微型计算机系统的组成.docx

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微型计算机系统的组成

第2章微型计算机系统的组成（15-20%）

2.1计算机系统概述

2.1.1计算机系统的基本组成

目前计算机的基本体系结构和基本作用机制仍然沿袭着冯·诺伊曼的最初构思和设计，我们把这种计算机统称为冯氏机（VonNeumannComputer）：

（1）把计算机要执行的指令和要处理的数据都采用二进制表示

（2）把要执行的指令和要处理的数据按照顺序编成程序存储到计算机内部让它自动执行。

存储程序控制原理是现代计算机运行的基本基础。

按照冯·诺伊曼的计算机设计原理，一个完整的计算机系统总的来说包括硬件系统及软件系统两部分，简称为硬件和软件。

2.1.2计算机的硬件系统

计算机的硬件系统从表面上是由哪些看得见，摸得着的东西，如显示器、键盘、鼠标、机箱等。

从理论上来看，计算机是由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备等五个基本部分组成。

通常把没有软件的计算机称为“裸机”。

计算机的硬件组成示意图如图所示。

从图中我们可以看出计算机五个组成部分的工作过程：

数据和程序在控制器的指挥下，由输入设备送入存储器；运算器运算时，从存储器取数据，运算完毕再将结果存入存储器或者传送到输出设备输出；从存储器中取出的指令由控制器根据指令的要求发出控制信号控制其他部件协调工作。

