第2章 计算机系统教案.docx
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第2章计算机系统教案
教案首页
第2次课授课时间2007.10.10教案完成时间：
2007.9
课程名称
计算机基础与应用
年级
2007
专业、层次
2007年级医、空、口（本科）
教员姓名
周智明
专业技术职务
高级实验师
授课方式
（大、小班）
大班
学时
2
授课题目（章、节）
第二章计算机系统
第一节计算机系统概述
第二节微型计算机硬件系统
第三节计算机软件系统
第四节计算机中的数据表示
基本教材或
主要参考书
基本教材：
《大学计算机基础》（龚沛曾等主编），高等教育出版社，2004.7
参考教材：
《大学计算机应用基础》（周智明卢虹冰主编），四医大出版社，2007.9
教学目的与要求：
（1）了解计算机系统的组成及工作原理；
（2）理解理解微型计算机硬件组成、主要技术指标；理解计算机软件的概念与软件系统分类；理解数据在计算机中的编码表示；
（3）掌握计算机中常用数制的转换方法。
大体内容与时间安排
教学内容：
第一节计算机系统概述8分钟，幻灯片讲授
第二节微型计算机硬件系统25分钟，幻灯片讲授7分钟交流讨论
第三节计算机软件系统15分钟，幻灯片讲授5分钟提问
第四节计算机中的数据与编码20分钟，幻灯片讲授和板书推导举例
教研室审阅意见：
（教学组长签名）
年月日
（教研室主任签名）
年月日
（教案续页）
基本内容
辅助手段和
时间分配
第一节计算机系统概述
1、计算机系统基本组成
计算机是由若干相互区别、相互联系和相互作用的要素组成的有机整体。
包括硬件系统和软件系统两大部分如图所示。
计算机执行程序，二者协同工作，缺一不可。
2、计算机硬件
所谓硬件就是泛指的实际的物理设备，主要包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分。
而只有硬件的裸机是无法运行的，还需要软件的支持。
3、计算机软件
所谓软件就是泛指为解决问题的而编制的程序及其文档。
计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。
计算机是依靠硬件系统和软件系统的协同工作来执行给定任务的。
4、软件和硬件的关系
在计算机系统中，硬件是物质基础，软件是指挥枢纽、灵魂，软件发挥如何管理和使用计算机的作用。
软件的功能与质量在很大程度上决定了整个计算机的性能。
故软件和硬件一样，是计算机工作必不可少的组成部分。
第二节微型计算机硬件系统
微型计算机出现于20世纪70年代初期，自从80年代初美国公司IBM推出第一台PC机以来，微型计算机得到了飞速的发展，其应用范围也越来越广泛。
目前的各种微型计算机系统，无论是简单的单片机、单板机系统，还是较复杂的个人计算机（PC机）系统以及超级微机，从硬件体系结构来看，采用的基本上是计算机的经典结构—冯·诺依曼结构。
（一）计算机的基本结构
计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成，也称计算机的五大部件，其结构如图所示。
1．控制器控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器等组成，控制器是用来控制计算机各部件协调工作，并使整个处理过程有条不紊地进行。
它的基本功能就是从内存中取指令和执行指令，即控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码，然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令，执行该指令。
另外，控制器在工作过程中，还要接受各部件反馈回来的信息。
