第2章 微型计算机系统的组成.doc

第2章 微型计算机系统的组成2.1 微型计算机系统的基本组成 微型计算机系统包括硬件系统和软件系统，如图2.1所示。硬件系统是看得见、摸得着的实体部分；而软件系统是为了更好地利用计算机而编写的程序及文档。它们之间的关系犹如一个人的躯体和思想一样，躯体是硬件，思想则是软件。 图2.1 微型计算机系统结构图 几乎所有的微型计算机都把主机部分、软盘驱动器、硬盘驱动器及电源等封装在主机箱内。从外观上看，有卧式、立式和笔记本等几种机型。典型的微型计算机如图2.2所示。图2.2 微型计算机照片 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。虽然计算机的制造技术从计算机出现到今天已经发生了很大的变化，但在基本的硬件结构方面，却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。图2.3列出了一个计算机系统的基本硬件结构。实线代表数据流，虚线代表指令流，计算机各部件之间的联系就是通过这两股信息流动来实现的。原始数据和程序通过输入设备送入存储器，在运算处理过程中，数据从存储器读入运算器进行运算，运算的结果存入存储器，必要时再经输出设备输出。指令也以数据形式存于存储器中，运算时指令由存储器送入控制器，由控制器控制各部件的工作。 由此可见，输入设备负责把用户的信息（包括程序和数据）输入到计算机中；输出设备负责将计算机中的信息（包括程序和数据）传送到外部媒介，供用户查看或保存；存储器负责存储数据和程序，并根据控制命令提供这些数据和程序，它包括内存（内存储器）和外存（外存储器）；运算器负责对数据进行算术运算和逻辑运算（即对数据进行加工处理）；控制器负责对程序所规定的指令进行分析，控制并协调输入、输出操作或对内存的访问。下面分别对其各部分进行介绍。2.2 微型机的硬件系统2.2.1 微型机的硬件设备1. 主板 主机由中央处理器和内存储器组成，用来执行程序、处理数据，主机芯片都安装在一块电路板上，这块电路板称为主机板（主板）。为了与外围设备连接，在主机板上还安装有若干个接口插槽，可以在这些插槽上插入与不同外围设备连接的接口卡。主板上有控制芯片组、CPU插座、BIOS芯片，内存条插槽，主板上也集成了软驱接口、硬盘接口、并行接口、串行接口、USB接口、AGP总线扩展槽、PCI局部总线扩展槽、ISA总线扩展槽、键盘和鼠标接口以及一些连接其他部件的接口等。主板是微型计算机系统的主体和控制中心，它几乎集合了全部系统的功能，控制着各部分之间的指令流和数据流。随着计算机的发展，不同型号的微型计算机的主板结构是不一样的，图2.4为主板外观示意图。2. 中央处理器 中央处理器简称CPU（Central Processing Unit），它是计算机硬件系统的核心，中央处理器包括运算器和控制器两个部件。运算器是对数据进行加工处理的部件。它不仅可以实现基本的算术运算，还可以进行基本的逻辑运算，实现逻辑判断的比较及数据传递、移位等操作。控制器是负责从存储器中取出指令，确定指令类型，并译码，按时间的先后顺序，向其他部件发出控制信号，统一指挥和协调计算机各器件进行工作的部件。它是计算机的“神经中枢”。中央处理器是计算机的心脏，CPU品质的高低直接决定了计算机系统的档次。能够处理的数据位数是CPU的一个最重要的品质标志。人们通常所说的16位机、32位机即指CPU可同时处理16位、32位的二进制数据。IBM PC/AT及286机均是16位机，386、486及现在的奔腾系列机器均是32位机。其中，IBM PC/AT的CPU芯片为Intel80286，而386机、486机、奔腾系列机器的CPU芯片分别以Intel80386、80486、Pentium系列为代表。