2011省考计算机之计算机系统

2011省考计算机之计算机系统1.2计算机系统美籍匈牙利科学家冯诺依曼对计算机的发展作出了巨大贡献，他提出了“程序存储、程序控制”的设计思想，同时指出计算机的构成包括如下几个方面：（1）由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机系统，并规定了五大部件的基本功能。（2）计算机内部采用二进制表示数据和指令。（3）采用程序存储、程序控制技术（将程序事先存入主存储器中，计算机在工作时能在不需要操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令并加以执行）。现代意义的计算机系统由计算机硬件系统及软件系统两大部分构成。（1）计算机硬件：是计算机系统中由电子、机械和光电元件组成的各种部件和设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础，是计算机系统中的实际装置，是构成计算机的看得见、摸得着的物理部件。总之，它是计算机的“躯壳”。（2）计算机软件：是指计算机所需的各种程序及有关资料。它是计算机的“灵魂”。1.2.1计算机硬件系统概述计算机硬件系统由中央处理器（由运算器和控制器组成，简称CPU）、存储器、输入设备和输出设备组成。1.中央处理器运算器和控制器合在一起称为中央处理器（Central Processing Unit,CPU）。在微型计算机中，运算器和控制器一般集成在一块芯片上，制成大规模集成电路。因此，CPU常常又被称为微处理器。运算器也称为算术逻辑单元（Arithmetic Logic UNt,ALU）,用于执行所有的算术和逻辑运算指令。计算机最主要的工作是运算，大量的数据运算任务都是在运算器中进行的。控制器负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向整机发出取数、执行、存数等控制命令，以保证正确完成程序所要求的功能。控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。CPU与寄存器通过内部数据总线相互连接，并通过系统总线（数据总线、地址总线、控制总线）同主存储器和外部设备进行数据交换。通常所说的286、386、486、586机，指的就是它们相应的CPU型号分别是80286、80386、80486、80586.2.存储器存储器是计算机的记忆部件，它的功能是存储程序和数据。存储器的分类有以下几种方法：（1）按存储器能否直接与CPU交换信息来划分，可分为主存储器和辅助存储器。（2）按存储介质的材料及器件的不同，可分为磁介质存储器、半导体存储器以及激光光盘存储器。（3）按存取方式的不同，存储器可分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。RAM的特点是存储器中每个单元的内容可随时读出和写入，且对任一存储单元进行读写操作所需的时间是一样的，关机后RAM中的信息消失。ROM一旦存入了信息，在程序执行的过程中，只能读出其中的信息，不能随意写入信息，关机后信息不消失。3.输入设备输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序，并将它们转换为计算机可以识别的二进制形式存放在内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪和磁盘机等。4.输出设备输出设备与输入设备相反，是将存放在内存中由计算机处理的结果转换为人们所能识别的形式的设备，它由输出装置和输出接口电路组成。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、磁盘机和磁带机等。1.2.2计算机软件系统概述计算机软件系统是程序和程序运行所需要的数据以及开发、使用和维护这些程序所需要的文档集合。软件内容丰富、种类繁多，根据软件用途可将其分为系统软件和应用软件两大类。1 .系统软件系统软件是指控制计算机的运行、管理计算机的各种资源并为应用软件提供支持和服务的一类软件,是保证计算机系统正常工作必须配备的基本软件。系统软件通常包括操作系统、语言处理程序和各种服务性程序。