计算机各部件之间是用总线（BUS）连接。

总线是传送数据，指令及控制信息的公共传输通道。

总线由三部分组成：

地址总线（AB总线），数据总线（DB总线），控制总线（CB总线）。

运算器（ALU）是对信息进行加工和处理（主要是算术和逻辑运算）的部件。

运算器是由能进行简单算术运算（如加、减等）和逻辑运算（如与、或、非运算等）的运算部件及若干用来暂时寄存少量数据的寄存器、累加器等组成。

控制器（Controller）是计算机的神经中枢和指挥中心。

它要根据用户通过程序所下达的加工处理任务，按时间的先后顺序，负责向其他各部件发出控制信号，并保证各部件协调一致地工作。

它主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。

控制器从存储器取出指令，进行译码，分析指令，再根据指令功能发出控制命令，控制各部件去执行指令中规定的任务。

需要指出的是，运算器和控制器是集成在一块物理芯片上，一般称为中央处理单元（CentralProcessingUnit），简称CPU。

CPU是计算机的核心部件。

存储器（Memory）是计算机中具有记忆功能的部件，它的职能是存储程序和数据，并能根据指令来完成数据的存取。

经计算机初步加工后的中间信息和最后处理的结果信息都记忆或存储在存储器中。

除这些信息外，还存放着如何对输入的数据信息进行加工处理的一系列指令所构成的程序。

根据存储数据的介质不同，存储器可分为内存储器（MainMemory）和外存储器（AuxiliaryMemory）两大类。

内存储器简称内存，也称主存储器。

内存一般容量较小，但存取速度快。

内存又包括只读存储器（ROM）、随机存储器（RAM）和高速缓存（Cache）。

凡要执行的程序和参加运算的数据都必须先调入内存（RAM和Cache）。

外存储器简称外存，也称辅助存储器。

外存容量大，但存取速度较慢，常用的外存有磁盘、磁带、光盘等。

它用来存放暂时不用的而又需长期保存的数据，需要时可调入内存使用。

计算机的输入（input）可以包括键入、提交和传送给计算机的任何数据。

输入者可以是人，环境或另一台计算机。

计算机可输入的数据类型包括文档中的字、符号，用于计算的数字、图像，来自于自动调温器的温度，由麦克风输入的声音信号和计算机的指令等等。

由于信息的载体不同，所需信息的转换并输入给计算机的设备也不同，可供使用的输入设备很多，如键盘、鼠标器、扫描仪、磁盘机等。

输出（output）指的是计算机产生的结果。

计算机的输出包括报表、文档、音乐、图表和图像等。

输出设备用于显示、打印和传输处理的结果，对于不同的信息由计算机输出的设备也不尽相同，常见的输出设备有很多，如显示器、打印机、音箱、绘图仪等。

习题

1、计算机硬件的五大基本构件包括：

运算器、存储器、输入设备、输出设备和______

A）显示器B）控制器C）磁盘驱动器D）鼠标器

2、计算机最主要的工作特点是______。

A）存储程序与自动控制 B）高速度与高精度C）可靠性与可用性 D）有记忆能力

3. 存储器通常分为_______和_____。

4. 一个完整的计算机系统由_____和_____两部分组成。

5、______和___集成在一块芯片上，称为微处理器（CPU）。

6、一个完整的计算机系统应当包括（    ）。

A、主机与外设          B、硬件与软件          C、主机键盘与显示器             D、硬件系统

7、构成计算机的物理实体称为（     ）。

A、计算机系统          B、计算机硬件          C、计算机软件          D、计算机程序

8、计算机是一种的自动电子设备。

9．基于冯•诺依曼思想而设计的计算机硬件由运算器、、和输出设备等5部分组成。

10．CPU的中文含义是（）

A．主机B.中央处理器C.运算器D.控制器