图2.5为P4的CPU。 图2.4 主板示意图 图2.5 CPU示意图3. 存储器 存储器的主要功能是存放程序和数据。使用时，可以从存储器中取出信息来查看、运行程序，称其为存储器的读操作；也可以把信息写入存储器、修改原有信息、删除原有信息，称其为存储器的写操作。存储器通常分为内存储器和外存储器。（1）内存储器（内存） 内存又称为主存，它和CPU一起构成了计算机的主机部分，它存储的信息可以被CPU直接访问。内存由半导体存储器组成，存取速度较快，但一般容量较小。内存中含有很多的存储单元，每个单元可以存放1个8位的二进制数，即1个字节（Byte，简称“B”）。通常1个字节可以存放0255之间的1个无符号整数或1个字符的代码，而对于其他大部分数据可以用若干个连续字节按一定规则进行存放。内存中的每个字节各有一个固定的编号，这个编号称为地址。CPU在存取存储器中的数据时是按地址进行的。存储器容量即指存储器中所包含的字节数，通常用MB作为存储器容量单位。图2.6为内存条示意图。内存储器通常可以分为随机存储器RAM、只读存储器ROM和高速缓冲存储器Cache三种。 RAM是一种读写存储器，其内容可以随时根据需要读出，也可以随时重新写入新的信息。这种存储器可以分为静态RAM和动态RAM两种。静态RAM的特点是，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RAM由于是利用MOS管极间电容保存信息的，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。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。图2.6 内存条示意图 ROM是一种内容只能读出而不能写入和修改的存储器，其存储的信息是在制作该存储器时就被写入的。在计算机运行过程中，ROM中的信息只能被读出，而不能写入新的内容。计算机断电后，ROM中的信息不会丢失，即在计算机重新加电后，其中保存的信息依然是断电前的信息，仍可被读出。它主要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基本的输入/输出（I/O）控制程序。 由于微型机的CPU速度的不断提高，RAM的速度很难满足高速CPU的要求，所以在读/写系统内存都要加入等待的时间，这对高速CPU来说是一种极大的浪费。Cache是指在CPU与内存之间设置的一级或两级高速小容量存储器，称之为高速缓冲存储器，固化在主板上。在计算机工作时，系统先将数据由外存读入RAM中，再由RAM读入Cache中，然后CPU直接从Cache中取数据进行操作。Cache的容量通常为32KB256KB之间，存取速度在15ns35ns（纳秒）之间，而RAM存取速度一般要大于50ns。（2）外存储器（外存） 外存储器又称为辅助存储器，它的容量一般都比较大，而且大部分可以移动，便于在不同计算机之间进行信息交流。在微型计算机中，常用的外存有软盘、硬盘、闪存和光盘4种。 软盘存储器 软盘存储器由软盘、软盘驱动器和软盘适配器三部分组成。软盘是活动的存储介质，软盘驱动器是读写装置，软盘适配器是软盘驱动器与主机连接的接口。软盘驱动器安装在主机箱内，软盘驱动器插槽暴露在主机箱的前面板上，可方便地插入或取出软盘。. 软盘的结构 软盘是一种涂有磁性物质的聚脂薄膜圆型盘片，它被封装在一个方形的保护套中，构成一个整体。当软盘驱动器从软盘中读写数据时，软盘保护套被固定在软盘驱动器中，而封套内的盘片在驱动电机的驱动下进行旋转以便磁头进行读写操作。软盘上的写保护口主要用于保护软盘中的信息。