第二章 计算机系统

硬件系统

概述

一个完整的计算机系统通常由硬件系统和软件系统组成，只有硬件系统没有软件系统的计算机被称为裸机。

主机

CPU（中央处理器）/微处理器

组成

• 控制器：控制计算机各部件按照指令要求协同工作–全机控制
• 运算器：算术运算、逻辑运算

CPU产品

• Intel: core i3 i5 i7
• AMD: A10 A8 A6 ryzen
• 国产CPU: 龙芯（聚友国家自主知识产权，用于高性能计算机）

智能处理器新特性

• 睿频加速技术，按负载提升主频，高效节能
• 超线程技术，提升并行处理能力
• 集成高清显卡，提升3D性能

内存储器/主存储器（内存）

• 功能及特点：存放正在运行的程序和数据，是CPU能够直接访问的存储器

• 分类

  1. RAM（随机存储器）

     特点：数据存储速度快，可读可写，断电丢失数据

     应用：用于软件之间传递信息，Ctrl + X, Ctrl + C, Ctrl + V, Alt + Print Screen: 复制当前窗口, Print Screen: 复制当前屏幕

  2. ROM（只读存储器）

     主要存放计算机启动程序

     特点：只能读，不能写，断电不丢失数据

     BIOS（基本输入输出系统）：能识别硬件，引导系统

  3. Cache（高速缓冲存储器）

     位于CPU和内存之间，运行频率极高

     作用：减少CPU从内存读取指令或者数据的等待时间

• 内存地址：按字节进行编址，一个字节对应一个地址

外设

外存储器/辅助存储器

特点

大容量，能长期保存数据

硬盘类型

1. 机械硬盘（HDD）：容量大，经济实惠，以扇区为基本读写单位（常见510B）
   工作原理：从外至内读取（最外层为零磁道）
   技术指标：存储容量 = 盘面数量 $\times$ 磁道数 $\times$ 扇区容量
   转速（rpm）rounds per minute

2. 固态硬盘（SSD）：速度快，容量小，价格高，使用寿命较短

   应用：回收站
   快捷键：
   delete：删除文件进入回收站
   shift + delete：不进入回收站
   特点：回收站大小可设置，文件可以恢复/还原

   删除文件不进入回收站的情况：

   • shift + delete
   • 文件过大
   • 用户设置
   • 可移动设备

3. 光盘

   CD：容量：一般为650MB，1$\times$：150KB/S ，n$\times$：n$\times$150KB/S

   DVD：容量：4.7GB ~ 50GB

4. 移动存储

   Flash存储：U盘，flash卡（SD卡）

   移动硬盘

输入设备

• 功能：向计算机输入设备和信息
• 举例：键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、麦克风……

输出设备

• 功能：将计算机中用二进制代码表示的信息转换成人们所需的文字、图像、声音等信息

• 举例：显示器、打印机、投影仪、音响、D/A转换器

• 显示器：

  分类：

  CRT：阴极射线管显示器
  LCD：液晶显示器
  PDP：等离子显示器
  3D显示器
  性能指标：
  分辨率：显示器上像素的数量，全高清：1920$\times$1080
  颜色质量（色彩深度）：显示一个像素单位，bit（$\geq$24位称之为真彩色）
  响应时间：像素由亮转暗或者由暗转亮所需要的时间，单位：ms

补充知识点

• 读盘与写盘：
  CPU$\rightarrow$内存$\rightarrow$硬盘（写盘）；硬盘$\rightarrow$内存$\rightarrow$CPU（读盘）

• 存储器读写速度：
  cache > RAM > 硬盘 > 其他外存

总线（BUS）

作用

各部件（或设备）之间传输数据的公用通道

分类

数据传输方式

• 串行

  USB、PS/2

• 并行

• PCI总线

连接部件

• 片内总线：CPU芯片内部的总线
• 系统总线：
  数据总线（DB）：只传输数据或指令（双向）
  地址总线（AB）：只传输地址信息，n位地址总线，寻址能力$2^n$B（单向）

