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                                                        第二章  计算机系统

1.   计算机系统的构成

一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。

硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中：

         中央处理器(简称CPU)=运算器+控制器

         主机=中央处理器+主存储器

软件是指各类程序和数据，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。

2.   冯·诺依曼型计算机的结构

冯·诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储器中，在执行时将程序和数据先从外存装入内存中，然后使计算机在工作时自动地从内存中取出指令并加以执行，这就是存储程序概念的基本原理。 

冯·诺依曼计算机体系结构的主要特点是：

(1) 采用二进制形式表示程序和数据。

(2) 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成 。

(3) 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。

(4) 控制器根据存放在存储器中的指令 (程序) 工作。

3.   中央处理器 CPU

CPU：运算器部件、寄存器部件和控制器部件。

CPU从存储器取出指令，放入CPU内部的指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。

CPU的主要性能指标 ：

(1) 主频/外频（主频=外频×倍频，即CPU工作频率）

(2) 数据总线宽度（即字长，指CPU传输数据的位数）

(3) 地址总线宽度（决定了CPU可访问的地址空间）

(4) 工作电压（低电压可减少CPU过热，降低功耗）

(5) 高速缓存Cache（加速CPU与其它设备间数据交换）

(6) 运算速度（CPU每秒能处理的指令数）

Ø  运算器

运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是:

       (1) 运算逻辑部件

       (2) 寄存器部件

Ø  控制器

        控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。

控制器主要由以下部件组成：

        ① 程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址；

        ② 指令寄存器。保存现在正在执行的指令；

        ③ 指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求；

        ④ 时序部件。产生计算机工作中所需的各种定时控制信号，对各种微操作控制信号进行定时控制。以协调各部件的工作顺序；

        ⑤ 微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列不可再分的微操作命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。

4.   主板

主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供CPU、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。早期的PC机主板是将快速的CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。

5.   主存储器

主存储器，简称主存，也叫内存储器 (简称内存)，由半导体材料构成。内存分为只读存储器和随机读写存储器。

Ø  只读存储器ROM

•        特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。

•        ROM分类

   (1) 掩膜式 ROM(Mask ROM)

   (2) 可编程 PROM(Programmable ROM)

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   (3) 可擦除 EPROM (Erasable PROM)

   (4) 电可擦 EEPROM(Electrically EPROM)

   (5) 快擦写 ROM(Flash ROM)

Ø  随机存储器RAM

        特点：用于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失。

        RAM 分类:

Ø  SRAM：静态RAM。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般做高速缓冲存储器。

       (2) DRAM：动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整性，通常所说的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型：

       ① SDRAM—同步动态存储器  

       ② DDR—双倍速率内存

            (DDR2—四倍速率内存DDR3)

Ø  Cache(高速缓存 )

        Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内Cache是集成在CPU芯片中，片外Cache是安插在主板上。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级，大体与CPU的处理速度相当。

Ø  多级缓存

        最早的CPU缓存容量很低。当集成在CPU内核中的缓存已不能满足CPU的需求，而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量时，出现了集成在与CPU同一块主板上的缓存，此时把CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二级缓存。

        现在多数CPU内部也有二级缓存，于是二级缓存又可分为内部二级缓存和外部二级缓存。较高端的CPU中还会带有三级缓存 。

 

6.   总线

总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。

① 地址总线。传输的是地址信号，一般是单向传输。当CPU需要访问某个外设时，它向地址总线发出相应外设的地址信号，以选择某个外设。

② 数据总线。传输的是数据，一般是双向传输。CPU进行“读”时，数据由外设流向CPU，当CPU进行“写”时，数据由CPU流向外设。

③ 控制总线。有的是CPU向内存或外部设备发出的信号；有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的。

系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、PCI Express三个阶段。

① ISA总线。是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。

② PCI总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。

③ AGP总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。

④ PCI Express总线。是新一代的总线接口。

7.   接口

       I/O接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由I/O接口电路、连接器(一般为连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。

         根据I/O接口是否内嵌在主板中，可将I/O接口分为内置I/O接口和外置I/O接口两类。

(1) 内置I/O接口

        将I/O接口电路内嵌在主板中，由主板提供外设接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、USB接口、串口、并口及软硬盘接口等。

(2) 外置I/O接口

     将I/O接口集成到一块独立的电路板(接口卡)上，接口卡必须插在总线扩展插槽上(如PCI、PCI Express插槽等) 。

8.   输入/输出子系统 简称外设

  非存储设备 常见的非存储设备有；键盘、鼠标和显示器、打印机。

  存储设备 也叫外存。存储设备通常分为磁介质、光介质、半导体介质。

1)   磁介质  磁介质存储设备使用磁性来存储数据位。最常见的磁介质存储设备是磁盘和磁带。软盘、硬盘都是属于磁介质的存储设备。软盘因为在读写速度、存储稳定性、存储容量上不能满足用户的需要而几乎被淘汰了。

