教學素材和文檔第二章

第一節(jié)計算機硬件系統(tǒng)第二節(jié)計算機軟件系統(tǒng)第三節(jié)操作系統(tǒng)本章內容馮.諾依曼體系結構：1944年8月，著名美籍匈牙利數學家馮·諾依曼提出了EDVAC計算機方案，他在方案中提出了3條思想：(1)計算機的基本結構。計算機硬件應具有運算器、控制器、存儲器、輸人設備和輸出設備等5大基本功能。(2)采用二進制數。二進制數便于硬件的物理實現，又有簡單的運算規(guī)則。(3)存儲程序控制。存儲程序實現了自動計算，確定了馮.諾依曼型計算機的基本結構。第一節(jié)計算機硬件系統(tǒng)人工用算盤計算數學題11＋55－22＝？的過程（R表示算盤）：

要讓計算機模擬人來完成此工作，最起碼應該具備以下幾個部件：類似人的大腦功能的控制器，類似算盤功能的運算器，類似紙張功能的存儲器。所以，計算機的硬件組成應由輸入設備、運算器、控制器、存儲器、輸出設備五個部分組成。如下圖所示計算機硬件的邏輯組成：運算器和控制器一起稱為中央處理器（CentralProcessUnit），簡稱CPU。主存儲器、運算器和控制器統(tǒng)稱為主機。輸入設備和輸出設備統(tǒng)稱為輸入輸出設備（Input／outputDevice），簡稱I/O設備。如外存儲器既是輸人設備又是輸出設備。除主機之外的所有設備通常稱為外圍設備，簡稱外設。主機和外設組成一臺計算機。主要負責對信息進行各種處理，能高速執(zhí)行指令完成對二進制數據進行算術運算或邏輯運算。運算器主要由一個加法器（運算器的核心）、若干個用來存儲每次運算中間結果的器和一些控制線路組成。運算器的性能指標是衡量整個計算機性能的重要因素之一，主要有計算機的字長和速度。（一）運算器（ALU）控制器是整個中央處理器（CPU）的指揮控制中心，用來控制指令的執(zhí)行及為各部件提供控制信號，使各部件能協(xié)調一致的工作?？刂破髦饕芍噶罴拇嫫鱅R、程序計數器PC和操作控制器三個部件組成，對協(xié)調整個電腦有序工作極為重要。（二）控制器（CU）(1)指令寄存器：存放由存儲器取得的指令。(2)譯碼器：將指令中的操作碼翻譯成相應的控制信號。(3)時序節(jié)拍發(fā)生器：產生一定的時序脈沖和節(jié)拍電位，使得計算機有節(jié)奏、有次序地工作。(4)操作控制部件：將脈沖、電位和譯碼器的控制信號組合起來，有時間性地、有時序地控制各個部件完成相應的操作。(5)指令計數器：指出下一條指令的地址。存儲器是以二進位形式把程序和數據（包括原始數據、中間運算結果與最終運算結果）存儲起來的計算機記憶裝置，具有存數和取數的功能。存儲器分為內存儲器（簡稱內存或主存）和外存儲器（簡稱外存或輔存）兩大類。（三）存儲器(Memory)內存的存儲容量較外存相對較小，但其存取速度比外存快的多。存取分別指的是住內存中“寫入”數據和“讀出”數據。CPU只能訪問存儲在內存中的數據，外存中的數據只有先調入內存后才能被CPU訪問和處理。內存儲器按功能又分為隨機存取存儲器RAM（RandomAccess

Memory）和只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）兩種。Cache是使用SRAM組成的一種高速緩沖存儲器，簡稱緩存，位于CPU和主存之間，為了解決CPU和主存之間速度不匹配，是內存中最快的一種。內存內存儲器按功能分為隨機存取存儲器ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）和只讀存儲器ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）兩種。（１）ＲＡＭ即隨機存取存儲器。即可從其中讀取信息，也可向其中寫入信息。