11、计算机硬件系统采用的是冯·诺依曼结构，即由组成。

A．显示器和主机B．显示器、主机、键盘和鼠标

C．运算器、控制器、存储器、输出设备和输入设备D．显示器和CPU

12、从硬件体系结构来看，计算机硬件系统采用的经典的计算机结构是__。

13、请图示计算机硬件的体系结构。

15、存储器通常分为__________和__________。

（2010考题）

16、计算机硬件的五大基本构件包括：

运算器、存储器、输入设备、输出设备和______。

（2010考题）

17、总线由三部分组成：

地址总线、【23  】和【24  】。

（2011）

18、简述计算机硬件的体系结构（图示）？

（2011）

答案：

1.B2.A3.外存、内存4.硬件、软件5.运算器、控制器6.B7.B8.由存储程序自动控制9.控制器、存储器、输入设备10.B11.C12.冯·诺依曼结构

2.1.3计算机的软件系统

软件是计算机的灵魂。

没有安装软件的计算机称为“裸机”，无法完成任何工作。

硬件为软件提供运行平台。

软件和硬件相互关联，两者之间可以相互转化，互为补充。

计算机的软件分成系统软件和应用软件两大类。

1．系统软件

系统软件是向用户提供的一系列程序和文档资料的统称。

它面向计算机的硬件，与计算机的硬件结构、逻辑功能有密切关系。

它的主要功能是对整个计算机系统进行调度、管理、监视及服务等。

系统软件分为操作系统、语言处理程序、系统管理与服务软件等。

（1）操作系统

操作系统是控制和管理计算机软硬件资源，以尽量合理有效的方法组织多个用户共享多种资源的程序集合。

它是计算机系统中最基本的系统软件，是用户和计算机硬件之间的接口。

操作系统的主要功能有：

处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理和用户接口管理。

操作系统的主要特征为：

并发性、共享性、不确定性、虚拟性。

常用的操作系统有：

MS-DOS、Windows95、Windows98、Windows2000、UNIX、Linux等。

（2）语言处理程序

程序就是一系列的操作步骤，计算机程序就是由人事先规定的计算机完成某项工作的操作步骤。

每一步骤的具体内容由计算机能够理解的指令来描述，这些指令告诉计算机“做什么”和“怎样做”。

编写计算机程序所使用的语言称为程序设计语言。

①机器语言

计算机最早的语言处理程序是机器语言，它是计算机能直接识别的语言，而且速度快。

机器语言是用二进制代码来编写计算机程序，因此又称二进制语言。

例如用机器语言来表示“8+4”这个算式，是一串二进制码“000010000000010000000100”。

机器语言书写困难、记忆复杂，一般很难掌握。

②汇编语言

由于机器语言的缺陷，人们开始用助记符编写程序，用一些符号代替机器指令所产生的语言称为汇编语言。

但是用汇编语言编写的源程序不能被计算机直接识别，必须使用某种特殊的软件将用汇编语言写的源程序翻译和连接成能被计算机直接识别的二进制代码。

其示意图如图所示。

汇编语言虽然采用了助记符来编写程序，比机器语言简单，但是汇编语言仍属于低级语言，它与计算机的体系结构有关，在编写程序前要花费相当多的时间和精力去熟悉机器的结构。

因此工作量大、繁琐，而且程序可移植性差。

③高级语言

为了克服机器语言和汇编语言的缺陷，使普通人都能使用计算机语言来编写程序，人们开始研究一种既接近自然语言又简单易懂的语言。

经过长时间的实践，产生了我们今天的高级语言。

如Pascal、Basic、VisualBasic、C、C++、VisualC++、Java等。

与汇编语言一样，计算机也不能识别用高级语言编写的源程序，它也必须用某种特殊的软件将用高级语言写的源程序翻译和连接成能被计算机

直接识别的二进制代码。

高级语言的翻译

程序有两种工作方式：

解释方式和编译方

式。

解释方式的翻译工作由“解释程序”

