计算机硬件及基本工作原理

1、计算机系统计算机系统计算机计算机系系 统统硬件硬件系统系统软件软件系统系统主机主机外部外部设备设备中央处理器中央处理器内部存储器内部存储器运算器运算器控制器控制器随机存储器随机存储器(RAM)只读存储器只读存储器(ROM)输入设备输入设备(鼠标、键盘、其他鼠标、键盘、其他)输出设备输出设备(显示器、打印机、其他显示器、打印机、其他)辅助存储器辅助存储器(软盘、硬盘、光盘、其他软盘、硬盘、光盘、其他)系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统语言处理程序语言处理程序数据库管理系统数据库管理系统应用程序应用程序工具程序工具程序其他其他其他其他一、硬件系统的组成一、硬件系统的组成。计算机的工作

2、原理计算机的工作原理硬件系统主要包括硬件系统主要包括运算器运算器、控制器控制器、存储器存储器、输输入设备入设备和和输出设备输出设备五部分。五部分。输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备运运 算算 器器控控 制制 器器中央处理器：中央处理器：1. 指令：指令：让计算机完成某个操作所发出的命令让计算机完成某个操作所发出的命令。2. 指令格式指令格式:操作码操作码地址码地址码OPA操作码（操作码（OP）：表示一条指令的操作特性和功能）：表示一条指令的操作特性和功能地址码（地址码（A）：给出参与操作的数据在存储器中的地址。）：给出参与操作的数据在存储器中的地址。指令含义：指令含义：A OP(A)

3、 取出地址取出地址A中的数据进行指令规中的数据进行指令规定的定的OP操作，再把操作送回地址操作，再把操作送回地址A中。中。3. 指令系统：指令系统：计算机所能执行的全部指令的集合计算机所能执行的全部指令的集合。4. 指令的分类指令的分类 按功能划分为按功能划分为4类类:数据传输类指令：包括寄存器与寄存器之间、寄存器与存储数据传输类指令：包括寄存器与寄存器之间、寄存器与存储单元之间、存储单元与存储单元之间的数据传输。单元之间、存储单元与存储单元之间的数据传输。运算类指令：算术运算指令和逻辑运算指令。运算类指令：算术运算指令和逻辑运算指令。程序控制类指令：用于控制程序的流向，包括转移指令、转程序控

4、制类指令：用于控制程序的流向，包括转移指令、转子指令、中断指令等。子指令、中断指令等。输入输入输出类指令（输出类指令（I/O指令）：用于主机与外设之间交换信指令）：用于主机与外设之间交换信息、用于控制外设的工作、测试外设状态和输入息、用于控制外设的工作、测试外设状态和输入/输出数据输出数据 。CPU：Central Processing Unit，中央处理器，是硬件的核心一、的速度一、的速度的速度用每秒所能处理的指令条数来衡的速度用每秒所能处理的指令条数来衡量。量。（百万条数秒）（百万条数秒）的速度与的速度与“系统时钟系统时钟”有直接的关系。有直接的关系。系统时钟过一定时间发出信号，调节系统部

5、件的系统时钟过一定时间发出信号，调节系统部件的动作速度，使系统部件协调同步。动作速度，使系统部件协调同步。主频：主频：在一秒钟内完成的工作周期数，在一秒钟内完成的工作周期数，即标准工作频率，称为主频。即标准工作频率，称为主频。中央处理器中央处理器v字长：在计算机中，作为一个整体参与运算、处字长：在计算机中，作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制数，称为一个字。组成该理和传送的一串二进制数，称为一个字。组成该字的二进制字的二进制“数数”的的“位数位数”称为称为“字长字长”。字。字长等于长等于CPU中通用寄存器的位数。因此在用字长中通用寄存器的位数。因此在用字长来区分计算机时，常把计算机说成

6、来区分计算机时，常把计算机说成“8位机位机”、“16位机位机”、“32位机位机”、“64位机位机”。v主频：对同一型号的主频：对同一型号的CPU还可按他们的主频进一还可按他们的主频进一步加以区分，例：步加以区分，例：100、133、166、200、233、266、300MHZ，4GHZ等。主频是表征计算等。主频是表征计算机运算速度的主要参数。机运算速度的主要参数。CPU的主要参数：的主要参数：2、CPU的组成：控制器和运算器的组成：控制器和运算器1）控制器：由程序计数器、指令寄存器、指令译）控制器：由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，协调和指码器、时序产生器和操作

