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第1章 计算机基础知识,1.1 计算机概述1.2 计算机系统的组成1.3 微型计算机硬件组成1.4 计算机中数据及表示1.5 计算机病毒,1.1 计算机概述,1. 1. 1 计算机的发展世界上公认的第一台数字电子计算机是1946年由美国宾夕法尼亚大学任教的物理学家约翰莫齐利(John Mauchlv)和工程师普雷斯伯埃克特(J.Presper Eckcrt)领导研制的，取名为ENIAC ( Elcetronic Numerical IntergratorAnd Calculator)的计算机，如图1 -1所示。这台计算机1943年开始研制，完成于1946年，它占地面积达170平方米，总体积约90立方米，重量达30吨，功率为150千瓦，耗资45万美元，共使用了近18 000万个电子管、1 5 00个继电器以及其他器件。在工作时这些管子像2万只点着的灯泡。ENIAC主要用来进行弹道计算的数值分析，用十进制进行计算，其运算速度为每秒5 000次加法或,下一页,返回,1.1 计算机概述,400次乘法，比机电式计算机快1 000倍。ENIAC的最大特点是采用了电子线路来执行算术运算、逻辑运算和储存信息。它能够在一天内完成几千万次乘法，大约相当于一个人用台式计算机操作40年的工作量。当ENIAC公开展出时，用20秒钟就能算出一条炮弹的轨道，比炮弹本身的飞行速度还快，一度被誉为“比炮弹还要快的计算机”。ENIAC的功能虽远不如今天的计算机，但它是第一台正式投人使用的计算机。它的诞生是人类文明史上的一次飞跃，它宣告了计算机时代的到来。从第一台计算机问世至今，不过60多年，计算机技术以惊人的速度发展，其系统结构不断变化。人们根据计算机所采用的电子器种类，常,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,把计算机划分为以下四个阶段，习惯上称为四代，见表1-1。在推动计算机发展的诸要素中，电子器件的更新是计算机划分时代的最重要的标志。1.电子管时代(1946-1957年)这期间计算机基础电子器件采用电子管，运算速度为每秒数千次至数万次，程序设计语言处于低级阶段，主要采用机器语言，应用范围只用于科学计算和军事目的。其特点为体积大、速度慢、消耗高、故障多、造价昂贵。2.晶体管时代(1958-1964年)在这一阶段，计算机的基础电子器件是晶体管，内存储器普遍使用磁,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,芯存储器，运算速度一般为每秒10万次，高达几百万次，同时，计算机软件有了较大发展，采用监控程序，出现了如COBOL, Fortran等高级语言。计算机应用不再限于科学和军事方面，还用于数据处理、工程设计、过程控制等领域。与第一代计算机相比，晶体管计算机有体积小、成本低、功能强、耗电小、可靠性高等优点。3.集成电路时代(1965-1971年)由于电子制造工业的发展，计算机的基础电子器件改为中、小规模集成电路。在几平方毫米的单晶体硅片上，可以集成几十个甚至几百个晶体管的逻辑电路，内存储器使用性能更好的半导体存储器，存储容量有了大幅度提高，运算速度提高到每秒几十万次到几百万次，软件,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,技术进一步成熟，出现了操作系统和编译系统，并出现了多种程序设计语言，如人机对话式的BASIC语言等。集成电路计算机与晶体管计算机相比，其体积更小、速度更快、稳定性更强、应用范围更广。4.大规模、超大规模集成电路时代(1972年至现在)随着半导体技术的发展，集成度越来越高。第四代计算机采用大规模、超大规模集成电路作为其主要功能部件，内存储器使用集成度更高的半导体存储器，计算速度可达每秒几百万次至数亿次。这一时期的计算机无论是在体系结构方面还是在软件技术方面都有较大提高，并行处理、多机系统、计算机网络均得到发展，软件更加丰富，出现了数据库系统、分布式操作和各种实用软件。其应用范围急剧扩展，广泛,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,用于数据处理、工业控制、辅助设计、图像识别、语言识别等，渗透人类社会各个领域，并且进入了家庭。20世纪80年代初，科学家开始研制新一代智能计算机。其核心思想是把程序设计变为逻辑设计，突出冯诺依曼式计算机的体系结构，不仅要求提高计算机运算速度，更主要的是要求计算机更多地替代人脑的功能，在极短的时间内做出更多的逻辑判断，使计算机能像人一样具有听、说、看、思考等功能。它研究的应用领域包括:模式识别、自然语言的理解和生成、自动定理证明、联想与思维机理、数据智能检索、专家系统、自动程序设计等。