2．运算器运算器又称算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit，简称ALU），是计算机对数据进行加工处理的部件，它的主要功能是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等基本逻辑运算，实现逻辑判断。
运算器在控制器的控制下实现其功能，运算结果由控制器指挥送到内存储器中。
如今的大规模集成电路技术已将控制器和运算器集成在一块芯片中，这块芯片称为中央处理器，简称CPU（CentralProcessingUnit）。
3．存储器存储器具有记忆功能，用来保存信息，如数据、指令和运算结果等。
存储器可分为内存储器与外存储器两种。
（1）内存储器（简称内存或主存）：
内存储器也称主存储器（简称主存），它直接与CPU相连接，存储容量较小，但速度快，用来存放当前运行程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。
内存储器由许多存储单元组成，每个单元能存放一个二进制数，或一条由二进制编码表示的指令。
存储器的存储容量以字节为基本单位，每个字节都有自己的编号，称为“地址”，如要访问存储器中的某个信息，就必须知道它的地址，然后再按地址存入或取出信息。
（2）外存储器（简称外存或辅存）：
外存储器又称辅助存储器（简称辅存），它是内存的扩充。
外存存储容量大，价格低，但存储速度较慢，一般用来存放大量暂时不用的程序、数据和中间结果，需要时，可成批地和内存储器进行信息交换。
外存只能与内存交换信息，不能被计算机系统的其它部件直接访问。
常用的外存有磁盘、磁带、光盘等。
4．输入／输出设备输入／输出设备简称I／O（Input／Output）设备。
用户通过输入设备将程序和数据输入计算机，输出设备将计算机处理的结果（如数字、字母、符号和图形）显示或打印出来。
常用的输入设备有：
键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪等。
常用的输出设备有：
显示器、打印机、绘图仪等。
（二）微型计算机中的硬件知识
1．微处理器微型计算机的中央处理器（CPU）习惯上称为微处理器（Microprocessor），它是微型计算机的核心，由运算器和控制器两部分组成，运算器（也称执行单元）是微机的运算部件；控制器是微机的指挥控制中心。
随着大规模集成电路的出现，微处理器的所有组成部分都可集成在一块半导体芯片上，如图所示。
PentiumIV2.4BGHzCPU外观图AMDAthlonXP2100+CPU外观图
微机运算速度的指标是微机CPU的主频体现的，主频是CPU的时钟频率，主频的单位是MHz（兆赫兹）或GHz（赫兹），主频越高，微机的运算速度越快。
目前广泛使用的微处理器有：
Intel公司PentiumⅡ、Ⅲ、Ⅳ系列，Celeron（赛扬），AMD公司的K6、K7等。
CPU的管脚封装形式有Socket370、SocketA、Slot1、SlotA等。
每个系列中又有不同工作频率的产品，如PentiumⅢ系列中有500、600、800、900、1000MHz等，PentiumⅣ系列中有1GHz、1.4GHz、1.7GHz、2.4GHz、3.0GHz（相当于33亿次／秒）等。
IntelPentium4与AMDAthlonXPCPU规格之比较见下表。
IntelPentiumIV2.4BGHz
AMDAthlonXP2100+
实际时钟频率
2400MHz
1733MHz
生产工艺
0.13微米
0.18微米
核心尺寸
146mm2
128mm2
晶体管
5,500万
3,750万
接口
Socket478
Socket462
总线频率
533MHz
（133MHzQuadPumped）
266MHz
（133MHzDDR）
峰值带宽
4.2GB／秒
2.1GB／秒
一级高速指令缓存
12KB
64KB
一级高速数据缓存
8KB
64KB
高速二级缓存
512KB
256KB
数据总线
256bit
