浅谈计算机系统层次结构原理

计算机系统的基本组成 完计算机系统系统包括：硬件系统和软件系统。硬件系统和软件系统互相依赖，不可分割，两个部分又由若干个部件组成(如图所示）。 硬件系统是计算机的“躯干”，是物质基础。而软件系统则是建立在这个“躯干”上的“灵魂”。（一）计算机硬件计算机硬件系统由五大部分组成：运算器、**、存储器、输入设备、输出设备。（如下图所示）* 中央处理器（ cpu —— central processing unit ）cpu由运算器、**和一些寄存器组成；1.运算器 运算器是计算机中进行算术运算和逻辑运算的部件，通常由算术逻辑运算部件（alu）、累加器及通用寄存器组成。2.** **用以控制和协调计算机各部件自动、连续地执行各条指令，通常由指令部件、时序部件及操作控制部件组成。 运算器和**是计算机的核心部件，这两部分合称中央处理单元（centre process unit，简称cpu），如果将cpu集成在一块芯片上作为一个独立的部件，该部件称为微处理器（microprocessor，简称mp）。运算器进行各种算术运算和逻辑运算；**是计算机的指挥系统；cpu 的主要性能指标是主频和字长。 字长表示cpu每次计算数据的能力。如80486及pentium系列的cpu一次可以处理32位二进制数据。 时钟频率主要以mhz为单位来度量，通常时钟频率越高，其处理速度也越快。目前的主流cpu的时钟频率已发展到500mhz以上，甚至高达2ghz以上。*存储器 存储器的主要功能是用来保存各类程序的数据信息。 存储器可分为主存储器和辅助存储器两类。①主存储器（也称为内存储器），属于主机的一部分。用于存放系统当前正在执行的数据和程序，属于临时存储器。①辅助存储器（也称外存储器），它属于外部设备。用于存放暂不用的数据和程序，属于永久存储器。存储器与 cpu的关系可用 (图 1）来表示。( 图 1）（ 1）内存储器 一个二进制位（ bit）是构成存储器的最小单位。实际上，常将每 8位二进制位组成一个存储单位，简称字节（ byte）。字节是数据存储的基本单位。为了能存取到指定位置的数据，给每个存储单元编上一个号码，该号码称为内存地址。 度量内存主要性能指标是存储容量和存取时间。 存储容量是指存储可容纳的二进制信息量，描述存储容量的单位是字节。 存取时间是指存储器收到有效地址到在输出端出现有效数据的时间间隔。通常存取时间用纳秒 为单位。存取时间愈短，其性能愈好。 内存储器按其工作方式可分为随机存储器（ random acess memory，简称 ram）和只读存储器（ read only memory，简称 rom）两类。①ram ram在计算机工作时，既可从中读出信息，也可随时写入信息，所以， ram是一种在计算机正常工作时可读 /写的存储器。在随机存储器中，以任意次序读写任意存储单元所用时间是相同的。目前所有的计算机大都使用半导体随机存储器。半导体随机存储器是一种集成电路，其中有成千上万个存储单元。 根据元器体结构的不同，随机存储器又可分为静态随机存储器（ static ram，简称 sarm）和动态随机存储器（ dynamic ram，简称 dram）两种。 静态随机存储器（ sarm）集成度低，价格高。但存取速度快，它常用作高速缓冲存储器（ cache）。 cache是指工作速度比一般内存快得多的存储器，它的速度基本上与 cpu速度相匹配，它的位置在 cpu与内存之间 (如图 2所示）。在通常情况下， cache中保存着内存中部分数据映像。 cpu在读写数据时，首先访问 cache。如果 cache含有所需的数据，就不需要访问内存；如果 cache中不含有所需的数据，才去访问内存。设置 cache的目的，就是为了提高机器运行速度。 动态随机存储器使用半导体器件中分布电容上有无电荷来表示 “ 0”和 “ 1”的，因为保存在分布电容上的电荷会随着电容器的漏电而逐步消失，所以需要周期性的给电容充电，称为刷新。这类存储器集成度高、价格低、存储速度慢。随机存储器存储当前使用的程序和数据，一旦机器断电，就会丢失数据，而且无法恢复。因此，用户在操作计算机过程中应养成随时存盘的习惯，以免断电时丢失数据。( 图 2）②rom 只读存储器（ rom）只能做读出操作而不能做写入操作。