2011省考计算机之计算机系统

2011省考计算机之计算机系统1.2计算机系统美籍匈牙利科学家冯•诺依曼对计算机的发展作出了巨大贡献,他提出了“程序存储、程序控制”的设计思想,同时指出计算机的构成包括如下几个方面:（1）由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机系统,并规定了五大部件的基本功能。（2）计算机内部采用二进制表示数据和指令。（3）采用程序存储、程序控制技术（将程序事先存入主存储器中,计算机在工作时能在不需要操作人员干预的情况下,自动逐条取出指令并加以执行）。现代意义的计算机系统由计算机硬件系统及软件系统两大部分构成。（1）计算机硬件:是计算机系统中山电子、机械和光电元件组成的各种部件和设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础，是计算机系统中的实际装置，是构成计算机的看得见、摸得着的物理部件。总之，它是计算机的“躯壳”。（2）计算机软件:是指计算机所需的各种程序及有关资料。它是计算机的“灵魂”。1.2.1计算机硬件系统概述计算机硬件系统由中央处理器（由运算器和控制器组成,简称CPU）、存储器、输入设备和输出设备组成。.中央处理器运算器和控制器合在一起称为中央处理器（CentralProcessingUnit,CPU）。在微型计算机中,运算器和控制器一般集成在一块芯片上，制成大规模集成电路。因此，CPU常常又被称为微处理器。运算器也称为算术逻辑单元（AHthmeticLogicUnit,ALU）,用于执行所有的算术和逻辑运算指令。计算机最主要的工作是运算，大量的数据运算任务都是在运算器中进行的。控制器负责把指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向整机发出取数、执行、存数等控制命令,以保证正确完成程序所要求的功能。控制器一般山指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。CPU与寄存器通过内部数据总线相互连接,并通过系统总线（数据总线、地址总线、控制总线）同主存储器和外部设备进行数据交换。通常所说的286、386、486、586机，指的就是它们相应的CPU型号分别是80286、80386、80486、80586。.存储器存储器是计算机的记忆部件，它的功能是存储程序和数据。存储器的分类有以下几种方法:（1）按存储器能否直接与CPU交换信息来划分,可分为主存储器和辅助存储器。（2）按存储介质的材料及器件的不同,可分为磁介质存储器、半导体存储器以及激光光盘存储器。（3）按存取方式的不同，存储器可分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。RAM的特点是存储器中每个单元的内容可随时读出和写入,且对任一存储单元进行读写操作所需的时间是ー样的,关机后RAM中的信息消失。ROM一旦存入了信息,在程序执行的过程中,只能读出其中的信息，不能随意写入信息，关机后信息不消失。.输入设备输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序，并将它们转换为计算机可以识别的二进制形式存放在内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪和磁盘机等。.输出设备输出设备与输入设备相反，是将存放在内存中由计算机处理的结果转换为人们所能识别的形式的设备,它由输出装置和输岀接口电路组成。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、磁盘机和磁带机等。1.2.2计算机软件系统概述计算机软件系统是程序和程序运行所需要的数据以及开发、使用和维护这些程序所需要的文档集合。软件内容丰富、种类繁多，根据软件用途可将其分为系统软件和应用软件两大类。.系统软件系统软件是指控制计算机的运行、管理计算机的各种资源并为应用软件提供支持和服务的ー类软件,是保证计算机系统正常工作必须配备的基本软件。系统软件通常包括操作系统、语言处理程序和各种服务性程序。(1)操作系统操作系统是系统软件的核心，是现代计算机的必备软件。它对计算机所有资源进行统ー管理，使计算机的使用变得方便简捷。操作系统具有5项功能:处理机管理、文件管理、作业管理、设备管理、存储管理。