一旦设置了写保护，就意味着只能从该软盘中读信息，而不能再往软盘上写信息。常用的软盘为3.5英寸软盘，存储容量为1.44MB，如图2.7所示。 图2.7 软盘背面图 图2.8 软盘的磁道、扇区. 软盘片的存储格式 软盘片按磁道和扇区来存储信息。磁道是由外向内的一个个同心圆，磁道号从外向内越来越大；每个磁道上又等分成若干个扇区；每个扇区可以存储若干个字节，如图2.8所示。扇区数与字节数由格式化程序来定。例如，1.44MB软盘有80个磁道，每个磁道有18个扇区，每个扇区存储512个字节，共有两面。当软盘插入软盘驱动器后，驱动器的电机通过离合器带动盘片在封套内旋转。封套上开有一个读写槽，磁头通过读写槽沿着磁道移动进行读写。. 软盘的格式化 新软盘在使用前必须进行格式化，格式化后才能被系统识别和使用。格式化的目的是对磁盘划分磁道和扇区，同时还将磁盘分成四个区域：引导扇区（Boot）、文件分配表（FAT）、文件目录表（FDT）和数据区。引导扇区，用于存放系统的自引导程序，主要为启动系统和存放磁盘参数而设置的。文件分配表，用于描述文件在软盘上的存放位置以及整个软盘扇区的使用情况。文件目录表即根目录区，用于存放软盘根目录下所有文件名和子目录名、文件属性、文件在软盘上存放的起始位置、文件的长度及文件建立或修改的日期与时间等。数据区即用户区，用于存放程序或数据，也就是文件。. 软盘的技术指标l 面数：只用一面存储信息的软盘为单面软盘，双面存储信息的软盘称为双面软盘。l 磁道：磁道是以盘片中心为圆心的一些同心圆。每一圆周为一个磁道，数据存储在磁道内。通常软盘的磁道数为80，磁道从外层开始编号，编号从0开始，最内层为末磁道。l 扇区：每个磁道被分成若干区域，每个区域为一个扇区。每个磁道上的扇区数可分为8、9、15或18，扇区编号从1开始。扇区是软盘的基本存储单位，每个扇区的存储容量为512B。l 存储密度：存储密度分为道密度和位密度。道密度是指沿磁盘半径方向单位长度的磁道数。位密度是每个磁道内单位长度所能记录的二进制数的位数。l 容量：容量指软盘所能存储数据的字节数。存储容量通常指格式化容量，即软盘经格式化后的容量。如3.5英寸软盘有80 个磁道，每道18个扇区，每个扇区512个字节，共有2面。该软盘总容量为：80185122=1474560B=1.44MB。 硬盘存储器 硬盘存储器是由电机和硬盘组成的，一般置于主机箱内。硬盘是涂有磁性材料的磁盘组件，用于存放数据。硬盘的机械转轴上串有若干个盘片，每个盘片的上下两面各有一个读/写磁头，与软盘磁头不同，硬盘的磁头不与磁盘表面接触，它们“飞”在离盘片面百万分之一英寸的气垫上。硬盘是一个非常精密的机械装置，磁道间只有百万分之几英寸的间隙，磁头传动装置必须把磁头快速而准确地移到指定的磁道上。图2.9和2.10为硬盘示意图。 图2.9 硬盘的背面 图2.10 硬盘的内部图示一个硬盘有多个盘片组成，所有的盘片串在一根轴上，两个盘片之间仅留出安置磁头的距离。柱面是指使盘的所有盘片具有相同编号的磁道。硬盘的容量取决于硬盘的磁头数、柱面数及每个磁道的扇区数，由于硬盘均有多个盘片，所以用柱面这个参数来代替磁道。每个扇区的容量为512B，硬盘容量为：512磁头数柱面数每道扇区数。不同型号的硬盘其容量、磁头数、柱面数及每道扇区数均不同，主机必须知道这些参数才能正确控制硬盘的工作，因此安装新硬盘后，需要对主机进行硬盘类型的设置。硬盘在使用之前也需要进行格式化。目前的硬盘有两种，一种为固定式，另一种为移动式。所谓固定式就是固定在主机箱内，容量在3.2GB80GB之间，甚至更大，当容量不足时，可再扩充另一个硬盘。而移动式硬盘如同软盘一样，只是它的速度与容量都远远超过软盘。