计算机组成与工作原理.docx
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计算机组成与工作原理
计算机基本结构与工作原理
一、微型计算机系统概述
一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两大部分。
（1）计算机硬件是指组成一台计算机的各种物理装置，由各种器件和电子线路组成。
各种物理器件，是计算机进行工作的物质基础。
是计算机的“躯壳”。
（2）计算机软件是指在硬件设备上运行的各种程序以及有关的资料。
所谓程序是用于指挥计算机执行各种操作以便完成指定任务的指令集合。
计算机程序通常都是由计算机语言来编制，编制程序的工作称为程序设计。
它是计算机的“灵魂”。
“裸机”：
没有软件的计算机通常称为“裸机”。
理解：
它们的区分犹如把一个人分成躯体和思想一样，躯体是硬件，思想则是软件。
计算机系统的基本组成
（一）计算机硬件系统
计算机硬件的基本功能是接受计算机程序的控制，并实现数据输入、运算、数据输出等一系列根本性的操作。
在基本的硬件结构方面，一直沿袭着冯·诺伊曼的传统框架，即计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件构成，如图所示：
1.控制器：
是计算机的控制部件，它控制其他部件协调统一的工作，并能完成对指令的分析和执行，是计算机的控制中心，实现处理过程的自动化。
计算机系统各个部件在控制器的控制下协调地进行工作：
✧控制器控制输入设备将数据和程序从输入设备输入到内存储器。
✧在控制器指挥下，从存储器取出指令送入控制器。
✧控制器分析指令，指挥运算器、存储器执行指令规定的操作。
✧运算结果由控制器控制送存储器保存或送输出设备输出。
2.运算器：
用于加工、处理数据的部件，其功能是在控制器的指挥下，对信息
或数据进行处理和运算，主要完成对数据的算术运算和逻辑运算，其内部有一个算术逻辑运算部件ALU（ArithmeticalLogicUnit）和若干种寄存器。
运算器主要工作是数据处理（运算）和暂存运算数据。
CPU：
控制器+运算器
●CPU的性能基本决定了计算机的性能，CPU是整个电脑系统的核心。
●CPU的主要性能指标有：
（1）主频：
即CPU的时钟频率。
（2）时钟频率：
即CPU的外部时钟频率。
（3）内部缓存：
即封闭在CPU芯片内部的高速缓存。
（4）外部缓存：
即CPU外部的高速缓存。
（5）MMX技术：
是“多媒体扩展指令集”的缩写。
（6）制造工艺。
3.存储器（Memory）：
计算机的记忆装置，主要是存放程序和数据。
分类：
内存储器（主存储器/内存）、外存储器（辅助存储器/外存）和缓冲存储器Cache。
（1）内存储器（Memory）：
直接和运算器、控制器、I/O设备交换信息；
分类：
随机（存取）存储器RAM（RandomAccessMemory）和只读（存取）存储器ROM（Read-OnlyMemory）两种。
主机：
控制器+运算器+内存储器
1RAM（读写存储器）
特点：
可以随时根据需要读出或写入新的信息，一旦关机（断电）后，信息不再保存，即可读、可写、断电信息消失。
分类：
静态存储器SRAM和动态存储器DRAM
✧静态存储器SRAM
特点：
只要存储单元上加有工作电压，它上面存储的信息就将保持。
✧动态存储器DRAM
特点：
主存储器一般采用动态存储器DRAM。
动态RAM由于是利用MOS管极间电容保存信息，因此随着电容的漏电，信息会逐渐丢失，为了补偿信息的丢失，要每隔一定时间对存储单元的信息进行刷新。
目前主要用同步动态存储器SDRAM（SynchronousDynamicRAM）和双速率DDRSDRAM（DoubleDataRateSDRAM）内存储器。
RDRAM（RambusDRAM）是美国Rambus公司研制的另一种性能更高，速度更快的内存，有很大的发展前景。
不论是静态RAM还是动态RAM，当电源电压去掉时，RAM中保存的信息都将全部丢失。