按功能分,操作系统可分为实时操作系统和作业处理系统两大类。(2)语言处理程序语言处理程序指的是支持各种计算机语言工作的处理程序,如解释程序和编译程序等。为使计算机能按人们的要求进行工作,仅输入数据是不够的，还要告诉计算机怎样处理这些数据。计算机能识别并执行的信息符号代码的指令集合称为计算机语言。计算机语言可以分为机器语言、汇编语言和高级语言3类。①机器语言:计算机发展初期使用的语言，它采用二进制编码，能被CPU直接执行,用它编写的程序运行速度快、节省内存空间,但不易读懂、不易修改。②汇编语言:用人们熟悉的英文助记符和I・进制数代替二进制代码，但计算机不能识别英文助记符和十进制数,所以计算机不能直接执行汇编语言,必须通过汇编程序把汇编语言翻译成机器语言，计算机才能执行。汇编语言和机器语言都属于低级语言。③高级语言:高级语言和自然语言差不多，计算机不能直接执行，必须通过翻译程序(解释程序或编译程序)翻译成机器语言才能执行。(3)服务性程序服务性程序是指协助用户进行软件开发和硬件维护的软件,如各种开发调试工具软件、编辑程序、诊断程序等。.应用软件应用软件是在系统软件基础上为解决用户的具体问题,面向某个领域而设计的软件,因此，又分为通用软件和专用软件。常见的应用软件有文字处理软件、工程设计绘图软件、办公事务管理软件、图书情报检索软件、医用诊断软件、辅助教学软件、辅助设计软件等。1.2.3CPU的结构与原理.CPU的结构目前，所使用的计算机都是基于数学家冯•诺依曼提出的“存储程序控制”的原理进行工作的，即・个问题的求解步骤（程序）连同它处理的数据都使用二进制表示,并预先存放在存储器中。计算机工作时，CPU从内存取出指令和数据,按指令的规定对数据进行运算处理,直到程序执行完毕为止。冯・诺依曼计算机的基本工作原理另一说法是:①存储程序。程序和数据预先存放在存储器内。②程序控制。计算机工作时，CPU依次从存储器中取出一个程序中的各条指令（取指令）,对指令的功能进行分析（指令译码），按指令的功能从内存取出数据（取数），对数据进行运算处理（运算）并保存运算结果，直到取到并执行了停机指令为止。至此完成程序的一次运行。程序是ー个指令序列。指令是可以被计算机理解并执行的基本操作命令。指令与数据的存储运行和运算都采用二进制编码形式。CPU的任务是执行系统程序或应用程序中的指令。CPU的组成部件包括运算器、控制器和寄存器组，有的还有快速缓存。运算器是执行单元,对数据进行各种算术运算和逻辑运算。运算器也称为算术逻辑部件（ALU）,控制器用来取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其他部件的操作控制信号，记录内部状态。控制器是CPU的指挥中心。它有一个指令计数器，用来存放CPU正在执行的指令的地址;还有一个指令寄存器，它用来保存当前正在执行的指令，通过译码器解释该指令的含义。寄存器组临时存放参加运算的数据和得到的中间结果。运算的数据结果状态以及部分中间状态由寄存器组的状态寄存器临时保存。高速缓冲存储器（Cache,简称缓存、快存）的读写速度几乎与CPUー样快。当计算机执行程序时,数据与地址管理部件预测可能需要的数据和指令,并将这些数据和指令预先从主存读出送到Cache。一旦需要时，首先检查Cache,若有就从Cache中读取，若无再访问主存。Cache中的数据只是主存很小一部分内容的映射（副本），将主存储器中的信息调入Cache的操作,是在主板芯片组的控制下自动完成的。命中率是指CPU需要的指令或数据在Cache中能直接找到的概率。命中率是Cache的一个重要指标。一般说来,Cache容量越大，访问Cache的命中率就越高，对提高系统速度的贡献越大。CPU的性能主要体现为它的运算速度。度量CPU运算速度的传统方法是看它每秒钟能执行多少条指令。以单字长定点指令的平均执行时间来衡量,单位是MIPS（MillionInstructionsPerSecond）;以单字长浮点指令的平均执行速度来衡量，单位是MFLOPS（MillionFloatingInstructionsPerSecond）〇CPU的运算速度与CPU的工作频率、Cache容量、指令系统、运算器的逻辑结构有关。CPU主频（CPU的内部频率）是CPU内部数据传输和指令执行的每ー步所占用的时间的倒数（单位:MHz、GHz）。当然,主频越高,CPU的处理速度就越快。