第四节计算机系统的组成

第四节计算机系统的组成一、计算机系统组成一个完整的计算机系统通常是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。（一）硬件（hardware）硬件是指计算机的物理设备，包括主机及其外部设备。具体地说，硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。①存储器。存储器是计算机用来存放程序和原始数据及运算的中间结果和最后结果的记忆部件。②运算器。运算器对二进制数码进行算术或逻辑运算。③控制器。控制器是计算机的“神经中枢”。它指挥计算机各部件按照指令功能的要求自动协调地进行所需的各种操作。④输入/输出设备（简称I/O设备）。计算机和外界进行联系业务要通过输入输出设备才能实现。输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转换成计算机所能识别的形式（二进制）存放到内存中。输出设备的主要功能是把计算机处理的结果转变为人们能接受的形式，如数字、字母、符号或图形。（二）软件（software）软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。包括计算机本身运行所需的系统软件和用户完成特定任务所需的应用软件。二、计算机工作原理（一）冯·诺依曼设计思想计算机问世５０年来，虽然现在的计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与当时的计算机有很大的差别，但基本体系结构没有变，都属于冯·诺依曼计算机。冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点：①计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。②计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中，操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器的位置。③将编好的程序和原始数据送入内存储器中，然后启动计算机工作，计算机应在不需操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令和执行任务。冯·诺依曼设计思想最重要之处在于他明确地提出了“程序存储”的概念。他的全部设计思想，实际上是对“程序存储”要领的具体化。（二）计算机基本结构图（图中实线为数据流，虚线为控制流），我们可以更好地理解“存储程序”和“程序控制”。输入设备在控制器控制下输入解题程序和原始数据，控制器从存储器中依次读出程序的一条条指令，经过译码分析，发出一系列操作信号以指挥运算器、存储器等到部件完成所规定的操作功能，最后由控制器命令输出设备以适当方式输出最后结果。这一切工作都是由控制器控制、而控制器赖以控制的主要依据则是存放于存储器中的程序。人们常说，现代计算机采用的是存储程序控制方式，就是这个意思。（三）计算机的工作过程计算机的工作过程，就是执行程序的过程。怎样组织存储程序，涉及到计算机体系结构问题。现在的计算机都是基于“程序存储”概念设计制造出来的。了解了“程序存储”，再去理解计算机工作过程变得十分容易。如果想叫计算机工作，就得先把程序编出来，然后通过输入设备送到存储器保存起来，即程序存储。下面就是执行程序的问题。根据冯·诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序又归结为逐条执行指令。执行一条指令又可分为以下4个基本操作：①取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存。②分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的微操作。③执行指令：根据指令译码，向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的各种操作。④为执行下一条指令作好准备，即取出下一条指令地址。