1、第二讲 计算机系统,北京大学 信息科学技术学院,2018年9月22日,本讲内容,计算机是什么冯诺依曼模型个人计算机 硬件系统硬件系统概述主机箱内的部件基本输入输出设备通信设备外围设备,个人计算机 软件系统软件系统概述操作系统的地位操作系统的引导操作系统的功能,个人计算机系统,计算机是什么,计算机是什么,WikipediaA computer is a machine for manipulating data according to a list of instructions known as a program.计算机科学技术百科全书计算机是一种现代化的信息处理工具. 它对信息进行处理并
2、提供所需结果, 其结果(输出)取决于所接收的信息(输入)及相应的处理算法.,2018/9/22,北京大学,4,计算机是什么-模型,数据处理器可编程数据处理器,2018/9/22,北京大学,5,可编程数据处理器,程序相同，数据不同,2018/9/22,北京大学,6,可编程数据处理器,数据相同，程序不同,2018/9/22,北京大学,7,冯诺依曼模型,着眼于计算机的内部结构, 定义了处理过程4个子系统: 存储器,算术逻辑单元,控制单元, 输入/输出单元程序必须存储在存储器中程序由有限的指令组成, 指令顺序执行,2018/9/22,北京大学,8,计算机如何工作,计算机的工作可归纳为IPSOInput
3、 : 从输入设备读入信息Process (The 3 Cs)CalculateCompareCopyStorage : 将数据存放到内存或外存Output : 输出到输出设备,2018/9/22,北京大学,9,计算机的类型,按照性能和规模分类巨型机大型机中型机小型机工作站个人计算机台式 计算机笔记本/移动式/便携式 计算机个人数字处理（PDA）,进入90年代后,服务器,其中，性能极高的服务器，一般称为“超级服务器”,2018/9/22,北京大学,10,计算机系统的组成,计算机系统包括硬件系统软件系统系统软件操作系统其它系统软件应用软件,2018/9/22,北京大学,11,计算机硬件系统和软件系
4、统的层次关系,2018/9/22,北京大学,12,计算机硬件系统和软件系统的层次关系,2018/9/22,北京大学,13,计算机硬件系统,-从“冯诺依曼”结构出发-从计算机外观出发（由外而内）,2018/9/22,北京大学,15,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,存储器,运算器,控制器,输入设备,输出设备,CPU,Central Process Unit(中央处理器),2018/9/22,北京大学,16,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,存储器,CPU,输入设备,输出设备,2018/9/22,北京大学,17,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,适配器,CPU,输入设备,内
5、部存储器,适配器,输出设备,适配器,外部存储器,外围设备 通过插入适配器上的端口，和适配器连接在一起,2018/9/22,北京大学,18,适配器,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,CPU,输入设备,内部存储器,适配器,输出设备,适配器,外部存储器,如何将这些部件连接起来？,芯片组,2018/9/22,北京大学,19,适配器,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,CPU,输入设备,适配器,输出设备,适配器,外部存储器,如何将这些部件连接起来？,芯片组,总线(Bus),内部存储器,2018/9/22,北京大学,20,适配器,输出设备,适配器,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,存