2ROM（只读存储器）
特点：
只有在特定条件下才能写入，通常只能读出而不能写入，断电后，ROM中的原有内容保持不变，即可读、不可写、断电信息不消失。
ROM一般用来存放自检程序、配置信息等。
如计算机启动用的BIOS芯片。
ROM：
在制造过程中，将资料以一特制光罩（mask）烧录于线路中，其资料内容在写入后就不能更改；
PROM可编程只读存储器：
用一定设备将编好的程序固化在PROM中，仅能写录一次；
EPROM可擦可编程只读存储器：
写入其中的内容需用紫外光长时间照射才能擦除；
EEPROM电可擦可编程只读存储器：
运作原理类似EPROM，但是抹除的方式是使用高电场来完成，因此不需要透明窗。
在计算机系统里，RAM一般用作内存，ROM用来存放一些硬件的驱动程序，也就是固件。
③Cache（高速缓冲内存/缓存）：
可读、可写、读写速度接近CPU。
作用：
高速缓冲存储器Cache是为了提高DRAM（动态存储器）与CPU之间的传输速率，其基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”。
理解：
当CPU处理数据时，它会先到高速缓存中去寻找，如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中，就不需要再从主内存中读取数据——CPU的运算速度要比内存快得多，因此若要经常存取主内存的话，就必须等待数个CPU周期从而造成浪费，为此在此传输过程中放置一存储器，存储CPU经常使用的数据和指令。
这样可以提高数据传输速度。
可分一级缓存和二级缓存。
●一级缓存
即L1Cache。
集成在CPU内部中，用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。
由于缓存指令和数据与CPU同频工作，L1级高速缓存缓存的容量越大，存储信息越多，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU的运算效率。
但因高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在有限的CPU芯片面积上，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。
●二级缓存
即L2Cache。
由于L1级高速缓存容量的限制，为了再次提高CPU的运算速度，在CPU外部放置一高速存储器，即二级缓存。
工作主频比较灵活，可与CPU同频，也可不同。
CPU在读取数据时，先在L1中寻找，再从L2寻找，然后是内存，在后是外存储器。
所以L2对系统的影响也不容忽视。
凡是位于速度相差较大的两种硬件之间的，用于协调两者数据传输速度差异的结构，均可称之为Cache。
现在Cache的概念已经被扩充了：
不仅在CPU和主内存之间有Cache，而且在内存和硬盘之间也有Cache（磁盘高速缓存），乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的“Cache”（Internet临时文件夹）。
三级存储系统
（2）外存储器
外存储器即辅助存储器，用来存储大量暂时不参加运算或处理的数据和程序，是主存的后备和补充，也是计算机的一种重要的外部设备。
微型计算机常用的外存储器有软磁盘存储器、硬磁盘存储器和光盘存储器。
软盘驱动器和硬盘驱动器可分别对软磁盘和硬磁盘进行数据读写，软磁盘（简称软盘）和硬磁盘（简称硬盘）都是磁表面数据存储介质，它们分别由圆形的软质和硬质薄片基质均匀地涂上一层磁性材料而构成。
使用时，通过驱动器中的读写磁头在磁盘上进行磁-电转换，完成数据读写，工作过程类似于常用的磁带录音机的放音和录音。
①软磁盘（FloppyDisk或FD）
✧软磁盘的结构及分类
软磁盘（原称flexible，后称floppydisk或diskette）是人们广泛使用的一种廉价存储介质。
它是由聚酯塑料盘涂布一层磁薄膜而制成的。
