第2章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

第2章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)文斌博士、教授0本章學(xué)習(xí)目標(biāo)通過本章的學(xué)習(xí)，了解計(jì)算機(jī)基本工作原理，掌握計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)；了解計(jì)算機(jī)硬件組成及主要性能指標(biāo)，掌握數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示及編碼：掌握常用進(jìn)制數(shù)，了解字符編碼(ASCII碼)、了解漢字(GB碼)編碼。1信息技術(shù)基礎(chǔ)本章要點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)組成及工作原理；計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)；

計(jì)算機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)；

信息在計(jì)算機(jī)中的表示形式；

微型計(jì)算機(jī)硬件組成。2信息技術(shù)基礎(chǔ)目錄2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成2.3計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)3信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。計(jì)算機(jī)硬件是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各功能部件的集合。是由電子、機(jī)械和光電元件組成的各種計(jì)算機(jī)部件和設(shè)備的總稱，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)硬件是看得見、摸得著的，實(shí)實(shí)在在存在的物理實(shí)體。計(jì)算機(jī)軟件是指與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作有關(guān)的各種程序以及任何與之相關(guān)的文檔和數(shù)據(jù)的集合。其中程序是用程序設(shè)計(jì)語言描述的適合計(jì)算機(jī)執(zhí)行的語句指令序列。4信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成及工作原理馮·諾依曼原理基本思想（1946年提出）（1）計(jì)算機(jī)硬件由五個(gè)基本部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。（2）計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制來表示程序和數(shù)據(jù)。（3）采用“存儲程序”的方式，將程序和數(shù)據(jù)放入同一個(gè)存儲器中(內(nèi)存儲器)，計(jì)算機(jī)能夠自動高速地從存儲器中取出指令加以執(zhí)行。組成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的五大硬件（1）運(yùn)算器（2）控制器（3）存儲器（4）輸入設(shè)備（5）輸出設(shè)備5信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成及工作原理1．運(yùn)算器（ALU）運(yùn)算器也稱為算術(shù)邏輯單元ALU（ArithmeticLogicUnit）。它的功能是完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算是指加、減、乘、除及它們的復(fù)合運(yùn)算。而邏輯運(yùn)算是指“與”、“或”、“非”等邏輯比較和邏輯判斷等操作。在計(jì)算機(jī)中，任何復(fù)雜運(yùn)算都轉(zhuǎn)化為基本的算術(shù)與邏輯運(yùn)算，然后在運(yùn)算器中完成。2．控制器（CU）控制器CU（ControllerUnit）是計(jì)算機(jī)的指揮系統(tǒng)，控制器一般由指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序電路和控制電路組成。它的基本功能是從內(nèi)存取指令和執(zhí)行指令。通常將運(yùn)算器和控制器統(tǒng)稱為中央處理器，即CPU（CentralProcessingUnit）,它是整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心部件，是計(jì)算機(jī)的“大腦”。它控制了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、處理、輸入和輸出等工作。6信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成及工作原理3．存儲器（Memory）存儲器是計(jì)算機(jī)的記憶裝置，它的主要功能是存放程序和數(shù)據(jù)。程序是計(jì)算機(jī)操作的依據(jù)，數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)操作的對象。（1）信息存儲單位（2）存儲器的分類根據(jù)存儲器與CPU聯(lián)系的密切程度可分為內(nèi)存儲器（主存儲器）和外存儲器（輔助存儲器）兩大類。（3）存儲器工作原理7信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成及工作原理4．輸入設(shè)備輸入設(shè)備是從計(jì)算機(jī)外部向計(jì)算機(jī)內(nèi)部傳送信息的裝置。其功能是將數(shù)據(jù)、程序及其他信息，從人們熟悉的形式轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識別和處理的形式輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)部。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀、數(shù)字化儀、條形碼閱讀器等。8信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組成及工作原理5．輸出設(shè)備輸出設(shè)備是將計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果傳送到計(jì)算機(jī)外部供計(jì)算機(jī)用戶使用的裝置。其功能是將計(jì)算機(jī)內(nèi)部二進(jìn)制形式的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成人們所需要的或其他設(shè)備能接受和識別的信息形式。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。通常我們將輸入設(shè)備和輸出設(shè)備統(tǒng)稱為I/O設(shè)備（Input/Output）。它們都屬于計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備。9信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)按其功能劃分，可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類型。（1）系統(tǒng)軟件（SystemSoftware）系統(tǒng)軟件是負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種獨(dú)立的硬件，使得它們可以協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)軟件使得計(jì)算機(jī)使用者和其他軟件將計(jì)算機(jī)當(dāng)作一個(gè)整體而不需要顧及到底層每個(gè)硬件是如何工作的。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和一系列基本的工具（比如編譯器，數(shù)據(jù)庫管理，存儲器格式化，文件系統(tǒng)管理，用戶身份驗(yàn)證，驅(qū)動管理，網(wǎng)絡(luò)連接等方面的工具）。10信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)（2）應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是指在計(jì)算機(jī)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，為解決各類實(shí)際問題而編制的程序，它用來幫助人們完成在特定領(lǐng)域中的各種工作。應(yīng)用軟件主要包括：為解決各類實(shí)際問題而編制的程序，它用來幫肋人們完成在特定領(lǐng)域中的各種工作。如：文字處理程序表格處理軟件輔助設(shè)計(jì)軟件實(shí)時(shí)控制軟件用戶應(yīng)用程序11信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.4計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)1．運(yùn)算速度計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度是指計(jì)算機(jī)每秒鐘執(zhí)行的指令數(shù)。單位為每秒百萬條指令(簡稱MIPS)或者每秒百萬條浮點(diǎn)指令(簡稱MFPOPS）。2．存儲器的指標(biāo)

