计算机系统概述

计算机操作系统概述计算机系统概论计算机系统电⼦数字计算机，是⼀种能够⾃⾏按照已设定的程序进⾏数据处理的电⼦设备，是软件与硬件相结合、⾯向系统、侧重应⽤的⾃动化求解⼯具，计算机技术迅猛发展，从科学计算、数据处理等应⽤领域，迅速扩展到实时控制、辅助设计、智能模拟等诸多领域，今天计算机⽆所不在，深⼊社会⽣活的各个领域，深深改变了当今⼈类社会的组织⾏为计算机系统的组成计算机系统包括硬件⼦系统和软件⼦系统；硬件是指借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件的有机组合，是系统⼯作的实体，硬件系统有 CPU，主存储器，I/O 控制系统，外围设备；软件是指各种程序和⽂件，⽤于指挥计算机系统按指定的要求进⾏协同⼯作，包括系统软件、⽀撑软件和应⽤软件，关键系统软件是指操作系统与语⾔处理程序计算机硬件系统计算机硬件系统的组成：中央处理器运算单元控制单元主存储器外围设备输⼊设备输出设备存储设备⽹络通信设备总线存储程序计算机冯·诺伊曼等⼈在1946年总结并明确提出，被称为冯·诺伊曼计算机模型,存储程序计算机在体系结构上主要特点有：以运算单元为中⼼，控制流由指令流产⽣，采⽤存储程序原理，⾯向主存组织数据流，主存是按地址访问、线性编址的空间，指令由操作码和地址码组成，数据以⼆进制编码当今计算机硬件的经典结构和主流组织⽅式总线及其组成总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信⼲线，它是CPU、内存、输⼊输出设备传递信息的公⽤通道,计算机的各个部件通过总线相连接，外围设备通过相应的接⼝电路再与总线相连接，从⽽形成了计算机硬件系统,按照所传输的信息种类，总线包括⼀组控制线、⼀组数据线和⼀组地址线总线的类型内部总线：⽤于CPU芯⽚内部连接各元件系统总线：⽤于连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件通信总线：⽤于计算机系统之间通信中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的运算核⼼（Core）和控制单元（ControlUnit），主要包括:运算逻辑部件：⼀个或多个运算器寄存器部件：包括通⽤寄存器、控制与状态寄存器，以及⾼速缓冲存储器（Cache）控制部件：实现各部件间联系的数据、控制及状态的内部总线；负责对指令译码、发出为完成每条指令所要执⾏操作的控制信号、实现数据传输等功能的部件处理器与寄存器存储器的组织层次外围设备及其控制设备类型包括有：输⼊设备，输出设备，存储设备和机机通信设备设备控制⽅式有：轮询⽅式：CPU忙式控制+数据交换中断⽅式：CPU启动/中断+数据交换MA⽅式：CPU启动/中断，DMA数据交换计算机软件系统计算机软件系统的组成系统软件包括：操作系统、实⽤程序、语⾔处理程序、数据库管理系统，其中操作系统实施对各种软硬件资源的管理控制，实⽤程序为⽅便⽤户所设，如⽂本编辑等，语⾔处理程序把⽤汇编语⾔/⾼级语⾔编写的程序，翻译成可执⾏的机器语⾔程序⽀撑软件有接⼝软件、⼯具软件、环境数据库，⽀持⽤户使⽤计算机的环境，提供开发⼯具，⽀撑软件也可认为是系统软件的⼀部分应⽤软件是⽤户按其需要⾃⾏编写的专⽤程序计算机系统视图软件开发的不同层次计算机硬件系统：机器语⾔操作系统之资源管理：机器