它可以轻松传输、携带、分享和存储资料，可以在笔记本和台式机之间，办公室、学校、网吧和家庭之间实现数据的传输，是私人资料保存的最佳工具。同时它还具有写保护、无驱动、无需外接电源、高速度读写、支持80G大容量硬盘等特点。 图2.11 高速超薄型移动硬盘 图2.12 闪存 闪存 闪存又名优盘，是在存储速度与容量上介于软盘与硬盘之间的一种外部存储器。它具有如下特点：兼顾了USB2.0、USB1.1接口的使用；具有写保护开关，用来防止误删除重要数据；无需安装设备驱动，Windows 98系统以上方便使用；固态闪存可以使数据保存10年以上；抗震，数米以上自由落体的碰撞也能保证安全，持久存储数据；耐用，可重复擦写100万次以上；铝制金属外壳，防老化、防划伤；小巧、轻便、即插即用、支持热插拔；容量在32MB、64MB、128MB、256MB、512MB、1GB、2GB之间不等。图2.12为闪存示意图。 光盘 光盘的存储介质不同于磁盘，它属于另一类存储器。由于光盘的容量大、存取速度较快、不易受干扰等特点，其应用越来越广泛。光盘根据其制造材料和记录信息方式的不同一般分为三类：只读光盘、一次写入型光盘和可擦写光盘。只读光盘是生产厂家在制造时根据用户要求将信息写到盘上，用户不能抹除，也不能写入，只能通过光盘驱动器读出盘中信息。只读光盘以一种凹坑的形式记录信息。光盘驱动器内装有激光光源，光盘表面以凹坑的形式记录的信息，可以反射出强弱不同的光线，从而使记录的信息被读出。只读光盘的存储容量约为650 MB。一次写入型光盘可以由用户写入信息，但只能写一次，不能抹除和改写（像Prom芯片一样）。信息的写入通过特制的光盘刻录机进行，它是用激光使记录介质熔融蒸发穿出微孔或使非晶膜结晶化，改变原材料特性来记录信息。这种光盘的信息可多次读出，读出信息时使用只读光盘用的驱动器即可。一次写入型光盘的存储容量一般为几百个MB。可擦写光盘可由用户自己写入信息，也可对已记录的信息进行抹除和改写，就像磁盘一样可以反复使用。它是用激光照射在记录介质上（不穿孔），利用光和热引起介质可逆性变化来进行信息记录的。可擦写光盘需插入特制的光盘驱动器进行读写操作，它的存储容量一般在几百MB至几GB之间。4. 输入、输出设备 输入设备是外界向计算机传送信息的装置。 在微型计算机系统中，最常用的输入设备是键盘和鼠标，此外还有光电笔、数字化仪、图像扫描仪等。也可以用磁盘和磁带进行输入。输出设备的作用是将计算机中的数据信息传送到外部媒介，并转化成某种为人们所认识的表示形式。在微型计算机中，最常用的输出设备有显示器和打印机。此外，还有绘图仪等，也可以通过磁盘和磁带输出。5. 总线和接口（1）总线 计算机中传输信息的公共通路称为总线（BUS）。一次能够在总线上同时传输信息的二进制位数被称为总线宽度。CPU是由若干基本部件组成的，这些部件之间的总线被称为内部总线；而连接系统各部件间的总线称为外部总线，也称为系统总线。按照总线上传输信息的不同，总线可以分为数据总线（DB），地址总线（AB）和控制总线（CB）三种。 数据总线：用来传送数据信息，它主要连接了CPU与各个部件，是它们之间交换信息的通路。数据总线是双向的，而具体的传送方向由CPU控制。 地址总线：用来传送地址信息。CPU通过地址总线中传送的地址信息访问存储器。通常地址总线是单向的。同时，地址总线的宽度决定可以访问的存储器容量大小，如20条地址总线可以控制1MB的存储空间。 控制总线：用来传送控制信号，以协调各部件之间的操作。控制信号包括CPU对内存储器和接口电路的读写控制信号、中断响应信号，也包括其他部件传送给CPU的信号，如中断申请信号、准备就绪信号等。（2）接口 不同的外围设备与主机相连都必须根据不同的电气、机械标准，采用不同的接口来实现。