（1）存取速度（2）存儲容量3．I/O的速度

主機(jī)I／O的速度，取決于I/O總線的設(shè)計(jì)。以上只是一些主要性能指標(biāo)。除了上述這些主要性能指標(biāo)外，微型計(jì)算機(jī)還有其他一些指標(biāo)，例如，所配置外圍設(shè)備的性能指標(biāo)以及所配置系統(tǒng)軟件的情況等等。12信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.5計(jì)算機(jī)中信息的表示計(jì)算機(jī)要處理的信息是多種多樣的，如日常的十進(jìn)制數(shù)、文字、符號、圖形、圖像和語言等。但是計(jì)算機(jī)無法直接“理解”這些信息，所以計(jì)算機(jī)需要采用數(shù)字化編碼的形式對信息進(jìn)行存儲、加工、和傳送。信息的數(shù)字化表示就是采用一定的基本符號，使用一定的組合規(guī)則來表示信息。計(jì)算機(jī)中采用的二進(jìn)制編碼，其基本符號是“0”和“1”。13信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.5計(jì)算機(jī)中信息的表示1．進(jìn)制計(jì)數(shù)的方法有很多種，在日常生活中我們最常見的是國際上通用的計(jì)數(shù)方法——十進(jìn)制計(jì)數(shù)法。計(jì)算機(jī)中使用的是二進(jìn)制。這幾種進(jìn)制采用的都是帶權(quán)計(jì)數(shù)法，它包含兩個(gè)基本要素：基數(shù)、位權(quán)。進(jìn)制轉(zhuǎn)換在計(jì)算機(jī)世界中還涉及到八進(jìn)制、十進(jìn)制和十六進(jìn)制。下面將講述這幾種進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換。14信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.5計(jì)算機(jī)中信息的表示2．二進(jìn)制與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換（1）二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制方法：“按權(quán)展開求和”（2）十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)二進(jìn)制數(shù)：“除以2取余，逆序輸出”十進(jìn)制小數(shù)轉(zhuǎn)二進(jìn)制數(shù)：“乘以2取整，順序輸出”。3．八進(jìn)制與二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換4．十六進(jìn)制與二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換15信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.5計(jì)算機(jī)中信息的表示5．二進(jìn)制的運(yùn)算：（1）算術(shù)運(yùn)算加法：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10減法：0－0=0，1－0=1，1－1=0，10－1=1乘法：0*0=0，0*1=0，1*0=0，1*1=1（2）位運(yùn)算與：0and0=0,0and1=0,1and0=0,1and1=1或：0or0=0,0or1=1,1or0=1,1or1=1非：not0=1,not1=0異或：0xor0=0,0xor1=1,1xor0=1,1xor1=0（3）位移運(yùn)算左移（二進(jìn)制數(shù)k左移n位）：kshln=k*2n右移（二進(jìn)制數(shù)k右移n位）：kshrn=kdiv2n16信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.5計(jì)算機(jī)中信息的表示6．