CPU总线频率（CPU的外部频率）是CPU和外界交换数据的工作频率。单位一般为MHz或者GHZoCache容量越大,访问Cache的命中率就越高,CPU的速度就越快。寄存器、运算器的位数越多,CPU可同时运算的二进制数就越多,运算的速度就越快。.指令和指令系统程序是由一连串指令组成的,指令是构成程序的基本单位。指令是ー一种使用二进制表示的命令，它用来规定计算机执行什么操作以及操作对象所在的位置。一般情况下,指令山两个部分组成:①操作码，指出计算机应执行何种操作的一个命令词，例如，加、减、乘、除、取数、存数等。每ー种操作均有各自的代码，称为操作码。②操作数：指出该指令所操作（处理）的数据或者数据所在位置。操作数地址可能是1个、2个甚至多个,可以是寄存器或内存储器单元地址，这需要由操作码决定。机器语言程序是用指令系统中的指令编写的可执行程序。它是CPU唯一可以识别的程序语言。用机器指令编写的程序中,每•条指令都可以直接被控制器译码产生执行指令所需的控制信号。一个CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统或指令组。每・种不同类型的CPU都有它自己独特的ー组指令。指令系统中有数以百计的不同指令。例如：算术运算指令、逻辑运算指令:数据传送指令、移位指令;位（位串）操作指令;控制转移指令;输入/输出指令等。指令的执行过程大致如下:①CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器。②指令寄存器中的指令经过译码,决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里。③根据操作数的位置（地址）取出操作数。④运算器按照操作码的要求，对操作数完成规定的运算，并根据运算结果修改或设置处理器的ー些状态标志。⑤把运算结果保存到指定的寄存器或者内存单元。⑥修改指令计数器，决定下一条指令的地址。每种类型的CPU都有自己的指令系统，某ー类计算机的可执行程序代码未必能在其他计算机上运行，这个问题称之为计算机的“兼容性”问题。124主板、芯片组和BIOSPC机由机箱、显示器、键盘、鼠标器、打印机等组成。机箱内包含主板、硬盘、软驱、光驱、电源、风扇等。主板上安装有CPU、内存、总线、芯片组、I/O控制器等部件。.主板主板又称母板,在主板上通常安装有CPU插座（或插槽）、CPU调压器、芯片组、第二级高速缓存（有些已做在CPU中）、存储器插座（SIMM或DIMM）、总线插槽、超级1/0芯片、I/O端口、BIOSROM、时钟/CMOS、电池等。主板物理尺寸有标准（如ATX规格）,一般情况ド,生产厂家必须遵循。I/〇扩充卡也称I/〇适配器,负责CPU和I/O设备电气性能的适配,以及相关设备的控制。I/O扩充卡种类（适配器）各种各样，常见有网卡（连接网线）、显示卡（连接显示器）、声音卡（连接话筒、音箱）、视频卡（连接摄像头）。扩充卡一方面通过印刷板插头插在主板的ISA或PCI总线插槽上，另一方面提供I/〇端口连接外部设备。相关设备的控制一般由专用的微处理器实现。许多扩充卡的功能可以部分或全部集成在主板上（例如，软盘、硬盘、串行口、并行口、声音、图形显示、网络连接等控制电路都可以第成在主板上）。主板上还有两个特殊的集成电路:只读存储器（ROM）和CMOS存储器。只读存储器（ROM）用来存放基本输入/输出系统（BIOS）。CMOS存储器存放用户对计算机硬件所设置的ー些参数（称为“配置信息”）,包括当前的日期和时间等。CMOS存储器使用电池供电,是非易失性存储器,即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。.芯片组芯片组是PC机各组成部分的枢纽,主板上的所有控制功能几乎都集成在芯片组内,它既实现了PC机系统总线的功能，又提供了各种I/〇接口及相关的控制。芯片组的作用:①集中了主板上几乎所有的控制功能,把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内，是构成主板电路的核心。②提供CPU的系统时钟及各种与其同步的时钟,决定主板上所能安装的内存最大容量、速度及可使用的内存条的类型。芯片组在一定意义上决定了主板的级别和档次。不同类型的CPU使用不同的芯片组。芯片组一般由2—4块超大规模集成电路组成。