科学家们在研制智能计算机的同时，也开始探索更新一代的计算机:,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,光电子计算机和生物电子计算机。它们不再采用传统的电子元件，光电子计算机采用光技术和光电子器件，生物电子计算机采用生物芯片，以生物工程技术产生的蛋白分子为主要材料。目前使用的计算机仍是冯诺依曼式计算机，非冯诺依曼式的新一代计算机还不成熟。1 .1 .2 计算机的特点为什么计算机能深人到人类社会的方方面面?为什么其会具有如此大的神奇威力呢?这是因为它有着如下一些明显特点，而这些是任何其他工具无法比拟的。1.运算速度快这是人们最易想到的与其他计算工具的最明显的区别。电子线路组成,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,的电子计算机能以极高的速度工作，主频率为兆赫兹，每秒钟可执行几百万到数亿条指令。随着计算机系统结构等新技术的发展，更高速处理机芯片不断问世，计算机系统的工作速度还将不断地提高。计算机高速的运算不仅大大提高了工作效率，而且可使以前无法解决的复杂问题有了实现的可能。2.运算精度高运算精度取决于两方面:一是字长，现在计算机可进行32位、64位二进制运算;对要求精度高的问题，还可提供双倍或多倍字长运算。二是采用科学的算法，再加上高质量的程序设计，能确保计算结果准确。计算机用于数值计算，获得千分之一到几百万分之一的精度甚至更高的精度都已成为现实。,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,3.示己忆功能强现代计算机具有极大的存储容量。不但有容量足够大的主存储器，还有由磁盘、光盘等外存组成的“海量”存储器。通过一定的技术将它们组成存储系统，可使之在容量、速度等方面满足高速度、大信息量运算的需要。4.通用性广计算机不仅可以处理数值数据，还可以处理非数值数据，如语言、文字、图形、图像、音乐等。因此，计算机不但可进行科学计算，还可进行语言翻译、文字处理、图像处理、作曲演奏等。计算机具有运算和逻辑判断功能。因此，任何复杂的信息处理，都可分解成一系列的,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,基本操作，编制出相应的程序，通过执行程序，进行运算或判断，从而完成各种不同类型的处理任务。5.自动运算由于计算机可存储大量的数据和程序，采用存储程序控制方式工作，只要输入编排好的工作程序，在启动控制下便能自动地进行运算。计算机的运算无须人工干预，除非工作本身要求采取人机对话方式。计算机的内部操作运算都按照事先编制的程序自动地工作，这是计算机与计算器的本质区别所在。1 .1 .3 计算机的分类计算机种类很多，而且分类方法也很多。根据原理不同计算机可分为,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,电子模拟计算机和电子数字计算机。根据其用途不同又可分为通用计算机和专用计算机。平常使用的计算机是能解决各种问题、具有较强通用性的电子数字计算机。目前更常用的一种分类方法是按计算机的运算速度、字长、存储容量等综合性能指标进行的。1.巨型计算机它又称为超级计算机，是几种计算机中价格最贵、功能最强、占用面积最大的一类，主要应用于航天、气象、核反应等尖端科学领域。目前，世界上最快的巨型机的运算速度达每秒十万多亿次，美国、日本是生产巨型机的主要国家。我国先后推出了银河I (1亿次)、银河 (10亿次)、银河 (130亿次)等巨型计算机，分别于2000年7月和2001,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,年2月又成功地研制出“神威一号”3 840亿次的巨型计算机、“曙光3000” 4 032亿次的高性能超级服务器，这标志着我国计算机水平已跨人世界先进之列。2.大型计算机它包括通常所说的大、中型计算机，其特点是通用性强、综合处理能力强、性能覆盖面广等。主要用于大公司、大银行、国家级的科研机构和重点理、工科院校等。由于大型机研制周期长，设计、制造复杂，在体系结构、软件、外设等到方面具有很强的继承性，因此只有少数国家从事大型机的研制、生产工作，美国的IBM , DEC，日本的富士通、日立等公司是生产大型机的主要厂商。,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,3.小型计算机小型机规模小、结构简单、可靠性高、成本较低，易于操作又便于维护，比大型机更具有吸引力。它广泛用于企业管理、工业自动控制、数据通信、计算机辅助设计等，也用做大型、巨型计算机系统的端口。近年来，由于微机的大发展，使小型机市场受到严重的挑战。4.工作站工作站是以个人计算环境和分布式网络计算为基础，其性能高于一般微机的一种多功能计算机。它不同于网络系统中的工作站。