計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示在普通數(shù)字中，用“+”或“—”符號在數(shù)的絕對值之前來區(qū)分?jǐn)?shù)的正負(fù)。在計(jì)算機(jī)中有符號數(shù)包含三種表示方法：原碼、反碼、補(bǔ)碼。（1）原碼表示法：用機(jī)器數(shù)的最高位代表符號位，其于各位是數(shù)的絕對值。符號位若為0則表示正數(shù)，若為1則表示負(fù)數(shù)。（2）反碼表示法：正數(shù)的反碼和原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼是對原碼除符號位外各位取反。（3）補(bǔ)碼表示法：正數(shù)的補(bǔ)碼和原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是該數(shù)的反碼加1。17信息技術(shù)基礎(chǔ)2.1.5計(jì)算機(jī)中信息的表示7．計(jì)算機(jī)中非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示（1）字符的表示：在計(jì)算機(jī)處理信息的過程中，要處理數(shù)值數(shù)據(jù)和字符數(shù)據(jù)，因此需要將數(shù)字、運(yùn)算符、字母、標(biāo)點(diǎn)符號等字符用二進(jìn)制編碼來表示、存儲和處理。目前通用的是美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會規(guī)定的ASCII碼——美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼（ASCII碼）。每個(gè)字符用7位二進(jìn)制數(shù)來表示，共有128種狀態(tài)。（2）漢字的數(shù)字化表示GB2312－80標(biāo)準(zhǔn)包括了6763個(gè)漢字，按其使用頻度分為一級漢字3755個(gè)和二級漢字3008個(gè)。一級漢字按拼音排序，二級漢字按部首排序。此外，該標(biāo)準(zhǔn)還包括標(biāo)點(diǎn)符號、數(shù)種西文字母、圖形、數(shù)碼等符號682個(gè)。18信息技術(shù)基礎(chǔ)（3）字符和漢字的輸出字符和漢字除用"內(nèi)碼"被表示、存儲和處理外，另一個(gè)重要的表示是字符和漢字的"圖形"字符輸出，即顯示和打印出字符和漢字的外部形狀。為此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須維護(hù)一個(gè)"字庫"，存儲每一個(gè)字符或漢字的可視字形。這種可視字形稱為"字模"。字模猶如印刷廠里活字排版用的鉛字；不同的是計(jì)算機(jī)字庫中對每一個(gè)字符或漢字只保存一個(gè)字模，而印刷廠卻要保存許多鉛字。字庫有ASCII字符字庫和漢字字庫，分別存儲字符字模和漢字字模。（4）其它信息的數(shù)字化①圖像信息的數(shù)字化、②聲音信息的數(shù)字化、③視頻信息的數(shù)字化19信息技術(shù)基礎(chǔ)2.2微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型機(jī)的基本構(gòu)成都是由顯示器、鍵盤和主機(jī)構(gòu)成。在主機(jī)箱內(nèi)有主板、硬盤驅(qū)動器、CDROM驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、電源、顯示適配器（顯示卡）等。一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)同樣也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成的。微型機(jī)的核心部分是由一片或幾片超大規(guī)模集成電路組成的，稱為微處理器。20信息技術(shù)基礎(chǔ)2.2.1主板