以Pentium4CPU使用的芯片组Chipset850为例，它ー共有2片:一片是82850存储控制器（MemoryControllerHub,MCH）:一片是82801BA增强的I/0控制器（ICH2）。82850E（MCH,存储控制器）连接CPU总线、存储器总线、AGP图形显示接口。82801BA（ICH2,I/。控制器）连接82850E、I/0总线、USB接口、硬盘接口、局域网接ロ、5.1声道数字环绕立体声接口、BIOSROM芯片。基本输入/输出系统（BasicInput/OutputSystem）是操作系统的最底层部分的可执行程序代码,具有启动计算机、诊断计算机故障及控制基本输入输出操作的功能。3.BIOSBIOS存放在只读存储器芯片（ROM）中,一般情况ド是不能被修改的，俗称为BIOS芯片。BIOS主要包含4部分的程序：①加电自检程序（PowerOnSelfTest,POST）,用于检测计算机硬件故障:②系统自举程序，启动计算机:③CMOS设置程序，设置系统参数:④基本外部设备驱动程序,实现键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制程序。⑴POST程序POST（加电自检）程序测试系统各部件的工作状态是否正常，从而决定计算机的ドー步操作。（2）系统自举程序系统自举（装入）程序（在BIOS屮）按照CMOS中预先设定的启动顺序,搜寻软、硬盘驱动器或CDROM驱动器，从中读出引导程序并装入到内存，然后将控制权交给引导程序,由引导程序继续安装操作系统。（3）基本外围设备的驱动程序基本外围设备的驱动程序是键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外围设备的基本控制程序（称为“驱动程序”）,也必须预先存放在ROM中,是BIOS的ー个组成部分。键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外围设备的基本控制程序（称为“驱动程序”）均预先存放在BIOSROM中。声卡、网卡、ギI描仪、打印机等其他外围设备的驱动程序,可以在操作系统初步运行成功后再从硬盘上装载。有些外围设备控制器（例如显示卡）把驱动程序存放在适配卡的ROM中,PC机开机时，BIOS对扩展槽进行扫描，查找是否有自带ROM的适配卡。如果找到了带ROM的适配卡，卡上自带ROM中的设备驱动程序就被执行。PC机的启动过程是:①接通电源时,自动执行BIOS中的POST程序，测试各部件的工作状态是否正常，按CMOS中的内容来识别硬件的配置,进行测试和初始化。（CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显示卡、键盘、软驱和硬盘等）若有错,系统将不能继续工作。②执行自举（装入）程序。自举程序按照CMOS中预先设定的启动顺序,搜寻软、硬盘或CDROM,从中读出引导程序并装入到内存,然后将控制权交给引导程序，由引导程序继续安装操作系统。然后由操作系统控制使用计算机。CMOS的作用是存放用户对计算机硬件所设置的ー些参数（称为“配置信息”），包括:系统的II期和时间,系统的口令,系统中安装的软盘、硬盘驱动器的数目、类型及参数，显示卡的类型，Cache的使用状况,启动系统时访问外存储器的顺序等。CMOS中存放的这些信息非常重要，一旦丢失就会使系统无法正常运行，甚至不能启动。1.2.5内存储器计算机中的存储器分为内存和外存两大类。内存（内存储器）的存取速度快而容量相对较小，它与CPU直接相连，用来临时存放等待CPU运行的程序和处理的数据。外存（外存储器）的存取速度较慢而容量相对很大,它与CPU并不直接连接，用于永久性地存放着计算机中几乎所有的信息。计算机中各种内存储器和外存储器往往组成一个层状的塔式结构。・内存储器：主存储器（RAM和ROM）。•外存储器：外存储器（软盘、硬盘、光盘、Flast存储器（闪存盘））、后备存储器（磁带、光盘）。内存储器山称为存储器芯片的半导体集成电路组成。半导体存储器芯片按照能否随机地进行读写,可分为两大类:随机存取存储器（RandomAccessMemory,RAM）和只读存储器（ReadOnlyMemory,ROM）»（1）RAMRAM（随机存取存储器）目前多采用MOS型半导体集成电路芯片制成,根据其保存数据的机理又可分为DRAM和SRAM两种。DRAM（动态随机存取存储器）芯片的电路简单，集成度髙,功耗低,制造成本较低,但是它的速度较慢。