開機之前ＲＡＭ中沒有信息，開機后操作系統(tǒng)對其管理，關機后其中的信息都將消失。ＲＡＭ中的信息可隨時根據需要而改變。ＲＡＭ又分為ＤＲＡＭ和ＳＲＡＭ。ＳＲＡＭ（靜態(tài)ＲＡＭ）不需要刷新，存取速度較快、電路復雜、功耗大、成本高。ＤＲＡＭ（動態(tài)ＲＡＭ）需要不斷刷新其中存儲的信息，存取速度較慢、電路簡單、功耗小、成本較低。（２）ＲＯＭ即只讀存儲器。正常情況下只可從其中讀取信息，不可向其中寫入信息，在開機之前ＲＯＭ中已經事先存有信息，關機后其中的信息不會消失。主存儲器由把若干片ＤＲＡＭ芯片焊裝在一小條印制電路板上制成的內存條組成。內存條必須插在主板上的內存條插槽中才能使用，內存條與插槽接觸的部分，稱為金手指。內存的主要性能指標有兩個：容量和速度。容量一般以字節(jié)為基本單位，速度一般用讀寫周期（存儲速度）即兩次訪問（讀出或寫入）存儲器之間的最小時間間隔來衡量。目前主流的內存品牌有：金士頓、威剛、三星等，內存容量越大越好。存儲大容量數據的主要載體是外存儲器，如磁盤、磁帶、優(yōu)盤、光盤等。它們的共同的特點是存儲容量大，價格較低，斷電后能長期地保存數據，所以又稱為永久性存儲器。外存比較（１）硬盤。硬盤（ＨａｒｄＤｉｓｋ）是計算機最重要的外存儲器，它由硬盤片、硬盤驅動器、硬盤控制器三部分組成，又稱為固定盤或溫。硬盤是將磁盤片完全密封在硬盤驅動器內，盤片不可更換。目前大多數硬盤的轉速分５４００ｒ／ｍｉｎ（轉／分鐘）和７２００ｒ／ｍｉｎ（轉／分鐘）兩種，用于服務器中的ＳＣＳＩ接口的硬盤轉速甚至達到１００００ｒ／ｍｉｎ。硬盤的容量已從過去的幾百ＭＢ發(fā)展到目前的ＴＢ級別。硬盤的主要性能指標有：容量。目前基本上以ＧＢ和ＴＢ為單位。接口類型。主要有ＩＤＥ接口、ＳＣＳＩ接口和ＳＡＴＡ光纖通道和ＳＡＳ接口。前些年在微機中使用并行ＡＴＡ（ＩＤＥ）接口，當前流行的是串行ＡＴＡ（ＳＡＴＡ）接口。數據傳輸率。硬盤數據傳輸率可以分為內部數據傳輸率和外部數據傳輸率。內部傳輸速率指硬盤在盤片上讀寫數據的速度，轉速越高內部傳輸速率越快；外部傳輸速率指主機從（向）硬盤緩存讀出（寫入）數據的速度，與采用的接口類型有關。平均尋道時間。它是指硬盤在接收到系統(tǒng)指令后，尋找到數據所在的磁道所花費的平均時間。硬盤的平均尋道時間為５～１５ｍｓ，它實際上也是與轉速、單碟容量有關。緩存容量。原則上是越大越好。固態(tài)硬盤（ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＤｒｉｖｅｓ），簡稱固盤，是用固態(tài)電子存儲芯片陣列制成的硬盤，由控制單元和存儲單元（ＦＬＡＳＨ芯片、ＤＲＡＭ芯片）組成。固態(tài)硬盤在接口的規(guī)范和定義、功能及使用方法上與傳統(tǒng)硬盤完全相同，在產品外形和尺寸上也完全與傳統(tǒng)硬盤一致，但Ｉ／Ｏ性能相對于傳統(tǒng)硬盤大大提升。固盤被廣泛應用于軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網絡監(jiān)控、網絡終端、電力、醫(yī)療、航空、導航設備等領域。（２）移動存儲器。①移動硬盤。指采用ＵＳＢ或ＩＥＥＥ１３９４接口的、可以隨時插拔、小巧便于攜帶的硬盤存儲器，它通常使用微型硬盤（大部分是筆記本硬盤）加上配套的硬盤盒構成的。②優(yōu)盤（Ｕ盤）。ＵＳＢ優(yōu)盤又稱拇指盤，優(yōu)盤主要有基本型、增強型和加密型三種。（３）光盤。光盤存儲器具有記錄密度高、存儲容量大、易攜帶、數據可長期保存等特點，已成為微機中不可缺少的部件，它的數據存取速度比硬盤要慢一些。光盤存儲器分為只讀型光盤、一次寫入型光盤、可擦寫型光盤和ＤＶＤ光盤。輸入設備是用來把外部各種人們可讀的信息輸入到計算機并轉換成計算機能識別的二進制代碼的外部設備。輸入設備目前常見的有：

