第2章计算机系统

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1、第 2 章 计算机系统1.计算机硬件的系统2.1.1 运算器(ALU, Arithmetic and Logic Unit)P40 主要功能：对二进制数码进行算术运算或逻辑运算。主要组成：由一个加法器、若干个寄存器和一些控制电路组成。如图 2-1 所示相关的性能指标：包括计算机的字长和运算速度。 字长：是计算机运算部件一次能同时处理的二进制数据的位数。字长越长 运算的精度越高，计算机的处理能力越强。运算速度：通常是指每秒钟所能执行的加法指令的数目常用MIPS(百万 次/秒)表示。2.1.2 控制器(CU,Control Unit) P41主要组成：由4个部分组成，指令寄存器IR、指令译码器ID

2、、操作控制 器oc、程序计数器pc。林出i札们旬第 1 页，共 16 页基本功能：根据指令计数器（PC）中指定的地址从内存取出一条指令送IR, ID对指令进行译码，再由OC有序地控制各个部件完成操作码规定的功能。机器指令：是计算机硬件可以真正识别和执行的语言。机器指令的组成：一条机器指令通常包括两部分：（1）操作码：指明指令所要完成的操作的性质和功能。（2）操作数：指明操作码执行时的操作对象。控制器和运算器合称为中央处理器（CPU），在微型计算机中通常也称作微 处理器（MPU）。时钟主频是CPU的时钟频率，是微机性能的一个重要指标，它的高低一定 程度上决定了计算机速度的高低。主频以吉赫兹GHz

3、为单位。2.1.3 存储器（Memory）P42存储器是存储程序和数据的部件，分为内存和外存两大类。 内存（主存）：是主板上的存储部件，存储当前正在执行的程序、数据和结 果；容量小，比外存存取速度快， CPU 能直接存取。外存（辅存）：是磁盘、光盘等存储部件，存放各种数据文件和程序文件等 需要长期保存的信息，容量大，存取速度慢，断电后其上的信息不会丢失。 CPU 不能直接访问外存，当外存上信息调入内存后，再被CPU访问。1 内存内存按功能又可分为随机存取存储器和只读存储器1）随机存取存储器RAM P43特点：可读/写性；易失性，即断电后， RAM 中的信息立即丢失RAM分类特性DRAM(Dyn

4、amic RAM) 动态RAM用电容存储信息，需周期性对存储的信息刷新。功耗低、 集成度高、价格低。SRAM(S tatic RAM) 静态RAM用触发器的状态存储信息，无需对存储的信息刷新。集成 度低、功耗大、价格高，但存取速度比DRAM快。计算机内存条采用的是DRAM。2）只读存储器 ROM P44是只能读不能写的存储器。断电后，ROM中的信息不会丢失。 微机中装有64KB的ROM中含有BIOS等信息。常用的ROM名称说明PROM可编程ROM可对ROM写一次，用电流烧断行列式的熔丝。EPROM可擦可编程ROM可对其中信息反复擦写。高电压下写，紫外线擦。EEPROM电可擦可编程ROM可对其中

5、信息反复擦写。高电压下写，高电场下擦。3）高速缓冲存储器 Cache P44高速缓冲存储Cache主要是为了解决CPU与内存速度不匹配。Cache 一般由SRAM存储芯片构成，因为SRAM比DRAM的存取速度快。Cache 按其功能通常分为两类：CPU内部的Cache，称一级Cache,负责在CPU内部的寄存器与外部Cache 之间的缓冲。CPU外部的Cache，称二级Cache,主要用于弥补CPU内部Cache的容量过 小的缺陷，负责整个CPU与内存之间的缓冲。4）内存储器的主要性能指标（2个） P44容量：是一个内存储器包含的存储单元总数。目前常用的容量是2GB-4GB。 速度：一般以存取