一般使用于内存储器的主体部分（称为主存储器或主存,MainMemory或者简称MM）。SRAM（静态随机存取存储器）芯片的电路较复杂,集成度低,功耗较大,制造成本高,价格贵，但工作速度很快，一般适合用作高速缓冲存储器Cache。无论是DRAM还是SRAM,当关机或断电时，其中的信息都将随之丢失。这是RAM与ROM的ー个很大区别。（2）ROMROM（只读存储器）目前多采用MOS型半导体集成电路芯片制成,是ー种能够永久或半永久性地保存数据的存储器,即使掉电（或关机）后,存放在ROM中的数据也不会丢失,所以也叫做非易失性存储器。按照ROM的内容是否能（或怎样）改写,ROM又可分为以下儿类:①MaskROM（掩膜ROM）,存储的数据由工厂在生产过程中一次形成，此后再也无法进行修改。②PROM（ProgrammableROM）,用户可使用专用装置写入一次信息，此后再也无法进行修改。（3）EPROM（ErasableProgrammableROM）,用户可使用专用装置写入信息，也可以通过专用设备改写其中的信息。@EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemoryMemory,可电擦写），用户可写入信息,也可以改写其中的信.息。⑤FlashROM（快擦写ROM,或闪速存储器或闪存），这是ー种新型的非易失性存储器，但它又可以像RAMー样快速方便地写入信息。由于闪存芯片的存储容量大,易修改,因此在PC机中用于存储BIOS程序。它还广泛使用在手机、数码相机、数码摄像机、MP3、MP4、移动U盘等许多数码设备中。在PC机中，高速缓冲存储器一般用静态随机存储器SRAM:主:存储器用动态随机存储器DRAM；BIOS（存储器）采用掩膜ROM或FlashROM:扩展板卡的BIOS（包括扩展板卡上的微处理器的程序）采用掩膜ROM或FlashROM。主存储器是由多片DRAM芯片组成的。它包含有大量的存储单元，每个存储单元可以存放1个字节。对所有存储单元顺序编码，每个存储单元都有・个唯一的地址,CPU按地址对存储器进行访问。存储容量指存储器所包含的存储单元的总数，单位是MB（1MB=220字节）或GB（1GB=230字节）。存取时间（AccessTime）是在存储器地址被选定后，存储器读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入存储器）所需要的时间。单位是ns（1ns=10-9秒）。近几年在微机中比较流行的有SDRAM、DDRSDRAM.RDRAM,SDRAM与CPU总线使用同一个时钟。最高数据读写速率（称为存储器的带宽）=（存储器数据通路宽度/8内有效时钟频率。其中,数据通路宽度与系统总线的数据通路ー样宽，均为64位,系统总线时钟频率为100MHz/133MHz（PC100/PC133）。数据传输率达至リ1GB/s左右。DDRSDRAM（DoubleDataRateSDRAM）是对标准SDRAM的改进，它利用存储器总线时钟的上升沿与下降沿在同一个时钟内实现两次数据传送,因此，有效时钟频率是SDRAM的两倍。最高数据读写速率（称为存储器的带宽）=（存储器数据通路宽度/8K有效时钟频率。其中，数据通路宽度与系统总线的数据通路一样宽，均为64位。系统总线时钟频率为100MHz/133MHz时,DDRSDRAM有效时钟频率为200MHz/266MHz（称为PC200/PC266）»数据传输率达到2.1GB/s左右。RDRAM（RambusDRAM）是高性能存储器，它是ー种窄通路系统，其数据通路只有16位宽。但RDRAM的速度却很快（可达400MHz）,并且在同•个时钟内实现两次数据传送,目前较少采用。内存条按内存的封装方式和内存条插槽的规格分为单列直插式内存条模块（SingleInlineMemoryModules.简称SIMM内存条）、双列直插式内存条模块（DoubleInlineMemoryModules,简称DIMM内存条）、Rambus内存条模块（RambusInlineMemoryModules,简称RIMM内存条）。（1）单列直插式内存条模块（简称SIMM内存条）焊装有若干内存芯片的ー小条长方形印刷电路板,其下边沿有一排金属触点（引脚）。SIMM插槽两面的触点是连接在・起的，插入SIMM内存条后，其两面的引脚实际上就是ー排引脚，故称为单列直插式（SIMM）。