鍵盤、鼠標器、掃描儀、觸摸屏、麥克風、攝像頭、數碼相機等。（四）輸入設備（InputDevices）1.鍵盤鍵盤上的按鍵大多是電容式的。鍵盤接口主要有ＰＳ／２接口、ＵＳＢ接口和無線接口。無線鍵盤與主機之間無物理連線，通過無線電波將輸入信息傳送給主機上安裝的專用接收器。2.鼠標鼠標有左鍵、右鍵和滾輪，按動按鍵后計算機做些什么，由正在運行的軟件決定。光電鼠標是主流。鼠標接口主要有ＰＳ／２接口和ＵＳＢ接口。無線接口鼠標也開始推廣，作用距離可達１０ｍ左右。3.掃描儀掃描儀是將原稿（如圖片、照片、底片、書稿等）輸入計算機的一種圖像輸入設備，采用光電轉換原理設計，光電轉換的主要器件是電荷耦合器件（ＣＣＤ）。4.數碼照相機數碼照相機也是一種重要的圖像輸入設備，能將照片以數字形式記錄下來，也可實現掃描儀的功能。輸出設備是用來把計算機所產生的結果如文本、語音、圖像、動畫等信息表達出來反饋給用戶的設備。輸出設備目前常見的有顯示器、打印機、繪圖儀、音箱、耳機等。（五）輸出設備(OutputDevices)1.顯示器顯示器也稱監(jiān)視器，是計算機必不可少的圖文輸出設備，它能將數字信號轉化為光信號，使文字和圖像在屏幕上顯示出來。計算機顯示器由顯示器（監(jiān)視器）和顯示控制器（顯卡、圖形卡或視頻卡）組成。顯示器的尺寸是以顯示屏的對角線長度來度量的。顯示控制器有擴充卡和集成到主板芯片組中的集成卡兩種形態(tài)。顯示器主要有兩類：ＣＲＴ（陰極射線管）顯示器（利用電子槍轟擊屏幕成像）和ＬＣＤ（液晶）顯示器（利用改變液晶排列調制光線成像）。顯示器性能指標主要如下：像素（Ｐｉｘｅｌ）：ＣＲＴ顯示器工作時，電子槍發(fā)出電子束經過偏轉線圈轟擊熒光粉層上的某一點，使該點發(fā)光，這個光點稱為像素。點距（Ｐｉｔｃｈ）：是指屏幕上相鄰兩個同色像素單元間的距離，點距越小，越容易得到清晰的顯示效果。顯示屏尺寸：以對角線長度度量，如１５英寸、１７英寸、１９英寸、２１英寸及更大尺寸。屏幕橫向與縱向的比例：分為普通屏和寬屏，普通屏的比例為４∶３，寬屏的比例為１６∶１０或１６∶９。分辨率（Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）：分辨率是指在屏幕上所顯現出來的像素數目，一般由水平像素數量×垂直像素數量來表示。分辨率不僅與顯示器的尺寸有關，還要受顯像管點距、顯卡的性能等因素的影響，最大分辨率由屏幕尺寸和點距決定，分辨率越高，顯示器清晰度越高。刷新速率（ＲｅｆｒｅｓｈＲａｔｅ）：是指圖像每秒更新的次數，刷新速率高，圖像穩(wěn)定性好，人眼就不容易疲勞。ＰＣ顯示器的畫面刷新速率一般在６０Ｈｚ以上。2.打印機打印機是一種常用輸出設備，用來把程序、字符、圖形、圖像打印在紙上。打印機可以分為擊打式和非擊打式兩大類，擊打式主要是針式打印機，非擊打式主要有噴墨打印機和激光打印機。1、總線（bus）目前計算機普遍采用總線結構?？偩€是用于在CPU、內存、外存和各種輸入輸出設備等各個部件之間傳輸信息并協(xié)調它們工作的公共通信線路。把用于連接CPU和內存的總線稱為CPU總線（或前端總線），把連接內存和I/O設備（包括外存）的總線稱為I/O總線。（六）總線與I/O接口總線按信號的性質一般分成三類：（１）數據總線DB（DataBus）：用于CPU和主存及I/O接口相互傳送數據，是雙向的總線。（２）地址總線AB（AddressBus）：用于CPU向主存和I/O接口傳送地址信息的公共通路，是一種單向總線。地址總線的位數決定了CPU可以直接尋址的內存范圍。（３）控制總線CB（ControlBus）：用于在存儲器、去處器、控制器和I/O部件之間傳輸控制信號的公共通路。（六）總線與I/O接口2、I/O接口I/O接口是一塊電子電路(以IC芯片或接口板形式出現)，其內有若干專用寄存器和相應的控制邏輯電路。它是CPU和I/O設備之間交換信息的媒介和橋梁。