64bit
支持内存
PC1066／PC800RDRAM，DDR333／DDR266SDRAM
DDR266SDRAM，DDR333／DDR266，PC133SDRAM
2．存储器存储器的主要功能是存储程序和各种数据信息，并能在计算机运行过程中根据来自CPU的“地址”信号高速自动完成指令和数据的存取。
根据存储信息的介质不同，存储器可分为内存储器和外存储器两大类。
内存储器：
简称内存，又称主存，设置在主机内部，用于存放正在执行的程序。
由于内存的外观呈条形，如图1-7所示，所以也被称之为“内存条”。
普通内存条横向竖直插在主板的DIMM插槽上，内存容量以64M、128M、256M等2的N次方的容量递增，数值越大内存的容量越大。
微型计算机的内存由半导体器件构成。
内存按功能可分为只读存储器（ReadOnlyMemory，简称ROM）和随机（存取）存储器（RandomAccessMemory，简称RAM）。
ROM的特点是：
存储的信息只能读出（取出），不能改写（存入），断电后信息不会丢失，所以一般用来存放专用的或固定的程序和数据。
RAM的特点是：
可以读出，也可以改写，又称读写存储器。
读取时不损坏原来存储的内容，只有写入时才修改原来所存储的内容。
断电后，存储的内容立即消失。
内存条外观
三种主流内存技术规格
SDRAM内存
DDR内存
RAMBUS内存
速度
66、100、133MHz
200、266MHz
600、800MHz
最大带宽
528MB/s、800MB/s，1.064GB/s
1.6GB/s
2.1GB/s
1.6GB/s
（3.2GB/s双通道）
工作电压
3.3V
2.5V
2.5V
接口
168线
184线
168线
位长
64位
64位
16位
外存储器：
简称外存，又称辅存，设置在主机外部。
它作为内存的辅助装置，用来存放暂时不用而又需长期保存的程序和数据，需要时可通过输入／输出操作，批量调入内存供CPU使用。
外存容量较大，但存取速度较慢，常用的外存有磁盘、磁带、光盘等。
（1）硬盘存储器：
硬盘存储器的装配精度高，容量也较大，目前硬盘的存储容量一般达几十到上百个GB（1GB＝1024MB）。
下面介绍硬盘的几个主要参数。
主轴转速：
转速是影响硬盘性能最重要的因素之一，目前市场上流行的是5400rpm（每分钟转数）和7200rpm的硬盘。
平均寻道时间：
指磁头从得到指令到寻找到数据所在磁道的时间，它描述硬盘读取数据的能力，这一定位时间被称为“平均寻道时间”，目前主流硬盘一般在8.5—9ms。
数据传输率：
外部传输率指的是从硬盘缓存中向外输出数据的速度，单位为MB/s。
目前主流硬盘采用的是ATA/100，它的最大外部数据传输率即为100MB/s。
内部传输率指的是硬盘在盘片上读写数据的速度，现在主流硬盘的内部传输率一般都在20MB/s到50MB/s之间。
接口方式：
现在常用的硬盘基本都采用的是IDE或SCSI的接口方式。
目前SCSI硬盘接口有三种，分别是50针、68针和80针。
个人PC的硬盘接口一般均为IDE接口，根据速度的不同分为ATA/33/66/100，最新的硬盘接口是ATA/133。
高速缓存：
硬盘高速缓存的作用类似于CPU中的一、二级高速缓存，主要用来缓解速度差和实现数据预存取等作用。
目前市面上的主流IDE硬盘一般分为512KB和2MB两种，7200rpm硬盘全采用了2MB以上的缓存，有的硬盘甚至达到了8MB。
左图为一款希捷250GB、8MB缓存、7200RPM的硬盘。
硬盘外观3.5英寸软盘结构
（2）软盘存储器：
软盘存储器的装配精度较低，容量也较小，其容量一般为数百KB至几个MB，右图所示为现在常用的3.5英寸软盘，其容量为1.44MB。
软盘和硬盘驱动器都和主机部分一起安装在主机箱内，硬盘固定在硬盘驱动器上，用户最好不要自行拆装；软盘则由用户自行保管携带，使用时将其插入软驱内即可。
（3）光盘存储器：