技术指标

总线带宽、位宽、工作频率（总线带宽 = 工作频率$\times$位宽$\times$传输次数/8）

I/O接口

键鼠

• USB（通用串行总线）

USB2.0

电压：5V 电流：500mA

接口颜色：黑色；数据传输速率：480Mbps

USB3.0

电压：5V；电流：900mA

接口颜色：蓝色；数据传输速率：5Gbps

USB3.0向下兼容USB2.0

• PS/2

显示器

• VGA

• DVI（数字视频接口）

• HDMI（高清晰度多媒体接口）

  同时传输视频信号和音频信号

其他接口

• 打印机（USB，LPT1(并口)）

• 网线接口：RJ-45（水晶头接口）
• 硬盘接口：SATA（串行）
• PCI（声卡、网卡）并口；PCI-E（PCI扩展标准）串口

性能指标

• CPU

  主频（时钟频率）：Hz（GHz），主频越高，运行速度越快

  字长：bit（32bit/64bit），即处理器位数，字长越长，精度越高

  Cache容量（一般指三级缓存）、核心数、线程数（提高并发处理数据的能力）

• 内存容量

• 硬盘容量、转速（机械）

基本工作原理

工作原理

存储程序，自动执行程序

指令

能被计算机识别并执行的二进制编码（机器指令）

操作码（告诉CPU应当执行何种操作）

地址码/操作数（告诉计算机要执行的操作位于哪里）

指令系统

CPU所能执行的全部指令的集合，是衡量计算机性能的重要指标

流水线技术

类似于工厂流水线，可提高CPU执行指令的速度

原理：将不同指令的各个步骤通过多个硬件处理单元进行重叠操作，从而实现多条指令的并行处理

软件系统

软件

组成

程序：为了解决某一特定问题而设置的指令序列。

相应的文档：运行过程中的软件还包含运行所需的相关数据。

软件系统

系统软件

控制计算机的运行，管理计算机的各种资源，并为应用软件提供支持和服务。

• 操作系统（OS）、实用程序（磁盘清理、磁盘碎片整理）

• 程序设计语言

  低级语言：面向机器，可移植性差

  ​ 机器语言：能被计算机直接识别并执行，执行效率最高

  ​ 汇编语言：采用助记符表示操作码

  高级语言

  特点：程序易读、易修改、通用性好、可移植性好、不依赖机器

  分类：

  ​ 面向过程：C语言

  ​ 面向对象：C艹、Java、C#，Python等

  典型程序设计语言简介

  ​ Fortran：世界上最早出现，用于科学计算

  ​ Cobol：面向商业，主要用于数据处理

  ​ Pascal：结构化程序设计，用于教学，科学计算，数据处理和系统软件开发

  ​ C、C艹，C语言功能丰富、使用灵活、简洁明了、编译产生的代码短、执行速度快、可移植性强；C艹和C语言中加入了面向对象的概念

  ​ C#：由C和C艹衍生出来，专门为.NET应用而开发的语言

  ​ Basic：早期是非结构化的，功能少，是解释型的，运行速度慢

  ​ Java：跨平台、面向对象，主要用于网络应用开发

  ​ Python：胶水语言，面向对象、解释型，用于应用程序开发、网络开发、网站设计、图形界面

• 语言处理程序

  汇编程序：汇编语言源程序$\rightarrow$机器语言程序（目标程序）

  高级语言翻译程序：

  ​ 编译方式：高级语言源程序$\rightarrow$目标程序（.obj）$\rightarrow$可执行程序（.exe）

  ​ 解释方式：一边翻译，一边执行，不产生目标程序

应用软件

为满足用户的不同领域、不同问题的应用需求而提供的软件

• 办公软件：Microsoft Office、Kingsoft Office

• 图像&图像处理软件：画图（windows自带）、Photoshop

• 绘图软件：Adobe Illustrator、AutoCAD、CorelDraw

• 三维建模&动画制作软件：3DS MAX、Flash

• Internet服务软件：浏览器、电子邮件、微信、博客、即时通讯软件

其他

系统软件和应用软件的界限并不十分明显，有些软件既可以认为是系统软件，也可以认为是应用软件，如数据库管理系统

