计算机系统思维导图

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2023-03-07

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计算机系统

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思维导图大纲

计算机的工作原理

冯诺依曼机

主要设计思想

计算机的五个基础配件

运算器

别名：算数逻辑单元

主要功能：进行算数运算和逻辑运算

控制器

基本功能：从内存取命令，分析指令和向其他软件发出控制信号

主要组成部件

程序计数器（PC）

指令寄存器（IB）

指令译码器（ID）

微操作控制电路

时序控制电路

定义：指挥计算机各部件按照指令的功能协调工作的部件，是神经中枢和指挥中心

存储器

定义：计算机系统的记忆装置，用来存放程序和数据，是计算机中各种信息交流的场所

基本功能：按照指定位置存入或取出二进制信息

分类

内存储器，主存储器，内存

分类

随机存储器（RAM）

特点

既读也写

断电后信息消失

只读存储器（ROM）

定义：存放正在执行的程序和数据的存储空间

特点：速度快但容量有限

外存储器，外存，辅存

作用：长期存放程序和数据，但只能与内存交换数据

常见设备

硬盘

光盘

U盘

输入设备

接受程序和数据，转换语言到内存

常见：键盘，鼠标，扫描仪，游戏杆，麦克风，摄像头

输出设备

常见设备：显示器，打印机，绘图仪，音响

计算机“程序存储，程序控制”