SIMM的引脚共72pin（俗称72线）,其中数据线宽度为32位（另有4位校验位）。由于奔腾处理器的数据线宽度为64位,故72线的SIMM内存条必须成对使用,即相同容量的2条作为ー组安装。72线的SIMM内存条主要用于早期的奔腾机主板中。（2）双列直插式内存条模块（简称DIMM内存条）其触点分布在内存条的两面，故称为双列直插式。焊装了SDRAM芯片的SDRAM内存条每一面有84个引脚，两面共有168个（也称为168pin,168线）。它的数据线宽度为64位（另有8位校验位），每次可读写64位数据。可以单条使用,每条容量为64MB、128MB、256MB,工作频率有66MHz、100MHz,133MHz等。另ー种新型的焊装了DDRSDRAM的DIMM内存条，它使用+2.5V电压且有184个引脚，与SDRAMDIMM的外形有区别。PC机主板上一般都配备有2T个DIMM插槽。（3）Rambus内存条模块（简称RIMM内存条）RIMM内存条上焊装的是RDRAM芯片，其大小和物理形状类似于DDRSDRAMDIMM内存条，也是184个引脚，但它们不能互相替换。RIMM内存条使用+2.2V也压,由于高速数据传输会使芯片产生较大的热量,因此,将它们包装在铝质的外壳里,以便起到散热与防尘作用。1261/〇总线与I/O接口1.1/0操作I/O操作的任务是将输入设备输入的信息送入主存储器的指定区域,或者将主存储器指定区域的内容送出到输出设备。I/O设备是计算机系统的重要组成部分,是计算机系统与外界（包括人、环境、其他计算机等）交换信息的媒介。1Z〇操作的过程如下:①CPU执行1/0指令,向I/0控制器发出启动命令;②I/O控制器接受命令,负责对I/O设备进行全程控制:③当需要传输数据时,I/O控制器发出请求;④I/O控制器获得授权后,按照控制器所给的地址、方式、数量等参数,直接向（从）内存储器传输数据到丨/〇设备:⑤所有数据传输完毕后，丨/0控制器向CPU报告I/0操作完成，实现CPU处理与1Z〇操作之间的同步与通信。与CPU执行的算术逻辑操作相比,1/0操作有许多不同的特点。①多数1Z〇设备在操作过程中包含机械动作,其工作速度比CPU慢得多。为了提高系统的效率,I/O操作与CPU的数据处理操作往往是并行进行的。②多个1/0设备必须能同时进行工作（例如一边进行键盘输入,ー边进行屏幕显示,同时还进行打印输出等）。③除了键盘、显示器、鼠标器等基本的I/O设备之外，不同计算机所配置的I/O设备数量、品种和性能差别很大，且经常需要增减和更新。④I/O设备的种类繁多，性能各异，操作控制的复杂程度相差很大,与计算机主机的连接也各不相同。⑤每个（类）1/〇设备都有各自专用的控制器，它们的任务是接收CPU启动1/。操作的命令后，独立地控制I/O操作的全过程，直到"〇操作完成,最后再通知CPUo1Z〇设备是ー个独立的物理实体，各自通过不同的I/〇接口（1/〇Port）与主机连接。I/O控制器是•组电子线路,不同设备的I/O控制器结构与功能不同，复杂程度相差也很大。有些设备（如键盘、鼠标器、打印机等）的I/O控制器比较简単，它们己经集成在主板的芯片组内。有些设备（如显示器、网络设备等）的丨/〇控制器比较复杂，且设备的规格和品种也比较多样，这些I/〇控制器就制作成扩充卡（也叫做适配卡或控制卡）,插在主板的PCI或ISA扩充槽内。在PC机中，CPU通过执行INPUT指令和OUTPUT指令向I/O控制器发出启动I/O操作的命令,I/O控制器接受命令后，负责对"〇设备进行全程控制，不再需要CPU的过问和干预。I/O操作有3种方式:程序查询方式、中断处理方式、DMA传送方式。（1）程序查询方式CPU通过I/0指令询问指定外设当前的状态，如果外设准备就绪，则进行数据的输入或输出，否则CPU等待，循环查询。这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可实现,缺点是由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低。（2）中断处理方式CPU不再被动等待，而是可以执行其他程序，一旦外设为数据交换准备就绪或者有服务请求,就向CPU提出服务请求，CPU如果响应该请求,便暂时停止当前程序的执行，转去执行与该请求对应的服务程序,完成后,再继续执行原来被中断的程序。中断处理方式的优点是显而易见的，它不但为CPU省去了查询外设状态和等待外设就绪所花费的时间，提高了CPU的工作效率,还满足了外设的实时要求。