7、控制器组成，协调和指挥整个计算机系统工作的部件。挥整个计算机系统工作的部件。功能：功能：从内存中取出一条指令，并指出下一条从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置指令在内存中的位置 对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，启动规定的动作信号，启动规定的动作指挥并控制指挥并控制CPU、内存和、内存和I/O设备之间数据传送设备之间数据传送的方向的方向2、CPU的组成：控制器和运算器的组成：控制器和运算器2）运算器：由算术逻辑单元（）运算器：由算术逻辑单元（ALU）、累）、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存加寄存器、数据缓冲寄存器和状态

8、条件寄存器组成，是数据加工处理的部件。器组成，是数据加工处理的部件。功能：功能：执行所有的算术运算执行所有的算术运算 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试存储器存储器3. 存储器存储器 存储器是计算机用来存储信息的重要功能存储器是计算机用来存储信息的重要功能部件。部件。主要功能是存放程序和数据。主要功能是存放程序和数据。存储器分为二种：存储器分为二种： 内存储器（主存储器）内存储器（主存储器） 外存储器（辅助存储器）外存储器（辅助存储器） 2、主存储器（内部存储器、内存）、主存储器（内部存储器、内存）2）分类：）分类：RAM：随机存储器，可由：随机存储器，可由C

9、PU直接写入或读出直接写入或读出信息，也可由用户随机存取程序或数据。信息，也可由用户随机存取程序或数据。存储的信息将因断电或机器重新启动而丢失。存储的信息将因断电或机器重新启动而丢失。RAM可分为动态和静态两大类，即可分为动态和静态两大类，即DRAM和和SRAMROM：只读存储器，只能读出信息不能写入信：只读存储器，只能读出信息不能写入信息，所存储的信息不会由于断电而丢失。息，所存储的信息不会由于断电而丢失。 3、辅助存储器（外部存储器、外存）、辅助存储器（外部存储器、外存） 由磁性材料或光反射材料制成，可长久地存放程序和数由磁性材料或光反射材料制成，可长久地存放程序和数据，只能和内存交换数据

10、。据，只能和内存交换数据。 1）软盘（）软盘（Floppy Disk）：必须与软驱一同使用）：必须与软驱一同使用软盘的基本组成：软盘的基本组成： 塑料基片：涂有磁性材料的塑料圆片塑料基片：涂有磁性材料的塑料圆片 塑料保护套：保护基片塑料保护套：保护基片 金属挡板：保护读写窗口金属挡板：保护读写窗口 定位孔：检查磁盘扇区的起始位置定位孔：检查磁盘扇区的起始位置 写保护：防止误操作、避免病毒写保护：防止误操作、避免病毒3、辅助存储器（外部存储器、外存）、辅助存储器（外部存储器、外存） 1）软盘（）软盘（Floppy Disk）：）： 信息存储：两面都可以存储信息，分别称为信息存储：两面都可以存储信

11、息，分别称为0面和面和1面，面，每面每面被分成若干个磁道被分成若干个磁道（Track） ，每个磁道又分为若干个，每个磁道又分为若干个扇区扇区（Sector），每个扇区存储，每个扇区存储512个字节个字节 磁道是一组同心圆，磁道是一组同心圆，各磁道的编号从各磁道的编号从0开始，最外圈是开始，最外圈是0磁道。扇区是软盘存放信息的最小编址单位。磁道。扇区是软盘存放信息的最小编址单位。 磁盘的存储容量磁盘的存储容量=磁盘面数磁盘面数每面磁道数每面磁道数每道扇区数每道扇区数扇区字节数扇区字节数 如：如： 1.44M的软盘，有的软盘，有80个磁道，每个磁道有个磁道，每个磁道有18个扇区，个扇区，两面都可以

12、存储数据。计算的容量两面都可以存储数据。计算的容量如下如下： 801825121440K1.44M 3、辅助存储器（外部存储器、外存）、辅助存储器（外部存储器、外存） 1）软盘（）软盘（Floppy Disk）：）： 格式化：使用前必须格式化，进行磁道和扇区的划分格式化：使用前必须格式化，进行磁道和扇区的划分 注意事项：注意事项：不要划伤盘片，盘片不能变形、不能受高温、不要划伤盘片，盘片不能变形、不能受高温、不能受潮、不要靠近磁性物质、不要强行取出盘片等等不能受潮、不要靠近磁性物质、不要强行取出盘片等等 软盘驱动器软盘驱动器：对软盘进行读写操作对软盘进行读写操作 软驱的主要组成：控制电路板、马