操作系统

操作系统安装&维护

安装

光盘安装

1. 购买正版Windows系统盘
2. 使用光盘进行自动安装
3. 输入序列号，激活Windows

维护

设备驱动

• 通过设备管理器检查硬件驱动是否正常
• 通过设备管理器或第三方驱动安装程序下载、安装相关驱动程序

下载、安装最新版本的杀毒软件并定期更新、升级杀毒软件病毒库

系统备份与恢复

操作系统作用和功能

作用

人机接口、软件平台

主要功能

管理和控制计算机的所有软件、硬件及数据资源，另一维度，可实现文件管理、设备管理、存储管理、处理器管理

四大管理

• 文件管理：系统对文件存储器的空间进行分配，维护和回收，同时负责文件的索引，共享和权限保护

• 设备管理：协调I/O设备与CPU和内存的工作

• 存储管理：针对内存存储器的管理。虚拟内存：系统使用一部分硬盘空间模拟内存。虚拟内存最大容量：若CPU地址线是n位，则虚拟内存可达2$^n$B

• 处理器管理：对处理器的分配和运行进行合理有效的管理与调度，提高CPU利用率

  作业管理：系统在多个作业中按照一定的策略选取若干个作业，为它们分配所需的资源，让它们能够同时执行

  进程管理：

  以文件的方式存放在外存储器中，程序（静态）：
  单通道程序系统：任一时刻只允许一个程序在系统中执行

  多通道程序系统：同时有多个程序被加载到内存中执行

  正在执行的程序，进程（动态）：

  整个生命周期的三个基本状态：就绪、运行（执行）、挂起（等待、睡眠）

  线程：

  一个进程分成若干个线程后，可以更好的共享资源

操作系统分类与简介

分类

• 按用户界面分类

  命令行界面操作系统：Dos

  图形用户操作界面：Windows

• 按系统功能分类

  三种基本类型

  批处理系统：很少用

  分时操作系统（将CPU时间划分为时间片轮流接收和处理各个用户从终端输入的命令）

  实时操作系统（对信号的输入、计算和输出都能在一定时间范围内完成）

• 三种扩充类型

个人计算机操作系统：Windows，Linux，Mac OS

网络操作系统：Windows server，Linux

智能手机操作系统：Android，iOS，Harmony OS(???)

简介

• DOS

  命令行界面、单用户、单任务操作系统

  特点：简单易学，硬件要求低，但存储性能有限

• Windows

  图形界面、实时操作系统

  特点：界面生动、形象，操作简便（有手就行）

• Unix

  优点：具有较好的可移植性，可运行在许多不同类型的计算机上

  缺点：缺乏统一标准，应用程序不够丰富，不易学习

• Linux

  特点：开源操作系统，与Unix兼容

• Mac OS

  运行在苹果电脑Macintosh上的操作系统

  优点：具有较强的图形处理能力

  缺点：与Windows兼容性较差

• Android

  基于Linux的开源操作系统，主要用于移动设备

Windows

发展历程

• 两个系列：面向个人或企业消费者的Windows系统；面向企业的Windows server系统
• Windows 10可以运行在部分移动设备上
• 有32位和64位之分，目前大部分是64位

桌面

一般位于系统盘中，属于系统文件夹

任务管理器

• 作用：查看目前正在运行的程序，用于结束未响应或不希望运行的程序

• 快捷键：Ctrl + Shift + ESC或者Ctrl + Alt + Delete

控制面板

• 用来进行系统设置和设备管理的工具集

• 管理用户：

  标准用户：可以使用大多数软件以及更改不影响其他用户或计算机系统的系统设置

  管理员账户（Administrator）：拥有对系统的所有权限

• 卸载应用程序

• 管理设备

  添加设备：即插即用设备，操作系统能检测到并自动安装驱动程序；非即插即用设备，需要手动安装驱动程序

扩展快捷键

F1帮助，F2重命名，F3搜索，F4路径，F5刷新，CapsLock大小写锁定，NumLock数字小键盘开启与关闭、Ctrl + Space中英文切换，Ctrl + Shift输入法切换