这种磁膜容易磁化并有一定的矫顽力，如氧化铁、渗钴氧化铁、钡铁氧体等。
按盘片的直径来分，软盘有8，5.25（约130mm，简称5寸盘）和3.5英寸（约90mm，简称3寸盘）等几种。
其中8英寸软盘和5.25英寸软盘已基本淘汰，目前使用较多的是3寸盘。
市场上陆续推出的还有2.5英寸盘（简称2寸盘）甚至1.5英寸盘（简称1寸盘）。
按软盘驱动器磁头工作方式，可以分为单面（SingleSide，SS）和双面（DoubleSide，DS）读写；按数据记录方式又有单密度（SingleDensity，SD）、双密度（DoubleDensity，DD）和高密度（HighDensity，HD）3种，单密盘和双密盘统称为低密盘；按扇区划分又有硬分段和软分段之分。
目前使用最多的是DSHD3寸软盘。
当软盘不在驱动器内时，金属滑片自动盖住封套上的开口。
软盘背面右下角为写保护手拨开关，当滑片盖住孔时，磁盘能进行读写访问，打开此孔时，即为写保护。
为方便使用、高效操作，在盘片和软磁盘驱动器上设置了反插保护装置，当操作员不慎将盘片插反或弄错方向时，保护装置起作用，使盘片插不进，这样可及早发现错误并及时纠正。
✧软盘的存储格式
存储在软盘上的信息是按一定的格式排列存放的，就像在停车场上要给每辆汽车划出停放位置一样，故新磁盘使用之前一般应进行格式化。
格式化的主要操作就是划分扇区，指明其大小并写入地址标志。
存储容量按下列公式计算：
存储容量=面数×每面的磁道数×每道扇区数×每扇区字节数。
✧软盘驱动器
软盘驱动器（floppydiskdrive）简称软驱，由机械转动装置和读写磁头两部分组成。
机械部分又由主轴驱动系统和磁头定位系统组成。
软驱的全部机械运动与读写操作，必须在软盘控制适配卡（插在母板的扩展槽中或集成在主板上）的控制下完成。
该卡把驱动器与主板联接起来，使磁盘存储系统成为整个计算机系统的一个有机组成部分。
②硬磁盘
硬盘是计算机系统最主要的外部存储设备，硬盘驱动器主要由磁盘组、读写磁头、定位机构和传动系统部件组成。
主要性能指标有容量、读写速度、转速、数据缓存、平均存取时间等，存储容量的分档则很多，从最初的20MB到现在的数GB甚至几十GB等。
目前硬盘采用的有IDE标准接口、ESDI标准接口、SCSI标准接口等。
其中，IDE是智能驱动设备（IntelligentDriverEquipment）的缩写，为微型机所采用。
ESDI是增强性小型设备接口（EnhancedSmallDeviceInterface）的缩写，为IBMPS/2所采用。
SCSI是计算机小系统接口（SmallComputerSystemInterface）的缩写，为Apple的Macintosh所采用。
当然，这些接口也不限于只连接硬盘机，还可以连接打印机、光盘机等外部设备。
③光盘存储器
利用强激光束把信息存储在光盘上，形成一组组凹坑。
从20世纪80年代初CD光盘从音响领域跨入计算机领域之后，CD光盘的技术和应用发展很快，性能有了大幅度提高。
目前，用于计算机系统的光盘有3大类：
只读型光盘、一次写入型光盘、可抹型光盘。
✧只读型光盘CD-ROM（CompactDiskReadOnlyMemory）
特点：
只能写一次，即在制造时由厂家把信息写入，写好后信息永久保存在光盘上。
将光盘通过光盘驱动器接在微机系统上，就能读出盘上的信息。
从光盘读出信息时，把光盘插入光盘驱动器中（驱动器装有功率较小的激光光源，不会烧坏盘面），由于光盘表面的凹凸不平，故使反射光强弱的变化经过解调后，通过微机的显示器即可在屏幕上阅读输出的信息。
CD-ROM非常适合存储百科全书、技术手册、图书目录、文献资料等内容庞大的信息。
CD-ROM的进一步发展是DVD-ROM（DigitalVideoDisk-ReadOnlyMemory）。
一张DVD-ROM盘片的存储容量可达4.7GB甚至更大，DVD-ROM驱动器的数据传输速率也更高，并可兼容CD-ROM光盘片，具有很好的应用前景。
