12 計算機系統(tǒng)的組成

1.2計算機系統(tǒng)的組成1.2.1計算機系統(tǒng)的組成概述計算機系統(tǒng)的基本組成一個完整的計算機系統(tǒng)是由計算機硬件系統(tǒng)和計算機軟件系統(tǒng)兩部分組成。僅有硬件而沒有配備軟件的計算機稱為裸機。硬件是軟件發(fā)揮作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件是硬件與用戶之間的接口，是計算機系統(tǒng)發(fā)揮強大功能的靈魂，兩者相輔相成，缺一不可。計算機硬件系統(tǒng)的組成計算機的硬件由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備與輸出設(shè)備五部分組成。其中由控制器、運算器、寄存器組成中央八處理器（CPU）計算機軟件系統(tǒng)的組成軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)（0S）、程序設(shè)計語言、系統(tǒng)檢測診斷程序、編譯系統(tǒng)、通用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等。應用軟件包括管理軟件、辦公軟件、應用數(shù)據(jù)庫管理軟件、圖形圖像處理軟件及為用戶需求開發(fā)設(shè)計的軟件等。應用軟件是在系統(tǒng)軟件的支持下工作的，決定了計算機發(fā)揮的作用，因而，目前應用軟件開發(fā)正在向標準化、模塊化方向發(fā)展，提高應用軟件的兼容性與可擴充性。計算機的工作原理馮．諾依曼原理美籍匈牙利科學家馮．諾依曼被人們稱為“現(xiàn)代計算機之父”。他提出了“程序存儲和程序控制”的計算機體系設(shè)計思想，主要內(nèi)容包括以下三個方面：（1）計算機硬件設(shè)備由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備與輸出設(shè)備五部分組成；（2）計算機內(nèi)部采用二進制；（3）程序存儲和程序控制馮．諾依曼機的工作原理：數(shù)據(jù)或指令通過輸入設(shè)備輸入計算機，存儲在存儲器中。在運行過程中，數(shù)據(jù)從存儲器讀入運算器運算，中間結(jié)果也要存入存儲器中，最終將結(jié)果經(jīng)輸出設(shè)備輸出。人們用機器自身具有的指令編排的指令序列，即程序，也是數(shù)據(jù)的形式由存儲器送入控制器，再由控制器向機器的各個部分發(fā)出相應的控制信號。另一種信息是控制信息，它由控制器發(fā)出，用來控制機器的各部件執(zhí)行指令規(guī)定的各種操作。計算機的工作過程微型計算機工作過程如下：（1）CPU訪問輸出輸入接口（2）讀入數(shù)據(jù)并運行（3）暫存結(jié)果（4）輸出結(jié)果中央處理器運算器運算器是負責對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算的部件。運算器由算術(shù)邏輯運算單元（ALU）、累加器。狀態(tài)寄存器、通用寄存器組等組成。算術(shù)邏輯運算單元是用于完成加、減、乘、除等算術(shù)運算，與、或、非等邏輯運算及移位、求補等操作的部件。累加器是用于暫存被操作數(shù)和中間運算結(jié)果。通用寄存器組是一組寄存器，運算時用于暫存操作數(shù)或數(shù)據(jù)地址。狀態(tài)寄存器也稱標志寄存器，它用于存放運算中產(chǎn)生的狀態(tài)信息。算術(shù)邏輯運算單元、累加器和通用寄存器的位數(shù)決定了CPU的字長?？刂破骺刂破魇怯嬎銠C的控制中心，用來實現(xiàn)計算機本身運算過程的自動化，其作用是控制整個計算機的工作，其工作是取指令、解釋指令、以及完成指令的執(zhí)行?？刂破饔芍噶钪羔樇拇嫫?、指令寄存器、控制邏輯電路和時鐘控制電路等組成。指令指針寄存器用于產(chǎn)生及存放下條代取的指令地址。指令寄存器用于存放正在執(zhí)行的指令。指令從內(nèi)存中取出后放入指令寄存器。指令執(zhí)行完成前指令寄存器中一直保存著該指令?？刂七壿嬰娐酚糜诋a(chǎn)生執(zhí)行微操作所需要的控制信號。時鐘控制電路用于產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的時間控制信號。時鐘控制電路要與控制邏輯電路配合才能使指令正確執(zhí)行。