只读存储器中的信息是在制造时用专门的设备一次性写入的，只读存储器用来存放固定不变重复执行的程序，只读存储器中的内容是永久性的，即使关机或断电也不会消失。 目前，有多种形式的只读存储器，常见的有如下几种： prom：可编程的只读存储器。 eprom：可擦除的可编程只读存储器。 eeprom：可用电擦除的可编程只读存储器。 cpu（运算器和**）和主存储器组成了计算机的主机部分。（ 2）外存储器 外存储器大都采用磁性和光学材料制成。与内存储器相比，外存储器的特点是存储容量大，价格较低， ,而且在断电的情况下也可以长期保存信息，所以称为永久性存储器。缺点是存取速度比内存储器慢，常见的外存储器有以下几种：磁盘 磁盘是微型计算机系统中最重要的外部存储器 ,同时定它又是重要的输入输出设备，它即可作为输入设备，又可作为输出设备。它一般包括软磁盘存储器和硬磁盘存储器。磁盘属于磁表面存储设备。它的信息存储是一种电磁转换过程，它是通过磁头与磁盘片的相对运动来实现。软盘驱动器 软盘驱动器简称软驱。软驱是数据和程序进入微型计算机的门户。软驱所用的软盘直径通常有 3.5英寸和 5.25英寸两中 .现在的微型计算机一般都配置 3.5英寸驱动器一个，其容量为 1.44mb，盘符为 “a： ”。 软盘的特点是成本低，重量轻，价格便宜，便于携带，缺点是存储容量小，且软盘容易损坏。硬盘 硬盘也称固定盘。硬盘的存储容量，读 /写速度均比软盘高得多。磁盘是按柱面磁头号和扇区的格式组织存取信息的， (如图 4所示 )的柱面由一组盘片的同一磁道在纵向上所形成的同心圆柱面构成。柱面从外想内编号，同一柱面上的各个磁道和扇区的划分与软盘基本相同。 数据在硬盘上的位置通过柱面号，磁头号和扇区号三个参数来确定的，硬盘与硬盘驱动器固定在一起，硬盘格式化后，其使用方式与软盘一样，也是通过盘符标识符来确认。硬盘的盘符通常为 “c： ”，若系统配有多个硬盘或将一个物理硬盘划分为多个逻辑硬盘，则盘符可依次为 “c： ”、 “d”、 “e”、 “f”等。( 图 4)目前微型计算机中普遍使用了 3英寸和 5英寸硬盘，大都采用**（ wenchester） 技术，所以有时称这类硬盘为温盘。 硬盘的特点是可靠性高，存储容量大，读写速度快，对环境要求不高。缺点是不便于携带，切工作时应避免振动。光盘 光盘是用光学的方式制成的，光盘盘片上有一层可塑材料。写入数据时，永高能激光束照射光盘片，可在可塑层上灼出极小的坑，并以有无小坑表示数字 “ 0”和 “ 1”，当数据全部写入光盘后，再在可塑层上喷涂一层金属材料，这样光盘就不能再写入数据。再读出数据时，永低能激光束入射光盘，利用盘表面上的小坑和平面处的不同反射来区分 “ 0”和 “ 1”。 目前微型计算机中大都配有只读式光盘（ compact d**k read only memory，简称 cd-rom），每张关盘容量可达 650mb，可存放程序，文本，图象，音乐和电影等各种信息。 光盘需要语光盘驱动器配合使用。光盘驱动器（简称光驱）是多媒体电脑的重要输入设备。光驱的盘符一般为紧邻着硬盘盘符后的那一个英文字母来表示。 根据使用方式及性能的不同，可将光盘分为三类：①只读式关盘（ cd-rom）：用户只能读取而无法修改其中的数据。②一次性写入光盘（ write once read many time,简称 worm）：用户可以写入一次，但可多次读取。③可擦除光盘：用户可以像用软盘一样对其进行多次读 /写操作。④光盘的特点 : 1) 存储容量大 ,价格低 ; 2) 不怕电磁干扰 ,存储密度高 ,可靠性高 ; 3) 存取速度在不断增高。＊输入设备• 键盘（ keyboard ）：目前大多使用 104 或 107 键盘 • 鼠标（ mouse ）：主要有机械型鼠标和光电型鼠标两种 • 手写笔 • 触摸屏 • 麦克风 • 扫描仪（ scanner ） • 视频输入设备 • 条形码扫描 ＊输出设备• 显示器（ monitor ）：目前主要有 crt （阴极射线管）显示器和 lcd 液晶显示器。 • 打印机（ printer ）：主要有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机。 • 绘图仪 • 音箱 ＊总线 计算机总线是一组连接各个部件的公共通信线。