网络中的工作站泛指联网的用户节点。这里的工作站指的是一种高档微机，它配有大屏幕、高分辨率的显示器、大容量的内存储器，而且大都具有,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,较强的联网功能。主要用于图形图像处理、计算机辅助设计、软件工程以及大型控制中心。5.微型计算机平常所说的个人计算机(Personal Computer, PC)一般指微型计算机。它是第四代计算机时期出现的新机种，是目前发展最快的领域。因其小、轻、价廉、易用等优势渗透到社会生活的各个方面，几乎无处不在，无所不用。PC机的核心是由大规模及超大规模集成电路构成的中央处理器(Central Processing Unit, CPU)，又称微处理器(Micro Processor Unit, MPU )。 1971年，美国Intel公司成功制造了第一批4位微处理器Intel,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,4004，并用它组成了世界上第一台微型计算机MCS -4。它的出现，引发了电子计算机的第二次革命。随后，Intel公司又相继推出了8位、16位、犯位微处理器。同时，Motorola , Zilog ,Apple等公司一也在开发各自的微处理器。1 .1 .4 计算机的应用计算机的应用已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。计算机的主要应用领域如下。1.科学计算(或数值计算)科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量的和复杂的。,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。例如，建筑设计中为了确定构件尺寸，通过弹性力学导出一系列复杂方程，长期以来由于计算方法跟不上而一直无法求解。而计算机不仅能求解这类方程，还引起了弹性理论上的一次突破，出现了有限单元法。2.数据处理(或信息处理)数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。据统计，80%以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大面宽，决定了计算机应用的主导方向。,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,数据处理从简单到复杂已经历了三个发展阶段，它们是:电子数据处理(Electronic Data Processing, EDP)，它是以文件系统为手段，实现一个部门内的单项管理。管理信息系统(Management Information System, MIS)，它是以数据库技术为工具，实现一个部门的全面管理，以提高工作效率。决策支持系统(Decision Support System, DSS)，它是以数据库、模型库和方法库为基础，帮助管理决策者提高决策水平，改善运营策略的正确性与有效性。目前，数据处理已广泛地应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等各,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,行各业。信息正在形成独立的产业，多媒体技术使信息展现在人们面前的不仅是数字和文字，还有声音和图像信息。3.辅助技术(或计算机辅助设计与制造)计算机辅助技术包括CAD , CAM和CAI等。(1)计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD)计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员进行工程或产品设计，以实现最佳设计效果的一种技术。它已)一泛地应用于飞机、汽车、机械、电子、建筑和轻工等领域。例如，在电子计算机的设计过程中，利用CAD技术进行体系结构模拟、逻辑模拟、插件划分、自动布线等，从而大大提高了设计工作的自动化程度。又如，在建筑设计,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,过程中，可以利用CAD技术进行力学计算、结构计算、绘制建筑图纸等，这样不但提高了设计速度，而且可以大大提高设计质量。(2)计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备的管理、控制和操作的过程。例如，在产品的制造过程中，用计算机控制机器的运行，处理生产过程中所需的数据，控制和处理材料的流动以及对产品进行检测等。使用CAM技术可以提高产品质量，降低成本，缩短生产周期，提高生产率和改善劳动条件。