寄存器寄存器是CPU的一個重要組成部分，它是CPU內(nèi)部的臨時存儲單元，它用于存儲運算中的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、地址和狀態(tài)信息等。但是寄存器的數(shù)量不能太多，寄存器數(shù)量太多會使寄存器地址編碼位數(shù)增加，使指令長度增加。1.2.4存儲器為了解決存取速度、存儲容量。存儲器價格這三個方面的矛盾，人們提出了多層次存儲系統(tǒng)的概念。按多層次存儲系統(tǒng)的概念，計算機的存儲系統(tǒng)由高速緩沖存儲器Cache）、隨機讀寫存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、軟盤存儲器、硬盤存儲器、光盤存儲器、優(yōu)盤存儲器等組成。（1） 按存儲介質(zhì)的材料分類有半導體存儲器、磁表面存儲器和光存儲器（2） 按存儲器的工作方式分類，存儲器可以分為隨機讀寫存儲器、順序讀寫存儲器和只讀存儲器等。（3） 按計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類有內(nèi)存儲器和外存儲器。內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器又稱主存，內(nèi)存儲器由隨機讀寫存儲器（RAM）、高速緩沖存儲器（Cache）、只讀存儲器（ROM）組成。作用是在計算機工作過程中存儲正在執(zhí)行的程序和程序所需要的數(shù)據(jù)。具有密度大、體積小、重量輕和存取速度快等特點。為了查找存儲單元，每個存儲單元有一個地址，存儲地址有二進制數(shù)表示。內(nèi)存容量是指RAM的容量。（1）隨機讀寫存儲器根據(jù)制造原理的不同RAM可分為靜態(tài)隨機存儲器SRAM和動態(tài)隨機存儲器DRAM兩種。隨機存儲器（SRAM）。SRAM存儲單元的基本結(jié)構(gòu)是一個雙穩(wěn)態(tài)電路，由寫電路控制讀、寫的轉(zhuǎn)換。只要寫電路有電，其開關(guān)元件的狀態(tài)就是保持不變，不需要電流刷新。由于開關(guān)元件由晶體管代替，而晶體管的轉(zhuǎn)換時間一般都小于20ns，因此，SRAM的讀寫速度很快。由于這種開關(guān)電路的元件較多，一個存儲單元由4個晶體管和2個電阻組成，因而集成度低，生產(chǎn)成本高。一般把SRAM用在比內(nèi)存小得多的高速緩沖存儲器等場合。動態(tài)隨機存儲器（RAM）。DRAM即通常所說的內(nèi)存。其特點是在器件有加電源的情況下，其存儲單元中的內(nèi)容也不能保存較長時間，一般只能保存2ms。為了保存存儲的信息，對DRAM中的內(nèi)容由硬件定時自動地重新寫入，這種寫入稱為“刷新”。DRAM中存儲的數(shù)據(jù)需要不斷進行刷新。一個DRAM單元由一個晶體管和一個小電容組成，DRAM的晶體管通過小電容的電壓來保持斷開，接通的狀態(tài)，當小電容有電時，晶體管接通；當小電容沒電時，晶體管斷開。由于電容放電的特性，充電后的小電容上的電荷很快丟失，因此，需要不斷地進行充電，即“刷新”。目前DRAM的主要參數(shù)有兩個：存儲容量和工作頻率。(2)高速緩存存儲器人們?yōu)榱颂岣逤PU讀寫程序和數(shù)據(jù)的速度，在PAM和CPU之間增加了高速緩存(Cache)部件。(3)只讀存儲器根據(jù)ROM中的信息設(shè)置方法，可分為以下幾種：1?普通ROM:其中的信息在芯片制造時由生產(chǎn)廠家寫入，內(nèi)容寫入后不能被更改。2?可編程只讀存儲器PROM:出廠時沒有寫入信息，允許用戶用特定設(shè)備將編寫好的程序固化在PROM中，內(nèi)容寫入后不能更改。3?可擦除式可編程存儲器EPROM:芯片上有一個透明窗口，可通過系外線擦除其中的內(nèi)容，因而可多次改寫。4?電式可擦除式可編程只讀存儲器EEPROM:可通過家電擦除其內(nèi)容，也可多次改寫且操作方便?？捎靡话阌嬎銠C重新寫入新內(nèi)容。閃速存儲器(FlashMemory):本質(zhì)上屬于EEPROM，由于ROM不易更改的特性讓更新資料變得相當麻煩，因此有了FlashMemory的發(fā)展。FlashMemory改寫電壓較高，使用安全可靠、速度快、功耗低。Pentium以上主板均采用FlashROMBIOS，使得BIOS升級非常方便。外存儲器外存儲器也稱為輔助存儲器，輔助存儲器作為主存儲器的后備和補充而被廣泛使用。與主存相比，它的特點是存儲容量大、成本低、存取速度慢、可以永久的脫機保存信息。