(1)操作系统操作系统是系统软件的核心，是现代计算机的必备软件。它对计算机所有资源进行统一管理，使计算机的使用变得方便简捷。操作系统具有5 项功能：处理机管理、文件管理、作业管理、设备管理、存储管理。按功能分，操作系统可分为实时操作系统和作业处理系统两大类。(2)语言处理程序语言处理程序指的是支持各种计算机语言工作的处理程序，如解释程序和编译程序等。为使计算机能按人们的要求进行工作，仅输入数据是不够的，还要告诉计算机怎样处理这些数据。计算机能识别并执行的信息符号代码的指令集合称为计算机语言。计算机语言可以分为机器语言、汇编语言和高级语言3 类。机器语言：计算机发展初期使用的语言，它采用二进制编码，能被CPU直接执行，用它编写的程序运行速度快、节省内存空间，但不易读懂、不易修改。汇编语言：用人们熟悉的英文助记符和十进制数代替二进制代码，但计算机不能识别英文助记符和十进制数，所以计算机不能直接执行汇编语言，必须通过汇编程序把汇编语言翻译成机器语言，计算机才能执行。汇编语言和机器语言都属于低级语言。高级语言：高级语言和自然语言差不多，计算机不能直接执行，必须通过翻译程序(解释程序或编译程序)翻译成机器语言才能执行。(3)服务性程序服务性程序是指协助用户进行软件开发和硬件维护的软件，如各种开发调试工具软件、编辑程序、诊断程序等。2.应用软件应用软件是在系统软件基础上为解决用户的具体问题，面向某个领域而设计的软件，因此，又分为通用软件和专用软件。常见的应用软件有文字处理软件、工程设计绘图软件、办公事务管理软件、图书情报检索软件、医用诊断软件、辅助教学软件、辅助设计软件等。1.2.3CPU的结构与原理1.CPU的结构目前，所使用的计算机都是基于数学家冯诺依曼提出的“存储程序控制”的原理进行工作的，即 个问题的求解步骤（程序）连同它处理的数据都使用二进制表示，并预先存放在存储器中。计算机工作时，CPU从内存取出指令和数据，按指令的规定对数据进行运算处理,直到程序执行完毕为止。冯诺依曼计算机的基本工作原理另说法是：存储程序。程序和数据预先存放在存储器内。程序控制。计算机工作时，CPU依次从存储器中取出一个程序中的各条指令（取指令），对指令的功能进行分析（指令译码），按指令的功能从内存取出数据（取数），对数据进行运算处理（运算）并保存运算结果，直到取到并执行了停机指令为止。至此完成程序的一次运行。程序是一个指令序列。指令是可以被计算机理解并执行的基本操作命令。指令与数据的存储运行和运算都采用二进制编码形式。CPU的任务是执行系统程序或应用程序中的指令。CPU的组成部件包括运算器、控制器和寄存器组，有的还有快速缓存。运算器是执行单元，对数据进行各种算术运算和逻辑运算。运算器也称为算术逻辑部件（ALU）。控制器用来取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其他部件的操作控制信号，记录内部状态。控制器是CPU的指挥中心。它有一个指令计数器，用来存放CPU正在执行的指令的地址；还有个指令寄存器，它用来保存当前正在执行的指令，通过译码器解释该指令的含义。寄存器组临时存放参加运算的数据和得到的中间结果。运算的数据结果状态以及部分中间状态由寄存器组的状态寄存器临时保存。高速缓冲存储器（C ache,简称缓存、快存）的读写速度几乎与CPU 样快。当计算机执行程序时，数据与地址管理部件预测可能需要的数据和指令，并将这些数据和指令预先从主存读出送到Cache。旦需要时，首先检查Cache,若有就从Cache中读取，若无再访问主存。Cache中的数据只是主存很小一部分内容的映射（副本），将主存储器中的信息调入Cache的操作，是在主板芯片组的控制下自动完成的。命中率是指CPU需要的指令或数据在Cache中能直接找到的概率。命中率是Cache的一个重要指标。般说来，Cache容量越大，访问Cache的命中率就越高，对提高系统速度的贡献越大。CPU的性能主要体现为它的运算速度。度量CPU运算速度的传统方法是看它每秒钟能执行多少条指令。以单字长定点指令的平均执行时间来衡量，单位是MIPS（MillionInstructions Per Second）;以单字长浮点指令的平均执行速度来衡量，单位是MFLOPS（Million Floating Instructions Per Second）。