三、计算机硬件系统（一）运算器运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，它的任务是对信息进行加工处理。运算器由算术逻辑单元、累加器、状态寄存器和通用寄存器组等组成。算术逻辑单元是用于完成加、减、乘、除等算术运算，与、或、非等逻辑运算及移位、求补等操作的部件。累加器用于暂存操作数和运算结果。状态寄存器也称为标志寄存器，用于存放算术逻辑单元在工作中产生的状态信息。通用寄存器组是一组寄存器，运算时用于暂存操作数或数据地址。算术逻辑单元、累加器和通用寄存器的位数决定了CPU的字长，字长通常和算术逻辑单元、累加器和通用寄存器的长度是一致的。例如在32位字长的CPU中，算术逻辑单元、累加器和通用寄存器都是32位的。（二）控制器控制器是计算机的神经中枢。它按照主频的节拍产生各种控制信号，以指挥整机工作，即决定在什么时间、根据什么条件执行什么动作，使整个计算机能够有条不紊自动执行程序。控制器要从内存中按顺序取出各条指令。每取出一条指令，就分析这条指令，然后根据指令的功能向各部件发出控制命令，控制它们执行这条指令中规定的任务。当各部件执行完控制器发出的命令之后，都会发出对执行情况的“反馈信息”。当控制器得知一条执行完后，会自动顺序取出下一条要执行的命令，重复上面的工作过程，只不过对不同的指令发出不同的控制命令而已。例如，现在控制器取出程序中的第一条指令，经控制识别出这是一条加法指令，于是它发出如下控制命令序列到各部件中去：①向内存发出取数命令，按指令所指出的地址取出加数。②把取出的加数送到运算器中，和原来已取出来暂时存在运算器中的被加数进行加法运算。③向内存发出存数命令，并送去准备存数的地址，把结果存到内存中指定的单元。上面用文字描述的命令，在计算机中都是由控制器发出的电信号实现的。（三）存储器计算机的工作过程就是在程序的控制下对数据信息进行加工处理的过程。因此，计算机中必须有存放程序和数据的部件，这个部件就是存储器。存储器的主要功能是保存信息。它的作用类似一台录音机。使用时可以取出原记录内容而不破坏其信息，这种取数操作称为存储器的“读”。也可以把原来保存的内容抹去，重新记录新的内容，这种存数操作称为存储器的“写”。根据作用上的不同，存储器分为两大类：内存储器和外存储器。1.内存储器内存用来存放当前正在使用的或者随时要使用的程序或数据。计算机运算之前，程序和数据通过输入设备送入内存。运算开始后，内存不仅要为其他部件提供必需的信息，也要保存运算的中间结果及最后结果。总之，它要和各个部件直接打交道，进行数据传送。因此为了提高计算机的运算速度，要求内存能进行快速的存数和取数操作。对于内存，CPU直接对它进行访问。目前，计算机和微型计算机内部使用的都是半导体存储器。①地址。内存由许多存储单元组成，每一个存储单元可以存放若干位数据代码，该代码可以是指令，也可以是数据。为区分不同的存储单元，所有存储单元均按一定的顺序编号，称为地址编码，简称地址。当计算机要把一个信息代码存入某存储单元中或从某存储单元中取出时，首先要告诉该存储单元的地址，然后由存储器查找与该地址对应的存储单元，查到以后才能进行数据的存取。这种情形和我们在一幢大楼里找人时一样，要按照他的住址或房间号寻找。②存储容量。存储容量是描述计算机存储能力的指标。它通常以KB、MB为单位（1KB=1024B=210B，1MB=1024KB=220B），例如内存为64MB的微型计算机的实际内存容量为64×1024×1024=67108864字节。更大的容量单位是GB(千兆字节)。显然，存储容量越大，能够存储的信息越多。③ROM和RAM。按照存取方式，存储器可分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两类。随机存储器实际上是是指可读、可写的存储器，这类存储器的缺点是断电后存储的信息就会消失，属于易失存储器。它常用来存放正在执行的程序或程序所使用的数据、运算结果等。只读存储器存储的信息只能读(取出)，不能改写(存入)。断电后信息也不会丢失，可靠性高。常用于存放系统程序或使用频率较高的程序。2.外存储器由于价格和技术方面的原因，内存的存储容量受到限制。为了满足存储大量的信息，就需要采用价格便宜的辅助存储器，又称外存。常用的外存储器有磁带存储器、磁盘存储器、光盘存储器等。外存用来存放“暂时不用”的程序或数据。