第3章 计算机系统组成.ppt
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1、第第3章章 计算机系统组成计算机系统组成 n计算机硬件硬件是可以感触到的实体,主要包括运算器、控制器、内存储器、输入器和输出器五大部分,当然也还包括电源、机箱等辅助部件。习惯上把运算器、控制器、内存储器和电源称为主机,把输入器、输出器称为外部设备。n计算机软件软件是有重复使用价值的程序和相关文档,主要包括操作系统软件、编译系统软件和应用软件等。n由Intel公司的CPU和微软公司的软件为主组成的计算机系统是目前应用最多的微型计算机系统。n本章重点介绍软件系统。3.1 计算机硬件系统介 n计算机硬件系统经历了四十多年的发展历程,它的高速、自动化运算特点现已得到充分发挥。但究其构造原理,目前尚未跳
2、出冯诺依曼计算机的基本框框,仍是以存储为中心的计算机结构。也就是说,把运算器、控制器、输入器和输出器通过各种信号线与内存储器联系起来就构成了一台计算机硬件系统。3.1.1 CPU介绍n随着集成电路技术的进步,可以把复杂的运算器、控制器电路集成在一个芯片中称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。多数微机具有一个CPU,也有使用两个或更多个CPU协调工作的计算机。n1.运算器运算器n计算机的运算功能主要靠算术逻辑运算部件(Arithmetic Logic Unit,ALU)完成。最简单的运算器是由若干位组成的加法器。一般来讲,加法器的位数越多,可完成的运算就越复杂
3、;完成加法器运算的速度越快,计算机整体速度也越快。n2.控制器控制器n控制器的功能是按照计算机内部的时钟节拍,根据指令(Instruction),控制协调计算机各个部件工作。它主要由编码电路和译码电路构成。n3.其他电路其他电路nCPU中有各种特殊命名的寄存器,用来存储运算的中间结果,或正在执行的指令代码;包括各部件之间数据交换的通路,即内部总线;甚至还包括与内存交换数据用的高速缓冲存储器。一些单片机芯片,例如MCS-51、MCS-96系列,几乎包括了冯诺依曼计算机要求必备的五个基本部件电路。3.1.1 内存储器内存储器n内存储器具有记忆功能,它能把各种以二进制码表示的信息存储起来,是计算机的
4、主要工作存储区。它可以把要执行的程序和数据事先存储,然后在CPU的控制下自动执行程序。nCPU可按照单元编号访问内存储器中的每个单元。一个单元包括8位二进制信息,也称一个字节(Byte),单元编号从0开始,到2n-1。内存容量就是计算机可使用内存单元的总和,现在生产的微型计算机内存容量一般在64MB以上。n微型计算机的内存储器包括RAM和ROM两部分。ROM用于存放内容不变的信息,例如计算机开始工作的引导程序、自检程序等。这些程序在计算机出厂时就已装入ROM中。nRAM用于存放现场程序和数据。RAM中的信息是由电路的状态表示的,所以断电后信息一般会立即丢失。由于软件越来越复杂,需要内存的容量也
5、越来越大。3.1.1 外存储器外存储器n1 硬磁盘n1968年IBM公司首次提出“温彻斯特(Winchester)”技术。该技术要求,把整个磁盘机密封,使用高速旋转的镀磁盘片,磁头沿盘片径向移动,磁头悬浮在高速转动的盘片上方,而不与盘片直接接触,从而避免了磁头与盘片的摩擦,提高了盘片的转速。以后研发的提高磁头灵敏度、盘片转数、记录密度等技术使现在的温盘容量可达上百个GB。n由于硬磁盘的读写速度较高、容量大,操作软件常用部分硬盘存储器代替内存作虚拟内存使用。2 磁盘阵列技术磁盘阵列技术n随着网络技术的发展,程序越来越复杂,需要存储的信息量越来越大,对数据的安全性要求越来越高,出现了以磁盘为中心的
6、计算机系统模式。单个或少量磁盘同时工作满足不了计算机对磁盘容量、速度、可靠性的需求,磁盘阵列是解决这些问题的一种新技术。n磁盘阵列(Disk Array)是由一个硬盘控制器来控制多个硬盘的相互连接,使多个硬盘的读写同步,减少错误,增加效率和可靠性的技术。使用此技术的设备分0、1、3、5四个等级。磁盘阵列3.1.1 外部设备接口与总线外部设备接口与总线n1.外部设备接口功能外部设备接口功能n计算机硬件接口是计算机中两个相对独立子系统之间的连接部分,包括外设与主机之间,外设与外设之间的连接。有时接口也称为界面。n接口主要解决子系统之间传递数据与控制信号。接口主要解决子系统之间传递数据与控制信号。P