来完成，它对源程序的语句解释一条，执

行一条，不产生目标程序。

其示意图如图所示。

这种方式程序执行速度，而且可以随时发现和修改源程序在解释过程中出现的问题，非常适初学者使用。

常用的解释语言有BASIC，PHP等。

编译方式的翻译工作由“编译程序”来完成，它是先将整个源程序都转换成二进制代码，生成目标程序，然后把目标程序连接成可执行的程序。

其示意图如图1-11所示

使用编译语言程序将整个源程序编译连接可执行的文件，这种方式效率高、可靠性高、可以移植性好。

不过当源程序修改后，必需重新编译。

常用的编译型语言有C，FORTRAN，PASCAL等。

（3）系统管理与服务软件

系统管理与服务软件包括数据库管理系统、实用工具服务软件等。

数据库和数据管理软件一起组成数据库管理系统。

实用工具服务软件是由诊断软件、调试开发工具、文件管理专用工具、网络服务程序等组成。

2．应用软件

应用软件是用户为了解决各自的应用领域里的具体任务而编写的各种应用程序和有关文档资料的统称。

这类软件能解决特定问题。

应用软件与系统软件的关系是：

系统软件为应用软件提供基础和平台，没有系统软件应软件是无源之本，反过来应用软件又为系统服务。

常用的应用软件有以下几类：

（1）字处理软件

（2）电子制表软件

（3）计算机辅助设计软件（4）图形软件

（5）教育软件（6）电子游戏软件

图1-12系统软件与应用软件关系

习题：

1. 所谓“裸机”是指【  】。

A） 单片机    B） 单板机 C） 不装备任何软件的计算机    D） 只装备操作系统的计算机 

2、Office软件是__A__。

A．应用软件B．系统软件C．计算软件D．绘图软件

3、计算机软件系统包括（）。

A）系统软件和应用软件B）编译系统和应用系统

C）数据库管理系统和数据库D）程序、相应的数据和文档

4、下列四种软件中属于应用软件的是________。

A、财务管理系统B、DOS

C、Windows98D、Windows2000

5、计算机能够直接执行的计算机语言是______。

A）汇编语言 B）机器语言 C）高级语言D自然语言

6.系统软件中的核心软件是【】。

A）操作系统B）语言处理程序C）工具软件D）数据库管理系统

7.操作系统的作用是【】。

A）软硬件的接口B）行编码转换C）把源程序翻译成机器语言程序

D）控制和管理系统资源的使用

8. 用BASIC语言编写的程序要通过_______翻译成机器语言程序后才能被计算机执行。

9.把高级语言编写的源程序转换成机器语言的目标程序的软件称为【】。

A）汇编程序B）源程序C）数据库应用系统D）编译程序

10.下面属于高级语言的是【】。

A）汇编、C、PASCALB）汇编、FORTRAN、C

C）BASIC、PASCAL、CD）BASIC、FORTRAN、机器语言

11.系统软件包括操作系统、______、数据库管理系统、一些实用程序。

12.高级语言程序要成为计算机能执行的程序，必须通过的两个步骤【】。

A）编译、连接B）编辑、调试

C）生成文件、排错D）翻译、调入内存

13、计算机系统中，最贴近硬件的系统软件是_____

A）语言处理程序B）数据库管理系统

C）服务性程序D）操作系统

14、计算机能够直接执行的程序语言是______。

（2010考题）

15、下面属于高级语言的是【】。

A、LBASIC、PASCAL、CB、汇编、FORTRAN、C

C、汇编、C、PASCAD、BASIC、FORTRAN、机器语言

答案：

1.C2.A3.A4.A5.B6.A7.A8.解释程序9.D10.C11.语言处理程序11.A12A13.D

2.1.4计算机的工作原理

计算机是在硬件系统与软件系统相互合作下才能工作。

计算机要完成某项任务，是通过在存储器中取出程序并执行程序来实现的，而程序实质上是由一个一个的指令序列组成。

因此，计算机的工作过程就是取指令，执行指令的不断循环的过程。

1.计算机指令系统

指令是能被计算机直接识别并执行的二进制代码，每个一个指令规定计算机执行一个基本操作。

在微机的指令系统中，一条指令由两部分组成，第1个字节是操作码：

规定计算机要执行的基本操作，如加、减、乘、除、传送、移位、比较等。

第2个字节是操作数：

用来指定操作的对象，其内容可以是操作数本身，也可以是操作数的地址。

一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，称为该种计算机的指令集合或指令系统。

计算机执行程序就是执行一串指令序列，通过指令序列完成一个完整的工作任务。

不同类型的计算机指令系统的指令数不一定相同。

但所有的计算机指令系统应具有这些功能指令类型：

（1）数据传送指令。

（2）算术、逻辑运算指令。

（3）程序控制指令（4）输入、输出指令（5）状态管理指令。

（6）其它指令等。

2.计算机的工作过程

计算机在任何一个时刻中能进行一种操作。

为了完成某种工作任务，需要把任务分解成若分个基本操作，确定完成工作任务的基本操作的先后顺序，然后用计算机可以识别的指令来编排完成工作任务的操作顺序。

计算机按照事先设计好的操作步骤，每一步操作都是由特定的指令完成，一步一步的地进行，从而完成一个完整的工作任务。

归纳起来，计算机指令的执行过程分为四个阶段：