语⾔+⼴义指令（扩充了硬件资源管理）操作系统之⽂件系统：机器语⾔+系统调⽤（扩充了信息资源管理）数据库管理系统：+数据库语⾔（扩充了功能更强的信息资源管理）语⾔处理程序：⾯向问题的语⾔计算机程序的执⾏过程计算机操作技术的发展计算机的⼿⼯操作问题：⼿⼯操作速度与电⼦计算速度不匹配装⼊程序的引进引⼊卡⽚和纸带描述程序指令与数据引⼊装⼊程序(Loader)⾃动化执⾏程序装⼊，必要时进⾏地址转换通常存放在ROM中引⼊⾼级语⾔后的计算机控制简单批处理系统的操作控制引⼊作业控制语⾔，⽤户编写作业说明书，描述对⼀次计算机求解(作业)的控制,操作员控制计算机成批输⼊作业，成批执⾏作业,这⼀⽅式明显缩短了⼿⼯操作的时间，提⾼了计算机系统利⽤率,这⼀阶段，磁带的出现，使得卡⽚与纸带等机械输⼊⽅式得以进⼀步提⾼操作系统与⾃动化操作控制电⼦计算速度与机械I/O速度的⽭盾:你在输，我在等,在程序执⾏过程中能否同时输⼊作业，重叠时间,需要多道程序同时执⾏,程序切换需要⾼速的外存储设备,磁盘设备出现:计算机操作系统浓墨登场，实现了计算机系统的⾃动化控制计算机操作系统操作系统的概念操作系统(OperatingSystem)，简称OS,是计算机系统最基础的系统软件，管理软硬件资源、控制程序执⾏，改善⼈机界⾯，合理组织计算机⼯作流程，为⽤户使⽤计算机提供良好运⾏环境,简⽽⾔之，操作系统是⽅便⽤户、管理和控制计算机软硬件资源的系统程序集合.从⽤户⾓度看，OS管理计算机系统的各种资源，扩充硬件的功能，控制程序的执⾏,从⼈机交互看，OS是⽤户与机器的接⼝，提供良好的⼈机界⾯，⽅便⽤户使⽤计算机，在整个计算机系统中具有承上启下的地位,从系统结构看，OS是⼀个⼤型软件系统，其功能复杂，体系庞⼤，采⽤层次式、模块化的程序结构操作系统的组成进程调度⼦系统进程通信⼦系统内存管理⼦系统设备管理⼦系统⽂件管理⼦系统⽹络通信⼦系统作业控制⼦系统操作系统的类型从操作控制⽅式看多道批处理操作系统，脱机控制⽅式分时操作系统，交互式控制⽅式实时操作系统从应⽤领域看服务器操作系统、并⾏操作系统⽹络操作系统、分布式操作系统个⼈机操作系统、⼿机操作系统嵌⼊式操作系统、传感器操作系统资源管理计算机系统的资源硬件资源:处理器、内存、外设信息资源:数据、程序管理计算机系统的软硬件资源:处理器资源：那个程序占有处理器运⾏？内存资源：程序/数据在内存中如何分布？设备管理：如何分配、去配和使⽤设备？信息资源管理：如何访问⽂件信息？信号量资源：如何管理进程之间的通信？屏蔽资源使⽤的底层细节驱动程序：最底层的、直接控制和监视各类硬件(或⽂件)资源的部分,职责是隐藏底层硬件的具体细节，并向其他部分提供⼀个抽象的、通⽤的接⼝,⽐如说：打印⼀段⽂字或⼀个⽂件，既不需知道⽂件信息存储在硬盘上的细节，也不必知道具体打印机类型和控制细节资源的共享与分配⽅式资源共享⽅式独占使⽤⽅式并发使⽤⽅式资源分配策略静态分配⽅式动态分配⽅式资源抢占⽅式程序控制多道程序同时计算CPU速度与I/O速度不匹配的⽭盾，⾮常突出,只有让多道程序同时进⼊内存争抢CPU运⾏，才可以够使得CPU和外围设备充分并⾏，从⽽提⾼计算机系统的使⽤效率多道程序同时计算的宏观分析甲、⼄两道程序,独占计算机单道运⾏时均需1⼩时，占⽤CPU时间18分钟，CPU利⽤率为30％,按多道程序设计⽅法同时运⾏，CPU利⽤率50%，由于要提供36分钟的CPU时间，⼤约运⾏72分钟。