二进制形式

存放在存储器中的指令序列顺序执行

确立了现代计算机的基本结构

指令与指令系统

指令

定义：能被计算机识别并执行的计算机代码

组成

操作码

如何执行

操作数

指明操作对象的地址或内容

指令系统，指令集

定义：一台计算机所有指令的集合

包含指令类型

数据传输指令：将数据在存储器之间，存储器与CPU之间传递

数据处理指令：进行算术运算和逻辑运算

程序控制指令：控制指令执行顺序

输入/输出指令：实现其与主机的数据传输

其他指令

指令执行的步骤

1.取：内存到指令寄存器

2.分析：指令译码器翻译操作码为控制电位信号，由地址码确定操作数

3.取操作数

4.执行指令

5.存储结果

计算机软件

计算机软件系统

概念：计算机运行所需的所有程序及数据与技术资料

分类

应用软件

分类

特定程序（特定用途） e.g.图像浏览器

互相协作的程序集合 e.g. office软件

软件系统 e.g. 数据库管理系统

举例

日常办公：Microsoft Office . WPS

图像处理软件：Adobe Photoshop /光影魔术手/美图秀秀

浏览器：Internet Explorer /Firefox /Google Chrome

辅助设计软件和数学计算软件：AutoCAD /MATLAB/R

压缩，解压软件：WinRar/WinZip

输入法：搜狗输入法/百度输入法/五笔输入法

媒体播放软件：PotPlayer/Windows Media Player

系统软件

定义：控制和协调计算机及外部设备，支持应用软件开发和运行的系统

主要功能

内容

操作系统;计算机最核心的软件

数据库管理系统

程序设计语言

计算机程序语言设计

机器语言

定义：由二进制代码组成，能被机器直接理解和执行的指令集合

优点

编写的程序不用翻译

程序所占空间小，执行速度快

缺点

编写程序困难，编程工程量大，难学，难记，难修改

在一定程度上易写，易读，易改

通用性差

汇编语言

定义：使用英文助记符（针对操作码）的语言

优点

编程质量高，占用空间小，执行速度快

缺点

通用性差

不具有可移植性

修改和维护困难

高级程序设计语言

接近人类自然语言

提高程序设计效率

语言的翻译

翻译程序

编译方式

对整个源程序进行编译处理

优缺点

执行快

每次修改源程序，都必须重新编译

解释方式

对源程序进行逐句分析

语言处理速度慢

举例：Python,JavaScript,PHP

翻译工具

编译器

解释器

操作系统

为什么要有操作系统

计算机易于使用

资源得到有效组织与管理

操作系统概述

操作系统是一组控制和管理计算机软硬件资源，方便用户及用户代理使用计算机的程序的集合

操作系统是用户和硬件系统之间的接口

操作系统提供联机命令

操作系统提供系统调用，用户在应用程序操纵

管理功能

处理机（进程）管理

目的：合理地分配CPU时间，提高CPU的利用效率

程序

单道程序系统

任何时间，一个程序单独在系统执行

多道程序系统

系统中同时有多个程序执行

任一时刻仅有一道程序执行，内存中多个程序交替执行

进程

定义：正在执行的程序

进程的生命周期：进程从创建到消亡的这段时间

就绪状态

执行状态

挂起状态

进程是资源的分配单位

存储器管理

内存分配

为程序创造进程并提供内存空间

内存空间的分配和回收是内存管理的基本功能

内存保护

确保程序互不干涉

设置内存保护机制：界限寄存器

内存扩充

从硬盘中划取存储空间，称为虚拟内存

操作系统根据需要负责内外存的数据交换

设备管理

主要目的是屏蔽I/O系统的复杂性，提高I/O设备的利用率

主要功能

缓冲区管理

缓解高速CPU与低数I/O设备之间工作速度的巨大差距

保证I/O设备有序进行，提高CPU的利用率，提高系统吞吐量

设备分配

为进程分配所需设备

设备驱动

文件管理

主要任务：管理用户和系统文件，方便存取访问，保证安全性

功能

文件存储空间的管理

提高外存利用率

目录管理

实现文件高效提取

文件的读写管理和存取控制

三级保护机制

系统级存取控制

用户级存取控制

文件级存取控制

分类

按照与用户对话的界面

命令行界面操作系统（CLI） e.g.DOS 界面

图形用户界面操作系统（GUI）

按功能

批处理系统

分时操作系统

采用时间片轮转的方式同时为多个终端用户服务

特点：可有效提高资源的使用率

e.g.UNIX,Linux

实时操作系统

主要特点：系统的处理要在确定的时间范围内完成

常应用与嵌入式领域和物联网开发中

网络操作系统

分布式操作系统

智能手机操作系统

运行在高端智能手机上

主流的有安卓（Google Android）和苹果的i OS

举例

Windows操作系统

装机数量最多，用户数量最多的

适用PC和小型服务器

UNIX操作系统

通用的，交互式，多用户，多任务的主流操作系统

强大的功能和优良的性能，良好的稳定性和高可靠性

运行在各种类型的计算机硬件平台上，使用在微型计算机，工作站和巨型计算机中

Linux操作系统

免费使用，自由传播，与UNLX完全兼容

Windows操作系统的应用

桌面及桌面组成元素

桌面

桌面图标

任务栏

开始菜单

Cortana

启用

唤醒

使用

搜索

Windows快捷键

Win：打开Windows开始菜单

Win+D：显示桌面

Win+E:打开资源管理器