将CAD和CAM技术集成，实现设计生产自动化，这种技术被称为计算机集成制造系统(CIMS )。它的实现将真正实现无人化工厂(或车间)。,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,(3)计算机辅助教学(Computer Aided Instruction, CAI)计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进行教学。课件可以用著作工具或高级语言来开发制作，它能引导学生循环渐进地学习，使学生轻松自如地从课件中学到所需要的知识。CAI的主要特色是交互教育、个别指导和因人施教。4.过程控制(或实时控制)过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。因此，计算机过程控制已,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,在机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门得到广泛的应用。例如，在汽车工业方面，利用计算机控制机床、控制整个装配流水线，不仅可以实现精度要求高、形状复杂的零件加工自动化，还可以使整个车间或工厂实现自动化。5.人工智能(或智能模拟)人工智能(Artificial Intelligence)是计算机模拟人类的智能活动，如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。现在人工智能的研究已取得不少成果，有些已开始走向实用阶段。例如，能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统，具有一定思维能力的智能机器人等。,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,6.网络应用计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通信，各种软、硬件资源的共享，一也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。1 .1 .5 计算机的发展趋向计算机的发展趋向主要表现为:巨型化、微型化、多媒体化、网络化和智能化。1.巨型化“巨型”指高速度、大储存容量、功能强大的超级计算机，它是现代科,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,学技术尤其是国防尖端技术发展的需要。如宇航工程、人类遗传基因、石油勘探、空间技术等都要求计算机具有很高的速度和很大的存储容量，这就是巨型机的特长。高性能巨型机一般分为两种:超级计算机和超级服务器。据报道，1995年世界上最快的500台计算机中90%以上属于超级服务器。1995年年底，全世界速度最快的500台计算机中，超级服务器已占 300多台。高性能计算机的研制是世界各国在高技术领域的竞争热点，也是综合国力的体现，各国都在积极参与这场新技术革命的竞争。2.微型化微电子技术及超大规模集成电路的发展，使计算机体积进一步缩小，,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,现在膝上型、笔记本型、掌上型等微型计算机已得到广大用户的青睐。微型化是大规模集成电路发展最迅速的技术之一。微型机的显著特点是CPU中央处理器集成在一块超大规模集成电路的芯片上。3.多媒体化多媒体指文字、声音、图形图像、视频、动画等多种信息载体。过去的电脑只能处理单一文字，20世纪80年代后期出现了多媒体技术，90年代出现了多媒体电脑，它把图、文、声、像融为一体，统一由电脑进行管理，是个人电脑发展的一个新阶段。口前，多媒体已成为一般微型机都具有的基本功能，多媒体技术与网络技术相结合，可以实现电脑、电话、电视“三电一体”，使计算机功能更加完美。,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,4.网络化计算机网络是电脑技术和现代通信技术紧密结合的产物，从单机走向联网，是计算机应用发展的必然结果。所谓网络，就是利用通信线路将分布在不同地点的计算机连接起来，以便实现信息共享、数据共享、资源共享。电脑网络的发展如同电脑发展一样，历史不长，但速度极快。目前，电脑网络在交通、金融、管理、教育、商业和国防等各个行业得到了广泛的应用，覆盖全球的Internet(国际互联网)已进人普通家庭，正在日益深刻地改变着世界的面貌。5.智能化智能化是让计算机模拟人类的智能活动:感知、判断、理解、学习、,上一页,下一页,返回,1.1 计算机概述,问题、求解等，是处于计算机应用研究最前沿的学科。它将促使传统程序设计方法发生质的飞跃，使计算机突破最初“计算”这一含义，从本质上扩张了计算机的能力，使计算机越来越多地代替人类脑力劳动的某些方面。