第2章计算机系统

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、操作控制器OC、程序计数器PC。

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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(Dynamic RAM) 用电容存储信息，需周期性对存储的信息刷新。功耗低、动态RAM 集成度高、价格低。 SRAM(Static RAM) 用触发器的状态存储信息，无需对存储的信息刷新。集成静态RAM 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。

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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 PROM可编程ROM EPROM可擦可编程ROM 说明 可对ROM写一次，用电流烧断行列式的熔丝。 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=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

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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 只读型光盘CD-ROM 说明 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(Digital Versatile Disk)光盘 数字通用盘P47

DVD-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。

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2.1.4 输入设备(Input Devices) P48

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)

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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)：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 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；

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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。

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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。 基于总线结构的计算机的示意图2-13： P54

总线体现在硬件上就是计算机主板，它也是配置计算机时的主要硬件之一。

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

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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

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 机器语言 说明 是直接用二进制代码指令表达的计算机语言。执行速度最快。缺点：编写、调试、修改、移植和维护都非常繁琐。 是一种把机器语言“符号化”的语言，如ADD表示加法指令、MOV表示传输指令等。相对机器指令，汇编指令容易掌握，但第9页，共16页

汇编语言 计算机不认识。 高级语言 是最接近人类自然语言和数学公式的程序设计语言，它基本上脱离了硬件系统。常用的有：C、C++、Java、Visual Basic等。 汇编语言源程序：用汇编语言编写的程序。

汇编程序：将汇编语言源程序翻译成目标程序的软件。

4. 翻译高级语言 P57

用高级语言编写的源程序计算机不能直接执行，必须翻译成机器语言程序。通常有两种翻译方式：编译方式和解释方式。

高级语言源程序：用某种高级语言编写的程序。

编译方式：将高级语言源程序整个编译成目标程序，然后通过连接程序将目标程序连接成可执行程序的方式。

编译程序：将某种高级语言源程序翻译成目标程序的软件。

解释方式：将源程序逐句翻译、逐句执行的方式，解释过程不产生目标程序，基本上是翻译一行执行一行，边翻译边执行。

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解释程序：可输入、修改高级语言源程序、解释源程序执行不产生目标程序的程序。

2.2.2 软件系统及其组成

计算机软件分为系统软件和应用软件两大类。如图2-17 所示。

1.系统软件

系统软件是控制和协调计算机及外部设备，支持应用软件开发和运行的软件。P57

1)操作系统(OS) P58

操作系统OS是最低层的软件，它控制所有计算机上运行的程序并管理整个计算机的软硬件资源。

常用的OS有Windows、Linux、Unix、MacOS等。 2)语言处理系统(LPS)

语言处理系统是系统软件的另一大类型，如C++、Java语言处理系统等。 3)数据库管理系统(DBMS)

是应用最广泛的软件。用于建立、使用和维护数据库。如SQL server 2000等。

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4)系统辅助处理程序

主要是一些为计算机系统提供服务的工具软件和支持软件，如调试程序、系统诊断程序等。 2.应用软件 P59

计算机应用软件种类很多，常用的应用软件有(3种)： 1)办公软件套件

是日常办公需要的一些软件，它一般包括文字处理软件、电子表格处理软件、演示文稿制作软件、个人数据库、个人信息管理软件等。

常用的有微软公司的Microsoft Office 2010和金山公司的WPS等。 2)多媒体处理软件

主要包括图形处理、图像处理、动画制作、音频视频处理软件。如Photoshop、Flash等。 3)Internet工具软件

是基于Internet环境的应用软件，如Web服务软件、Web浏览器、文件传送工具FTP。

§3 操作系统

2.3.1 操作系统的概念

内核态：即特权态，拥有计算机中所有的软硬件资源。 用户态：即普通态，其访问资源的数量和特权均受到限制。 2.3.2 操作系统的功能 P62 操作系统的功能：

操作系统管理的硬件资源有CPU、内存、外存、和输入/输出设备，管理的

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软件资源是存储器上的文件。

多引导：

一台计算机的硬盘上可以安装多种操作系统，启动计算机时，需要选择其中的一个作为“活动”的操作系统，这种配置叫做“多引导”。如本机装有2种不同的OS。Windows XP和Windows 7。 2.3.3 操作系统的发展 P62

