第二讲 计算机系统
第二讲  计算机系统
一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
1.4.1   计算机硬件系统
计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和计算机设备。这些部件和设备依据计算机系统结构的要求，构成一个有机整体，称为计算机硬件系统。未配置任何软件的计算机叫裸机，它是计算机完成工作的物质基础。
冯·诺依曼（Von Neumann）提出的存储程序工作原理决定了计算机硬件系统的五个基本组成部分，即：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。几十年来，尽管计算机硬件在各方面都发生了翻天覆地的变化，但计算机的基本结构没有变化。如图1-2所示为构成计算机硬件系统的五大组成部分的框图。下面分别介绍组成计算机的各个部件及功能。
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图1-2  硬件系统五大组成部分框图
1. 输入设备
输入设备的主要功能是，把原始数据和处理这些数据的程序转换为计算机能够识别的二进制代码，通过输入接口输入到计算机的存储器中，供CPU调用和处理。常用的输入设备有：鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪、数码摄像机、条形码阅读器、数码相机和A/D转换器等。
2. 运算器
运算器是计算机中执行数据处理指令的器件。运算器负责对信息进行加工和运算，它的速度决定了计算机的运算速度。运算器的功能除对二进制编码进行算术运算（加、减、乘、除）、逻辑运算（与、或、非等）外，还可以进行数据的比较、移位等操作。参加运算的数（称为操作数）由控制器指示从存储器或寄存器中取出到运算器。
运算器由算术逻辑运算单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）、寄存器和一些控制门等组成。寄存器用来提供参与运算的操作数，并存放运算的结果。哪些数参与运算由输入控制
门的条件决定。
3. 控制器
控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。
控制器从内存储器中顺序取出指令，并对指令代码进行翻译，然后向各个部件发出相应的命令，完成指令规定的操作。它一方面向各个部件发出执行指令的命令，另一方面又接收执行部件向控制器发回的有关指令执行情况的反馈信息，控制器根据这些信息来决定下一步发出哪些操作命令。这样逐一执行一系列的指令，就使计算机能够按照这一系列的指令组成的程序的要求自动完成各项任务。因此，控制器是指挥和控制计算机各个部件进行工作的“神经中枢”。
通常把控制器和运算器合称为中央处理器（CPU，Central Processing Unit）。工业生产中总是采用最先进的超大规模集成电路技术来制造中央处理器，即CPU芯片。它是计算机的核心部件，它的工作速度和计算精度等性能对计算机的整体性能有决定性的影响。
4. 存储器
存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。
存储器是具有“记忆”功能的设备，由具有两种稳定状态的物理器件（也称为记忆元件）来存储信息。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。存储器是由成千上万个“存储单元”构成的，每个存储单元存放一定位数（微机上为8位）的二进制数，每个存储单元都有唯一的编号，称为存储单元的地址。“存储单元”是基本的存储单位，不同的存储单元是用不同的地址来区分的。
计算机采用按地址访问的方式到存储器中存数据和取数据，计算机中的程序在执行的过程中，每当需要访问数据时，就向存储器送去指定位置的地址，同时发出一个“存”命令或者“取”命令（伴以待存放的数据）。计算机在计算之前，程序和数据通过输入设备送入存储器，计算机开始工作之后，存储器还要为其他部件提供信息，也要保存中间结果和最终结果。因此，存储器的存入和取出的速度是计算机系统的一个非常重要的性能指标。
存储器分内存储器和外存储器两大类，简称内存和外存。内存储器又称为主存储器，外存储器又称为辅助存储器。常见存储器的分类如图1-3所示。
图1-3  存储器分类
内存是CPU可直接访问的存储器，是计算机中的工作存储器，当前正在运行的程序与数据都必须存放在内存中。计算机工作时，所执行的指令及操作数都是从内存中取出的，处理的结果也放在内存中。
内存储器和CPU一起构成了计算机的主机部分。
内存储器分为ROM、RAM和Cache，下面分别予以介绍。
1）只读存储器（ROM）
ROM中的数据或程序一般是在将ROM装入计算机前事先写好的。一般情况下，计算机工作过程中只能从ROM中读出事先存储的数据，而不能改写。ROM常用于存放固定的程序和数据，并且断电后仍能长期保存。ROM的容量较小，一般存放系统的基本输入输出系统（BIOS）等。
2）随机存储器（RAM）
随机存储器的容量和ROM相比要大得多，CPU从RAM中既可读出信息又可写入信息，但断电后所存的信息就会丢失。
3）高速缓存（Cache）
太原食品随着CPU主频的不断提高，CPU对RAM的存取速度加快了，而RAM的响应速度相对较慢，造成CPU等待，降低了处理速度，浪费了CPU的能力。为协调二者之间的速度差，可以在内存和CPU之间设置一个与CPU速度接近的、高速的、容量相对较小的存储器，把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从内存调入这个存储器，供CPU在一段时间内