现在许多国家都在积极开展智能化型计算机研制开发工作，这是人类对计算机技术的一种挑战。,上一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。计算机硬件是组成计算机的物理设备的总称，由各种器件和电子线路组成，它们可以是电子的、机械的、光/电的元件或装置，是计算机完成各种工作的物质基础。计算机软件是在计算机硬件设备上运行的各种程序及相关资料的总称。例如:汇编程序、编译程序、操作系统、数据库管理系统、工具软件等。没有软件的计算机通常称为裸机，裸机是无法工作的。因此，如果将硬件比喻为人的“大脑”，是系统的物质基础，则软件可比喻为大脑中的“思想”，是系统的灵魂，二者相辅相成、缺一不可。即硬件和软件相互依存才能构成一个可用的计算机系统。其结构如图1-2所示。,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,计算机的发展过程更能充分证明计算机的硬件和软件的相互关系。一方面，硬件高度发展为软件的发展提供了支持，如果没有硬件的高速处理能力和大容量的存储，则大型软件就将失去依托，无法发挥作用。另一方面，软件的发展一也对硬件提出了更高的要求，促使硬件的更新和发展，且软件在很大程度上决定着计算机应用功能的发挥。1. 2. 1 计算机的硬件系统硬件是计算机系统存在的物质基础，离开了硬件一也就根本不存在什么计算机了。计算机的工作原理是美籍匈牙利数学家冯诺依曼首先提出的。冯诺依曼原理指出计算机是依靠“存储程序”而实现自动工作的。根据这一原理建立了计算机的基本组成和工作方式。,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,全世界第一台数字电子计算机ENIAC产生的同时，冯诺依曼领导并研制了称为EDVAC的计算机。在研制EDVAC的过程中，冯诺依曼提出了计算机的四项重要的设计思想:计算机应由五个基本部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。采用存储程序的方式，程序和数据存放在同一个存储器中。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件而改变。,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。自从冯诺依曼提出计算机设计原理以来，已经过去了60多年。现在的计算机性能价格比、运算速度、应用领域比60多年前的计算机有了极大的发展，但是基本结构仍属于冯诺依曼体系范畴。下面给出计算机结构的硬件组成原理图，如图1-3所示。在硬件结构原理图中，用实线()表示数据流，用虚线( )表示控制流。数据流可以是各种原始数据、中间结果、源和程序代码等。控制流控制信号，即由控制器向输入设备、输出设备、存储器和运算器等部件发出控制命令，指挥各个部件如何一步一步地启动、运算、处理、输出结果、停止等。,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,习惯上将冯诺依曼计算机硬件体系结构称为五大部件结构。输入设备。计算机的程序和数据都是经过输入设备送入计算机的。输入设备负责将程序和数据信息转换成相应的电信号，形成二进制代码，送入计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标、光笔、图形扫描仪、数字化仪等。输出设备。输出设备负责将中央处理器运算处理的结果送到显示器，或送打印机上打印，或送外存储器存放。常见的输出设备有各种类型的显示器、打印机、外存储器等。存储器。存储器是具有记忆功能的部件，其主要作用是存储程序和数据，它可分为主存储器和辅助存储器。,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,主存储器直接受CPU控制，位于系统主板上，因此也称为内存储器。由随机存储器RAM、只读存储器ROM组成。辅助存储器即外存储器，是主存的补充和后援。当要用到外存中存放的程序和数据时，必须将它们调入内存中，所以外存只同内存进行信息交换。运算器。运算器是计算机的核心部件，主要负责对输入计算机中的二进制编码进行算术运算或逻辑运算。算术运算就是指加、减、乘、除。逻辑运算就是指“与”“或”“非”“比较”“移位”等操作。控制器。控制器是计算机的神经中枢和指挥中心，它控制计算机的全部动作。,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和有关控制电路组成。控制器的基本功能就是负责从内存取出指令并执行指令。运算器和控制器一起称为中央处理(CPU)。在微型计算机上中央处理器通常是一块大规模或超大规模集成电路芯片。