《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成新》課件

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是現(xiàn)代信息社會(huì)的基礎(chǔ)，深刻影響著我們的生活和工作。了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成能夠幫助我們更好地理解計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理，并為軟件開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)維護(hù)等提供理論基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概念硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分，包括CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備等。軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件部分，包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等，負(fù)責(zé)管理硬件資源并提供用戶(hù)界面。人機(jī)交互系統(tǒng)用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)信息輸入和輸出。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有物理設(shè)備的集合。這些設(shè)備共同協(xié)作，完成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種功能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件組成通常包括中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備和總線(xiàn)系統(tǒng)。中央處理器CPU中央處理器(CPU)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、控制數(shù)據(jù)流和處理信息。CPU是一個(gè)復(fù)雜的集成電路，包含運(yùn)算器、控制器、寄存器和高速緩存等部件。CPU的主要功能11.指令控制CPU獲取指令、分析指令、執(zhí)行指令。22.數(shù)據(jù)處理CPU進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算。33.數(shù)據(jù)傳輸CPU將數(shù)據(jù)從內(nèi)存、外設(shè)等傳輸?shù)狡渌胤健?4.狀態(tài)管理CPU管理系統(tǒng)狀態(tài)、處理中斷、控制其他硬件。CPU的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程1指令獲取CPU從內(nèi)存中獲取指令。指令由操作碼和操作數(shù)構(gòu)成。2指令譯碼CPU將指令譯碼為機(jī)器可以理解的指令格式，并準(zhǔn)備相關(guān)操作數(shù)。3指令執(zhí)行CPU根據(jù)指令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作，例如數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸、控制流程等。存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中必不可少的組成部分，用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器系統(tǒng)分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器，兩者協(xié)同工作以滿(mǎn)足不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。存儲(chǔ)器的分類(lèi)按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi)存儲(chǔ)器根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的不同，可分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)器。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，如內(nèi)存，速度快，成本高；磁存儲(chǔ)器，如硬盤(pán)，速度慢，成本低。按訪(fǎng)問(wèn)方式分類(lèi)存儲(chǔ)器根據(jù)訪(fǎng)問(wèn)方式的不同，可分為隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。RAM可以隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)，速度快，但斷電后數(shù)據(jù)丟失；ROM只能順序訪(fǎng)問(wèn)，速度慢，但斷電后數(shù)據(jù)不丟失。主存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)RAM是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)的主存儲(chǔ)器。它具有高速、隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)可以從任何位置直接讀取或?qū)懭?。?nèi)存條內(nèi)存條是構(gòu)成RAM的物理實(shí)體，由多個(gè)存儲(chǔ)芯片組成。它通過(guò)插槽連接到主板上，并與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)芯片是內(nèi)存條的最小單元，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令。每個(gè)芯片具有特定的存儲(chǔ)容量和速度，共同構(gòu)成RAM的整體性能。輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)設(shè)備，通常被稱(chēng)為外存儲(chǔ)器。主要用于存儲(chǔ)當(dāng)前不需要但將來(lái)可能需要使用的數(shù)據(jù)，例如操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和用戶(hù)文件等。它比主存儲(chǔ)器容量更大、成本更低，但訪(fǎng)問(wèn)速度也更慢。輸入輸出系統(tǒng)輸入設(shè)備鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀等設(shè)備可以將外部信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的形式，供計(jì)算機(jī)使用。輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、音箱等設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人可以理解的形式，顯示給用戶(hù)。