计算机硬件系统概述

逻辑判断与逻辑运算是计算机的根本功能之一。通过执行能表达逻辑判断和逻辑运算的程序，使 整个系统具有逻辑性。 2. 2. 计算机的应用计算机的应用 计算机的应用表达在科学技术计算、数据信息处理、计算机控制、计算机辅助技术和家庭电脑化 上。其中，计算机辅助技术包含计算机辅助设计〔CAD〕、计算机辅助制造〔CAM〕、 计算机辅助 测试(CAT)和计算机辅助教学〔CAI〕等。 2.1.32.1.3 计算机的类型及开展方向计算机的类型及开展方向 电子计算机从总体上来说可以分为两大类：电子模拟计算机和电子数字计算机。计算机按用途可 分为专用计算机和通用计算机。 通用计算机又可分为巨型机、 大型机、中型机、小型机、图形工作站、 微型机和单片机 7 类。 计算机的开展方向： （1）巨型化； （2）微型化； （3）网络化； （4）智能化； （5）多媒体化； 2.1.42.1.4 计算机系统的组成计算机系统的组成 一台完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统。计算机系统的组成结构如图2.1 所示。 存放器 主机 运算器 控制器 内存储器 存储 外存储器 输入设备 键盘 鼠标 扫描仪 显示器 输出设备 打印机器仪 绘图仪 操作系统 语言处理程序 效劳性程序 数据库管理系统 计算机网络软件 辅助设计软件 应用软件 信息管理软件 文字处理软件 各种程序包 ROM PROM ROM(只读) EPROM E2PROM RAM 〔随机〕 硬盘 软盘 磁带机 光盘 SRAM DRAM 硬 件 系 统 外设 计 算 机 系 统 系统软件 软 件 系 统 图图 2.12.1 计算机系统的组成计算机系统的组成 2.1.52.1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 现代计算机是一个十分复杂的硬、 软件结合而成的整体。 它通常由 5 个以上不同的级组 成，每一级都能进行程序设计，如图2.2 所示。 第 1 级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级， 。 第 3 级是操作系统级，它由操作系统程序实现。 第 5 级是高级语言级，这级是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置。 5 级 高级语言级 应用软件 4 级 汇编语言级 3 级系统软件 操作系统级 2 级 一般机器级 硬件系统 1 级 微程序设计级 图图 2.22.2 计算机系统的层次结构示意图计算机系统的层次结构示意图 在如图 2.2 所示的多级结构中，将除硬件系统(第 1 层和第 2 层)之外的上面 3 个层次称 为虚拟计算机。 所谓虚拟计算机是指这个计算机只对该级的观察者存在。 对某一层次的观察 者来说， 他只能是通过该层次的语言来了解和使用计算机， 至于下层是如何工作和实现的就 不必关心了。简而言之，虚拟计算机即是由软件实现的机器。 2.1.62.1.6 计算机的硬件系统计算机的硬件系统 计算机的硬件是指计算机中的电子线路和物理装置。 〔1〕存储程序的概念 存储程序的概念简要地概括为以下几点： 计算机〔指硬件〕由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备 5 大根本部件 组成；   〔2〕计算机的硬件组成 前面介绍的四代计算机都是建立在存储程序概念的根底上的， 按照这个根本原理建立起 来的计算机统称为冯·诺依曼结构型计算机。它具有共同的棊本配置，即5 大部件：存储器、 运算器、控制器、输入设备和输出设备。 计算机硬件系统根本组成框图如图2.3 所示。 控制器 运算器 存储器 接口接口 CPU 主机 输入设备输出设备 图图2.32.3 计算机硬件系统的根本组成计算机硬件系统的根本组成 ① 存储器 存储器的主要功能是存放程序和数据。 ② 运算器 运算器是对信息进行处理和运算的部件。运算器一次运算二进制的位置，称为字长。 存放器、累加器及存储单元的长度应与 ALU〔算术逻辑运算部件〕的字长相等或者是它的 整数倍。 ③ 控制器 边流动边加工处理。 ④输入设备 输入设备是将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接收并识别的信息形式的设备。 ⑤输出设备 输出设备是将计算机运算结果的二进制信息转换成人类或其他设备能接收和识别的形 式的设备。 外存储器也是计算机中重要的外部设备， 它既可以作为输入设备， 也可以作为输出设备。 2.1.72.1.7 计算机的软件系统计算机的软件系统 —台计算机中全部程序的集合，称为这台计算机的软件系统。 1 1．软件系统的分类．软件系统的分类 软件按其功能分， 有成用软件和系统软件两大类。 应用软件是用户为解决某种应用问题 而編制的一些程序；系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、 监视和效劳等功能，其目 的是方便用户，提高计算机使用效率，扩充系统的功能。通常将系统软件分为以下6 类。 (1)操作系统 操作系统是控制和管理计算机各种资源、 自动调度用户作业程序、 处理各种中断的软件。 其作用是控制和管理系统资源，它是用户与计算机的接口。 (2)语言处理程序 程序设计语言一般可分为3 类：机器语言、汇编语言和高级语言。 用二进制代码表示的 计算机语言称为机器语言， 用机器语言编写的程序可以直接执行： 用助记符表示的语言称为 汇编语言， 用汇编语言编写的程序需要通过汇编程序翻译成目标程序后才可执行； 用高级语 言编写的程序称为源程序。 不同语言的源程序，对应有不同的语言处理程序。 (3)标准库程序 通常将一些常用的程序段按照标准的格式先编制好， 组成一个标准程序库， 存入计算机 系统中，需要时由用户选择适宜的程序段嵌入自己的程序中。 (4)效劳性程序 效劳性程序 〔也称工具软件〕 扩展了机器的功能， 一般包括诊断程序、 调试程序等功能。 (5)数据库管理系统 数据库和数据库管理软件一起，组成数据库管理系统。 (6)计算机网络软件 计算机网络软件是为计算机网络配置的系统软件。它负责对网络资源进行组织和管理， 实现相互之间的通信。 2. 2. 软件与硬件的关系软件与硬件的关系 软件系统是在硬件系统的根底上， 为有效地使用计算机而配置的。 没有系统软件，现代 计算机系统就无法正常地、有效地运行；没有应用软件，计算机就不能发挥效能。 计算机系统的软件与硬件可以互相转化，它们之间互为补充。 将程序固定在 ROM 中组成的部件成为固件。固件是一种具有软件特性的硬件，它既具 有硬件的快速性特点，又有软件的灵活性特点。这是软件和硬件互相转化的典型实例。 2.1.82.1.8 冯冯 诺依曼结构及特点诺依曼结构及特点 冯•诺依曼等人在早期计算机设计中采用的结构，而且在后来的计算机中不断沿用，被 称为冯•诺依曼结构。 2.1.92.1.9 运算器的根本功能运算器的根本功能 运算器是完成运算功能的部件，主要包括算术逻辑单元和存放器。其功能如下: 算术运算：对二进制表示的数据进行算术计算，如加减乘除四那么运算。 逻辑运算：主要是一些布尔运算和移位运算，布尔运算按位对数据进行运算。 按位运算：同时对数据的各个二进制位进行相同的与、或、非运算，运算数据的每 一个位是相互无关的，没有进位或者借位的操作。 移位运算：按一定的规律移动数据的位，改变数据的二进制位的位置。 〔2〕存放器：为了保存运算中所需要的数据， 在运算器中一般都有一些临时存放数据的 存放器。存放器由假设干个触发器