7、C机实现这种传递的硬件通常做成独立的接口板(卡),插在总线接口插槽里,通过输出线缆与外部设备连接。接口卡也称适配器。n它的主要功能是如下。n(1)地址译码 外部设备在计算机系统中的名称如 LPT、COM1等是通用的符号名称,对它代表的某实际设备的控制要由具体接口及控制软件,即驱动程序完成。外设与主机之间交换的二进制信息都暂存在接口寄存器中,这些寄存器可能放在外设(例如键盘)上,也可能放在适配器(如显示器)上。主机以存取内存单元的方式来存取外设的寄存器。因此要为每个外设寄存器设置地址(端口号),通过地址译码电路区别真正要访问外设的寄存器。n(2)在主机与外设之间交换控制信息 控制信息主要包括设备
8、“已准备好”、“忙碌”、“完成”、“申请中断”、“响应中断”、“启动”、“停止”等信号。n(3)支持主机各种中断处理。n(4)数据类型转换 8位字长与16位字长之间、模拟信号与数字信号之间的转换。n(5)支持传输过程中的串行/并行转换、错误校验、协议等。n2.USB接口接口nUSB(Universal Serial Bus)接口使用特殊的接口线实现了热插拔。n3 总线总线n总线就是信息传输的公共线路,它由若干可控制门电路及连接的导线组成。在微机的主板上表现为若干个可插接各种部件的插槽。计算机均采用总线结构将各部件(CPU、存储器、I/O接口)组成为一个系统。3.1.5 计算机指令系统计算机指令
9、系统nCPU的控制器根据内存中的每一条指令码控制执行部件运作,计算机才能工作。人们利用指令才可以直接指挥计算机工作。n各种类型计算机指令的数目和形式差别很大,计算机可有几条、几十条,甚至上百条指令;n一些类型计算机指令的长度是固定的,更多类型计算机的指令长度是可变的,可用单字节、双字节、三字节,或更多字节表示一条指令。n一般情况,一条指令一般包括操作方法和操作对象(数据或数据的地址)两部分,个别的指令仅有操作方法而无操作对象。n CPU执行指令例子。n设数据区的0号单元存有无符号整数15,1号单元存有无符号整数23,利用指令把两个单元的内容对调。n其操作过程是,先把0单元内容存到名为ah寄存器
10、,再把1单元内容存到名为al寄存器,然后分别存回1单元和0单元。3.2 计算机软件系统介绍 n软件是有重复使用价值的程序和相关文档。n计算机系统由硬件和软件组成,不同的配置可形成功能差异很大的计算机系统。n由英特尔公司的CPU和微软公司的软件组成的计算机系统是目前应用最多的计算机系统。n计算机软件主要包括操作系统软件、编译系统软件和应用软件。n 3.2.1 操作系统n1 用户工作方式n单机n分时n多终端n桌上微机n微机网络(服务器/客户端,服务器/浏览器,对等网)n因特网(1)单用户单任务方式单用户单任务方式n 单用户单任务是最典型的计算机系统使用环境,其特点是一人独占一台计算机,执行一个应用
11、程序。在这种环境下,CPU、内存等计算机硬资源利用率低。早期的微型计算机常采用这种方式。其优点是对计算机硬件要求低,管理计算机的软件比较简单,可靠性强,易于操作。支持这种使用环境的微机操作系统常见的有MS-DOS 3.0、CP/M及其各种变化版本等。(2)单用户多任务方式单用户多任务方式n 随着计算机硬件的不断升级,CPU的速度的提高、内存容量的加大,用户希望能同时(至少用户感觉是同时)执行多个应用程序,即所谓执行多任务。最先在大、中型计算机上实现了这种方式,以后微机上也实现了多任务管理,典型的微机操作系统有MS-DOS 6.0 及Windows等。(3)多用户多任务方式多用户多任务方式n 多