光盘存储器亦由驱动器及光盘两部分组成，其优点是体积小、存储量大、信息保存时间长（可达几十年）。
目前光盘主要有以下几种类型：
只读光盘（CompactDisk-ReadOnlyMemory，简称CD-ROM）：
光盘上的信息是预先刻录好的，用户只能根据自己的需求来选购已经刻录好的光盘，而不能进行信息的写入、删除、修改等工作。
但它的优点主要在于容量大，典型容量在650MB左右，制作方便，价格低。
一次刻录光盘（WriteOnceReadMany）：
它允许用户把信息写入光盘，信息一旦写入光盘，就无法修改、删除，但同只读光盘一样可多次读出使用。
它的特点是记录密度高，信息保存时间长，稳定可靠，光盘容量在750MB左右，目前使用较多。
可读写光盘（Rewritable）：
也称为可擦式光盘或改写型光盘。
它是一种可以像磁盘一样进行反复读写的光盘。
由于价格过高，目前在国内的市场占有率不高。
DVD-ROM（DigitalVideoDisc或DigitalVersatileDisc–ReadOnlyMemory）：
这是一种体积小、携带方便、经久耐用、存储量大、高品质的视频、声频或数据光盘，它外观上与CD-ROM没有区别，但由于使用了不同的解码技术，在同样的空间上DVD-ROM比CD-ROM存储的数据量要多得多，目前主流DVD-ROM的容量在5GB～17GB之间。
CD-ROM、DVD驱动器外观
（4）新型存储器：
由于数据信息的不断增加，现有的存储器已无法满足实际的需求，目前出现了许多新的存储设备，除了上面提到的盘外，还有U盘和活动式硬盘。
U盘是一种新型的移动存储交换产品，可用于存储任何数据文件和在电脑间方便的交换文件。
它采用闪存存储介质（FlashMemory）和通用串行总线（USB）接口，支持“热插拔（带电插拔）”，支持Win98/WinMe/Win2000/WinXp/MacOS/Linx2.4等操作系统。
3．主板主板是电脑系统中最大的一块电路板，它的英文名字叫做“Mainboard”或“Motherboard”，简称M／B。
它一般是一块四层的印刷电路板（也有六层的），分上下表面两层，中间两层。
上下两层表面布有信号电路线、电路芯片及电阻、电容等元件，它们都焊在系统板的上表面。
主板的中间两层布有电源线和地线。
主板由一个150～230W左右的直流开关稳压电源供电，提供使用的直流电有四种：
+5V、-5V、+12V、-12V。
主板上布满了各种电子元件、插槽、接口等。
它为CPU、内存和各种功能（声、图、通信、网络、TV、SCSI等）卡提供安装插座（槽）；为各种磁、光存储设备、打印和扫描等I/O设备以及数码相机、摄像头、Modem等多媒体和通讯设备提供接口，实际上电脑通过主板将CPU等各种器件和外部设备有机地结合起来形成一套完整的系统。
电脑在正常运行时对系统内存、存储设备和其它I/O设备的操作和控制都必须通过主板来完成，因此电脑的整体运行速度和稳定性在相当程度上取决于主板的性能。
（1）控制芯片：
控制芯片是整个系统的控制中心，是在一个系统中与微处理器配套的其它电路，它与CPU相连，通过辅助芯片完成系统的辅助功能。
（2）PCI插槽：
是PCI总线的扩展插槽。
PCI总线--外设部件互连总线（PeripheralComponentInterconnectionBus）。
提供33bit/s的传输速度，用来连接声卡、网卡、显示卡等扩展卡。
（3）ISA插槽：
是ISA总线的扩展插槽。
ISA总线--工业标准体系结构总线（IndustrialStandardArchitechturBus）。
提供16.6bit/s的传输速度，由于传输速度低，已逐渐淘汰。
（4）CMOS芯片：
CMOS芯片里面有BIOS程序、实时时钟（RealTimeclock，简称RTC）和CMOSROM的电路。
早期的CMOS芯片内部有64字节的ROM，其中50字节作为用户设备配置的设置，10字节作为时钟、闹铃、世纪日历等作为实时时钟的用途，4字节作为中断和矩形波产生寄存器，其中保存设置的数据，平时由电脑主机的电源供电，关机后由主板的小电池供电。