主机与外围设备之间信息通过两种接口传输。一种是串行接口，如鼠标；一种是并行接口，如打印机。串行接口按机器字的二进制位，逐位传输信息，传送速度较慢，但准确率高；并行接口一次可以同时传送若干个二进制位的信息，传送速度比串行接口快，但器材投入较多。现在的微机上都配备了串行接口与并行接口。2.2.2 微型机的主要技术指标评价一台微型计算机的指标很多。一般常用的指标有：1. 字长 字长是指一台计算机所能处理的二进制代码的位数。 微型计算机的字长直接影响到它的精度、功能和速度。字长愈长，能表示的数值范围就越大，计算出的结果的有效位数也就越多；字长愈长，能表示的信息就越多，机器的功能就更强。但是，字长又受到器件及制造工艺等的限制。目前常用的是16位和32位字长的微型计算机。2. 运算速度 运算速度是指计算机每秒钟所能执行的指令条数，一般用MIPS（Million of Instructions Per Second，即每秒百万条指令）为单位。由于不同类型的指令执行时间长短不同，因而运算速度的计算方法也不同。3. 主频 主频是指计算机CPU的时钟频率，它在很大程度上决定了计算机的运算速度。一般时钟频率越高，运算速度就越快。主频的单位一般是MHz（兆赫）或GHz（吉赫），如微处理器Pentium4/2.0GHz的主频为2210MHz。4. 内存容量 内存容量是指内存储器中能够存储信息的总字节数，一般以MB为单位。内存容量反映了内存储器存储数据的能力。目前微型机的内存容量有64MB、128MB、256MB等。5. 外设配置 外设是指计算机的输入/输出设备以及外存储器，如键盘、显示器、打印机、磁盘驱动器、鼠标等。其中，键盘的质量反映在每一个按键的反应灵敏度与手感是否舒适；显示器有单色和彩色之分，也有高、中、低3种分辨率之分；磁盘有软盘与硬盘之分。6. 软件配置 软件配置包括操作系统、计算机语言、数据库管理系统、网络通信软件、 汉字软件及其他各种应用软件等。由于目前微型机的种类很多，特别是兼容机种类繁多，因此，在选购微型机时应以软件兼容比较好微型机的为主。一般微型机之间的兼容性包括软盘格式、接口、硬件总线、键盘形式、操作系统和I/O规范等方面。以上只是微机的一些主要性能指标。 对于微机的优劣不能根据一两项指标来评定，而是需要综合考虑。要考虑经济合理、使用效率及性能价格比等多方面因素，以满足应用需求为目的。微型计算机系统的基本配置主要包括主机、键盘、磁盘驱动器、硬盘、显示器等。在选购计算机时要综合考虑需要的性能和可承受的价格，同时也要考虑到发展。目前使用的微型计算机多为 Pentium 及其以上的微机，486、586机虽然也有一些人在用，但已逐步被淘汰。2.3 计算机软件系统2.3.1 计算机软件系统的概述1. 计算机软件概念 所谓计算机软件是相对硬件而言的，一般是指计算机程序和对该程序的功能、结构、设计思想以及使用方法等整套文字资料的说明（即文档）。软件也可以看作是在硬件基础上对硬件的完善和扩充。从对计算机影响的意义上来讲，软件和硬件的作用是一样的。2. 软件系统的分类 软件系统通常分为系统软件和应用软件两大类。系统软件一般是指计算机设计制造者提供的为使用和管理计算机的软件，计算机在运行这些软件时为其他程序的运行建立良好的运行环境和可靠的运行结果。应用软件是程序设计人员为解决用户特定的问题而设计的程序或购买的程序，其功能在某一领域内较强，但运行时一般应在系统软件如操作系统的支持下运行。2.3.2 系统软件 系统软件包括操作系统、语言处理系统、常用服务程序和数据库管理系统等几个部分。1. 操作系统 为了使计算机系统的所有软、硬件资源协调一致，有条不紊地工作，就必须有一个软件可进行统一的管理和调度，这种软件就是操作系统。