2.2计算机系统的组成（课件）《信息技术》（电子工业出版社）

第二章 信息技术导论（第3版） 计算机基础知识 1 02 计算机系统的组成 2 一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成，如图2.6所示。硬件包括组成计算机的电子、机械、磁或光的元器件或装置，是计算机系统的物质基础。软件以硬件为基础，是在硬件系统上运行的各类程序、数据及有关资料的总称，是实现不同需求的应用。如果说硬件是计算机的躯体，那么软件可以称为计算机的血液和灵魂。然而，计算机并非是硬件和软件的简单搭配，它们还要根据一定的原理协同工作，确保整个计算机系统的兼容和稳定，从而发挥系统的最佳性能。 3 概述 01 运算器 运算器由算术逻辑单元（Arithmetic-LogicUnit,ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成，其结构如图2.7所示，其核心是算术逻辑单元。 4 概述 02 控制器 控制器主要由指令寄存器（InstructionRegister,IR）＞指令译码器（Instructiondecoder,ID）、程序计数器（ProgramCounter,PC）、时序产生器和操作控制器等部件组成。其主要功能是从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号；启动规定的动作，指挥并控制CPU、内存和输入、输出设备之间数据流动的方向。 5 （3）存储器 存储器主要用来存放各类程序和数据信息，分为内存储器（简称内存或主存储器）和外存储器（简称外存或辅助存储器）。内存储器主要采用半导体 集成电路制成，用于暂时存放系统中运行的程序和数据，其 存取速率相对较快，但存储容量较小。外存一般釆用磁性介 质或光学材料制成，用于长期保存各种数据，特点是存储容 量大，但存储速度较慢。计算机上的常用外部存储器主要有 硬盘、光盘和U盘等，如图2.8所示。 概述 6 （3）存储器 关于存储器，常用到以下一些术语。 1）位。二进制数所表示的数据的最小单位，就是二进制的1位数，简称位（bit）。 2）字节。8bit称为1字节（Byte,简写为B）,是计算机中的最小存储单元。 3）字长。若干字节组成一个字（Word）,其位数称为字长。字长是计算机能直接处理的二进制数的数据位数，直接影响到计算机的功能、用途及应用领域。常见的字长有8位、16位、32位、64位等。 4）字节、字的位编号。 概述 7 （3）存储器 5）关于存储单位。计算机的存储器（包括内存与外存）容量及文件的大小通常以多少字节（B）为单位表示。 6）内存地址。内存地址是计算机存储单元的编号。计算机的整个内存被划分成若干存储单元以存放数据或程序代码，每个存储单元可存放8位二进制数。为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元必须有唯一的编号来标志，这个编号称为内存地址。 概述 8 概述 (4)输入设备 输入设备是变换输入形式的部件，将通过各种输入设备输入的信息形式变换成计算机能接收并识别的信息形式。目前常用的输入设备有键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、游戏杆、语音输入装置等。 9 概述 (5)输出设备 输出设备将计算机处理后的结果信息，转换成人们能够识别和使用的数字、文字、图形、声音、电压等信息形式。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、音响设备和投影仪等。需要说明的是，有些设备既可以作为输入设备，又可以作为输出设备，如硬盘、触摸屏等。 10 计算机的基本工作原理 01 指令和指令系统 (1)指令和指令系统 指令(Instruction)是一组计算机能识别并执行的各种基本操作命令。一条指令通常由两部分组成：前一部分是操作码，后一部分是操作数。操作码指明该指令要完成的操作，如加、减、乘、除等；操作数是指参加运算的数据或者数据所在的地址。 指令系统(InstructionSystem)是一台计算机的所有指令的集合，反映了计算机的基本功能。不同的计算机，其指令系统也不尽相同。 