主板位于機(jī)箱的內(nèi)部。主板是一塊矩形的印刷電路板，上面分布著南橋、北橋芯片、各種插槽、跳線、外設(shè)的接口以及許多的元器件等。主板是整個(gè)計(jì)算機(jī)的中樞，所有部件及外設(shè)都是通過主板與處理器連接在一起，并進(jìn)行通信，然后由處理器發(fā)出相應(yīng)的操作指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作。21信息技術(shù)基礎(chǔ)2.2.2微處理器CPU（CentralProcessingUnit），中央處理器或微處理器，主要用于運(yùn)算和控制操作，是整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的核心。CPU常用的技術(shù)指標(biāo)1.主頻、外頻和倍頻（1）主頻也叫做時(shí)鐘頻率，是CPU的核心工作頻率。（2）外頻是CPU與主板之間同步運(yùn)行的速度，目前大部分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中外頻也是內(nèi)存與主板之間同步運(yùn)行的速度。（3）倍頻就是CPU的核心工作頻率與外頻之間的倍數(shù)，在相同的外頻下，倍頻越高，CPU的工作頻率也越高。22信息技術(shù)基礎(chǔ)2.前端總線FSB3.內(nèi)存總線速度內(nèi)存總線速度(Memory-BusSpeed)也就是系統(tǒng)總線速度，一般等同于CPU的外頻。4.緩存緩存又稱為高速緩存，就是指可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換的存儲器。5.工作電壓工作電壓指CPU正常工作所需的電壓。6.制造工藝更精細(xì)的工藝使得原有的晶體管電路大限度地縮小了，能耗越來越低，CPU也就更省電。可以極大地提高CPU的集成度和工作頻率。23信息技術(shù)基礎(chǔ)2.2.3內(nèi)存內(nèi)存的定義內(nèi)存是存儲器的一種，存儲器是計(jì)算機(jī)的重要組成部分。存儲器按其用途可分為主存儲器(MainMemory，簡稱主存)和輔助存儲器(AuxiliaryMemory，簡稱輔存)，主存儲器又稱內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存)，輔助存儲器又稱外存儲器(簡稱外存)。24信息技術(shù)基礎(chǔ)2.2.4顯示卡顯示卡的基本結(jié)構(gòu)25信息技術(shù)基礎(chǔ)2.2.4外部存儲器1.硬盤硬盤作為微機(jī)系統(tǒng)的外存儲器成為微機(jī)的主要配置，它由硬盤片、硬盤驅(qū)動電機(jī)和讀寫磁頭等組裝并封裝在一起成為溫徹斯特驅(qū)動器。硬盤使用前要經(jīng)過低級格式化、分區(qū)及高級格式化后即可使用。硬盤的低級格式化出廠前已完成。描述硬盤性能參數(shù)的技術(shù)術(shù)語很多，如：容量、磁頭數(shù)、柱面數(shù)、扇區(qū)數(shù)、盤片數(shù)、轉(zhuǎn)速、緩沖區(qū)大小、S．M．A．R．T支持、平均尋道時(shí)間、最大尋道時(shí)間、最大外部數(shù)據(jù)傳輸率等等。26信息技術(shù)基礎(chǔ)2.2.4外部存儲器2.光盤光盤是利用激光原理進(jìn)行讀寫的設(shè)備，目前微機(jī)上配備CDROM（只讀型光盤）驅(qū)動器。CDROM容量為680MB。最近DVD驅(qū)動器也開始流行，它的存儲容量更大。3.U盤U盤即USB盤的簡稱，而優(yōu)盤只是U盤的諧音稱呼。U盤是閃存的一種，因此也叫閃盤。閃存盤，是中國在計(jì)算機(jī)存儲領(lǐng)域二十年來唯一屬于中國人的原創(chuàng)性發(fā)明專利成果。最大的特點(diǎn)就是：小巧便與攜帶、存儲容量大、價(jià)格便宜。是移動存儲設(shè)備之一。27信息技術(shù)基礎(chǔ)2.2.4外部存儲器4.移動微盤存儲設(shè)備移動硬盤顧名思義是以硬盤為存儲介質(zhì)，強(qiáng)調(diào)便攜性的存儲產(chǎn)品。因?yàn)椴捎糜脖P為存儲介質(zhì)，因此移動硬盤在數(shù)據(jù)的讀寫模式與標(biāo)準(zhǔn)IDE硬盤是相同的。移動硬盤多采用USB、IEEE1394等傳輸速度較快的接口，可以較高的速度與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。28信息技術(shù)基礎(chǔ)2.2.5輸入/輸出設(shè)備1.輸入設(shè)備輸入設(shè)備：向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備。是計(jì)算機(jī)與用戶或其他設(shè)備通信的橋梁。輸入設(shè)備是用戶和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換的主要裝置之一。鍵盤，鼠標(biāo)，攝像頭，掃描儀，光筆，手寫輸入板，游戲桿，語音輸入裝置等都屬于輸入設(shè)備。輸入設(shè)備（InputDevice）是人或外部與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的一種裝置，用于把原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)的程序輸入到計(jì)算機(jī)中。29信息技術(shù)基礎(chǔ)2.2.5輸入/輸出設(shè)備2.輸出設(shè)備輸出設(shè)備（OutputDevice）是人與計(jì)算機(jī)交互的一種部件，用于數(shù)據(jù)的輸出。它把各種計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)或信息以數(shù)字、字符、圖像、聲音等形式表示出來。輸出設(shè)備的功能是將計(jì)算機(jī)內(nèi)部二進(jìn)制形式的信息轉(zhuǎn)換成人們所需要的或其他設(shè)備能接受和識別的信息形式。常見的輸出設(shè)備有打印機(jī)、顯示器