操作系统是管理和控制计算机系统软、硬件和数据资源的大型程序，是用户和计算机之间的接口，并提供了软件开发和应用的环境。操作系统是最基本的系统软件，它直接运行在裸机之上，是对计算机硬件系统的第一次扩充。常见的操作系统有DOS、Windows、Unix、Linux、NetWare等。2. 计算机语言 计算机语言是人和计算机进行信息交流的媒介，作为人与计算机交流的一种工具，这种交流被称为计算机程序设计。所有的计算机都可以配有一种或多种计算机语言，按照与硬件的联系程度可分为两类，即低级语言、高级语言。低级语言主要有两种：机器语言和汇编语言。（1）机器语言 人和计算机打交道必须使用计算机指令系统的指令。指令是计算机能够识别的一般由二进制数码构成的集合，而这些指令的集合就是该计算机的机器语言，也就是计算机能理解的语言。用机器语言编写程序的缺点是：难编、难记、难交流。例如，计算3+5的机器语言程序如下：10110000 00000011把3放入累加器AL中00001000 000010015与累加器AL中的值相加，结果仍放入AL中11110100结束，停机（2）汇编语言 人们用指令的助记符、符号地址、标号等符号来书写程序，这种书写程序的语言称为汇编语言。汇编语言是程序设计自动化第一阶段的语言，它是低级语言。其主要特点是可以使用符号机器指令的操作码、地址码、常量和变量，程序员不必为程序（代码和数据）在存储器中的物理位置进行具体的安排。例如，计算3+5的汇编语言程序如下：MOV AL,3把3放入累加器AL中ADD AL,55与累加器AL中的值相加，结果仍放入AL中HLT结束，停机（3）高级语言 高级语言，非常接近人们的自然语言和数学语言，语言中所用的各种运算符号、运算表达式及运算规则和人们常用的数学公式和数学规则差不多。用高级语言编写的程序可读性好，表达直观，而且与具体的计算机无关，易于移植，提高了程序员的工作效率。例如，计算A=3+5的BASIC语言程序如下：A=3+53与5相加的结果放入A中PRINT A输出AEND程序结束目前高级语言发展到了面向对象程序设计语言，如Visual Basic、Visual FoxPro、C+ Builder、Delphi等，使用这些语言来开发程序更直观、更方便、更简洁。3. 语言处理系统 用汇编语言和高级语言编写的程序（称为源程序），计算机并不认识，更不能直接执行，而必须由语言处理系统将它翻译成计算机可以理解的机器语言程序（即目标程序），然后再让计算机执行目标程序。语言处理系统一般可分为三类：汇编程序、解释程序和编译程序。（1）汇编程序 汇编程序是把用汇编语言写的源程序翻译成等价的机器语言程序。汇编语言是为特定的计算机和计算机系统设计的面向机器的语言。其加工对象是用汇编语言编写的源程序。（2）解释程序 解释程序是把用交互会话式语言编写的源程序翻译成机器语言程序。解释程序的主要工作是：每当遇到源程序的一条语句，就将它翻译成机器语言并逐句逐行执行，非常适用于人机会话。（3）编译程序 编译程序是把高级语言编写的源程序翻译成目标程序的程序。其中，目标程序可以是机器指令的程序，也可以是汇编语言程序。如果是前者，则源程序的执行需要执行两步，先编译后运行；如果是后者，则源程序的执行就需要执行三步，先编译，再汇编，最后运行。编译程序与解释程序相比，解释程序不产生目标程序，直接得到运行结果，而编译程序则产生目标程序。一般，解释程序运行时间长，但占用内存少，编译则正好相反，大多数高级语言都是采用编译的方法执行。2.3.3 应用软件 应用软件是为解决特定应用领域问题而编制的应用程序，应用软件的种类繁多，用途非常广泛。不同的应用软件对运行环境的要求不同，为用户提供的服务也不同。1、文字处理应用软件 文字处理处理