程序是为解决某一问题而选用的一组有序指令的集合，程序具有目的性、分步性、有限性、有序性、分支性等特性。 11 计算机的基本工作原理 02 计算机的基本工作原理 (2)计算机的基本工作原理 计算机的基本工作原理是存储程序和进行程序控制。预先把操作的指令序列(程序)和原始数据输入到计算机的内存储器中。每条指令明确规定计算机从哪个地址取数，进行什么操作，然后送到什么地方等。计算机在运行时，先从内存储器中 取出第1条指令，通过控制器的译码器接受指令的要求， 再从内存储器中取出数据进行指定的运算和逻辑操作等， 然后再按地址把结果送到内存储器中去。接下来，取出 第2条指令，在控制器的指挥下完成规定操作，依此进行 下去，直到遇到停止指令。其原理如图2.9所示。 12 计算机软件 01 系统软件 系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备，以支持应用软件开发和运行，不需用户干预的各种程序的集合。其主要功能包括：调度、监控和维护计算机系统；负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作。系统软件使计算机使用者不需了解底层每个硬件是如何工作的，并将计算机看成一个整体。 系统软件主要包括：操作系统（如Windows、UNIX、Linux等）、各种计算机程序设计语言以及相应的编译程序、解释程序、连接程序、系统服务性程序（如机器的调试、诊断、故障检查程序等），以及数据库管理系统和网络通信软件等。 13 计算机软件 01 系统软件 （1）操作系统 操作系统是系统软件中最基础的部分，是用户与硬件之间的接口，其作用是让用户能够更为方便地使用计算机，从而提高计算机的利用率。计算机中的所有其他软件都必须运行在操作系统所构建的软件平台之上。 操作系统具备处理器管理、文件管理、存储管理、作业管理和设备管理等5大功能。 1）处理器管理：主要解决处理器的使用和分配问题。提高处理器的利用率，采用多道程序技术，使处理器的资源得到最充分地利用。 14 计算机软件 01 系统软件 2）文件管理：为用户提供一种简单、方便、统一的存储和管理信息的方法。 3）存储管理：由操作系统统一管理存储器，釆取合理的分配策略，提高存储器的利用率。存储管理特指对主存储器进行的管理。 4）作业管理：作业是交给计算机运行的用户程序，是一个独立的计算任务或事务处理。作业管理就是对作业进入、作业后备、作业执行和作业完成四个阶段进行宏观控制，并为其每一个阶段提供必要的服务。 5）设备管理：为了有效地利用设备资源，同时为用户程序使用设备提供最大的方便，操作系统对系统中所有的设备进行统一调度、统一管理。 15 计算机软件 01 系统软件 根据用途不同、设计目标、主要功能和使用环境，操作系统可分为5类：分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统和嵌入式操作系统。 （1）分时操作系统：将系统处理机时间与内存空间按一定的时间间隔，轮流切换给各终端用户的程序使用。 （2）实时操作系统：指使计算机能及时响应外部事件的请求，并在规定的严格时间内完成对该事件的处理，控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作的操作系统。 （3）网络操作系统(NetworkofSystem,NOS)：基于计算机网络在各种计算机操作系统上按网络体系结构协议标准开发的软件，包括网络管理、通信、安全、资源共享和各种网络应用。 16 计算机软件 01 系统软件 （4）分布式操作系统：为分布计算系统配置的操作系统，大量的计算机通过网络被连接在一起，可以获得极高的运算能力及广泛的数据共享。分布式操作系统负责管理分布式处理系统资源和控制分布式程序运行，与集中式操作系统的区别在于资源管理、进程通信和系统结构等方面。 （5）嵌入式操作系统(EmbeddedOperatingSystem,EOS)是指用于嵌入式系统的操作系统。嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。 17 计算机软件 01 系统软件 下面介绍几种常见的操作系统。 DOS(DiskOperatingSystem,磁盘操作系统，原始的操作系统)。 