2)   光介质 光存储设备是使用激光技术来存储和读写数据。CD-ROM/CD-R/DVD

3)   半导体存储设备 半导体设备普通采用一种叫做“Flash Memory”的技术，即闪存技术。主要代表物是U盘

9.   光盘存储器

        光盘简称CD(Compact Disc)是利用塑料盘片表面凹凸不平的特征，通过光的反射来记录和识别二进制的0、1信息。

光盘的分类:

²  只读型光盘

        只读光盘中的数据是在制作时写入的，用户只能读数据，而不能写入或修改光盘中的数据。音频光盘CD-DA、数据光盘 CD-ROM、 VCD、DVD等都属于只读光盘。

²  一次写入光盘

        这种光盘允许一次写入数据，但不能修改和擦除数据， 如 CD-R。

²  可擦写光盘

        这种光盘可多次写入或修改数据，如CD-RW。

10.  硬盘

 硬盘是微机最重要的外部存储器，常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件，以及存储大量数据。

Ø  硬盘存储格式

        硬盘是由多个涂有磁性物质的金属圆盘盘片组成，盘片的每一面都有一个读写磁头，在对硬盘进行格式化时，将对盘片进行划分磁道和扇区，对于大容量的硬盘还将多个扇区组织起来成为一个块——“簇”，簇成为磁盘读写的基本单位。有的簇是一个扇区，有的有好几个扇区，可以在格式化的参数中给定。

Ø  硬盘性能指标

         ① 硬盘的容量。现在微机上所配置的硬盘一般在200GB以上。

         ② 硬盘的转速。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快。现在的主流硬盘转速一般为7200rpm以上。

         ③ 缓存。硬盘自带的缓存，缓存越多，越能提高硬盘的访问速度。

Ø  硬盘接口

         硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种，IDE接口硬盘多用于家用产品中，SATA是种新生的硬盘接口类型。

Ø  硬盘格式化

        ① 硬盘低级格式化。主要是对一个新硬盘划分磁道和扇区。

        ② 硬盘分区。把硬盘划分为成若干个相对独立的逻辑分区 。

        ③ 硬盘高级格式化。高级格式化主要是对指定的硬盘分区进行初始化，建立文件分配表以便系统按指定格式存储文件。。

11.  打印机

        常用的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等。

        ① 针式打印机特点。利用钢针击打色带把色带上的墨打印在纸上形成文本或图形。缺点是打印质量差、速度慢、噪声大；优点是可以打多联纸，耗材相对较便宜。

        ② 喷墨打印机特点。打印头上有若干个喷头，打印时，墨水以每秒近万次的频率喷射到纸上。与其它两类打印机相比，在打印质量、速度、噪声及成本方面处于中等层次。

        ③ 激光打印机特点。利用激光可以形成很细的光点，将碳粉固着在纸上，加热后碳粉固定在纸上，最后印出文字和图片。优点是打印速度快、噪音低、质量好，缺点是价格及打印成本较高。

       对三种打印机的打印效果对比来说，激光最好，喷墨其次，而针式相对较差。

12.  计算机指令系统

       指令：是指计算机执行特定操作的命令。是程序设计的最小语言单位。

       指令构成：操作码+地址码（操作码和操作数）

       指令系统：是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。不同型号的计算机有不同的指令系统。它反映了计算机的处理能力。

可分为以下四个步骤：

        开始执行程序时，先给程序计数器PC赋以第一条指令的首地址0100H。

        ①取指令  按照计数器中的地址从内存中取出指令(070270H)，并送往指令寄存器。然后计数器PC自动加1指向下一指令地址。

②分析指令  对指令寄存器中存放的指令(070270H)进行分析，由译码器对操作码 (07H)进行译码，由地址码(0270H)确定操作数地址。

③执行指令 取出操作数，去完成该指令所要求的操作。例如做加法指令，取内存单元(0270H)的值和累加器的值相加，结果还是放在累加器。

④一条指令执行完成，再回到①取指令阶段开始下一指令的执行。

13.  计算机硬件系统的性能指标

        (1) CPU的主频。主频越高，单位时间内完成的指令数也越多，CPU工作的速度也就越快。

       (2) 字长。字长越长，计算机一次所能处理信息的位数就越多，表现为计算机的运算速度越快。

       (3) 运算速度。它是一项综合性的性能指标。是指计算机每秒钟执行的指令数，单位是MIPS，即每秒百万条指令。

       (4) 内存容量。内存容量越大，一次读入的程序、数据就越多，计算机的运行速度也就越快。

       (5) 内存存取速度。内存连续启动两次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间，称为存取周期。

       (6) I/O速度。I/O的速度是指CPU与外部设备进行数据交换的速度。目前系统性能的瓶颈越来越多地体现在I/O速度上。