像8088 , 80486 , Pentium等都是微型计算机上的CPU芯片。1.2. 2 计算机的软件系统1.系统软件计算机的软件分为系统软件和应用软件。系统软件是为了使计算机能正常、高效工作所配备的各种管理、监控和维护系统的程序及其有关资料。系统软件主要包括如下几个方面:,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,操作系统软件，这是软件的核心。各种语言的解释程序和编译程序(如C语言解释程序等)。各种服务性程序(如机器的调试、故障检查和诊断程序等)。各种数据库管理系统(如FoxPro等)。系统软件的任务，一是更好地发挥计算机的效率，二是方便用户使用计算机。2.应用软件应用软件是为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。应用软件往往都是针对用户的需要，利用计算机来解决某方面的,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,数学计算软件包、统计软件包、有限元计算软件包。事务管理方面的软件如工资系统、人事档案系统、财务系统等。常见的文字处理软件、表格处理软件和辅助设计软件都属于这一类。1 .2. 3 计算机主要性能指标微型计算机功能的强弱与性能的好坏，不是由计算机的某项指标来决定的，而是由它的系统结构、指令系统、硬件组成与软件配置等多方面的因素综合决定的。但对于大多数普通用户而言，可以从以下几个指标来评价计算机的性能。1.运算速度运算速度是衡量计算机性能的一项重要指标，常用主频与MIPS,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,( Million Instruetion Per Second，百万条指令/秒)来评价。通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)是指每秒钟执行指令条数。微型计算机一般采用CPU的时钟主频来描述运算速度，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度，它决定计算机的运行速度。随着计算机的发展，主频由过去MHz发展到了现在的GHz ( 1 G =1024 M。例如，Pentium/133的主频为133 MHz , Pentium III /800的主频为800 MHz , Pentium 4 1. 5 G的主频为1. 5 GHz。一般说来，主频越高，运算速度就越快。2.字长计算机在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的“字”，而,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,这组二进制数的位数就是字长。在其他指标相同时，字长越长计算机处理数据的速度也越快。早期的微型计算机的字长一般是8位和16位，586 (Pentium, PentiumPro , Pentium , Pentium , Pentium 4)大多是32位，目前的计算机已达到64位。3.主存储器的容量内存储器一也简称主存，是CPU可以直接访问的存储器。计算机执行的程序与处理的数据就存放在主存中。内存储器容量的大小反映了计算机存储信息的能力。随着操作系统的升级、应用软件的不断丰富及其功能的不断扩展，人们对计算机内存容量的需求一也不断提高。日,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,前，微型计算机的内存配置一般都在14GB。内存容量越大，系统功能就越强大，能处理的数据量一也就越大。4.外存储器的容量外存储器容量通常是指硬盘容量(包括内置硬盘和移动硬盘)。外存储器容量越大，存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富。目前，硬盘容量一般为320500GB。在存储器中，还使用到KB(千字节)、MB(兆字节)、GB(吉字节)与TB(太字节)等单位，它们之间的关系是:千字节(Kilobyte , KB )，1KB =2 字节=1 024 B兆字节(Megabyte, MB)，1MB =2 字节=1 024 KB吉字节(Gigabyte , GB )，1GB =2 字节=1 024 MB,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,太字节(Terabyte , TB )，1TB =2 字节=1 024 GB除了上述这些性能指标外，微型计算机还有其他一些评价指标，如所配置外围设备的性能与所配置系统软件的情况等。另外，微型计算机的各项指标之间也不是彼此孤立的，在实际应用时，应该把它们综合起来考虑，而且还要遵循“高性价比”的原则。1 .2. 