CPU與外部設備的連接和數據交換都需要通過接口設備來實現。CPU通過接口對外設進行控制的方式有程序查詢方式、中斷處理方式和DMA（直接存儲器存?。﹤魉头绞饺N。（六）總線與I/O接口一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件（Hardware）系統(tǒng)和軟件（Software）系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)也稱為“裸機”，本身不能工作，必須裝上軟件才能工作，所以我們常說計算機軟件是計算機系統(tǒng)的“靈魂”。第二節(jié)計算機軟件系統(tǒng)計算機軟件是能指揮計算機完成特定任務的、以電子格式存儲的程序、數據和相關的文檔的集合。

程序是軟件的主體，指若干相關指令的集合。數據指的是程序運行過程中處理的對象和必須使用的一些參數。文檔指的是與程序開發(fā)、維護及操作有關的一些資料（如設計報告、安裝和使用指南等）。程序必須裝入機器內部才能工作，文檔一般是給人看的，不一定裝入機器。（一）軟件（software）的定義第一階段（20世紀40年代到50年代中期）這個階段計算機應用領域較窄，主要是科學與工程計算，處理對象為數值數據，以個體工作方式使用機器（匯編）語言編制程序，人們對與程序有關的文檔的重要性認識不夠，重點考慮編制程序的技巧。第二階段（20世紀50年代中期到60年代后期）這個階段計算機系統(tǒng)的處理能力得到加強，設計和編制程序的工作方式逐步走向合作方式。同時，這個階段出現高級語言、操作系統(tǒng)和數據庫管理系統(tǒng)，出現了“軟件”一詞。由于軟件的復雜程度迅速提高，研制周期變長，正確性難以保證，可靠性問題尤為突出，造成了一種人們難以控制的局面，出現了“軟件危機”。第三階段（20世紀60年代至今）這個階段采用工程方法適應高效率高質量編制軟件的要求，出現了“軟件工程”。（二）軟件的發(fā)展從應用的角度出發(fā)大致可以分為系統(tǒng)軟件和應用軟件兩大類。（１）系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件泛指那些為了有效地使用計算機系統(tǒng)、給應用軟件開發(fā)與運行提供支持或者能為用戶管理與使用計算機提供方便的一類軟件。系統(tǒng)軟件主要包括BIOS、操作系統(tǒng)、程序設計語言處理系統(tǒng)、數據庫管理系統(tǒng)、實用程序。（２）應用軟件：泛指那些專門用于解決各種具體應用問題而編制的軟件。應用軟件又可以分為通用應用軟件和定制應用軟件。應用軟件是由系統(tǒng)軟件開發(fā)的，也可分為①用戶程序：用戶程序是用戶為了解決自己特定的具體問題而開發(fā)的軟件,在系統(tǒng)軟件和應用軟件包的支持下進行開發(fā)。②應用軟件包：應用軟件包是為實現某種特殊功能或特殊計算，經過精心設計的獨立軟件系統(tǒng)，是一套滿足同類應用的許多用戶需要的軟件。（三）軟件的分類從軟件知識產權角度出發(fā)大致可分為商品軟件、共享軟件和自由軟件三類。（１）商品軟件（Commoditysoftware）：必須支付一定費用購買才能使用的軟件。（２）共享軟件(shareware)：具有版權，可免費試用一段時間，允許拷貝和散發(fā)（但不可修改），過了試用期若還想繼續(xù)使用，就得交一筆注冊費，成為注冊用戶。（３）自由軟件(freeware)：用戶可共享，并允許隨意拷貝、修改其源代碼，允許銷售和自由傳播。（三）軟件的分類程序設計語言是一種人能使用且計算機也能理解的語言。程序員使用這種語言來編制程序，表達需要計算機完成的任務，計算機就按照程序的規(guī)定去完成任務。程序設計語言按其級別可以劃分為機器語言、匯編語言和高級語言三大類。