6、在很多类型的总线；每一条总线一般会连接多个适配器；,CPU,输入设备,适配器,外部存储器,芯片组,内部存储器,每一个适配器通过插入总线上的插槽/插座，和总线连接在一起,“CPU”和“内部存储器”是2个例外：它们不需要通过适配器就能和总线连接;或者说：只有外围设备才需要通过适配器和总线相连,“CPU”和“内部存储器”是两个例外：它们不需要通过适配器就能和总线连接。或者说：只有外围设备才需要通过适配器和总线相连。,2018/9/22,21,芯片组,适配器,输入设备,适配器,输入设备,适配器,输入设备,适配器,输入设备,适配器,输出设备,适配器,输出设备,适配器,输出设备,适配器,输出设备,CPU,
7、适配器,适配器,外存,外存,适配器,适配器,外存,外存,内存,内存,硬件系统基本结构 从“冯诺依曼”结构出发,2018/9/22,北京大学,22,硬件系统基本结构 从计算机外观出发（由外而内）,主机(卧式机箱),显示器(CRT),键盘,鼠标,音箱,耳机,2018/9/22,北京大学,23,硬件系统基本结构 从计算机外观出发（由外而内）,主机(计算设备、存储设备),基本输入设备(键盘、鼠标),基本输出设备(显示器),通讯设备,其它外围设备,这里面是啥？,2018/9/22,北京大学,24,主机内的硬件设备,电源适配器CPU (Central Processing Unit)主存储器 (Main
8、Memory)/内部存储器外部存储器 (External Storage)外围设备适配器/控制器显示器适配器 (显卡)以太网适配器 (网卡)声音适配器 (声卡)鼠标适配器、键盘适配器 主板 (Mother Board, Main Board, System Board),2018/9/22,北京大学,25,外围设备适配器,CPU,主机内硬件系统的基本结构,主存储器(内存),外部存储器,主板,电源适配器,以太网适配器,显示器适配器,集线器,显示器,音响,麦克风,声音适配器,鼠标,键盘,主机,这里面是啥？,2018/9/22,北京大学,26,主板上的主要部件,总线 (Bus)前端总线 (Front
9、-Side Bus, FSB) 【CPU芯片组】内存总线 (Memory Bus)【内存芯片组】高速图形总线【显卡芯片组】PCI-E，AGP外部存储器总线【硬盘、光驱芯片组】SATA， IDE，SCSI低速设备总线(LPC) 【BIOS芯片组】【键盘适配器、鼠标适配器、软驱适配器、芯片组】通用型总线【其它外设适配器芯片组】USB (Universal Serial Bus)PCI，ISA内部总线 (Internal Bus) 【芯片组内部互联】接口：插槽 (Slot)，插座(Socket)，端口(Port)CPU插槽/座，内存插槽，PCI(-E)插槽，ISA插槽鼠标端口，键盘端口，USB端口芯
10、片组 (Chipset)北桥芯片 (North Bridge)：内存、显卡南桥芯片 (South Bridge)：其他设备BIOS (Basic Input/Output System),2018/9/22,北京大学,27,主板上硬件系统的基本结构,一个真实的主板,北桥芯片,PCI插槽,CMOS电池,BIOS,SATA外存端口,IDE外存端口,软驱端口,主板电源端口,超级IO芯片组,内存插槽,CPU插座,CPU风扇电源,CPU风扇基座,声音适配器,网络适配器,PCI-E插槽,外围设备端口,南桥芯片,2018/9/22,北京大学,28,09/20/09,北京大学,29,BIOS (Basic I
11、nput/Output System)基本输入输出系统主板上的一块只读的芯片，其中固化了一组程序用于：操作系统的引导、对CMOS中参数的设置CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)互补金属氧化物半导体主板上的一块可读写的芯 片，用来保存当前系统的硬件配置和用户对系统某些参数的设定（如系统时间）需要一块电池为其供电（CMOS电池）,BIOS 和 CMOS,插槽,适配器,端口,主板,连接关系：主板适配器外围设备,外围设备,适配器通过主板上的插槽与主板相连外围设备通过适配器上的端口与适配器相连,2018/9/22,北京大学,31,主机箱内的主要部件