4 计算机语言计算机能够直接执行的程序语言称为机器语言。可是机器语言过于单调、功能简单，不方便软件设计人员编写程序。于是，出现了汇编语言和高级语言。1.机器语言,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,机器语言(Machine Language)是计算机系统唯一能识别的、不需要翻译直接供机器使用的程序设计语言。机器语言中的每一条语句(机器指令)实际是二进制形式的指令代码，它由操作码的二进制编码和操作数的二进制编码组成。机器语言程序可以直接在计算机上运行，但是，用机器语言编写程序不利于记忆、阅读和书写。尽管如此，由于计算机只能接受以二进制代码形式表示的机器语言，所以任何高级语言最后都必须翻译成二进制代码程序，这个过程称为编译，编译之后才能为计算机所接受并执行。通常不用机器语言直接编写程序。2.汇编语言汇编语言(Assembler Language)是一种面向机器的程序设计语言，它,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,是为特定的计算机或计算机系列设计的。汇编语言采用一定的助记符号表示机器语言中的指令和数据，即用助记符号代替了二进制形式的机器指令。这种替代使得机器语言“符号化”，所以一也称汇编语言是符号语言。每条汇编语言的指令就对应了一条机器语言的代码，不同型号的计算机系统一般有不同的汇编语言。计算机硬件只能识别机器指令，执行机器指令，对于用助记符表示的汇编指令是不能执行的。汇编语言编写的程序要执行的话，必须用一个程序将汇编语言程序翻译成机器语言程序，这种翻译过程称为汇编过程，用于翻译的程序称为汇编程序。3.高级语言,上一页,下一页,返回,1. 2 计算机系统的组成,机器语言和汇编语言都是面向机器的语言，它们虽然有较高的运行效率，但人们编写程序的效率很低;高级语言用同自然语言、数学语言较为接近的计算机程序设计语言，它容易为人们掌握，用来描述一个解题过程或问题的处理过程十分方便、灵活，由于它独立于机器，因此具有一定的通用性。但是，对于高级语言编写的程序计算机是不能识别和执行的。要执行高级语言编写的程序，首先要将其翻译成计算机能识别和执行的二进制机器指令，然后供计算机执行。一般用高级语言编写的程序被称为“源程序”，而把由源程序翻译成的机器语言程序或汇编语言程序称为“目标程序”。目前常用的高级语言有C+语言、Visual Basic语言、Java语言等。,上一页,返回,1.3 微型计算机硬件组成,根据计算机的应用领域和结构功能，计算机可以划分为大、中、小型机和微型机等多种类型。就目前而言，各类计算机都还是属于冯诺依曼体系结构，微型计算机也不例外。因此，微型计算机也具有控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部件。微型计算机是现代计算机理论与微电子技术密切结合的产物。从20多年前微型计算机问世以来，便以迅猛的速度占领了整个市场。现在的微型计算机体积越来越小，价格越来越便宜，功能越来越强大。微型计算机系统硬件配置如图1-4所示。微型计算机硬件系统的这种结构一般称为三总线结构，即以微处理器(CPU)为核心，通过地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB将其他,下一页,返回,1.3 微型计算机硬件组成,部件与微处理器连接起来。除了微处理器和主存储器以外，微型计算机硬件系统还必须拥有一定的外部设备，又称为I/O设备。像磁盘驱动器、打印机、键盘、鼠标器、显示器等都属于I/O设备。各种I/O设备与微处理器相连接，进行信息的交换，必须通过各自的I/O接口才能进行。I/O接口技术是组成实用微机系统的关键技术。它不是简单地将微型计算机与外部设备连接起来的问题，其关键技术是要实现微型计算机与外部设备通信。下面分别就微型计算机的硬件组成原理从微处理器、主存储器和外部设备等几方面进行介绍。1.微处理器,上一页,下一页,返回,1.3 微型计算机硬件组成,微处理器是微型计算机的CPU，一般写成MPU，它是微型计算机的核心部件。微处理器包括算术逻辑单元(ALUM、控制单元(Control Unit)与内部寄存器组(Registers)三个基本部件。(1)算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logic Unit)ALU是运算器的核心。它在控制信号的作用下可完成加、减、乘、除四则运算和各种逻辑运算。ALU运算的数据来自于通用寄存器，运算的结果数据也放回通用寄存器。(2)寄存器组(Registers)CPU内部的寄存器可分为专用寄存器组(如I , PC等)和通用寄存器组(如R1, R2等)。通用寄存器可用于传送和暂存数据。CPU从内存读取,上一页,下一页,返回,1.3 微型计算机硬件组成,的数据先要暂存在通用寄存器中，ALU处理数据的中间结果或最后结果首先也要暂存在通用寄存器中，然后再送到CPU的外部。