操作系统发展大致经历6个阶段。 第一阶段：人工操作方式(20世纪40年代)。 第二阶段：单道批处理操作系统(20世纪50年代)。 第三阶段：多道批处理操作系统(20世纪60年代)。 第四阶段：分时操作系统(20世纪70年代)。 第五阶段：实时操作系统(20世纪70年代)。 第六阶段：现代操作系统(20世纪80年代至今)。 2.3.4 操作系统的种类

通常操作系统有以下5类： P64 1)单用户操作系统

计算机系统内一次只能运行一个用户程序的操作系统。缺点是计算机系统的资源不能充分被利用。 2)批处理操作系统

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用户程序在运行时不允许程序员干预的操作系统。可分为单用户批处理操作系统和多用户批处理操作系统2种。 3)分时操作系统

在一台计算机周围挂上若干近程或远程终端，每个用户可以在各自的终端上以交互方式运行自己需要的程序。 4)实时操作系统

要求计算机对数据进行迅速处理，响应的时间可以是秒、毫秒或微秒级。 实时系统的分类：实时过程控制(如钢铁、化工生产过程控制系统)、实时数据处理(如自动订购飞机票系统、银行业务系统)。 5)网络操作系统 P65

提供网络通信和网络资源共享功能的操作系统。 2.3.5 典型操作系统 1.服务器操作系统 P65

定义：是安装在大型计算机上的操作系统，如Web服务器、应用服务器、数据库服务器等。

四大流派：Windows、Unix、Linux、Netware。

Windows是由美国微软公司设计的基于图形用户界面的操作系统。最新版本是Windows 8。

Unix是美国AT&T公司开发的操作系统。它具有多用户、多任务、支持多种处理器架构。

Linux是一种开放源码的操作系统。用户可以通过Internet免费获取Linux源代码 ，并对其进行分析、修改和添加新功能。

Netware是Novell公司推出的网络操作系统。 2.PC操作系统

是安装在个人计算机上的操作系统，如DOS、Windows、MacOS。 3.实时操作系统 P66

是保证在一定时间限制内完成特定任务的操作系统，如VxWorks。

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4.嵌入式操作系统

是以应用为中心，计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

§4 Windows 7操作系统 2.4.1 体验Windows 7 1.易用性 P67

体现于桌面功能的操作方式。

全新的任务栏；任务栏窗口动态缩略图；自定义任务栏通知区域；快速显示桌面。 2.硬件基本要求

1GB或更快的32位或64位处理器；

1GB物理内存(32位)或2GB物理内存(64位)； 16GB可用硬盘空间(32位)或20GB硬盘空间(64位)； DirectX9图形设备(WDDM 1.0或更高版本的驱动程序)； 屏幕纵向分辨率768像素。 2.4.2 操作和设置Windows 7 1.桌面设计—张扬个性 P67

1)桌面外观设置：右击桌面空白处，在快捷菜单中选择“个性化”，进入“个性化”面板，如图2-21所示，在“Aero”主题区域中选择所需的主题。

2)桌面背景设置：在“个性化”设置面板下方单击“桌面背景”图标，进入“桌面背景”面板，如图2-22所示，选择单张或多张内置图片，??。

3)桌面小工具使用：右击桌面空白处，在弹出的快捷菜单中选择“小工具”，打开“小工具”管理面板，直接将要使用的小工具拖动到桌面即可。 2.资源管理器—全新亮相 P70

1)界面简介：右击“开始”菜单，在弹出的快捷菜单中单击“打开Windows 资源管理器”命令，即可打开如图2-24所示的资源管理器界面。

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地址栏、检索栏、导航窗格、收藏夹、详细信息栏。

2)用户文件夹：对用户个人文件夹进行了设置和安排，打开“开始”菜单或桌面中以当前用户命名的文件夹，用户可以直接访问到“网页收藏夹”、“桌面”、“文件夹收藏”以及“下载”等目录。

3)库：库并不是存储文件本身，而仅保存文件快照(类似于快捷方式)。 4)检索文件

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