第1章计算机系统概述信息化是当今社会发展的主流，信息技术是当今世界崭新的生产力，信息产业也已成为当今全球第一大产业，计算机技术则是重要支柱。

随着计算机科学技术的发展和应用，以及它对人类社会产生的巨大影响，“掌握和应用计算机”的能力已成为当今衡量个人素质高低的重要标志。

通过本章的学习，除对计算机有基本的认识外，也为后面了解计算机的相关知识打下良好基础。

1.1 计算机的基本知识1.1.1 计算机的发展历程1．第一台电子计算机第一台电子计算机于1946年2月在美国诞生，称为“埃尼阿克”（Electronic Numerical Integrator and Calculator，ENIAC），即电子数值积分计算机。

它具有计算速度快、精度高、能按给定的程序自动计算等特点。

ENIAC共用了18 000多只电子管，重量达30吨，占地170平方米，每小时耗电150千瓦，真可谓“庞然大物”，它不仅存储容量小，而且全部指令还没有存放在存储器中；它的操作相当复杂，稳定性差，它采用线路连接的方法编排程序，每次解题都要靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间。

但在当时，这台计算机的运算速度是惊人的，每秒钟能做5000次加法运算，3毫秒便可进行一次乘法运算，与手工计算相比大大加快了，60秒钟射程的导弹弹道计算时间由手工计算的20分钟缩短到30秒，它开创了计算机的新纪元，把人们从奴隶般的计算中解放出来了。

2．冯·诺依曼结构计算机针对ENIAC在存储程序方面存在的致命弱点，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（John V on Neumann）于1946年6月提出了一个“存储程序”的计算机方案。

这个方案包含三个要点：•采用二进制数的形式表示数据和指令。

•将指令和数据按执行顺序都存放在存储器中。

•由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备5大部分组成计算机。

其工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”，就是通常所说的“顺序存储程序”的概念。

计算机化系统名词解释
计算机化系统（Computerized System）是指将计算机技术应用于各种业务、管理和科学研究等领域的系统。

这些系统通常由硬件、软件、数据库、网络和人员等组成，旨在实现信息的收集、处理、存储、传输和利用。

计算机化系统可以包括各种类型的应用程序，如企业资源规划系统（ERP）、客户关系管理系统（CRM）、供应链管理系统（SCM）、医疗信息系统（HIS）、财务管理系统等。