专用寄存器的作用是固定不变的，如:指令寄存器I用于存放从内存读出的指令，程序计数器(Program Counter, PC总是存储着执行指令的下一条指令的主存单元的地址。寄存器拥有非常高的读写速度，CPU内部采用寄存器可以减少CPU访问内存的次数，从而提高了计算机的工作速度。但由于受到芯片面积和集成度的限制，寄存器组的容量不可能做得很多。(3)控制单元(control Unit)控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器、指令译码器和,上一页,下一页,返回,1.3 微型计算机硬件组成,操作控制器三个部件组成，它对协调整个计算机有序工作极为重要。它的工作过程是:根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器I中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。CPU是计算机的核心，是衡量计算机性能的重要依据。要提高计算机的数据处理速度的前提之一就是要提高CPU的运算速度。随着半导体技术的发展，CPU的发展非常迅速，从20世纪70年代末首次用于IBM PC当中的Intel 8088 CPU芯片开始，发展到21世纪初，CPU的性能得到了大幅提高，在此期间的处理器都是单核处理器。,上一页,下一页,返回,1.3 微型计算机硬件组成,在90年代末生产主流通用处理器的厂家很多，如Intel, AMD, IBM, HP,SUN, DEC, SGI等公司，形成了在通用处理器市场群雄逐鹿的局面。然而，经过近20年的市场“洗牌”，很多公司由于市场原因退出了通用处理器领域。目前，DEC, HP, SGI已经逐渐退出了处理器设计的角逐，只剩下的微处理器生产厂商IBM, Intel, AMD和SUNo现在，继续提高单处理器的性能已在主频、结构、功耗等方面都遇到了明显的“瓶颈”，因此各微处理器公司都纷纷推出多核结构的微处理器，如双核处理器、四核处理器、六核处理器与八核处理器。所谓多核处理器也叫多微处理器核，是将两个或更多的独立处理器封装集成在集成电路的芯片中，以进一步提高CPU的性能。在多核技术中，占,上一页,下一页,返回,1.3 微型计算机硬件组成,领导地位的厂商主要有AMD公司和Intel公司。但这两家公司的处理技术略有不同，以双核为例，AMD公司将两个内核做在一个Die(内核)上，通过直连架构连接起来，集成度更高。Intel则是采用两个独立的内核封装在一起，因此，有人将Intel的方案称为“双芯”，认为AMD的方案才是真正的“双核”。多核技术的应用将进一步提高计算机的性能。2.内存储器存储器是计算机存储程序和数据的部件。计算机的存储器分为两大类:一类是内存储器，另一类是外存储器。内存储器(简称内存或主存)是临时存放数据的记忆部件。内存一般由半导体器件构成。微型计算机,上一页,下一页,返回,1.3 微型计算机硬件组成,的型号和功能不同，相应的内存容量一也不同，目前使用的微机内存一般在1 GB以上，微型计算机的内存储器包括ROM和RAM两部分。根据冯诺依曼原理工作的计算机，要执行的程序和数据必须放在主存内。目前，微型计算机内存储器使用的都是半导体存储器。现代微型计算机系统中广泛应用的半导体存储器有三种主要类型:只读存储器(ROM)。它在没有电源的情况下能保持数据，但存储器一旦做好，就不易改动其内容。静态随机存储器(SRAM)。它不必周期性地刷新就可以保持数据。动态随机存取存储器(DRAM)。它需要通过周期性地刷新来保持数据。下面对这三类半导体存储器以及高速缓冲存储器(Cache)加以较详细的介绍。,上一页,下一页,返回,1.3 微型计算机硬件组成,(1)只读存储器(ROM)只读存储器(ROM)在正常使用的情况下只能够进行读出，而不能写入。ROM中的信息是厂家制造时写入的，其最大特点是掉电后存储的信息不会消失。目前常用的ROM芯片有掩模ROM , PROM , EPROM , EEPROM和闪速存储器等几类。掩膜ROM和PROM用于大批量生产的微机产品中;在产品研制阶段和单片机中，一般可使用EPROM或EEPROM;闪速存储器是一种20世纪80年代末才由Intel公司推出的新型只读存储芯片，它的主要特点是既可在不加电的情况下长期保存信息，又能在线进行快速擦除和重写，将成为代替EPROM和EEPROM的理想存储芯片。,上一页,下一页,返回,1.3 微型计算机硬件组成,(2)静态随机存取储器(SRAM )SRAM存储单元电路以双稳态电路为基础，只要不掉电，信息不会丢失。SRAM的最大特点是不需要刷新，一般用作高速缓冲存储器(Cache)，但它的功耗较大、集成度低、生产成本较高。(3)动态随机存取存储器(DRAM)DRAM存储器的特点是存储的信息微处理器必须对其定时进