Win+I：打开设置桌面

Win+L：锁定屏幕

Win+R：打开运行窗口

Win+方向键：调整窗口显示大小

Ctrl+Shift+Esc:打开任务管理器

文件资源管理

文件：存储在计算机外存储器上的一段数据

拓展名

txt:文本文件

doc或docx：word文档

xls或xlsx：excel文档

ppt或pptx：PowerPoint文档

htm或html：网页文件

jpg，png，gif：数字图像文件

mp3，wav，midi：声音格式文件

avi，mp4：视频格式

zip，rar：压缩文件

c，cpp：C语言源程序，C++语言源程序

exe：可执行程序

文件夹

磁盘分区成为根目录

文件的路径描述

文件的路径：描述文件在计算机中的具体位置

绝对路径

相对路径

文件管理工具——文件资源管理器

启动方法：Win+E或在桌面上单击计算机

计算机=资源管理器：管理文件的应用程序

文件常见的管理任务

Ctrl+A：全选

Ctrl+C:复制

Ctrl+v:粘贴

Ctrl+X：剪切

Windows命令行模式

Windows设置

任务管理器

信息在计算机中的表示

计算机与二进制

进位计数制

概念

数制中所用符号的个数称为基数，每个数值所具有的值称为位权

十进制，二进制，八进制，十六进制

采用二进制的原因

技术实现简单

运算规则简单

适合逻辑运算

抗干扰能力强，可靠性高

二进制的基本运算

算术运算:逢二进一

逻辑运算

与（&）：0&0=0，0&1=0，1&0=0，1&1=1

或（|）：0|0=0，0|1=1，1|0=1，1|1=1

异或

非（！）：！0=1，！1=0

常用的数制及其表示

数据存储的概念

位

计算机中最小的信息单位

记为bit或b，1bit就是二进制数的1位数符0或1

字节

计量单位的基本单位，用于表示存储空间大小

记为Byte或B，8位二进制组成一个字节

1KB=1024B,1MB=1024MB,1GB=1024MB,1TB=1024GB,1PB=1024TB

字

作为整体参与运算，处理和传送，也是计算机进行信息交换，处理和存储的基本单元

有一个或几个字节组成

字长

衡量计算机性能的重要指标，直接反映计算能力和精度

子主题 2

数值数据在计算机中的表示

整数

无符号整数

只能表示零和正数

最大无符号整数：取决于计算机分配用于保存无符号整数的二进制位数

有符号整数

子主题 2

字符信息在计算机中的表示

多媒体数据在计算机中的表示

微型计算机

概述

指以大规模或超大规模集成电路为主要部件，以微处理器为核心的计算机

适用与日常计算及商务用途：台式计算机，笔记本电脑以及各种电子手持设备

优点：体积小，重量轻，价格低，可靠性高，结构灵活，应用面广，功能强，性能优越

微型计算机系统构成

微型计算机

微处理器：运算器，控制器，寄存器组

系统总线：地址总线，数据总线，控制总线

I/O接口

软件系统

系统软件:操作系统，语言处理程序，数据库管理系统

应用软件

外部设备

典型硬件配置

主板

作用：集成各种芯片并提供拓展槽和外部接口

特点：开放性结构

微处理器（CPU）

性能指标

时钟频率（主频）

字长

缓存容量

核心数量

制造工艺

发展简介

存储器

主存储器（内存）

特点

可以与CPU直接进行信息交换

存取速度快，存储容量小，单位字节容量价格较高

需要后备电源，断电时，存放信息会丢失

分类

随机存储器

只读存储器

高速缓冲存储（cache）

提高CPU访问主存的速度

位于CPU与主存之间

辅助存储器，外存储器

指除内存及CPU缓存之外的存储器

常见类型

磁介质存储设备，磁盘

软盘

磁带

硬盘：最主要的辅助存储器

发展趋势：固态硬盘

构成：存储芯片+控制单元

使用：固态硬盘（系统盘）+传统硬盘

光存储设备

光盘

固态存储设备

基于闪存（采用Flash芯片带为存储介质）的固态硬盘

基于DRAM（采用DRAM为存储介质）的固态硬盘

特点：容量大，能长期保存数据，价格便宜

总线

定义：计算机中各部件之间传输数据的共用通道

按其所在位置

内部总线，片内总线

位于CPU集成电路芯片内部

用于提高控制器，运算器及各逻辑单元间的信息传递速率

外部总线

计算机与外部设备的总线

提供计算机系统的功能拓展

系统总线

CPU与计算机系统各部件间

微型计算机特有

按信息传输性质

数据总线

地址总线

控制总线

外部设备及接口

嵌入式系统

概述

定义：将计算机的硬件或软件嵌入其他机电设备或应用系统中去，从而构成的一种新的计算机系统

构造原则：以应用为中心，以计算机技术为为基础

主要应用领域

消费电子

通信

工业控制，汽车电子，医疗仪器

军事国防，航空航天

特点

面向特定应用

硬件和软件必须高效率地设计

有实时操作系统的支持

有较长的生命周期

软件固化在存储器芯片或单片机

具有专门的开发工具

分类

按处理器的位数

按应用领域

按实时性

按系统软件复杂程度

体系结构

硬件

嵌入式处理器（核心）

嵌入式微处理器（MPU）

嵌入式微控制器（MCU）

嵌入式DSP处理器

嵌入式片上系统（SoC）

嵌入式外围设备

软件构成

操作系统

特点

系统实时高效性

硬件的相关依赖性

软件

子主题 4

子主题 2

应用软件

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