12、,计算机系统的核心设备，其基本功能就是按照程序执行指令。 决定CPU性能的主要因素包括：主频和核心数目：CPU执行指令的速度数据字长：数据总线的二进制位数地址长度：地址总线宽度指令集：指令系统的处理能力（复杂指令，精简指令）等。在实际选购CPU时，则主要从CPU的制造商、CPU型号、主频、核心数目、高速缓存的容量等几个方面考虑。,CPU，中央处理器（Central Processing Unit）,Intel AMD 北大众志 ,2018/9/22,北京大学,32,主机箱内的主要部件,总线是一组为系统部件之间数据传送的公用信号线，具有汇集与分配数据信号、选择发送信号的部件与接收信号的部件、总线
13、控制权的建立与转移等功能。总线标准ISA（Industrial Standard Architecture Bus）：16位，EISA总线PCI（Peripheral Component Interconnection Bus）：32/64位PCI-E（PCI Express）：X1（250MB/秒），X2，X4，X8，X12，X16和X32通道规格USB（Universal Serial Bus）：由IBM、Intel及Microsoft等多家公司共同开发的新型外设连接技术,2018/9/22,北京大学,33,主机箱内的主要部件,接口主要包括内部接口、扩展插槽和外部接口三类，有些设备是直接焊
14、接在主板上，有些则可以插拔更换，体现了计算机硬件系统的可扩展型。内部接口：CPU、芯片组、主存储器、软磁盘、硬磁盘（Integrated Device Electronics，IDE；Small Computer System Interface ，SCSI，Serial ATA，SATA） 扩展槽：显示卡、磁盘接口卡、调制解调卡、声音卡、解压缩卡等。（ISA, PCI）外部接口 ：键盘、鼠标、串口、并口、USB,2018/9/22,北京大学,34,主机箱内的主要部件,不同级别的存储设备 存储设备主要用于存放计算机指令以及所要处理的数据。由于CPU处理速度非常快，而从存储器中获取数据的速度往往
15、跟不上其步调。因此，在计算机内设有不同访问速度的存储设备，以配合CPU处理数据的需要。,2018/9/22,北京大学,35,主机箱内的主要部件,主存储器（内存）是用大规模集成电路的半导体芯片组成的。它是一种随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）。它具有“易失特性” 。从内存中存取数据的速度比较快，是CPU工作时所处理数据的直接来源。概念：RAM, ROM, PROM, EPROM.,主存储器的大小是计算机系统工作的性能指标之一。当前个人计算机内存配置：256M、512M、1G、2G、4G,2018/9/22,北京大学,36,主机箱内的主要部件,相对于主存储器，外存储
16、器的容量要大得多，但存取速度却低很多。外存储器的主要种类包括：硬盘、磁带/磁带机、光盘/光盘驱动器、软盘/驱动器等从物理工作原理上讲，它们是利用物质的光、电、磁等物理特性，来表示0/1数据。有关它们的结构和工作原理，将在下一讲中介绍。,2018/9/22,北京大学,37,主机箱内的主要部件,硬盘,磁带磁带机,光驱,软盘,光盘,软驱,2018/9/22,北京大学,38,基本输入输出设备,基本输入设备键盘鼠标基本输出设备显示器,2018/9/22,北京大学,39,键盘,两种不同型号的键盘,2018/9/22,北京大学,40,鼠标,(a)鼠标 (b)跟踪球 (c)触摸板 指点设备：图形用户界面,20
17、18/9/22,北京大学,41,显示器和显卡,显示器和显卡共同完成计算机的输出功能显卡主要技术指标： 图形加速、显存显卡规格：CGA (Color Graphics Adapter)EGA (Enhanced Graphics Adapter)VGA (Video Graphics Array)SVGA(800600)XGA (Extended Graphic Array ),2018/9/22,北京大学,42,显示器和显卡,显示器：CRT (Cathode Ray Tube，阴极射线管)、 LCD（Liquid Crystal Display，平板液晶）显示器的主要技术指标（目前LCD已成为