CPU的运算速度与CPU的工作频率、Cache容量、指令系统、运算器的逻辑结构有关。CPU主频（CPU的内部频率）是 CPU内部数据传输和指令执行的每一步所占用的时间的倒数（单位：MHz、GHz）。当然，主频越高，CPU的处理速度就越快。CPU总线频率（CPU的外部频率）是 CPU和外界交换数据的工作频率。单位一般为MHz或者GHzoCache容量越大，访问Cache的命中率就越高，CPU的速度就越快。寄存器、运算器的位数越多，CPU可同时运算的二进制数就越多，运算的速度就越快。2.指令和指令系统程序是由一连串指令组成的，指令是构成程序的基本单位。指令是一种使用二进制表示的命令，它用来规定计算机执行什么操作以及操作对象所在的位置。一般情况下，指令由两个部分组成：操作码，指出计算机应执行何种操作的一个命令词，例如，力 口、减、乘、除、取数、存数等。每一种操作均有各自的代码，称为操作码。操作数：指出该指令所操作（处理）的数据或者数据所在位置。操作数地址可能是1 个、2 个甚至多个，可以是寄存器或内存储器单元地址，这需要由操作码决定。机器语言程序是用指令系统中的指令编写的可执行程序。它是CPU唯一可以识别的程序语言。用机器指令编写的程序中，每 条指令都可以直接被控制器译码产生执行指令所需的控制信号。一个CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统或指令组。每 种不同类型的CPU都有它自己独特的一组指令。指令系统中有数以百计的不同指令。例如：算术运算指令、逻辑运算指令；数据传送指令、移位指令；位（位串）操作指令；控制转移指令；输入/输出指令等。指令的执行过程大致如下：CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器。指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里。根据操作数的位置（地址）取出操作数。运算器按照操作码的要求，对操作数完成规定的运算，并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志。把运算结果保存到指定的寄存器或者内存单元。修改指令计数器，决定下一条指令的地址。每种类型的CPU都有自己的指令系统，某一类计算机的可执行程序代码未必能在其他计算机上运行，这个问题称之为计算机的“兼容性”问题。1 2 4 主板、芯片组和BIOSPC机由机箱、显示器、键盘、鼠标器、打印机等组成。机箱内包含主板、硬盘、软驱、光驱、电源、风扇等。主板上安装有CPU、内存、总线、芯片组、I/O控制器等部件。1.主板主板又称母板，在主板上通常安装有CPU插座（或插槽）、CPU调压器、芯片组、第二级高速缓存（有些已做在CPU中）、存储器插座（SIMM或 DIMM）、总线插槽、超 级 1 /0 芯片、I/O 端口、BIOS ROM、时钟/CM OS、电池等。主板物理尺寸有标准（如 ATX规格），般情况下，生产厂家必须遵循。I/O 扩充卡也称I/O 适配器，负责CPU和 I/O 设备电气性能的适配，以及相关设备的控制。I/O 扩充卡种类（适配器）各种各样，常见有网卡（连接网线）、显示卡（连接显示器）、声音卡（连接话筒、音箱）、视频卡（连接摄像头）。扩充卡一方面通过印刷板插头插在主板的ISA或 PCI总线插槽上，另一方面提供I/0 端口连接外部设备。相关设备的控制一般由专用的微处理器实现。许多扩充卡的功能可以部分或全部集成在主板上（例如，软盘、硬盘、串行口、并行口、声音、图形显示、网络连接等控制电路都可以集成在主板上）。主板上还有两个特殊的集成电路:只读存储器（ROM）和 CMOS存储器。只读存储器（ROM）用来存放基本输入/输出系统（BIOS）。CMOS存储器存放用户对计算机硬件所设置的一些参数（称为“配置信息）包括当前的日期和时间等。CMOS存储器使用电池供电，是非易失性存储器，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。2.芯片组芯片组是PC机各组成部分的枢纽，主板上的所有控制功能几乎都集成在芯片组内，它既实现了 PC机系统总线的功能，又提供了各种I/0 接口及相关的控制。芯片组的作用：集中了