外存容量要比内存大得多，但它存取信息的速度要比内存慢。通常外存不与计算机内其他装置交换数据，只与内存交换数据，而且不是按单个数据进行存取，而是以成批数据进行交换。外存与内存有许多不同之处。一是外存不怕停电，磁盘上的信息可保存数年之久。二是外存的容量不像内存那样受多种限制，可以很大，如磁盘的容量有10GB、40GB等，光盘容量则更大。三是外存价格也较便宜。由于外存储器设置在计算机外部，所以也可归属计算机外部设备。⑴软磁盘软磁盘是一种涂有磁性物质的聚酯塑料薄膜圆盘，在两个表面涂有磁性材料。由于盘片质地柔软，故称为软盘。为保护软盘不被沾污和磨损，把它封装在一个方形的保护套中，构成一个整体。在微机中使用的软盘按其尺寸可以分为5.25英寸软盘和3.5英寸软盘两种，现将软盘的主要部分的名称及功能说明如下。金属挡板：用于保护读写窗口。当软盘插入驱动器中工作时，此板被移开，露出读写窗口，以便读写数据。写保护口：3.5英寸软盘的写保护口在磁盘背面，窗口中有一可移动的滑块，若移动滑块使窗口透光，则磁盘处于写保护状态，此时只能读出，不能写。当移动滑块使窗口封闭不透光时，就可以对磁盘进行读写操作。外壳：3.5英寸软盘采用硬质塑料外壳，保护盘片不会弯曲变形。信息在磁盘上是按磁道和扇区来存放的。磁道：以盘片中心为同心圆，每一圆周为磁道。虽然各磁道的周长不同，但存储容量相同。数据存储在磁道内。不同规格的软盘，其磁道数不同，通常为40或80。它们由外向内编号，即高密度盘片为0～79道，低密度盘为0～39。扇区：每个磁道上划分成若个相等的区域，每个区域称为扇区。一般每个磁道上的扇区数有9、15、18或36，扇区编号从1号开始。每扇区容量为512字节。一个软盘的存储容量可由下面的公式求出：软盘总容量=磁道数×扇区数×磁盘面数×扇区字节数(512B)例：一个双面高密度的3.5英寸软盘的存储容量（80个磁道，每磁道18个扇区）：80×18×2×512=1440×1024B=1440KB≈1.44MB⑵硬磁盘硬磁盘是由质地较硬的铝合金圆盘组成，表面涂上磁膜构成。每个硬盘都由若干个磁性盘片组成，密封在一个金属腔体。硬盘按盘径大小可分为5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸等数种。现在3.5英寸硬盘使用的多。硬盘尺寸小型化是硬盘的发展方向。与软磁盘相比，硬磁盘具有存储容量大、存取速度快等优点。随着磁盘记录技术的迅速发展，硬磁盘的存储容量、平均寻道时间和数据传输率等主要技术性能指标均得到了大幅度提高。硬盘的首要性能指标是容量。一个硬盘一般由多个盘片组成，盘片的每一面都有一个读、写磁头。硬盘使用时要对盘片格式化，划分成若干磁道，我们称不同盘片对应磁道形成的同心圆柱面为柱面，每个磁道再划分为若干扇区。硬盘容量的计算公式为：硬盘容量＝512×磁头数×柱面数×每磁道扇区数例：一个硬盘由4个盘片组成，一个盘片有306个磁道，每磁道17扇区，则此硬盘的容量为：512×8×306×17=21307192=20（MB）常见的硬盘存储容量有：20GB、40GB、1GB、4GB等多种。硬盘的另一个重要性能指标是存取速度。影响存取速度的因素有：平均寻道时间、数据传输率、盘片旋转速度以及缓冲存储器容量等。⑶光盘存储器光盘存储器是一种利用激光技术存储信息的装置。光盘存储器由光盘片和光盘驱动器构成。目前用于计算机系统的光盘可分为：只读型光盘(CD-ROM)、一次写入型光盘(WORM)和磁光盘(MO)。①只读型光盘CD-ROM。是由生产厂家预先写入数据或程序，出厂后用户只能读取，而不能写入、修改。信息是以一系列O和1存入CD盘的，在盘片上用平坦表面表示0，而用凹坑端部(即凹坑的前沿和后沿)表示l。光盘表面由一个保护涂层覆盖，使使用者无法触摸到数据的凹坑，这有助于盘片不被划伤、印上指纹和粘附其他杂物。CD-ROM有一个数据传输速率的指标，称为倍速。一倍速的数据传输速率是150Kbps，24倍速的数据传输速率是：24×150Kbps=3.6MB/s。CD-ROM的最大特点是存储容量大。一张4.72英寸(120mm)的CD光盘，其容量可达600MB。②一次写入型光盘WORM。这种光盘可由用户一次写入，多次读出，但必须在专用的光盘刻录机中进行。读盘的速度高于刻录的速度。用一次写入型光盘作计算机外存