13、软驱的主要组成：控制电路板、马达、磁头定位器和磁头。达、磁头定位器和磁头。 软驱的工作过程：软驱的工作过程：马达带动软盘的马达带动软盘的盘片转动，磁头定位器负责把磁头移盘片转动，磁头定位器负责把磁头移动到正确的磁道，由磁头完成读写操动到正确的磁道，由磁头完成读写操作。作。3、辅助存储器（外部存储器、外存）、辅助存储器（外部存储器、外存） 2）硬盘（）硬盘（Hard Disk）：存取容量大，速度快）：存取容量大，速度快 组成：组成：磁道磁道 (Tracks)、扇区、扇区(Sectors)、柱面、柱面 (Cylinders)和磁头和磁头(Heads) 由很多个磁片叠在一起，柱面指的由很多个磁片叠在

14、一起，柱面指的就是多个磁片上具有相同编号的磁道，就是多个磁片上具有相同编号的磁道，它的数目和磁道是相同的。它的数目和磁道是相同的。 硬盘的容量计算如下：硬盘的容量计算如下： 硬盘容量柱面数硬盘容量柱面数扇区数扇区数每每扇区字节数扇区字节数磁头数磁头数（盘面数）（盘面数） 3、辅助存储器（外部存储器、外存）、辅助存储器（外部存储器、外存） 3）光盘：利用激光束在盘片上记录高密度信息的外存储器）光盘：利用激光束在盘片上记录高密度信息的外存储器 特点：体积小、重量轻、记录密度高、存储容量大（约特点：体积小、重量轻、记录密度高、存储容量大（约650MB）、寿命长、安全可靠）、寿命长、安全可靠 分类：只

15、读光盘分类：只读光盘CD-ROM、一次写入光盘、一次写入光盘CD-R、可重复擦、可重复擦写型光盘写型光盘CD-RW 光盘驱动器：用于对光盘进行读写。有单速、光盘驱动器：用于对光盘进行读写。有单速、4倍速、倍速、8倍倍速、速、24倍速、倍速、40倍速等。倍速等。4）闪盘：）闪盘：无需驱动、速度快、体积小、兼容性好、容量大等无需驱动、速度快、体积小、兼容性好、容量大等 组成：组成：USB接口、电容和电阻、集成电路（接口、电容和电阻、集成电路（ICIC）。）。输入设备输入设备输入设备是指可将外界信息转换成计算机内部信息的设备。输入设备是指可将外界信息转换成计算机内部信息的设备。1、键盘、键盘（Key

16、board） ：101或或102键的键盘或键的键盘或83键的键盘键的键盘 主键区、数字键区、功能键区主键区、数字键区、功能键区 正确的录入方法：正确的录入方法：ASDFG HJKL； 2、鼠标、鼠标（Mouse）：控制屏幕光标移动：控制屏幕光标移动 1）机械式鼠标）机械式鼠标:橡胶球橡胶球 2）光电型鼠标：光电检测器、光电感应平板）光电型鼠标：光电检测器、光电感应平板3、扫描仪、扫描仪（Scanner）：光电转换装置）：光电转换装置 4 4、数码相机、数码摄象机、数码相机、数码摄象机输出设备输出设备输出设备是指输出设备是指输出计算机内部信息的设备输出计算机内部信息的设备 1、显示器（、显示器（

17、Monitor）：）：CRT显示器、显示器、LCD液晶显示器液晶显示器 1）工作原理：阴极射线管（）工作原理：阴极射线管（Cathote Ray Tube）、电子束、）、电子束、电磁场、荧光材料电磁场、荧光材料2）帧、扫描线、象素）帧、扫描线、象素3）单色、彩色：）单色、彩色：CGA、EGA、VGA、SVGA2、打印机（、打印机（Printer）1）针式打印机：打印头、色带、传动装置、驱动打印装置）针式打印机：打印头、色带、传动装置、驱动打印装置2）喷墨打印机：）喷墨打印机： 3）激光打印机：）激光打印机： 微型计算机的硬件设备微型计算机的硬件设备通常，计算机硬件设备可分为三大部分：通常，计算