但需要为每个I/O设备分配ー个中断请求号和相应的中断服务程序，此外还需要一个中断控制器（I/0接口芯片）管理I/0设备提出的中断请求,例如设置中断屏蔽、中断请求优先级等。（3）DMA传送方式（宜接存储器存取）DMA最明显的ー个特点是它不是用软件而是采用ー个专门的控制器来控制内存与外设之间的数据交流，无须CPU介入，大大提高了CPU的工作效率。在进行DMA数据传送之前,DMA控制器会向CPU申请总线控制权，CPU如果允许，则将控制权交出，因此，在数据交换时,总线控制权由DMA控制器掌握，在传输结束后,DMA控制器将总线控制权交还给CPUo2,1Z〇总线总线（Bus）是计算机各部件之间传输信息的ー组公用的信号线。系统总线包括:CPU总线、存储器总线、I/O总线。存储器总线是连接内存与芯片组用于CPU与内存传输信息的信号线。内存储器容量与地址线根数n的关系为:容量=2n。1Z〇总线也叫做主板总线,是各类1/0设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的・组公用信号线,物理上与主板上扩充插槽中的各扩充板卡。/0控制器)直接连接。现在的PC机(Pentium以后)采用了多总线结构(CPU总线、存储器总线和"〇总线)。CPU总线、存储器总线和!Z〇总线互为独立。1Z。总线上的信号有3类:数据信号、地址信号、控制信号。"〇总线上传输这些信号的线相应分别为:数据线、地址线、控制线。主板的芯片组中的总线控制器用来协调与管理总线操作。总线的带宽是指总线的数据传输速率,即单位时间内总线上可传送的字节数。其计算公式为:总线带宽(MB/s)=(数据线宽度/8内总线有效工作频率(MHz)・每周期传送的次数。常用的总线标准有ISA(5—15MB/S,16位bit)和PCI(133MB/S=33MHz*32bit/8)〇3."0设备接口(简称I/〇接口)"。接口的作用是在计算机中连接输入/输出设备的各种插头/插座以及相应的通信规程及电器特性。(1)1/0接口分类①根据数据传输方式根据数据传输方式,"〇接口可分为串行口和并行口。串行口(COM3COM2)一次只传输1位二进制数。可以连接鼠标、MODEM,或连接两台PC机。并行口(LTP1)一次可传输多位二进制数(如8位)，一般用于连接打印机、扫描仪等。②根据数据传输速率根据数据传输速率，"〇接口可分为高速口、低速口。③根据是否能连接多个设备根据是否能连接每个设备，"〇接口分为总线式接口和独占式接口。总线式接口可同时连接多个设备，被多个设备共享,例如USB接口。独占式接口只能连接1个设备(例如显示器接口)。④根据是否符合标准根据是否符合标准,"0接口分为标准接口和专用接口。标准接口可连接多种设备,例如USB接口。专用接口只能连接专门设备，例如视频ロVIDEO。(2)USB接口USB接口是ー种可以连接多个设备的串行接口。USB接口的特点是:①高速、可连接多个设备、串行传输:②USB接口使用4线连接器,插头比较小，不用螺钉连接,数据传输速率较快，支持热插拔:③使用USB集线器扩展机器的USB接口,最多连接127个设备;④有1.0版(早期)、1.1版(12Mbit/s或者1.5Mbit/s)和2.0版(480Mbit/s)：⑤可通过USB接口由主机向外设提供电源(+5V,100—500mA)；⑥一般也支持即插即用。(3)1394接口IEEE1394接口(简称1394,又称•Link或FireWire)主要用于连接需要高速传输大量数据的音频和视频设备。1394的特点是:①数据传输速度特别快(高达400MB/s)；②连接器共有6线导线(4根传送数据,2根传导电源)：③采用级联方式连接外部设备,在ー个接口上最多可以连接63个设备,设备间可以不使用集线器,进行菊花链方式连接;④支持即插即用,具有热拔插功能。即插即用(PlugandPlay,PnP)是Intel开发的ー种软件和硬件说明，允许PnP系统和PnP适配卡(器)的自动配置。PnP卡与开关和跳线无关,它由主机系统的PnPBIOS来配置,对于非PnP的系统则由给定的程序配置。(4)IDE(lntegratedDriveElectronics)和EIDE接口硬盘接u规范别称最大数据传输率(Mbps)ATA1IDE8.33MbpsATA2EIDE16.6MbpsATA3UDMA16.6MbpsATA4UDMA333MbpsATA5UltraATA/66,UDMA/6666MbpsATA6UltraATA/100,UDMA/100100Mbps(5)SCSI(SmallComputerInterFace)小型计算机接口用于连接大容量磁盘驱动器、扫描仪等外围设备的专门的高速并行端口。