使用，这对提高程序的运行速度有很大的作用。这个介于主存和CPU之间的高速小容量存储器称作高速缓冲存储器（Cache），一般简称为缓存。
缓存容量的大小对计算机性能有着很大的影响，目前Pentium 4的一级缓存为16 KB，二级缓存为512 KB，而最新的Pentium 4采用了继承权的丧失1～2MB的缓存。面向高端服务器的CPU还设有三级缓存，其容量大小一般在1～3MB之间。Intel为了降低成本，面向低端市场推出了一系列相同核心、但是减少了缓存的处理器——赛扬（Celeron），例如Pentium 4核心的赛扬的二级缓存只有128KB，性能有所降低。
外存是主机的外部设备，存取速度较内存慢得多，用来存储大量的暂时不参加运算或处理的数据和程序，一旦需要，可成批地与内存交换信息。外存是主存储器的后备和补充，不能和CPU直接交换数据。
5. 输出设备
输出设备是指从计算机中输出信息的设备，其功能是将计算机处理的数据、计算结果等内部信息转换成人们习惯接受的信息形式（如字符、图形、声音等），然后将其输出。最常用的输出设备是显示器、打印机和音箱，还有绘图仪、各种数模转换器（D/A）等。
从信息的输入输出角度来说，磁盘驱动器和磁带机既可以看作输入设备，又可以看作输出设备。
1.4.2   计算机软件系统
输入计算机的信息一般有两类，一类称为数据，一类称为程序。计算机是通过执行程序所规定的各种指令来处理各种数据的。
1. 存储程序工作原理
1）指令
指令是指示计算机执行某种操作的命令，它由一串二进制数码组成，这串二进制数码包括操作码和地址码两部分。操作码规定了操作的类型，即进行什么样的操作；地址码规定了要操作的数据（操作对象）存放在什么地址中，以及操作结果存放到哪个地址中去。
一台计算机有许多指令，作用也各不相同。所有指令的集合称为计算机指令系统。计算机系统不同，指令系统也不同，目前常见的指令系统有复杂指令系统（CISC）和精简指令系
统（RISC）。相比而言，RISC的指令格式统一，种类较少，寻址方式也比复杂指令集少，处理速度提高很多。目前常见的X86系列的CPU是CISC，而中高档服务器、工作站等计算机大多采用RISC粘贴的快捷键是什么指令的CPU，如PowerPC处理器、SPARC处理器等。
2）程序
程序是由一系列指令组成的，它是为解决某一问题而设计的一系列排列有序的指令的集合。程序送入计算机，存放在存储器中，计算机运行某一个程序，就是按照为解决该问题而设计的一系列排好顺序的指令进行工作。
3）存储程序工作原理
计算机能够自动完成运算或处理过程的基础是存储程序工作原理。存储程序工作原理是美籍匈牙利科学家冯·诺依曼提出来的，故称为冯·诺依曼原理。虽然现在的计算机已经发展到第四代，但仍遵循着这个原理。
存储程序工作原理的要点是，为解决某个问题，需事先编制好程序，程序可以用高级语言编写，但最终需要转换为由机器指令组成，即程序是由一系列指令组成的。将程序输入到
计算机并存储在外存储器中，控制器将程序读入内存储器中（存储原理）并运行程序，控制器按地址顺序取出存放在内存储器中的指令（按地址顺序访问指令），然后分析指令，执行指令的功能，遇到程序中的转移指令时，则转移到转移地址，再按地址顺序访问指令（程序控制）。
4）计算机的工作过程
计算机系统的各个部件能够有条不紊地协调进行工作，都是在控制器的控制下完成的。计算机的工作过程可以归结为以下几步：
（最赚钱的养殖项目1）控制器控制输入设备或外存储器将数据和程序输入到内存储器；
（2）在控制器指挥下，从内存储器取出指令送入控制器；
（3）控制器分析指令，指挥运算器、存储器、输入输出设备等执行指令规定的操作；
（4）运算结果由控制器控制送存储器保存或送输出设备输出；
（5）返回到第二步，继续取下一条指令，如此反复，直到程序结束。
2. 计算机软件基础
软件是指使计算机运行所需的程序、数据和有关的文档的总和。数据是程序的处理对象，文档是与程序的研制、维护和使用有关的资料。
计算机软件的作用在于对计算机硬件资源的有效控制与管理，提高计算机资源的使用效率，协调计算机各组成部分的工作，并在硬件提供的基本功能的基础上扩大计算机的功能，提高计算机实现和运行各类应用任务的能力；计算机软件通常分为系统软件和应用软件两大类，系统软件一般由软件厂商提供，应用软件是为解决某一问题而由用户或软件公司开发的。
1）系统软件
系统软件是管理、监控和维护计算机资源（包括硬件和软件）、开发应用软件的软件。系统软件居于计算机系统中最靠近硬件的一层，它主要包括操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、支撑服务软件等。
双鱼座性格特征（1）操作系统：
操作系统（OS，Operating System）是一组对计算机资源进行控制与管理的系统化程序集合，它是用户和计算机硬件系统之间的接口，为用户和应用软件提供了访问和控制计算机硬件的桥梁。
操作系统是直接运行在裸机上的最基本的系统软件，任何其他软件必须在操作系统的支持下才能运行。操作系统的主要作用体现在管理计算机和使用计算机两个方面，所以操作系统一方面管理、控制和分配计算机软硬件资源，一方面组织计算机的工作流程。操作系统要通过内部极其复杂的综合处理，为用户提供友好、便捷的操作界面，以便用户无须了解计算机硬件或系统软件的有关细节就能方便地使用计算机。
操作系统是一个庞大的管理控制程序，它大致包括五个管理功能：处理器管理、存储管理、设备管理、文件管理和作业管理。操作系统根据其侧重面的不同有很多分类方法：

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