（1）取指令。

（2）分析指令。

（3）执行指令。

（4）一条指令执行完成，程序执行的指针指到下一条指令，然后取第二条指令。

是一个循环的过程。

其示意如图1-13所示。

习题

1、简述计算机的基本工作原理。

（见红色字）

分为四个阶段：

（1）取指令。

（2）分析指令。

（3）执行指令。

（4）一条指令执行完成，程序执

1、简述计算机的基本工作原理。

（2010考题）

2.1.5微型计算机硬件系统

微机计算机硬件系统结构相对简单，通常是由内部设备和外部设备组成。

这些设备主要包括下列部件：

1．主板

主板是是一切部件的基础，它将CPU、内存及外部设备连成一体的桥梁，是一块四层或六层的电路板。

1.3.5微型计算机硬件系统

微机计算机硬件系统结构相对简单，通常是由内部设备和外部设备组成。

这些设备主要包括下列部件：

1．主板

主板是是一切部件的基础，它将CPU、内存及外部设备连成一体的桥梁，是一块四层或六层的电路板。

主板上提供了各种设备的接口或插槽，主要包括：

CPU插槽、PCI插、槽、PCIe插槽、串口插槽、内存插槽、声卡芯片、网卡芯片、南桥芯片、北桥芯片、I/O接口、电源接口、BIOS芯片和CMOS电池等。

由南桥芯片和北桥芯片组成的芯片组，决定了主板的性能和主板所支持的其它设备的类型。

南桥芯片管理IDE、PCI总线与硬件监控等低速设备，北桥芯片管理CPU、AGP总线、PCIe以及内存间的数据交流等高速设备。

目前，中低档主板的芯片组主要是采用Intell的ICH5芯片组和ICH6芯片组,中高档主板的芯片组主要是采用Intell的ICH7芯片组和ICH8芯片组。

当然也有些主板采用VIA和SIS芯片组。

2．CPU

CPU（中央处理单元）是微机的核心部件，它是决定微机性能的关键部件。

20世纪70年代微型机的CPU问世，微型计算机的核心部件微处理器从Intel4004，80286，80386，80486发展到PentiumII/Ill和Pentium4，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位，主频从几MHZ到今天的数GHZ以上（1GHZ＝1000MHZ），CPU芯片里集成的晶体管数由2万个跃升到1000万个以上。

CPU的发展和技术的进展直接推动了微型计算机的发展，也是微机各个发展阶段的主要标志。

从原理上看，CPU的内部结构分控制单元、逻辑单元、存储单元三部分。

从组成器件上看,CPU的内部是由成千上万个晶体管组成，晶体管实质上就是一双位开关：

即“开”和“关”。

图1-15所示的是几种常见的CPU。

CPU的主要性能指标包括时主频、字长、高速缓存容量、指令集合和动态处理技术、制造工艺、封装方式和工作电压等。

主频是指CPU的工作时钟频率，是CPU内核电路的实际运行频率。

一般说主频越高，一个时钟周期里面完成的指令数也越多，速度也越快。

主频的单位为兆赫兹（MHz）和吉赫兹（GHz）。

我们通常所说的2..8GHz，3.0GHz就是指CPU的主频。

字长（wordsize）指的是微处理器能够同时处理的位的个数。

字长的大小取决于ALU中寄存器的容量和连接着这些寄存器的电路性能。

例如，8位字长的微处理器有8位的寄存器，每次能处理8位的数据，因此被称为“8位处理器”。

有更大字长的处理器能够在每个处理器周期内处理更大的数据，因此字长越长计算机性能越好。

目前的个人计算机通常都带有32位或64位的处理器。

高速缓存（cache）有时也称为“RAM缓存”或“缓冲存储器”。

它是一种具有很高速度的特殊内部存储器，与安装在主板上其他位置的内存相比，它能够使微处理器更快的获得数据。

一些计算机广告中对缓存的类型和容量进行了详细说明。

缓存分为两个等级：

早期的一级缓存（Level1cache,L1）被安装在处理器芯片内部，而二级缓存（Level2cache,L2）则存在于另一个芯片中，需要处理器花长一点时间才能获得数据。

现在的一、二级都安装在处理器芯片内部，缓存的容量通常用KB来描述。

理论上讲，缓存容量越大处理速度就越快。

然而，在目前的计算机中，缓存的容量通常与某种处理器的型号密切相关。

对于用户来说，是否知道缓存容量并不重要，因为缓存是不能被配置的。

例如，不更换微处理器，你就不可能给你的计算机添加更大的一级缓存。

3．存储器

存储器是计算机存储数据和运行程序的部件。

按照用途的不同分为主存储器和辅助存储器，主存储器也称为内存，辅助存储器也称为外存。

内存安装在主板上，可以与CPU直交换信息。

外存也必须与主板连接，但不能和CPU直接交换信息。

（1）内存储器

内存储器是由RAM（RandomAccessMemory）和ROM（Rdad-OnlyMemory）组成。

①RAM

RAM也称为可读写存储器或随机存储器，它是一块能够暂时存储数据、应用程序指令和操作系统的固定区域。

在个人计算机中，RAM通常由几块芯片或几个小电路板组成，一般都插在计算机系统单元中的主板上。

RAM特点是容量小，存储速度快，断电后数据会消失。

RAM把数据保存在电路中，而硬盘存储器把数据保存到磁性介质上；RAM是暂时性存储器，如果计算机被关机，或是电源断电的话，所有存储在RAM中的数据都会立刻并永远地消失，而硬盘保存数据更长久一些。

