擦写型光盘。 只读型光盘CD-ROM 、DVD-ROM一次性写入光盘WORM 可擦写光盘CD-RW 移动存储设备移动存储设备随着信息技术的不断发展，许多小巧、轻便、价格低廉的移动存储产品正在不断涌现和普及，如U盘、数码相机和MP3播放器等。移动存储设备大都采用Flash Memory芯片构成存储介质，它是一种非易失性半导体存储器，在无电源状态下仍能保持芯片内的信息，不需要特殊的高电压即可实现芯片内信息的擦写。移动存储设备移动存储设备移动硬盘则是直接由台式电脑或笔记本电脑的硬盘改装而成，移动硬盘的存储容量非常大，性价比较高。 3.2.4 输入输出设备输入输出设备输入设备：键盘鼠标扫描仪手写输入笔数码相机w输出设备：显示器打印机 3.2.5 总线与接口总线与接口总线是把计算机各组成部件连接起来的一组导线，是计算机各组成部件进行数据传输的通路。 根据总线传输信号的方式可以将总线分为串行总线和并行总线。 3.2.5 总线与接口总线与接口根据传输信号的类型，总线可分为数据总线（DB，Data Bus）、地址总线（AB，Address Bus）、控制总线（CB，Control Bus）三大类。DB：用于在CPU与内存或输入输出设备之间传送数据。AB：用于传送存储单元或输入输出接口的地址信息。 CB：用来传送控制器的各种控制信号。 3.2.5 总线与接口总线与接口接口是介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路，用于实现计算机与外部设备之间的信息交换。接口与计算机的各大总线相连接，是微机和外部设备联系的桥梁和纽带 。接口的功能接口的功能进行数据格式变换，如进行串行与并行数据格式之间的变换。数据缓冲，接口对数据传送提供缓冲，为协调CPU与外部设备在速度上的差异提供可能。电气特性匹配，完成主机与外部设备在电气特性上的适配，如电压高低的转换。主机板上的各类接口主机板上的各类接口3.2.6 微机主要性能指标性能指标性能指标描描 述述字长字长越长，一次性处理的二进制位数越多，数据处理速度就越快主频主频越高，单位时间内运算的次数越多，运算速度就越快运算速度指单位时间内执行指令的条数，取决于主频和指令周期内存容量反映了计算机信息处理的能力，容量越大，能力越强存取周期存取周期越短，存取速度越快外存容量及速度 反映了计算机的记忆能力3.3 计算机软件系统计算机软件系统软件的概念及分类系统软件应用软件3.3.1 软件的概念及分类软件的概念及分类软件的基本概念软件的特性软件的功能软件的分类软件的基本概念软件的基本概念利用计算机本身提供的逻辑功能，合理的组织计算机的工作流程，简化或替代人们使用计算机过程中的各个环节，提供给用户一个便于操作的工作环境的“程序集”；它包括计算机程序和与之相关的文档资料的总和（文档是指编制计算机程序所使用的技术资料和使用该程序的说明性资料，即开发、使用和维护程序所需的一切资料）。 软件的特性软件的特性软件是由开发或工程化而形成的，而不是传统意义上制造产生的。软件的成本集中于开发上，而硬件的成本除了开发之外还有生产成本。软件不会磨损。软件的故障率随时间的推移而降低，而硬件的故障率随时间的推移而增加。硬件磨损后可以用新的配件来替换，而软件故障则多为其中的错误，没有可替换的备件。大多数软件是自定义的，而不是通过已有的组件组装而成的。当然，目前基于组件的软件开发技术已经成为一种发展趋势。软件的功能软件的功能管理计算机系统，提高系统资源利用率，协调计算机各组成部件之间的合作关系。在硬件提供的设施与体系结构的基础上，不断扩展计算机的功能，提高计算机实现和运行各类应用任务的能力。面向用户服务，向用户提供尽可能方便、合适的计算机使用界面与工作环境，为用户运行各类作业和完成各种任务提供相应的软件支持。为软件开发人员提供开发工具和开发环境，提供维护、诊断、调试计算机的工具。软件的分类软件的分类软件系统软件应用软件系统软件是为整个计算机系统配置的、不依赖于特定应用领域的通用软件，用来管理计算机的硬件系统和软件资源 应用软件是指用于应用领域的各种应用程序及其文档资料，是各领域为解决各种不同的问题而编写的软件。 3.3.2 系统软件系统软件操作系统语言处理程序数据库管理系统操作系统操作系统操作系统（OS，Operating System）是直接运行在“裸机”之上的最基本的系统软件，其他软件都必须在操作系统的支持下才能运行。操作系统是由早期的计算机管理程序发展而来的，目前已经成为计算机系统中各种硬件资源和软件资源的统一管理、控制、调度和监督者，由它合理的组织计算机的工作流程，协调计算机和各部件之间，系统与用户之间的关系。语言处理程序语言处理程序计算机语言：用户通过计算机语言编写程序，指示计算机完成一定的工作。语言处理程序：把用户的程序转换为计算机能识别的指令的程序；它可分为编译系统和解释系统。语言处理程序语言处理程序编译方式：源程序目标程序可执行程序编辑程序汇编程序或编译程序连接程序解释方式：解释一句执行一句，无目标程序生成。计算机语言的翻译计算机语言的翻译n翻译翻译指的是将计算机高级语程序程序转换成计算机能够识别的机器指令程序。翻译有两种方式：解释和编译编译编译编译是将高级语言程序（源程序）转换成与之对编译是将高级语言程序（源程序）转换成与之对应的计算机机器指令程序，称为目标程序。目标应的计算机机器指令程序，称为目标程序。目标程序经过链接后，就形成了可执行程序。程序经过链接后，就形成了可执行程序。数据库管理系统数据库管理系统数据是人类活动的重要资源，在计算机应用中，数据处理占据了很大的比重。数据处理指的是对数据进行收集、管理、加工和传播等工作，而其中的数据管理是对数据的组织、存储、检索和维护等工作，是数据处理的核心，而数据的管理离不开数据库技术。数据库管理系统数据库管理系统数据库是有效地组织，存储在一起的相关数据和信息的集合，它允许多个用户共享数据库的内容，在组织数据时，尽量减少冗余，使各种数据的关系密切，同时尽量保证数据与应用程序的相互独立性。用于管理数据库的主要软件系统就是数据库管理系统（DBMS，Database Management System），它是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。目前常用的数据库管理系统有DB2、Oracle、Sybase以及SQL Server等。3.3.3 应用软件应用软件应用软件是专门为某一应用目的而编制的软件。常见的应用软件有文字处理软件（如WORD、WPS等）、信息管理软件（如工资管理软件、人事管理软件等）、辅助设计软件（如CAD、PROTEL等）、实时控制软件等。 定制软件应用程序包通用软件常见的应用软件常见的应用软件文字处理软件：WPS、Word电子表格软件：Excel图形图像软件：PhotoShop、CorelDraw、3DS网络通信软件：IE、FTP、OutLook网页制作软件：FrontPage、DreamWaver辅助设计软件：AutoCAD简报软件：PowerPoint