數(shù)據(jù)傳輸輸入輸出設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)總線(xiàn)完成的，總線(xiàn)是連接各種設(shè)備的公共通道。輸入設(shè)備鍵盤(pán)鍵盤(pán)是用于向計(jì)算機(jī)輸入文本、指令和控制命令的設(shè)備。常見(jiàn)的鍵盤(pán)類(lèi)型包括標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)、筆記本鍵盤(pán)和游戲鍵盤(pán)。鼠標(biāo)鼠標(biāo)是一種用于控制計(jì)算機(jī)光標(biāo)的輸入設(shè)備。常用的鼠標(biāo)類(lèi)型包括機(jī)械鼠標(biāo)、光學(xué)鼠標(biāo)和激光鼠標(biāo)。觸摸屏觸摸屏是一種支持用戶(hù)用手指或觸控筆直接在屏幕上進(jìn)行交互的輸入設(shè)備。掃描儀掃描儀是一種用于將圖像或文檔轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的輸入設(shè)備。輸出設(shè)備顯示器將計(jì)算機(jī)處理后的信息轉(zhuǎn)換成視覺(jué)圖像，呈現(xiàn)給用戶(hù)?，F(xiàn)代顯示器種類(lèi)繁多，如液晶顯示器（LCD）和有機(jī)發(fā)光二極管顯示器（OLED）。打印機(jī)將計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化的紙質(zhì)文檔，包括激光打印機(jī)、噴墨打印機(jī)和針式打印機(jī)。音響系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)處理后的音頻信息轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)，通過(guò)揚(yáng)聲器輸出，為用戶(hù)提供聲音反饋。其他輸出設(shè)備例如投影儀、繪圖儀、觸覺(jué)反饋設(shè)備等，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供不同的輸出功能?？偩€(xiàn)系統(tǒng)總線(xiàn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件之間傳輸信息的公共通道。它相當(dāng)于信息傳輸?shù)摹案咚俟贰?，連接著CPU、內(nèi)存、外設(shè)等主要組件?？偩€(xiàn)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)在不同部件之間傳遞數(shù)據(jù)、控制信號(hào)和地址信息?？偩€(xiàn)的類(lèi)型可以分為系統(tǒng)總線(xiàn)、內(nèi)部總線(xiàn)和外部總線(xiàn)，每種總線(xiàn)都有其特定的功能和特點(diǎn)?？偩€(xiàn)的概念和分類(lèi)總線(xiàn)概念總線(xiàn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件之間傳輸信息的重要通道。總線(xiàn)分類(lèi)總線(xiàn)可分為地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)，分別傳輸?shù)刂沸畔ⅰ?shù)據(jù)信息和控制信號(hào)。總線(xiàn)類(lèi)型總線(xiàn)類(lèi)型包括串行總線(xiàn)、并行總線(xiàn)和內(nèi)部總線(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸方式和應(yīng)用場(chǎng)景?？偩€(xiàn)的工作過(guò)程1請(qǐng)求CPU發(fā)出請(qǐng)求2尋址定位目標(biāo)地址3傳輸數(shù)據(jù)在總線(xiàn)上流動(dòng)4應(yīng)答接收數(shù)據(jù)確認(rèn)總線(xiàn)工作過(guò)程包含四個(gè)步驟：請(qǐng)求、尋址、傳輸、應(yīng)答。CPU首先發(fā)出請(qǐng)求，然后通過(guò)總線(xiàn)尋址目標(biāo)地址，接著傳輸數(shù)據(jù)。最后，接收目標(biāo)地址的應(yīng)答信號(hào)確認(rèn)數(shù)據(jù)成功傳輸。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不可或缺的一部分，它為用戶(hù)提供操作和使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口，并管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類(lèi)。系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件概念系統(tǒng)軟件是控制和管理計(jì)算機(jī)硬件資源的軟件，為用戶(hù)提供運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)軟件位于應(yīng)用軟件和硬件之間，充當(dāng)橋梁，管理和調(diào)度計(jì)算機(jī)資源。系統(tǒng)軟件類(lèi)型操作系統(tǒng)語(yǔ)言處理程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)工具應(yīng)用軟件滿(mǎn)足特定需求應(yīng)用軟件針對(duì)用戶(hù)特定需求，提供各種功能，比如辦公、娛樂(lè)、設(shè)計(jì)等。用戶(hù)界面友好應(yīng)用軟件提供圖形界面或命令行界面，讓用戶(hù)方便地操作。種類(lèi)繁多應(yīng)用軟件涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括辦公軟件、游戲軟件、多媒體軟件、網(wǎng)絡(luò)軟件等等。操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的系統(tǒng)軟件，它負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件資源和軟件資源，為用戶(hù)提供一個(gè)友好的使用環(huán)境。操作系統(tǒng)的核心功能操作系統(tǒng)主要功能包括進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件管理、設(shè)備管理等，這些功能共同保證了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)高效穩(wěn)定地運(yùn)行。操作系統(tǒng)分類(lèi)操作系統(tǒng)可以分為單用戶(hù)單任務(wù)操作系統(tǒng)、單用戶(hù)多任務(wù)操作系統(tǒng)、多用戶(hù)多任務(wù)操作系統(tǒng)等，它們的功能和應(yīng)用范圍各不相同。操作系統(tǒng)的功能管理系統(tǒng)資源操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件資源，例如CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)器和外設(shè)，以確保它們能夠有效地被應(yīng)用程序使用。