18、机硬件设备可分为三大部分：n主机：主机：安装在机箱里面的硬件与机箱，被称安装在机箱里面的硬件与机箱，被称为主机。为主机。n输出设备：输出设备：如显示器、打印机等。如显示器、打印机等。n输入设备：输入设备：如键盘、鼠标及手写板等。如键盘、鼠标及手写板等。主机主机v 主机由机箱和机箱中的组件构成。其中主主机由机箱和机箱中的组件构成。其中主机箱中的主要组件有主板、机箱中的主要组件有主板、CPU、内存条、内存条、 硬盘、软盘驱动器、光驱、显卡、声卡及硬盘、软盘驱动器、光驱、显卡、声卡及电源等。电源等。 1） 主机箱主机箱2）主板）主板 v主板又称系统板或母板（主板又称系统板或母板（mother boa

19、rd），是计），是计算机主机的核心，被固定在机箱内。计算机整体算机主机的核心，被固定在机箱内。计算机整体性能是否能稳定有效地得到发挥，主板将起到非性能是否能稳定有效地得到发挥，主板将起到非常重要的作用。常重要的作用。v计算机中几乎所有的基本设备都与主板相连接。计算机中几乎所有的基本设备都与主板相连接。主板是计算机中最大的一块电路板，上面有一系主板是计算机中最大的一块电路板，上面有一系列的插槽及接口：列的插槽及接口：早期的CPU 586 686 K6 PP P 3 3） CPUCPU4 4） 内存条内存条5 5） 移动硬盘移动硬盘移动存储产品移动存储产品 磁光技术移动存储产品磁盘技术与光技术结合

20、 Flash存储设备 闪存芯片为存储介质采用USB的接口可擦写100万次以上 显示卡也称图形加速卡，显示卡和显示器构成了计显示卡也称图形加速卡，显示卡和显示器构成了计算机的显示系统。图形加速卡拥有自己的图形函数加速算机的显示系统。图形加速卡拥有自己的图形函数加速器和显存，这些都是专门用来执行图形加速任务，器和显存，这些都是专门用来执行图形加速任务， 因因此，就可以大大减少此，就可以大大减少CPU所必须处理的图形函数，减轻所必须处理的图形函数，减轻CPU的工作负担从而提高计算机的整体性能。的工作负担从而提高计算机的整体性能。 显卡的显卡的主要功能主要功能如下：如下： 将欲显示的字符或图形的将欲显

21、示的字符或图形的内码内码转换成转换成图形点阵图形点阵； 与同步信息形成与同步信息形成视频信号视频信号输出给显示器；输出给显示器； 型号：型号：MDAMDA、CGACGA、EGAEGA、VGAVGA、SVGASVGA、AGPAGP等。目等。目前微型计算机上常用的显卡多为前微型计算机上常用的显卡多为AGPAGP卡。卡。 6 6）显示卡）显示卡功能插针功能插针 电容电容 输出口输出口 BIOS芯片芯片 AGP接口接口 显示芯片显示芯片 显存显存 声卡的诞生把计算机从无声世界带入了丰声卡的诞生把计算机从无声世界带入了丰富多彩的多媒体世界，无论是在应用软件还是富多彩的多媒体世界，无论是在应用软件还是在娱

22、乐程序中，层次清晰的语音、典雅优质的在娱乐程序中，层次清晰的语音、典雅优质的音乐、效果逼真的模拟声，是一套成功的软件音乐、效果逼真的模拟声，是一套成功的软件不可缺少的组成部分，而所有这些音响效果，不可缺少的组成部分，而所有这些音响效果，都是由声卡所产生的。声卡的出现使计算机得都是由声卡所产生的。声卡的出现使计算机得到了更加广泛的运用。到了更加广泛的运用。7 7） 声卡声卡第30页（音效处理）有源音箱音频输入数字信号1.5 （8 8）鼠标鼠标针式打印机针式打印机 优点：打印成本低，打印介质广。优点：打印成本低，打印介质广。 缺点：打印质量差，噪声大。缺点：打印质量差，噪声大。喷墨打印机喷墨打印机

23、 优点：价格低，噪声较小，打印速度较快，优点：价格低，噪声较小，打印速度较快，打印质量好。打印质量好。 缺点：遇水会退色，对打印纸张要求高。缺点：遇水会退色，对打印纸张要求高。激光打印机激光打印机优点：打印速度快，打印质量好，噪优点：打印速度快，打印质量好，噪声小声小 缺点：价格贵，打印成本高。缺点：价格贵，打印成本高。打印机 （9 9）辅助设备）辅助设备 操作系统操作系统(DOS WINDOS OS/2 UNIX(DOS WINDOS OS/2 UNIX等等) ) 机器语言机器语言 程序设计语言程序设计语言 汇编语言汇编语言 高级语言高级语言 解释程序解释程序 编译程序编译程序 数据库和数据