它们可以帮助组织提高效率、优化业务流程、增强决策能力、提升服务质量，并实现信息的共享和安全保护。

计算机化系统的特点包括：
1. 自动化处理：能够自动执行重复性、繁琐的任务，提高工作效率和准确性。

2. 数据存储和管理：能够有效地存储、管理和检索大量数据，提供数据分析和决策支持。

3. 网络连接：可以通过网络实现远程访问和信息共享，促进团队合作和协同工作。

4. 安全性和保密性：能够采取适当的安全措施，保护敏感信息的机密性、完整性和可用性。

计算机化系统的发展和应用已经深入到各个领域，成为现代社会不可或缺的一部分。

它们不断演进和创新，为人们的工作和生活带来了便利和效率。

计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成。

计算机硬件是构成计算机系统各功能部件的集合。

是由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础。

计算机硬件是看得见、摸得着的，实实在在存在的物理实体。

计算机软件是指与计算机系统操作有关的各种程序以及任何与之相关的文档和数据的集合。

其中程序是用程序设计语言描述的适合计算机执行的语句指令序列。

没有安装任何软件的计算机通常称为“裸机”，裸机是无法工作的。

如果计算机硬件脱离了计算机软件，那么它就成为了一台无用的机器。

如果计算机软件脱离了计算机的硬件就失去了它运行的物质基础；所以说二者相互依存，缺一不可，共同构成一个完整的计算机系统。

计算机体系结构基础知识概述计算机体系结构是计算机学科的基石，它研究计算机组织、功能和操作的结构。

在计算机科学的早期阶段，人们开始探索计算机体系结构的基础知识，并不断推动计算机技术的发展。

本文将对计算机体系结构的基础知识进行概述，包括计算机硬件、指令集体系结构以及存储层次结构等内容。

一、计算机硬件计算机硬件是计算机系统的物理组成部分，包括中央处理器（CPU）、主存储器、输入输出设备和外部存储器等。

中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和处理数据。

主存储器用于存储指令和数据，通过地址线和数据线与CPU进行通信。

输入输出设备用于和外部世界交互，包括键盘、鼠标、显示器等。

外部存储器主要用于长期存储大量数据，如硬盘、光盘等。

二、指令集体系结构指令集体系结构是定义了计算机的指令集和指令执行方式的规范。

它包括指令集的种类、指令的格式以及指令的执行机制等。

常见的指令集体系结构有CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）等。

CISC指令集拥有较多的指令和地址模式，可以在一条指令中完成复杂的操作，但其设计和实现较为复杂。

而RISC指令集则注重简洁和高效，通过减少指令的种类和格式，提高执行效率。

三、存储层次结构存储层次结构是计算机存储器的组织方式，将存储器按照速度、容量和成本进行分层次的组织。

存储层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等。

寄存器是位于CPU内部的最快的存储器，用于存储指令和数据。

高速缓存是位于CPU和主存之间的一级缓存，用于提高指令和数据的读写速度。

主存是指计算机内存条，用于存储运行中的程序和数据。

辅助存储器则是永久性存储介质，如硬盘、光盘等。

四、计算机体系结构的发展随着计算机技术的发展，计算机体系结构也在不断演进。

早期的计算机体系结构采用冯·诺依曼结构，即将指令和数据存储在同一存储器中，通过程序控制和数据传送来执行指令。

随着技术的发展，出现了多处理器体系结构、向量处理器体系结构和集群计算体系结构等。

计算机系统的理解
计算机系统是指由硬件和软件组成的，能够进行数据处理、存储和传输的系统。

它由多个层次和组件组成，包括硬件、操作系统、应用程序和用户界面等。

在计算机系统中，硬件是指计算机的物理组件，包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、输入输出设备等。

硬件是计算机系统的基础，它们通过电子信号的传输与处理实现计算和存储。

操作系统是计算机系统的核心组件，它负责管理和控制计算机的各种资源，如处理器、内存、硬盘、输入输出设备等。

操作系统提供了统一的接口，使得不同的应用程序能够在计算机上运行并相互协作。

常见的操作系统有Windows、Linux、macOS等。

应用程序是计算机系统的用户界面，它们是用户直接与计算机进行交互的工具。

应用程序可以是办公软件、图像处理软件、游戏等，它们通过操作系统提供的接口与硬件进行通信，并完成特定的任务。

计算机系统的理解不仅仅局限于硬件和软件的组成，还包括计算机的工作原理和数据处理方式。

计算机系统采用二进制表示数据，通过输入、运算、输出的过程来处理数据。

计算机系统还包括存储器层次结构，包括寄存器、缓存、主存和辅助存储器等，用于存储和访问数据。

此外，计算机系统还涉及到计算机网络的概念。

计算机网络是多台计算机通过通信设备连接起来，可以共享资源和信息。

计算机网络可以是局域网、广域网或互联网，它们通过传输协议实现数据的传输和共享。

总之，计算机系统是一个复杂的系统，它由硬件和软件相互结合，通过数据的输入、运算和输出来实现各种功能。

了解计算机系统的原理和组成，对于学习和使用计算机技术都非常重要。