此外，RAM在存储容量通常比硬盘的要小。

RAM的容量通常以MB或是GB为单位。

目前的个人计算机通常都带有128MB至2GB的RAM。

计算机所需RAM的容量取决于所用的软件。

按照惯例，软件的外包装上都标有所需RAM的容量。

许多计算机广告都提供了关于RAM的这三方面的信息，但是消费者们必须费力读懂其中的首字母缩拼词或技术术语，才能弄清楚意思，如“1GB8nsRDRAM（max.2GB）”。

RAM的速度常常以纳秒来表示。

一纳秒（nanosecond,ns）是一秒的十亿分之一。

就RAM的速度而言，较小的数字更好一些，因为它意味着RAM电路能够更快地更新其中存储的数据。

例如，8ns的RA10ns的RAM速度更快。

现在来说明一台计算机广告中“1GB8nsRDRAM（max.2GB）”的意思：

该计算机的RAM容量为1GB，它以8ns的速度运行，它使用RDRAM（比SDRAM快一些，但价格更高），这台计算机能够安装的RAM的最大容量为2GB。

②ROM

ROM也称只读存储器，是一种用于存储计算机的开机例行程序的内存电路。

它被安装在一块插在主板上的独立的集成电路中——通常具有很大的、毛虫状DIP封装。

ROM存储的数据是长久的、不易丢失的。

ROM电路存储着“被固化了的”指令。

这些指令是电路的永久的组成部分，即使在计算机断电时，它们也保存在原位而不会丢失。

ROM里的这些指令是长久性的，改变指令的惟一方法就是把ROM芯片换掉。

计算机里有了RAM，为什么还需要ROM？

当打开计算机时，微处理器有了供电就开始准备执行指令。

但是，在电源被切断时RAM是空的，其中不能保存任何用于让微处理器执行的指令。

此时，ROM就起作用了，ROM中存储着一套称为基本输入/输出系统（BIOS）的指令集合。

这些指令告诉计算机如何读写硬盘，如何在硬盘上找到操作系统并把它装载到RAM中，一旦操作系统被装入，计算机就能输入，就能显示输出、运行软件和存取数据了。

（2）外存储器

外存储器主要有：

硬盘、可移动硬盘、软盘、光盘、磁带等。

①硬盘

硬盘是存储用户数据的主要设备。

硬盘的存储速度相对内存要慢，但是外存器中，是存储速度较快的设备。

硬盘的主要特点是存储速快，容量大。

目前的硬盘容量在60GB~200GB。

硬盘的类型按盘径尺寸分有：

5.25、3.5、2.5、1.8英寸四种；按接口类型分：

硬盘有IDE、SATA（串口）、SCSI三种。

目前市场上主流的微机硬盘是3.5英寸的IDE、SATA硬盘。

数据是存储在硬盘的盘片上，盘片是由柱面、扇区和磁道构成。

◆磁道：

每个盘片的每一面都要划分成若干形如同心圆的磁道，这些磁道就是磁头读写数据的路径。

磁盘的最外层是第0道，最内层是第n道。

◆柱面：

一个硬盘由几个盘片组成，每个盘片又有两个盘面，每个盘面都有相同数目的磁道。

所有盘面上相同半径的磁道组合在一起，叫做一个柱面。

◆扇区：

为了存取数据的方便，每个磁道又分为许多称之为扇区的小区段。

每个磁道（不管是里圈还是外圈）上的扇区数是一样的，每个磁道记录的数据也是一样多。

所以内圈磁道上的记录密度要大于外圈磁道上的记录密度。

例如，3.5英寸软盘有80个磁道，每道分18个扇区，每扇区可存512个字节，且磁盘正反面都可以存储数据，所以，软盘的容量是512B×18×80×2=1.44MB。

为了存取磁盘上的数据，系统最终要给出如下的地址格式：

驱动器号.盘面号.柱面号.扇区号。

影响硬盘的主要性能参数有：

转速、缓存、平均寻道时间、数据传输率、连续无