12、用户多任务是指在一台大、中型主机(主要包括CPU、内存)上,同时(实际上是分时)为多个用户服务。每个用户作为连接到主机上的终端,执行自己的各种任务。典型的操作系统是UNIX及其变种XENIX、ONIX、VENIX等。目前在微机上流行的Linux操作系统也支持多用户多任务操作。(4)使用计算机网络使用计算机网络n由于网络环境的不同,支持各种环境的操作系统各异。网络操作系统中功能强、资格老当属UNIX,而在微机上运行最多的是Windows NT(包括Windows 2000/XP)以及大有发展前途的Linux操作系统。2 硬件支撑环境 n 操作系统是管理计算机资源、方便用户使用计算机资源的一套程序
13、。这些程序必须在一定的硬件环境支持下才能正常工作,硬件环境越好,操作系统能提供的服务越多,换句话说,低档计算机只能安装和使用低版本的操作系统。为了能支持功能较强的操作系统,对计算机硬件部件提出以下一些功能要求。(1)中央处理器(中央处理器(CPU)nCPU是计算机的硬件核心部件,CPU主要包括运算和控制两部分,控制器中对于程序和中断的控制能力最为重要。n1)程序状态字(PSW)。CPU中一般设有若干个寄存器,这些寄存器担负专门的工作。例如指令记数器中记载下一条要执行的指令地址,16位的状态寄存器中的每一位则记录指令执行后的状态。nC:算术运算中,最高位产生进位时置1;nP:操作结果低8位为偶数
14、个1时置1;nA:算术运算中,低字节中低4位产生进位或错位时置1;nZ:操作结果为0时置1;nS:若操作结果是负数时置1;nT:可由指令设置,1为可单步执行指令;nI:可由指令设置,1为允许外部中断请求;nD:可由指令设置,1为使用串操作指令时地址指针递减;nO:运算结果以补码表示超出范围时置1。n其他位保留。1514131211 109876543210O D ITSZAPC(2)中断中断nCPU要能在适当的指令周期内判断是否有内部或外部中断请求,当判断有中断请求并可能接受中断请求后,自动转入中断服务程序。n在完成中断服务后能自动继续执行被中断的程序。n 支持硬件中断优先级别,若有几个中断源
15、同时申请中断,CPU首先响应级别高的中断申请,中断级别高的中断源可中断低级别的中断服务程序。例如,M68000有七级硬中断、Intel 有二级硬中断。(3)存储器存储器n 存储器是计算机的核心部件,一般采用三级存储体系以解决对存储器的容量、速度和价格的需求矛盾。n 第一级是高速缓冲存储器(简称缓存第一级是高速缓冲存储器(简称缓存Cache),也叫隐藏存储器。它对于用户是透明的,即操作系统把正在使用的一部分程序或即将要使用的一部分程序由内存(主存)复制到缓存中,CPU直接对缓存读写,由于缓存的读写速度与CPU的执行指令速度相匹配,从而充分发挥了CPU的高速控制、运算能力。目前缓存命中率可达90%
16、以上。n 第二级是主存储器第二级是主存储器,要执行的程序代码(包括要使用的数据)必须事先读入内存方可在CPU的控制下自动执行。主存储器越大,执行程序就越方便。n第三级是外部存储器第三级是外部存储器,一般指软、硬磁盘、光盘等。这些介质存放已编制好的程序或数据,较小的程序可一次装(读)入内存,较大的程序需要采用程序覆盖技术,分段装入内存,不断覆盖掉已经执行完的程序段。(4)操作系统的人操作系统的人机界面机界面n1)图形用户接口(图形用户接口(GUI)n支持图形命令方式的操作系统称为窗口系统,最典型的是微机上使用的Windows(视窗)(Windows NT)和UNIX系统使用的X Windows(
17、X 窗口)。n1998年为GUI制定了图形接口的标准部件,包括:n窗口:终端屏幕上的一个矩形区域,由标题栏、菜单栏、边框、控制按钮、用户区等组成。n菜单:一系列可选的命令。n对话框:包括显示消息和输入请求信息对话框。n命令按钮:表示执行某个具体命令的图标。n各种具有GUI接口形式的操作系统或应用软件都有类似的界面风格。2)终端命令方式终端命令方式n 对于专业人员来讲,使用已经熟记的对于专业人员来讲,使用已经熟记的终端命令来指挥计算机工作效率最高。终端命令来指挥计算机工作效率最高。n例如:在DOS操作系统中,如下命令代表:ndir 列出当前磁盘目录ncopy x y 把x文件拷贝一份,但文件名改
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