目前，CD-ROM驱动器有32速、40速多种，DVD-ROM驱动器也有双速、3速、4速、5速等。
✧一次写入型光盘CD-R
这种光盘原则上属于读写型光盘，可以由用户写入数据，写入后可以直接读出。
但是，它只能写入一次，写入后不能擦除、修改，因此称它为一次写入、多次读出的WORM（WriteOnceReadManydisk），或简称为WO，也称CD-R（CR-Recordable，可录式CD光盘）。
WORM的这些特点使它在不允许随意更改文件档案的应用领域获得市场。
目前，微机上可配置的CD刻录机，可将信息写入CD-R光盘。
在CD-R中，信息写入之后不可改写，所使用的盘片的几何尺寸、信息记录的物理格式和逻辑格式与CD-ROM一样，因而可在普通CD-ROM驱动器上读出信息。
数据可以分多次向盘上写入（称为multi-session）。
CD-R驱动器也有单速、双速、3速、4速等多种，6倍速CD-R写一张盘只需10min。
✧可抹型光盘CR-RW
可抹型光盘（erasableopticaldisk）是能够重写的光盘。
它有3种主要类型：
磁光型、相变型、染料聚合物型。
目前，在计算机系统中使用的是磁光型（MagnetoOpticaldisk）可抹光盘，简称为MO，也称CR-RW（CD-ReWritable，可写式CD光盘）。
大型软件一般都以CD-ROM光盘为载体。
经常见到的是CD-ROM出版物（光盘图书），它容量大、体积小，图、文、声、像并茂，阅读起来非常方便。
读者只需根据索引或输入所要查找的条目，机器即可找出所有相关的信息。
在阅读某个条目时，也可随时跳到其它相关的条目，完全免去了来回翻阅查找之苦。
不仅如此，在阅读时，读者还可随时写下自己的阅读体会和注解，对于需要引用的一些数据、插图、文字段落等可以打印输出，或者在屏幕上剪裁下来，“贴”到自己所编写的文稿中去。
CD-ROM技术的另一应用是摄影领域。
Kodak公司将传统的冲洗技术与数字图像处理、数字显示相结合，使照相术经历了一次革命。
拍摄后的胶卷经冲冼成负片之后，在工作站上使用彩色扫描仪输入计算机，经过图像压缩处理后，使用CD-R刻录机把它们写入CD光盘中。
一张光盘可“冲洗”约100张照片（3卷胶卷），还可配以文字说明、背景音乐及语言解说，它们可以在多媒体PC机上播放。
✧DVD-ROM
DVD是比VCD水平更高的新一代CD产品。
它有DVD-ROM，DVD-RAM，DVD-Video，DVD-Audio多种类型产品，存储容量达4.7GB以上。
其中DVD-Video采用MPEG-2标准，把分辨率更高的图像和环绕立体声的伴音按MPEG-2压缩编码后存储在高密度光盘上，读出速度可达10Mb/s，每张光盘可存放2h以上高清晰度的影视节目。
目前已有多种产品供应市场。
④可移动存储器
可移动存储器具有体积小，携带方便和支持即插即用等优点，逐渐成为软盘的替代品。
目前主要有闪盘（U盘）、MP3、MP4和移动硬盘等。
常用U盘主要有128MB、256MB、512MB、1GB、2GB等多种规格，移动硬盘的容量常见的有40GB、60GB、80GB等。
▲内存和外存的比较：
内存：
存储信息速度快，断电后存储内容全部丢失。
外存：
存储信息不受断电的影响，存取速度相对于内存慢得多了。
▲硬盘、软盘和光盘：
硬盘的容量比较大，负责储存数据，也就是说它能记录的信息比较多，而且一般都装在机箱里面。
软盘的容量就相对比较小了，搬运数据，一般放在机箱外面。
计算机上有个特殊的地方叫做软盘驱动器，要用软盘的时候就把它放进这个地方，不用的时候可以很方便地拿出来带走。
打个比方说，计算机像一个工厂，硬盘就是仓库，可以放很多东西，但是仓库是不能随便搬走的；软盘呢，就是卡车，装的东西虽然不多，但是搬运起来很方便。
另外硬盘的存取速度比软盘快得多。
因为软盘的容量太小，所以用得越来越少了，近几年用得比较多的是光盘。
平时我们用的音乐CD、VCD影碟都是光盘，电脑上用的软件光盘和它们外表看起来是一样的，而且CD和VCD都可以在电脑上使用。
▲存取速度