BIOS（BasicInput／OutputSystem）基本输入／输出系统，BIOS是微型计算机中对硬件管理的最基础的程序。
BIOS提供了一个便于操作的系统软硬件接口。
CMOS芯片就是用来存储这些程序的ROM芯片。
（5）AGP插槽：
是AGP（AcceleratedGraphicsPort，加速图形端口）总线的扩展插槽。
当CPU的速度一直在加快的时候，CPU的外围设备，假如没有跟着步伐提升速度的话，那么整个系统的结构在速度上就失去了平衡，尤其是在面对当时图形和影像庞大的数据处理时，PCI总线的结构就渐感沉重，无法负担大量数据的处理。
所以Intel公司为了使CPU与外界的管道畅通，发挥CPU的功能，制订了AGP总线的规格，其最主要的结构是在AGP芯片的显示卡与主存之间建立的专用通道，使主存与显示卡的显示内存之间建立一条新的数据传输通道，让影像和图形数据直接传送到显示卡而不需要经过PCI总线。
（6）I/O接口：
是与其它外部设备进行数据交换及通讯的标准接口，其中包括并口、串口、USB接口、PS/2接口，其中以USB接口传输速度最快。
并口主要用来连接打印机、扫描仪等设备；串口主要用来连接鼠标、调制解调器等设备；USB接口是最新制定的USB总线接口标准，可接127个外围设备，是未来主板和外围设备连接头的改变，最新的USB2.0协议标准已将传输速度提高到480Mbps，现在打印机、扫描仪、鼠标等很多外部设备都在转而支持USB标准。
（7）CPU插槽：
是用来连接CPU的接口。
它的接口标准又有Slot1、Socket370、SlotA、Socket370等标准。
各种接口标准的传输速率是没有差别的，只是根据CPU生产商的CPU封装技术不同，封装要求不同而定。
（8）DIMM插槽：
是连接内存的插槽。
目前PIII、PIV系列使用的SDRAM内存标准使用的连接引脚为168根（也就是常说的168线内存）。
（9）FDC接口：
是连接标准的3.5"软驱的接口。
（10）IDE接口：
是连接硬盘的接口。
目前有DMA33、DMA66和DMA100三种标准，这决定于控制芯片所能支持的标准。
DMA33的传输率是33bit/s，DMA的传输率是66bit/s，DMA100的传输率是100bit/s。
（11）电源接口：
是与提供主板电源的电源相连的接口。
（12）主板结构：
按结构标准分为ATATX、和NLX三种：
AT型 这种主板是以前常用的，特征是串口和打印口等需要用电缆联接后安装在机箱后框上。
ATX型 这种主板是将串、并口和鼠标接口等直接设计在主板上，取消了联接电缆，使串、并、键盘等接口集中在一起，对机箱工艺有一定要求。
NLX型 NLX结构（NowLowProfileExtension，新型小尺寸扩展结构）是进口品牌机经常使用的主板，它在将各串、并等接口直接安装在主板上后，专门用一块电路板将扩展槽设置在上面，然后再将这块插入主板上预留的一个安装接口槽，这样可以将机箱尺寸做得比较小。
目前主流主板公司有华硕、微星、精英、技嘉等。
图1-16为一个主板结构图。
4．总线总线（BUS）是CPU、内存和I／O接口之间相互交换信息的公共通路，各部件通过总线互连，从而构成一个整体。
在计算机中总线是个重要的概念。
总线是各部件共用的，各部件都通过总线相连，从而使部件间的通信关系变成面向总线的单一关系。
其优点是简化连线，工艺简单，便于系统扩充，容易实现模块化。
总线有多种分类方法，如果按总线传送信息的类别，可把总线分为数据总线（DataBus，简称DB）、地址总线（AddressBus，简称AB）和控制总线（ControlBus，简称CB）。
数据总线：
是CPU和内存储器、I／O接口间传送数据的通路。
由于它可在两个方向上往返传送数据，故称为双向总线。
地址总线：