（四）計算機語言（一）進程(Process)與線程(threads)進程是一個具有一定獨立功能的程序關于某個數據集合的一次運行活動。它是操作系統(tǒng)動態(tài)執(zhí)行的基本單元，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，進程既是基本的分配單元，也是基本的執(zhí)行單元。進程可能具有就緒、運行、阻塞三種基本狀態(tài)。線程是進程中的一個實體，是被系統(tǒng)獨立調度和分派的基本單位，它實際上是進程概念的延伸。多線程共存于應用程序中是現代操作系統(tǒng)中的基本特征和重要標志。進程和線程的區(qū)別在于：線程的劃分尺度小于進程，通常在一個進程中可以包含若干個線程，它們可以利用進程所擁有的資源。另外，進程在執(zhí)行過程中擁有獨立的內存單元，而多個線程共享內存，從而極大地提高了程序的運行效率。第三節(jié)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)即OperatingSystem，簡稱OS。計算機系統(tǒng)擁有硬件和軟件資源，要對這些資源進行統(tǒng)一管理、調度及分配，必須要有相應的管理程序，操作系統(tǒng)就是具有這一功能的管理程序。因此說，操作系統(tǒng)是用于控制、管理、調配計算機的所有資源，方便用戶使用的程序集合，是給計算機配置的一種必不可少的系統(tǒng)軟件。操作系統(tǒng)是系統(tǒng)軟件的核心，是擴充裸機的第一層系統(tǒng)軟件，其他軟件都在系統(tǒng)的支持下工作。若操作系統(tǒng)受到損壞，計算機就無法正常工作，甚至根本不能工作。操作系統(tǒng)又是用戶和計算機的接口。用戶通過操作系統(tǒng)讓計算機工作，計算機又通過操作系統(tǒng)將信息反饋給用戶。（一）操作系統(tǒng)定義單用戶操作系統(tǒng)（SingleUserOperatingSystem）批處理操作系統(tǒng)(BatchOperatingSystem，BOS)分時操作系統(tǒng)（Time-sharingOperatingSystem，TOS）實時操作系統(tǒng)（Real-timeOperatingSystem，ROS）網絡操作系統(tǒng)(NetworkOperatingSystem，NOS)嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOperationSystem，EOS）

（二）操作系統(tǒng)類型1、處理機（CPU）管理2、存儲器管理3、設備管理4、文件管理（信息管理）5、用戶圖形接口6、作業(yè)管理（四）操作系統(tǒng)功能1、DOS操作系統(tǒng)DOS有MS-DOS和PC-Dos，它們分別出自Microsoft公司和IBM公司，但它們在功能上幾乎等同，一般簡稱為DOS系統(tǒng)。DOS（DiskOperatingSystem）系統(tǒng)是早期微型計算機使用最廣泛的操作系統(tǒng)，自1981年在IBMPC機上運行以來，版本不斷更新，功能不斷完善。每一個DOS版本號都分為兩個部分，即主版本號和次版本號。DOS是字符型的操作系統(tǒng)，DOS是一個單用戶的磁盤操作系統(tǒng)。它有很強的文件和磁盤管理能力。MS-DOS由4個模塊組成，它們是引導程序BOOT、輸入輸出程序IO．SYS、文件管理程序MSDOS．SYS和命令處理程序COMMAND．COM。（五）常用的操作系統(tǒng)簡介2、Windows操作系統(tǒng)Windows系統(tǒng)是微軟（Microsoft）公司開發(fā)的、具有圖形用戶界面（GraphicalUserInterfa