存取速度，就是我们向磁盘储存数据和从磁盘上得到数据的快慢，这个速度越快，我们等待的时间就越少。
CPU>Cache>SRAM>DRAM>ROM>硬盘>光盘>软盘
▲存储容量
硬盘：
40GB、80GB、120GB、250G、320G
软盘：
1.44MB
光盘：
650MB
▲读和写：
向存储单元保存信息的操作称作“写”操作，向存储单元获取信息的操作称作“读”操作，“读”、“写”时一般都以字节为单位。
“读”操作不会影响存储单元中的信息，“写”操作将新的信息取代存储单元中原有的信息。
其实当我们听录音带时，是在读出磁带上的信息，而用磁带录音乐的时候，就是在往磁带里写入信息，磁盘和磁带的存储原理差不多，所以磁盘上的信息也可以很方便地改写。
而光盘的存储原理比较特殊，里面存储的信息不能被轻易地改变。
也就是说我们常见的光盘生产出来的时候是什么样，就一直是那样了那我们有没有办法把自己写的文章存在光盘上呢？
有一种特殊的光盘CD-R是可以写的，但需要使用“光盘刻录机”才能把文章写到CD-R光盘上。
在外部存储器中，只有硬盘是装在机箱里面的，而且是最常用的，我们平时使用电脑主要是与硬盘上的各种信息打交道。
我们可以运行的各种程序都在硬盘上，比如记事本，还有用记事本写的文章等等，它们都是以文件的形式保存在硬盘上的。
●基本输入/输出系统（BIOS）
主板上有一块FlashMemory（快速电擦除可编程只读存储器，也称为“闪存”）集成电路芯片，其中存放着一段启动计算机的程序，微机开机后自动引导系统。
●CMOS
主板上有一片CMOS集成芯片，它有两大功能：
一是实时时钟控制，二是由SRAM构成的系统配置信息存放单元。
CMOS采用电池和主板电源供电，当开机时，由主板电源供电；断电后由电池供电。
系统引导时，一般可通过Del键，进入BIOS系统配置分析程序修改CMOS中的参数。
4.输入设备：
把原始数据和处理这些数据的程序通过输入接口输入到计算机的存储器中。
功能：
将数据、程序及其他信息，从人们熟悉的形式转换为计算机能够识别和处理的形式输入到计算机内部。
常用输入设备：
键盘、鼠标、扫描仪、光笔、写字板、数字化仪、条形码阅读器、数码相机、扫描仪、模?
?
数（A/D）转换器等。
从读取数据的角度看，当从磁盘、光盘、电子盘或磁带读取文件时，它们是输入设备。
（1）键盘（Keyboard，简称KB）
（2）鼠标（Mouse）
（3）扫描仪：
一种捕获图像的设备，可将捕获的图像转化为计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字格式。
5.输出设备：
输出计算机的处理结果。
功能：
将计算机内部二进制形式的数据信息转换成人们所需要的或其他设备能接受和识别的信息形式。
常用输出设备：
显示器、打印机、绘图仪、音响、喇叭等（嘴巴）、X/Y记录仪、数/模（D/A）转换器等。
从保存数据的角度看，当向磁盘、光盘、电子盘或磁带保存文件时，它们是输出设备。
（1）显示器
显示器是计算机最基本的输出设备，是用户与计算机之间对话的主要信息窗口，有监视器和显示适配器（显卡）两部分组成，它能在程序控制下，动态的以字符、图形或图像的形式显示程序的运行结果。
①显示器
目前显示器有液晶显示器LCD和阴极射线管CRT显示器。
✧像素：
即光点，这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成，这些小方点就是构成影像的最小单位“像素”（Pixel）。
这种最小的图形的单元能在屏幕上显示通常是单个的染色点。
越高位的像素，其拥有的色板也就越丰富，越能表达颜色的真实感。
✧点距：
指屏幕上相邻两个相同颜色的荧光点之间的最小距离。
点距越小，显示质量就越好。
目前，CRT（cathode-raytube阴极射线管）显示器光点点距大多为0.20-0.28毫米，LCD（Liquidcrystaldiode液晶二极管，液晶显示器）的点距多为0.28-0.32毫米。
✧分辨率：