是CPU向内存储器和I／O接口传送地址信息的通路，它是单方向的，只能从CPU向外传送。
控制总线：
是CPU向内存储器和I／O接口传送命令信号以及接收来自外部设备向CPU传送状态信号的通路。
按总线传送信息的方向，可将总线分为单向总线和双向总线。
按层次可将总线分为CPU总线、存储总线、系统总线和外部总线。
通常微机中所说的总线就是指系统总线，它是微机中最重要的总线，包括了集成在CPU内的内部总线和外部总线。
微型计算机上的系统总线又可分为ISA总线、EISA总线、VESA总线和PCI总线等。
ISA（IndustryStandardArchitecture）是8位微型计算机采用的总线，也称作AT总线，如早期的IBM-PC／XT机器。
EISA（ExtendedIndustryStandardArchitecture）是扩充的ISA总线，是为32位CPU设计的扩展工业标准总线。
VESA（VideoElectronicStandardSAssociation）总线是一种局部总线（LocalBus），不是一种单独的总线体系结构，它是对ISA、EISA等总线的补充，形成ISA／VESA或EISA／VESA共存的总线体系结构。
PCI（PeripheralComponentInterconnect）是一种32位局部总线，PCI总线支持32位数据传输，可扩展到64位。
PCI总线支持所带外部设备与CPU同时工作。
目前，绝大多数主板支持ISA和PCI总线结构，可以从主板上看到PCI扩展槽，少量主板带有ISA扩展槽。
5．I／O接口I／O接口指的是计算机系统中各个功能部件之间的连接电路，用于实现部件之间的通信，接口在部件之间起着桥梁的作用。
接口的功能主要是数据的缓冲与寄存；信号电平和信号类型的转换；对外设进行监测与控制；接受主机命令或控制信号；中断请求处理。
目前的主板集成了COM串行口、PS2鼠标键盘接口、LPT并行口、USB接口等，少数主板上集成了IEEE1394接口。
（1）并行接口：
简称“并口”，用一组线同时传送一组数据。
目前普遍使用的微型计算机中，一般配置两个并行接口，主要用于连接打印机、外置式光驱、扫描仪等。
（2）串行接口：
简称“串口”，主要用于数据通信，目前普遍使用的微型计算机中，一般配置两个串行接口，外形有9针和25针两种。
（3）USB通用串行总线：
USB通用串行总线（UniversalSerialBus）是一种支持即插即用的新型串行接口。
它有在一条电缆上连接127个设备的能力，USB要比标准的串行口快得多，USB1.1数据传输率可达每秒4MB～12MB，而老式的串行口最多每秒115KB。
USB还能为外围设备提供支持。
它正在取代当代PC上的串行口和并行口，现在USB已经发展到了2.0版本。
（4）IEEE1394接口：
IEEE1394是一种串行接口标准。
这种接口标准允许把微机、外部设备以及各种家电非常容易地连接在一起，可以认为它是一种外部总线标准。
IEEE1394初始是运行在AppleMac计算机上的火线（FireWire），由IEEE重新规范用于PC。
这种接口有比USB更强的性能，传输速度更高，主要用于主机与硬盘、打印机、扫描仪、数码摄像机、视频电话等。
如前面介绍的活动硬盘就是采用IEEE1394接口，目前只有极少数主板上集成了这种接口。
6．常用外部设备可以将常用外部设备分为三类:
一类是常规的人机交互设备，如键盘、显示器、打印机等；另一类是常用通信设备，如网卡、Modem等；第三类是数码设备，如扫描仪、数码相机等。
（1）键盘：
键盘是微机中最基本、最主要输入设备，主要用来输入数据、文本、程序和字符式交互命令。
微机上常用的键盘为101键标准键盘，还有104键盘，它增加了3个Windows快捷键用于快速调出系统菜单。
（2）鼠标：
鼠标是一种快速定位器。
其功能与键盘的光标键相似，是计算
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