提供用戶(hù)界面操作系統(tǒng)為用戶(hù)提供與計(jì)算機(jī)交互的界面，例如命令行界面或圖形用戶(hù)界面，便于用戶(hù)操作計(jì)算機(jī)。管理程序運(yùn)行操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)加載、運(yùn)行、管理和終止應(yīng)用程序，確保應(yīng)用程序能夠正常運(yùn)行。保護(hù)系統(tǒng)安全操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)系統(tǒng)安全，防止惡意程序或用戶(hù)錯(cuò)誤操作造成系統(tǒng)崩潰或數(shù)據(jù)丟失。進(jìn)程管理創(chuàng)建和撤銷(xiāo)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)創(chuàng)建新進(jìn)程和撤銷(xiāo)不再需要的進(jìn)程，確保系統(tǒng)資源的合理分配。調(diào)度操作系統(tǒng)根據(jù)策略選擇運(yùn)行的進(jìn)程，并分配CPU時(shí)間，提高系統(tǒng)效率。同步和通信操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程之間的協(xié)同工作，處理共享資源訪(fǎng)問(wèn)沖突和信息交換。進(jìn)程間通信操作系統(tǒng)提供了機(jī)制，使不同進(jìn)程之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。內(nèi)存管理內(nèi)存分配內(nèi)存管理中一項(xiàng)重要任務(wù)，為程序分配所需的內(nèi)存空間。根據(jù)不同需求，采取不同的內(nèi)存分配策略，如靜態(tài)分配、動(dòng)態(tài)分配等。內(nèi)存保護(hù)防止不同程序之間相互干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。使用內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，例如地址空間隔離和訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限控制，來(lái)保護(hù)系統(tǒng)和應(yīng)用程序的安全。文件管理文件組織文件管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)組織和存儲(chǔ)文件，提供目錄結(jié)構(gòu)和文件命名規(guī)則，方便用戶(hù)管理和訪(fǎng)問(wèn)文件。權(quán)限控制文件管理系統(tǒng)可以設(shè)置不同用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，保護(hù)文件安全，防止未經(jīng)授權(quán)的訪(fǎng)問(wèn)。數(shù)據(jù)備份文件管理系統(tǒng)支持文件備份和恢復(fù)功能，保護(hù)數(shù)據(jù)安全，防止數(shù)據(jù)丟失。文件共享文件管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)文件共享，允許多個(gè)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)和修改同一個(gè)文件。設(shè)備管理1管理策略設(shè)備管理策略包括設(shè)備分配、設(shè)備共享、設(shè)備安全等方面。操作系統(tǒng)需要合理管理設(shè)備，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。2資源分配設(shè)備管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配設(shè)備，并為每個(gè)設(shè)備分配唯一的標(biāo)識(shí)符，以便系統(tǒng)識(shí)別和管理。3數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，例如從磁盤(pán)讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存，或從內(nèi)存寫(xiě)入數(shù)據(jù)到硬盤(pán)。4出錯(cuò)處理設(shè)備在工作過(guò)程中可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，設(shè)備管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理這些錯(cuò)誤，并確保數(shù)據(jù)完整性。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和工作方式，包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)以及它們之間的相互關(guān)系。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的藍(lán)圖，決定了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、性能、成本以及可擴(kuò)展性等重要因素。不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有不同的體系結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的體系結(jié)構(gòu)包括馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)等。這些體系結(jié)構(gòu)在指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理方式以及硬件結(jié)構(gòu)等方面存在差異。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展歷程第一代計(jì)算機(jī)1946年，第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生，采用電子管作為主要元件，體積龐大，速度慢，功耗高。第二代計(jì)算機(jī)1955年，晶體管計(jì)算機(jī)問(wèn)世，體積更小，速度更快，功耗更低，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。第三代計(jì)算機(jī)1964年，集成電路計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，將多個(gè)晶體管集成在一個(gè)芯片上，體積進(jìn)一步縮小，速度更快，功能更強(qiáng)大。第四代計(jì)算機(jī)1971年，微處理器問(wèn)世，將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)進(jìn)入微型化時(shí)代，并逐漸普及。第五代計(jì)算機(jī)當(dāng)前，人工智能、云計(jì)算等新技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)著計(jì)算機(jī)系