常用的輔助存儲器有硬盤存儲器、軟盤存儲器、光盤存儲器、優(yōu)盤存儲器和移動硬盤等。隨著優(yōu)盤存儲器與移動硬盤的廣泛使用，軟盤存儲器逐步被淘汰。目前主流移動存儲器都采用USB接口，主要有優(yōu)盤和移動硬盤。1.2.5輸入輸入設(shè)備條形碼閱讀器：條形碼閱讀器的用于讀取條形碼所包含的信息的一種輸入設(shè)備，通過條形碼閱讀器可方便將物品相關(guān)信息采集到計算機中。觸摸屏：觸摸屏將輸入和輸出集中到一個設(shè)備上，簡化了交互過程。手寫筆：手寫筆的出現(xiàn)就是為了方便輸入中文及計算機上繪圖，使用者不需要再學習其他的輸入法就可以輕松的輸入中文。同時手寫筆還具有鼠標的用能，可以代替鼠標操作計算機。顯示器：顯示器是最標準的輸出設(shè)備。主要性能指標有：像素：顯示器屏幕顯示出來的圖像是由一個一個的發(fā)光點(熒光點)組成的，我們稱這些發(fā)光為像素，每一個像素包含一個紅色、綠色、藍色的磷光體。分辨率：定義顯示器畫面清晰度的標準，由可以在屏幕中顯示的像素數(shù)目決定。一般表示為水平分辨率(一個掃描行中像素的數(shù)目)和垂直分辨率(掃描行的數(shù)目)的乘積。常用的分辨率有640X480、1024X768、1280X1024等。分辨率越高，畫面包含的像素越多，圖像就越細膩清晰。屏幕尺寸：指顯示器屏幕對角線的長度，單位為英寸。目前筆記本電腦常用12英寸、13英寸、14英寸等臺式計算機常用17英寸、19英寸、20英寸等。點間距：指顯示器屏幕上像素的距離。點間距越小，可使分辨率越高，圖像越清晰。目前常用的有0.28mm和0.26mm等。（5）灰度級：指像素的亮暗程度，彩色顯示屏的灰度級指顏色的種類。灰度級越多，圖像層次越逼真清晰。（6）對比度：又稱反差，指圖像（字符）和背景的濃度差。（7）幀頻：字符（圖像）每秒鐘在屏幕上出現(xiàn)的次數(shù)。（8）行頻：指電子掃描束從屏幕左邊到右邊的掃描速度。（9）掃描方式：有逐行掃描和隔行掃描兩種。采用逐行掃描技術(shù)的圖像更清晰、穩(wěn)定、人眼不易疲勞。5.投影機數(shù)碼相機數(shù)碼攝像機1.2.6總線的組成與類型總線的分類（1）按功能的分類按功能分，總線可分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線、外部總線。內(nèi)部總線：又稱為片總線、元件級總線，是CPU內(nèi)部鏈接個寄存器及運算部件的總線。系統(tǒng)總線：又稱為板級總線，是鏈接CPU和計算機內(nèi)部其他高速功能功能部件的總線，即通常意義上所說的總線。系統(tǒng)總線根據(jù)功能科分為數(shù)據(jù)總線、地址總線可控制總線。數(shù)據(jù)總線用來傳輸數(shù)據(jù)，是雙向的，數(shù)據(jù)總線的寬度決定了每次能同時傳輸信息的位數(shù)，因此數(shù)據(jù)總線的寬度是決定計算機性能的主要指標。地址總線用來傳送主存與外設(shè)的地址信息，是單向的；控制總線用來指明數(shù)據(jù)傳送的方向、中斷控制和定時控制等，控制總線中的每一根的單向的。外部總線：又稱通信總線，是微機系統(tǒng)之間或微機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間信息傳輸?shù)耐?。如EIA-RS-232串行總線、USB總線等將屬于外部總線。（2）按時序控制方式分類同步總線：數(shù)據(jù)收發(fā)雙方按統(tǒng)一的時間節(jié)拍發(fā)送和接收總線上的數(shù)據(jù)。CPU和外圍設(shè)備都利用統(tǒng)一的時鐘生成控制信號，控制數(shù)據(jù)的和接收操作。2?異步總線：采用應答方式傳送數(shù)據(jù)，當CPU發(fā)出輸入命令后不急于從總線上取數(shù)據(jù)，不限定設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的時間，而是一直等待，當輸入裝置把數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上時，再給CPU一個信號，表示數(shù)據(jù)已準備好，通知CPU可以從總線上取數(shù)據(jù)。常用的微機系統(tǒng)總線（1） ISA總線ISA（工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)）簡稱標準總線，是IBM公式1984年為推出PC/AT機而建立的系統(tǒng)總線標訊，所以也叫AT總線，是最早的通用型總線。