6、周期（是CPU从内存储器中存取数据所需的时间（读出或 写入）。半导体存储器的存取周期一般为60ns-100ns。2外存常见的外存有硬盘、U盘和光盘等。1）硬盘 P45硬盘由磁盘片、读写控制电路和驱动机构组成。具有容量大、存取速度快 等优点。硬盘内部结构： P45 见图 2-5 所示。硬盘容量二磁头数（H）x柱面数x磁道数（S）x每扇区字节数（B）硬盘接口：是硬盘与主板的连接部分。常见接口有 ATA 接口（高级技术附件）和SCSI接口 （小型计算机系统接口），P46见图2-6所示硬盘的转速：是硬盘电机主轴的旋转的速度，一般有5 400rpm（转/分钟） 和 7 200rpm 两种。硬盘的容量有

7、320GB、500GB、750GB、1TB、2TB、3TB 等。2）闪速存储器 P46是一种新型非易失性半导体存储器（通常称 U 盘）。它是 EEPROM 的变种， 它以固定区块为单位进行删除和重写，而不是整个芯片擦写。通过USB接口即插即用。3）光盘（Optical Disk） P46光盘是以光信息作为存储信息的载体来存储数据光盘分类（3 种）：类型名称说明只读型光盘CD-ROM用户只能读取其中的数据而无法修改。一次性写入型光盘CD-R用户可以写入一次。一旦写入，可多次读取。可擦写型光盘CD-RW用户可以多次对其进行读/写。4）DVD（Digitai Versatile Disk）光盘数字通

8、用盘 P47DVD-ROM是CD-ROM的后继产品。结构和容量：与CD光盘大小相同，但它的存储密度高。DVD光盘单面最大容量为4.7GB。双面为8. 5GB。蓝光光盘单面单层为25GB、双面为50GB。倍速：衡量光驱动器传输速度的指标是倍速。光驱的读取速度以 150Kb/s的单倍速为基准。后来驱动器的传输速度越来越快，就出现了四倍速、 32 倍速40 倍速甚至更高。3. 层次结构现代计算机系统基本采用Cache、主存和辅存三级存储系统。图 2-7 所示存储器系统结构。更小更快更贵寄存器更大更慢更便宜产级高速缓叔 CPU内部 /竣高速缓存 CPU外部 4】存储器 辅存储器214输入设备(Inpu

9、t Devices) u P48 =沽为常用输入设备：键盘、鼠标器、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、语 音输入、手触输入、传感等。1. 键盘 P48键盘是人与计算机之间进行联系和对话的工具，主要用于输入字符信息。 通常使用的键盘有： 101 键、 102键、 104键、红外线遥感键盘和无线键盘 等。2鼠标器 P49鼠标器是多窗口环境下必不可少的输入设备。 常见的鼠标器有：机械鼠标、光学鼠标、光学机械鼠标、无线鼠标。3其他输入设备 P49图形扫描仪：可直接将图形、图像、照片或文本输入计算机。 条形码阅读器：能够识别条形码的扫描装置，连在计算机上使用。 光学字符阅读器(OCR)：是一种快速字符阅

10、读装置。触摸屏：当手指或其它物件触摸触摸屏时，所触摸的位置由触摸屏控制器 检测，并通过接口送到主机。 P31语音输入设备和手写笔输入设备：使汉字输入变得更为方便、容易。 光笔(Light Pen):是专门用来在显示屏幕上作图的输入设备。数码相机、数码摄像机：能够将所拍摄的照片、视频图像以数字文件的形 式传输给计算机。2.1.5 输出设备(Output Devices)常用的输出设备有：显示器、打印机、绘图仪、音箱等。 1显示器P50也称监视器，是微机中人机交互必不可少的设备。1) 显示器的分类 P50阴极射线管显示器(CRT):有球面和纯平面之分，纯平面改善了视觉效果。 液晶显示器(LCD)：