24、库管理系统数据库和数据库管理系统 开发工具开发工具 网络软件网络软件 诊断、维护程序诊断、维护程序 各种软件包各种软件包( (如如 Office 2000Office 2000等等) ) 用户自编应用程序用户自编应用程序(MIS OA(MIS OA等等) )二二. .软件系统软件系统裸机裸机操作系统操作系统各种语言处理程序各种语言处理程序各种实用程序软件包各种实用程序软件包用户用户图图2 计算机系统层次图计算机系统层次图2.1. 计算机系统的层次关系计算机系统的层次关系常用操作系统1. DOSMicrosoft公司研制的公司研制的配置在配置在PC的操作系统的操作系统 单用户命令行界面操作系统单

25、用户命令行界面操作系统 从从4.0版开始成为支持多任务的操作系统。版开始成为支持多任务的操作系统。2. Windows 3. Linux 由由UNIXUNIX发展而来发展而来, ,源代码开放源代码开放 5. OS/25. OS/2为为PS/2PS/2设计的操作系统，用户可自行设计的操作系统，用户可自行定制界面定制界面 6. Mac OS6. Mac OS较好的图形处理能力，主要用在桌较好的图形处理能力，主要用在桌面出版和多媒体应用等领域。用在苹果公司面出版和多媒体应用等领域。用在苹果公司的的Power MacintoshPower Macintosh机及机及MacintoshMacintosh

26、一族计算一族计算机上，与机上，与WindowsWindows缺乏较好的兼容性缺乏较好的兼容性7. Novell Netware7. Novell Netware 基于文件服务和目录服基于文件服务和目录服务的网络操作系统，用于构建局域网。务的网络操作系统，用于构建局域网。常用操作系统的功能1.CPU 管理管理2.作业管理作业管理3.存储器管理存储器管理4.设备管理设备管理5.文件管理文件管理 应用软件应用软件（Application SoftwareApplication Software） 为解决某种专门问题而设计的软件，如：为解决某种专门问题而设计的软件，如： 办公自动化软件包办公自动化软件

27、包 Office （Word、Excel、PowerPoint）；）； QQ 、CAD、CAM及及CAI软件；软件； 网络应用软件（如网络应用软件（如Outlook）；）； 用户设计的应用程序等用户设计的应用程序等计算机语言的发展计算机语言的发展 计算机语言就是用户用来编写程序的语言，它是人计算机语言就是用户用来编写程序的语言，它是人们与计算机之间交换信息的工具，实际上也是人们们与计算机之间交换信息的工具，实际上也是人们指挥计算机工作的工具。指挥计算机工作的工具。 计算机语言的发展分为计算机语言的发展分为4 4个阶段：个阶段： 机器语言、汇编语言、高级语言和智能性语言机器语言、汇编语言、高级语

28、言和智能性语言。(1) (1) 第一代语言第一代语言机器语言机器语言定义：是最初级且依赖于硬件的语言。是由定义：是最初级且依赖于硬件的语言。是由0 0和和1 1组成组成的二进制代码表示的语言，是计算机唯一能直的二进制代码表示的语言，是计算机唯一能直接识别并执行的语言。接识别并执行的语言。特征：特征：“面向机器面向机器”的语言，可以被计算机直接接收的语言，可以被计算机直接接收执行。由它编写的程序不易阅读，而且指令代执行。由它编写的程序不易阅读，而且指令代码不易记忆。码不易记忆。 (2)(2)第二代语言第二代语言汇编语言汇编语言定义：是用字母和符号等助记符表示指令和操作数地定义：是用字母和符号等助记符表示指令和操作数地址的计算机语言址的计算机语言, ,又称为又称为符号语言符号语言。特征：便于阅读和书写，编程速度、检查调试有进步，特征：便于阅读和书写，编程速度、检查调试有进步，但仍然是但仍然是“面向机器面向机器”的语言，但计算机不能的语言，但计算机不能识别和直接运行汇编程序。识别和直接运行汇编程序。 机器语言和汇编语言都是面向机器的语言，机器语言和汇编语言都是面向机器的语言，一般称为低级语言。一般称为