分辨率（resolution）就是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的点数的多少。
由于屏幕上的点、线和面都是由点组成的，显示器可显示的点数越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多，所以分辨率是个非常重要的性能指标之一。
以分辨率为1024×768的屏幕来说，即每一条水平线上包含有1024个像素点，共有768条扫描线，即扫描列数为1024列，行数为768行。
✧垂直刷新频率：
也叫场频，是指每秒钟显示器重复刷新显示画面的次数，以Hz表示。
这个刷新的频率就是我们通常所说的刷新率。
根据VESA标准，75Hz以上为推荐刷新频率。
✧水平刷新频率：
也叫行频，是指显示器1秒钟内扫描水平线的次数，以KH为单位。
在分辨率确定的情况下，它决定了垂直刷新频率的最大值。
✧带宽：
是显示器处理信号能力的指标，单位为MHz。
是指每秒种扫描像素的个数，可以用“水平分辨率*垂直分辨率*刷新率”这个公式来计算带宽的数值。
②显示适配器：
用来将显示器与主板连接起来的接口电路。
显示标准：
CGA（ColorGraphicsAdapter，彩色图形显示控制卡）、EGA（EnhancedGraphicsAdapter，增强型图形显示控制卡）和VGA（VideoGraphicsArray，视频图形显示控制卡）几种。
目前流行的是SVGA（SuperVGA）和TVGA，它的分辨率可达到1024?
768甚至可达1024?
1024、1280?
1024、1600?
1280。
（2）打印机
打印机是计算机系统最基本的设备之一。
打印机按印字方式可分为击打式打印机和非击打式印字机两种。
①击打式打印机：
利用机械原理由打印头通过色带把字体或图形打印在打印纸上。
主要有点阵式（例如EPSONLQ-1600K）和字模式打印机两种。
2非击打式印字机：
利用光、电、磁、喷墨等物理和化学的方法把字印出来。
主要有激光打印机、喷墨打印机和热敏打印机三种。
✧喷墨打印机：
利用特制技术把墨水微粒喷在打印纸上绘出各种文字符号和图。
✧激光打印机：
激光打印机是激光扫描技术和电子照相技术相结合的产物，是页式打式打印机，它具有很好的印刷质量和打印速度。
6.总线
总线是计算机系统中信息传递的通道。
在微机中，微处理器与存储器输入输出设备以及其他接口部件之间的总线称为系统内部总线；主机系统与外部设备之间的通信的总线称为外部总线。
总线分控制总线、数据总线、地址总线。
系统总线标准有：
ISA、EISA（AT总线）、VESA（VL总线）、PCI，AGP、USB总线等。
（二）计算机软件系统
计算机软件，就是指支持计算机运行或解决某些特定问题而需要的程序、数据以及相关的文档。
一台性能优良的计算机硬件系统能否发挥其应有的功能，取决于为之配置的软件是否完善、丰富。
因此，在使用和开发计算机系统时，必须要考虑到软件系统的发展与提高，必须熟悉与硬件配套的各种软件。
分类：
从计算机系统的角度划分，计算机软件分为系统软件和应用软件。
1.系统软件：
系统软件是由计算机厂家作为计算机系统资源提供给用户使用的软件总称。
指维持计算机系统正常运行和支持用户运行的应用软件的基础软件。
功能：
使用和管理计算机，为其他软件提供服务的软件，是支持应用软件运行的平台。
它最接近计算机硬件，其他软件都要通过它利用硬件特性发挥作用。
包括操作系统、程序设计语言、数据库管理系统和常用服务程序等。
1）操作系统（OperatingSystem简称OS）：
用户和计算机之间的接口
①概述：
操作系统是计算机中用来控制和管理系统中的硬件资源和软件资源，并且提供用户支持的程序以及与之有关的各种文档。
操作系统是最底层的系统软件，也是最重要的系统软件，它是对硬件系统的首次扩充，是整个计算机系统的管理控制中心。
理解：
它实际上是一组程序
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