11、是平板式，体积小、重量轻、功耗少、辐射少。2) 显示器的主要性能 P50像素：能在屏幕上独立显示点。 点距：在屏幕上两个像素之间的距离。分辨率：每帧的线数和每线的像素点数的乘积，这个乘积越高，分辨率越 高。常用的分辨率是： 640x480、 1024x768、 1280x1024 等。如 640x480 指在水平方向有 640 个象素，在垂直方向上有 480 个象素。 显存：显存越大，可以储存的图像数据越多，支持的分辨率与颜色数也越 高。显示器的尺寸：以显示器的对角线来度量。3) 显示卡 P51微机显示系统由显示器和显示卡组成，显示卡又称显示适配器。显示器是 通过显示卡与主机连接。见图2-10

12、 CRT、LCD显示器和显示卡。显示器必须与显示卡匹配。2打印机 P51是把文字或图形在纸上输出的设备微型机使用的打印机有点阵、喷墨和激光打印机三种。见图 2-11 所示。1) 点阵打印机 P52点阵打印机的核心部分是打印头，有 9 针、 24 针打印机之分。 24 针打印 机可以打印出质量较高的汉字，是使用较多的点阵打印机。优点：耗材便宜；缺点：打印速度慢、噪声大、打印质量差。2）喷 墨 打印机 工作原理：其喷嘴朝着打印纸不断喷出极细小的带电的墨水雾点。 优点：设备价格低廉、打印质量高于点阵打印机，能彩色打印、无噪声。 缺点：打印速度慢、耗材（主要指墨盒）贵。3）激光打印机 工作原理：与复印

13、机相似，涉及光学、电磁、化学等。 优点：无噪声、打印速度快、打印质量好； 缺点：设备价格高、耗材贵。当前流行的是喷墨打印机和激光打印机。3其他输出设备 P52 绘图仪：有平板式、滚动式； 声音输出设备：有音箱或耳机；视频投影仪：有CRT投影仪、LCR液晶板投影仪。4其他输入/输出设备 P52 是同时集成了输入/输出两种功能的设备，例如，调制解调器、光盘刻录机。计算机的输入/输出系统包含输入/输出设备和输入/输出接口两部分。输入/输出设备简称I/O设备，也称为外部设备。2.1.6 计算机的结构反映了计算机各个组成部件之间的连接方式（2 种）1直接连接 P53运算器、存储器、控制器和外部设备等组成

14、部件中任意两个部件间都有单 独的连接线路。冯诺依曼在1952年研制的计算机IAS，基本上就是采用了直接连接的结 构。输入输出设备W2-12工阳计算机的结构IAS是现代计算机的原型，大多数现代计算机仍在采用这样的设计。 2总线结构 P53总线：是一组连接各个部件的公共通信线。微机采用总线结构。 总线分为三部分：数据总线(DB),是一组在各部件之间传输数据信号的公共通路。 地址总线(AB)，是CPU向内存储器和I/O接口传输地址信息的公共通路。 控制总线(CB),是一组在各部件之间传输控制信号的公共通路。打印机CPU基于总线结构的计算机的示意图 2-13： P54显示器总线体现在硬件士就是计算机主

15、板它也是配置计算机时的主要硬件之 图2-13基于总线结构的计算机的示意图主板上配有插入CPU、内存条、显示卡、声卡、网卡、鼠标器和键盘等部件的各类扩展槽或接口，而光盘和硬盘驱动器则通过扁缆与主机相连。2 计算机的软件系统软件系统：是为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档 的总称。 P55计算机系统：由硬件系统和软件系统组成。 硬件系统：也称为裸机，只能识别由 0和1组成的机器代码（机器语言）， 没有软件系统的计算机是无法工作的。计算机系统的层次结构：P55图2-14所示。2.2.1软件概念应用开发人员图-14计算机系统层次结构软件是用户与硬件之间的接口，用户通过软件使用计算机硬件资源。1. 程序 P55程序是按照一定顺序执行的、能够完成某一任务）的指令集合。2. 程序设计语言 P55人们让计算机完成某项任务，需用一种语言，这就是计算机语言，也称为 程序设计语言，它由单词、语句、函数和程序文件等组成。3. 计算机语言的体系 P56名称说明机器