ISA數(shù)據(jù)總線位寬16位，后發(fā)展到EISA（擴展工業(yè)標準結(jié)構(gòu)）數(shù)據(jù)總線位寬為32位。隨著PCI總線的出現(xiàn)于發(fā)展，ISA總線逐步被PCI總線所替代。（2） PCI總線PCI（外圍設(shè)備互聯(lián)總線）總線是當前最流行的總線之一，它是由Intel公式推出的一種標準局部總線。所謂局部總線指從CPU芯片上引出的信號線，而標準局部總線指在CPU信號線基礎(chǔ)上定義的信號線使用標準，PCI采用32位高性能總線結(jié)構(gòu)可擴展到64位，與ISA總線兼容。PCI-E（全稱為PCI-Express）是由英特爾提出，且是PCI的更高的發(fā)展，目前為最新的總線和接口標準，將全面取代現(xiàn)行的PCI和AGP（目前已近淘汰的一種圖形系統(tǒng)接口），最終實現(xiàn)總線標準的統(tǒng)一。PCI-E主要優(yōu)勢就是數(shù)據(jù)傳輸率高，達到遠超PCI總線的傳輸速率，PCI-E3.0規(guī)范最高傳輸速度可達32GB/S；其優(yōu)勢二是與PCI總線共享并行結(jié)構(gòu)相比，PCI-E總線是一種點對點串行連接的設(shè)備連接方式，即每一個PCI-E設(shè)備都擁有自己獨立的數(shù)據(jù)連接，各個設(shè)備之間并發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸互不影響，克服PCI總線上掛接的設(shè)備增多，每個設(shè)備的實際傳輸速率就會下降的問題；優(yōu)勢三為PCI-E設(shè)備具有支持熱拔插以及熱交換等特性。思考與訓練一、 單項選擇題1?計算機之所以能夠按照人的意圖自動運行，主要是因為計算機具有 特性。A.運算速度快 B.精度高 C.程序存儲和程序控制 D.記憶能力計算機內(nèi)部是以 形式來傳送、存儲、加工處理數(shù)據(jù)或指令的。A.二進制碼 B.拼音簡碼 C.八進制碼 D.五筆字型碼3?計算機的內(nèi)存儲器的容量是指 的容量。A.RAM B.ROM C.ROM和RAM D.硬盤和控制器4?小區(qū)物業(yè)管理系統(tǒng)屬于 。A.文字處理軟件 B.系統(tǒng)軟件 C.應用軟件 D.工具軟件5?—個完整的計算機系統(tǒng)通常應包括 。A.系統(tǒng)軟件和應用軟件 B.計算機及其外部設(shè)備C.硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng) D.系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件6?微型計算機的硬件系統(tǒng)通常是由控制器、 等幾部分組成。A.UPS、存儲器和I/O設(shè)備 B.運算器。存儲器和UPSC.運算器、存儲器和I/O設(shè)備 D.運算器。存儲器顯示器的一項性能指標為0.24，它指的是A.分辨率B.點間距C.灰度級 D.掃描頻率TOC\o"1-5"\h\zCPU中除了運算器和控制器兩大部分外，還有臨時存儲單元 —。A.內(nèi)存儲器 B.高速緩沖存儲器 C.寄存器 D.輔助存儲器CPU不能直接訪問的存儲器是 。A.ROM B.硬盤 C.RAM D.Cache10?斷電后存儲器內(nèi)容丟失的存儲器是 。A.RAM B.ROM C.硬盤 D.U盤11?內(nèi)存儲器的存儲單元的數(shù)目的多少取決于 。A.字長 B.地址總線的寬度 C.數(shù)據(jù)總線的寬度D.字節(jié)數(shù)12?下列存儲器中，存取周期最短的是 。A.內(nèi)存儲器B.光盤存儲器 C.硬盤存儲器 D.軟盤存儲器13.使用動態(tài)存儲器的存儲電路必須有 。A.數(shù)據(jù)B.地址C.校驗電路 D.刷新電路14?在下列設(shè)備中，屬于輸出設(shè)備的是 。A.鍵盤 B.數(shù)字掃描儀 C.打印機 D.鼠標15.一下關(guān)于系統(tǒng)總線的敘述，正確的是 。A.數(shù)據(jù)總線是雙向的，地址總線是單向的B.數(shù)據(jù)總線是單向的，控制總線每一根是單向的C.控制總線和地址總線都是雙向的 D.地址總線是雙向的，控制總線每一根是單向的二、 填空題1?按馮.諾依曼原則，電子計算機硬件應由控制器、運算器、 、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五大部件組成。2?計算機好