Windows系统(最普遍最常用的操作系统)。 MacOS操作系统(界面最漂亮的操作系统)。 UNIX系统(迷人的小企鹅)。 Linux是当今计算机界一个耀眼的名字，是目前全球最大的一个开源免费软件，是一个功能可与UNIX和Windows相媲美的操作系统，具有完备的网络功能，与UNIX非常相似。 Android操作系统。Android一词的本义指"机器人”，也是Google于2007年11月宣布的基于Linux平台的开源手机操作系统的名称。 18 计算机软件 01 系统软件 (2)计算机语言 人和计算机之间的通信要通过某种特定的语言，这种特定的语言称为计算机语言，也称为程序设计语言(ProgrammingDesignLanguage),是程序设计的工具，是人与计算机交流信息的语言。 1）机器语言。机器语言是一种用二进制代码表示机器指令的语言，是一种面向机器的语言，是计算机硬件唯一可以识别和直接执行的语言。 2）汇编语言。汇编语言是指用反映指令功能的助记符来代替难懂、难记的机器指令的语言。 3）高级语言。在20世纪50年代中期，随着世界上第一个高级语言的出现，新的编程语言不断涌现，各具特色，各有优势。 19 计算机软件 01 系统软件 （3）解释、编译和连接程序 用高级语言编写的程序，计算机不能直接执行，必须经过翻译，将高级语言写的程序（称为“源程序”）翻译成机器语言程序（称为“目标程序”），然后连接，计算机才能执行。这种翻译过程一般有两种方式：解释方式和编译方式。 解释方式是用专门的解释程序将高级语言编写的源程序逐句地翻译成机器语言表示的目标程序，译出一句执行一句，即边解释边执行，并不生成新的文件。完成此功能的程序叫解释程序。解释方式灵活、便于查找错误、占用内存少，但效率低、花费时间长、速度慢。 编译方式是将高级语言编写的源程序全部翻译成机器语言表示的目标程序，然后再执行的方式，完成此功能的程序叫编译程序。一般来说，编译方式执行速度快，但占用内存多。 20 计算机软件 01 系统软件 把目标程序及所需的功能库等转换成一个可执行的程序，完成此功能的程序叫连接程序。从源程序的输入，经过汇编、连接到可执行程序的过程如图2.11所示。 21 计算机软件 01 系统软件 （4）系统服务程序 系统服务（SystemServices）是指执行指定系统功能的程序、例程或进程，以便支持其他程序，尤其是低层（接近硬件）程序。 （5）数据库管理系统 随着社会的飞速发展，大量的数据需要计算机进行处理，这类数据的特点是数据量大，计算不复杂，数据处理主要包括数据的存储、查询、修改、排序、统计等。数据库（DataBase）是按照数据结构组织、存储和管理数据的仓库。数据库技术是主要针对大量数据的处理，至今仍在不断发展中。数据库系统是由硬件、软件(操作系统、数据库管理系统和编译系统等)、数据库和用户构成的完整的计算机应用系统。 22 2.应用软件 应用软件是为满足不同领域、不同问题的应用需求而提供的应用程序及有关资料的总称。它可以拓宽计算机系统的应用领域，放大硬件的功能。计算机之所以能以迅猛的速度渗透到人们的日常生活和工作中，最根本的原因在于计算机能够运行各种各样解决各类问题的应用软件。可以说，应用软件质量的好坏，直接关系到计算机的应用范围和实际功能。 目前，按照应用软件用途的不同，大致可以将其分为以下几种。 ①图形图像处理软件：针对各种形式的图形、图像进行各种处理包括图像修补、变形等，如Photoshop、FireworksIllustrator等。 计算机软件 23 2.应用软件 ②电子表格软件：进行简单的数据表格处理，绘制各种数据图表，如Excel等。 ③文字处理软件：进行文字格式设定、编辑，如Word等。 ④电子排版软件：完成复杂的文字和图形的版式编排工作，如PageMaker、InDesign等。 ⑤三维动画软件：目前很多动画片都是利用三维动画软件完成的，如3dsMAX、Maya等。 ⑥计算机辅助制作软件：完成建筑、模型的效果生成图，如AutoCAD、天正CAD等。 ⑦计算机安全类软件：监测、监控计算机，并防范或消除病毒、恶意程序等破坏性软件,如360安全卫士、瑞星杀毒、Windows清理助手等。 计算机软件 24 感谢观看 信息技术导论（第3版） 25 $$