计算机中的各个部件是通过总线相连的，因此各个部件间的通信关系变成面向总线的单一关系 (如图所示）。但是任一瞬间总线上只能出现一个部件发往另一个部件的信息，这意味着总线只能分时使用，而这是需要加以控制的。总线使用权的控制是设计计算机系统时要认真考虑的重要问题。 总线是一组物理导线，并非一根。根据总线上传送的信息不同，分为地址总线、数据总线和控制总线。 ① 地址总线 地址总线传送地址信息。地址是识别信息存放位置的编号，主存储器的每个存储单元及 i/o接口中不同的设备都有各自不同的地址。地址总线是 cpu向主存储器和 i/o接口传送地址信息的通道，它是自 cpu向外传输的单向总线。②数据总线 数据总线传送系统中的数据或指令。数据总线是双向总线，一方面作为 cpu向主存储器和 i/o接口传送数据的通道。另一方面，是主存储器和 i/o接口向 cpu传送数据的通道，数据总线的宽度与 cpu的字长有关。③控制总线 控制总线传送控制信号。控制总线是 cpu向主存储器和 i/o接口发出命令信号的通道，又是外界向 cpu传送状态信息的通道。 我们通常用总线宽度和总线频率来表示总线的特征。总线宽度为一次能并行传输的二进制位数，即 32位总线一次能传送 32位数据， 64位一次能传送 64位数据。总线频率则用来表示总线的速度，目前常见的总线频率为 66mhz， 100mhz， 133mhz或更高。 总线在发展过程中已逐步形成标准化，常见的总线标准有 **a总线 pci总线、 e**a总线和 agp总线。•**a（ industry standard archiitecture，工业标准） 总线是一种 16位的总线结构，适用范围广，因为很多的接口卡都是根据 **a标准生产的。•ci（ peripheral component interconnection，外部设备互连）总线是一种 32位的高性能总线，可扩展到 64位，与 **a 总线兼容。目前，高性能微型机主板上都设有 pci总线。该总线标准性能先进，成本较低，可扩充性好，特别是对于微软提出的 “即插即用 ”方案的很好支持，现已成为奔腾级以上普遍采用的外设接插总线。•agp（ accelerated graphics port，图形加速接口）总线是随着三维图形的应用而发展起来的一种总线标准。三维图形对计算机速度提出了很高的要求，使得 pic总线传送速度变得很紧张， agp在图形与内存之间提供了一条直接的访问途径。•e**a（ extended industry standard architecture，扩展工业标准结构）总线是对 **a总线的扩展。（二）计算机软件计算机软件可分为系统软件和应用软件两大类。• •系统软件：系统软件是计算机必备的，用以实现计算机系统的管理、控制、运行、维护，并完成应用程序的装入、编译等任务的程序。系统软件与具体应用无关，是在系统一级上提供的服务。 常用的系统软件：操作系统、编译程序、语言处理程序和数据库管理系统等。 例如： 操作系统：dos 、 windows95/98/2000 、 unix 、 linux 、 windowsnt ； 编译系统：机器语言，汇编语言和高级语言 数据库系统：foxpro，access，orale，sybase，db2和**rmix • •应用软件：应用软件是为了解决计算机应用中的实际问题而编制的程序。它包括商品化的通用软件和实用软件，也包括用户自己编制的各种应用程序。 按照应用软件的应用领域与开发方式，可以把应用软件分为三类：① 定制软件 定制软件是针对某些具体应用问题而研制的软件。这类软件完全按照用户自己的特定需求而专门进行开发的，应用面相对较窄，运行效率较高。如:**、工资管理软件、学籍管理软件和企业经营管理软件等。② 应用软件包 在某个应用领域中有一定通用性的软件，通常称为应用软件。应用软件包可能不能满足该领域内的所有用户的需要，通常用户购买这类软件后，需要经过二次开发后才能投入实际使用。如财务管理软件包、统计软件包和生物医用软件包等。③流行应用软件 在一些相对广泛使用的领域中有着相当多用户的流行应用软件，这些软件不断推出新的版本，不断改进其功能，效率和使用的方便性。如：文字处理软件、电子表格软件和绘图软件等。 20210311