18、主流） 尺寸：例如：15英寸、17英寸、19英寸、24寸宽屏等。 点距：显示屏幕的象素间距，例如：0.28mm 分辨率：分辨率是指屏幕上可以容纳的像素的个数， 刷新频率：即每秒刷新屏幕的次数。 水平刷新频率：电子束每秒在水平方向的扫描次数 辐射性和绿色环保能力。,2018/9/22,北京大学,43,显示器,（a）CRT显示器 （b）LCD显示器,2018/9/22,北京大学,44,通信设备,网络适配器无线网卡调制解调器,2018/9/22,北京大学,45,外围设备,打印机液晶投影仪手写板/图形输入板/数字化板扫描仪/数码照相机/数码摄像机声卡/麦克/音箱,2018/9/22,北京大学,46,计
19、算机硬件组成小结,47,计算机软件系统,2018/9/22,北京大学,48,计算机软件系统的组成,2018/9/22,北京大学,49,操作系统的地位,系统软件,驱动程序,2018/9/22,北京大学,50,操作系统,操作系统软件的主要任务是管理计算机系统的硬件资源和信息资源（程序和数据）。此外它还要为计算机上各种硬软件的运行及其相互通信提供支持，并为计算机的用户和管理人员提供各种服务。,2018/9/22,北京大学,51,操作系统的引导,在计算机的电源接通，硬件开始工作后，首先必须把操作系统的常驻内核从磁盘装入主存储器，并且使它进入正常工作状态，这样的一个过程称为操作系统的引导（System
20、Booting）。只有操作系统正常工作之后，整个计算机系统的工作才能够继续，能够开始接受和 执行用户命令。,2018/9/22,北京大学,52,操作系统的引导,2018/9/22,北京大学,53,操作系统的引导,1）计算机的电源接通；2）CPU就绪：CPU上电后首先完成复位操作，使自身处于“就绪”状态，然后搜寻 BIOS，以确定如何继续动作。BIOS是基本输入输出系统（Basic Input/Output System）的简称，是存储在一个只读存储芯片（ROM，人们也经常把这个芯片称为 BIOS，BOIS 芯片安装在微机的主板上）里的一组指令，也就是一个程序。CPU 找到 BIOS 后开始执行
21、这个程序。,DOS 系统的引导,2018/9/22,北京大学,54,操作系统的引导,3）设备检查：BIOS 启动程序的开始是一段检测程序，依次检查各硬部件（内存、键盘、总线及各个扩展卡等）是否进入正常状态。在全部检测无误之后，BIOS 中的启动程序被复制到内存，这是因为在内存里程序执行速度更快一些。,DOS 系统的引导,2018/9/22,北京大学,55,操作系统的引导,4）装载引导程序：通过BIOS的指示，寻找操作系统的“引导程序”（BOOT程序）。引导程序被找到后即被装入内存。 “引导程序”是一个小程序，它的工作就是把操作系统的常驻内核由磁盘复制到内存并安置好。,DOS 系统的引导,201
22、8/9/22,北京大学,56,操作系统的引导,5）执行引导程序：引导程序完成把操作系统的常驻内核装入内存的工作并令其开始工作。,DOS 系统的引导,2018/9/22,北京大学,57,操作系统的引导,6）进行系统配置：操作系统的内核按照一个“系统配置”文件（config.sys）以及这一台计算机本身的硬件特点，装置各种软件接口程序和设定一系列参数。其主要工作是，装入各有关硬件部件的驱动程序，它们由磁盘调入内存的指定位置，设置文件缓冲区等等。,DOS 系统的引导,2018/9/22,北京大学,58,操作系统的引导,7）装入“命令解释器”模块：此时，系统已经能够执行DOS操作命令了。,DOS 系统
23、的引导,2018/9/22,北京大学,59,操作系统的引导,8）批处理：系统自动执行一个名为 AUTOEXEC.BAT 的批处理程序。AUTOEXEC.BAT是位于启动磁盘根目录下的一个文件，其内容是一系列DOS命令。当这些命令都执行完毕后，DOS系统的引导全部完成，进入正常的交互式命令执行状态。应该注意的是，在操作系统引导的整个过程中，如果在上述的某个环节出现了无法克服的问题，计算机就不能正常启动。这时需要找出问题后并排除后，重新启动。,DOS 系统的引导,2018/9/22,北京大学,60,操作系统的引导,对于 Windows 一类具有图形用户界面的操作系统，前面的启动过程与DOS相似，但
24、后期还需要完成图形界面的建立等许多操作。,2018/9/22,北京大学,61,操作系统的功能,计算机各种硬件资源的管理：主要包括CPU的调度和管理、主存储器及虚拟存储空间（可寻址空间）的分配和管理、输入/输出设备管理及其通信支持等。对磁盘存储的信息资源的管理：主要 是实现计算机“文件系统”。管理和监控当前在计算机系统上执行的各项任务（包括各种应用程序），并协调它们正确工作。保证计算机系统的安全性。,2018/9/22,北京大学,62,操作系统的功能 - 硬件管理,管理和分配系统资源 CPU 管理存储管理输入/输出（I/O）设备管理,2018/9/22,北京大学,63,操作系统的功能 - 硬件管
25、理,CPU 管理 多任务和多用户 对 CPU 的管理实际上就是对 CPU 工作时间的管理。CPU 时间是计算机中最重要的资源，因为 CPU 是计算机里最基本的工作部件。多任务操作系统就是指那些允许多个任务同时处在执行状态之中的操作系统。有些操作系统允许同时有多个用户使用同一台计算机，这种操作系统称为多用户操作系统。,2018/9/22,北京大学,64,操作系统的功能 - 硬件管理,CPU 管理 独占 CPU芯片在每个时刻只执行一条指令，这意味着它在一个时刻只能为一个程序工作，一个程序要执行必须得到 CPU 的时间。如果某个程序占用了CPU进行计算，当另一个程序也要工作时，就必须设法使前一个程序
26、让出CPU的一段时间。,2018/9/22,北京大学,65,操作系统的功能 - 硬件管理,CPU 管理 分时多任务操作系统的工作方式允许多个任务共享系统资源，这种情况要求 CPU“同时”执行多个程序的任务。既然 CPU 每个时刻只能执行一条指令，它怎么可能同时执行多个任务呢？时间片轮转：实际上这时 CPU 是在多个任务之间跳跃地执行将CPU执行时间以毫秒计进行时间片划分，不同任务轮流占有不同的时间片。,2018/9/22,北京大学,66,操作系统的功能 - 硬件管理,CPU 管理 优先级 在 CPU 时间分配问题上，有时也可以采用为不同类别得任务确定不同优先级别的办法。分配时间片时根据其优先级
27、别和类别特点多分或少分，这样不同工作的进展速度也就可能不同。,2018/9/22,北京大学,67,操作系统的功能 - 硬件管理,存储管理 存储管理是操作系统最主要的任务之一，这是因为在计算机中 CPU 对主存储器的访问极其频繁，主存向 CPU 提供指令和数据的速度在很大程度上决定着整个系统的工作效率。,2018/9/22,北京大学,68,操作系统的功能 - 硬件管理,存储管理 内存分配对于主存储器，操作系统必须知道这个物理存储空间中哪些位置已经被占用，哪些位置是空闲的，它必须对这些情况进行登记，在系统中的任务提出新的存储要求时进行存储分配，如果有任务放弃了某些存储空间时，就要及时将其回收。最小
28、的存储块大小为8个二进制位，称为一个字节(Byte)。,2018/9/22,北京大学,69,操作系统的功能 - 硬件管理,输入/输出（I/O）设备管理计算机管理输入/输出设备的方式 （P93）程序中断控制：键盘、鼠标等慢速设备DMA 芯片方式（Direct Memory Access ，直接存储访问）：磁盘等专用的输入输出处理器（I/O 处理机）： 高速外连仪器、昂贵高速IO设备输入/输出（I/O）的设备驱动程序,2018/9/22,北京大学,70,操作系统的功能 监控,任务管理和监控 操作系统对计算机系统进行监控的目的一方面是为了更好地满足计算机用户的需求，另一方面也是为了尽量发挥整个系统的
29、能力。 管理计算任务。监测计算任务的执行。 检查用户的合法性及其权限。建立系统运行记录。,2018/9/22,北京大学,71,操作系统的功能：文件系统,文件的概念在计算机的术语中，一个文件指的是 包装在一起的一组信息，这些信息保存在外存储器中，存储在一起，作为一个整体被命名，可以独立地被使用、修改、更新和删除。一个文件通常总是和与它有关的某些 应用工作 联系在一起的。一个文件的内容可以是一个能运行的应用程序、一篇文章、一个图形、一段数字化的声音信号、或者任何一批相关的有用数据，如此等等。文件的大小用这个文件所包含信息的 字节数 来计算。,2018/9/22,北京大学,72,本讲小结,个人计算机的硬件组成及其性能指标基本输入输出设备通信设备外围设备,个人计算机的软件系统组成操作系统的地位操作系统的引导操作系统的功能,2018/9/22,北京大学,73,书面作业,旧版教材第116页1(2) (4) (6)新版教材第73页1(3) ，第193页1(1) (4)交作业的方式为将答案写在Word文件中，作为邮件的附件发给本班辅导老师。,