设备与主机之间的通信要通过安装在系统总线上的SCSI适配器进行。SCSI端口可以同时传送的数据达到32位。全部7个SCSI设备以菊花链的形式连接在ー起:第一个SCSI设备连接到计算机，第二个SCS!设备连接到第一个SCS!设备，其他依此类推。(6)lrDA接U(红外接U)lrDA(lnfraredDataAssociation)即红外线数据传输接口。使用红外线通信不需要连接任何连线。只需将两设备的红外装置基本对准即可以进行通信。红外线接口目前的标准有SIR(SerialInfrared,串行红外)、FIR(FastInfrared,快速红外)和VFIR(VeryFastInfrared,超速红外)3种标准,数据传输速率分别为115.2Kbps_9.6Kbps,1.152Mbps和4Mbps、16Mbps,y常用输入设备.键盘键盘是计算机最常用也是最主要的输入设备。可以将字母、数字、标点符号等输入到计算机中，从而向计算机发出命令,输入中西文字和数据。计算机犍盘上有一组印有不同符号标记的按键,包括数字键(0—9)、字母键(A-Z)、符号键、运算键以及若干控制键和功能键。按下每个按键，键盘内部的控制器将动作转换成相应的二进制代码，通过键盘接口送入计算机。PC机键盘中含有功能键与控制键:Alt、Shift,Break,NumLock、CapsLock、ScrollLock、PageDown,PageUp,End、Home、Tab、Pause,Esc、PrintScreen,Backspace,Delete>Insert,F1—F12。键盘按传感方式分为机械式键盘、电容式键盘、光投影键盘(隐形键盘)。(1)机械式键盘机械式键盘是早期使用的ー种键盘。其特点是:击键响声大,手感较差;击键时用カ较大,容易使手指疲劳;键盘磨损较快,故障率较高;维修比较方便容易。（2）电容式键盘电容式键盘是H前使用的键盘,其按键多采用电容式（无触点）开关。这种按键是利用电容器的电极间距离变化产生容量变化的ー种按键开关。其特点是:击键声音小,手感较好;寿命较长,维修起来稍感困难。（3）光投影键盘（隐形键盘）光投影键盘利用光在桌面上投射出・个键盘,光ー灭,键盘也就消失。这种新型键盘将为计算机的微型化带来新的革命。目前,触摸式键盘得到了广泛应用。.鼠标普通鼠标、指点杆、触摸板、轨迹球、操纵杆、触摸屏都是指点式设备。（1）作用鼠标是・种指点设备,能方便地控制屏幕上的鼠标指针准确地定位在指定的位置处,并通过鼠标键完成各种操作或发出命令。鼠标由左键、右键、滚轮等组成。（2）性能参数①分辨率:鼠标器最主要的技术指标,用dpi（DotPerInch）表示,指鼠标每移动一英寸距离时鼠标指针在屏幕上所经过的像素的数目。目前多为300〜800dpi。②轨迹速度:反映鼠标的移动灵敏度,以达到600mm/sec以上为佳。③接口类型：RS232串行口（9针D形）、PS/2接口（6针圆形）、USB接口、无线。（3）分类（按结构）①机械式鼠标：结构简单,价格便宜,但准确性和灵敏度较差（早已被淘汰）。②光电式鼠标：速度快,准确性和灵敏度高,寿命长,需要专用垫板（メ不多见）。③光机式鼠标：精度较高，不需特殊衬垫,目前常用。④光电式鼠标（新式）：速度快，准确性和灵敏度高,寿命长,不需要专用垫板，目前常用.（4）基本操作①移动 移动鼠标。②单击一单击鼠标左键或右键。③双击——快速连续敲击鼠标左键2次。④施放一按住鼠标左键或右键不松,移动鼠标.⑤转动滚轮一向前/向后滚动鼠标的滚轮。在应用中,鼠标操作所实现的功能随应用软件的不同而不同。.笔输入设备笔输入设备兼有鼠标、键盘及写字笔的功能，结构简单，操作使用方便。俗称“手写笔”。笔输入设备可以替代键盘和鼠标输入文字、命令和作图。输入汉字时,需运行“手写汉字识别软件”。笔输入设备・般都由两部分组成：基板一基板提供手写信息的平台,它有连接线,接在主机的串行口或USBIJ:笔一用于在基板上写字。笔输入设备分为电阻式手写板、电容式手写板、电磁感应式手写板。手写笔也有两种，•种是用线与手写板连接的有线笔：另种是无线笔。.扫描仪扫描仪是将原稿（图片、照片、底片、B稿）经过图像扫描、转换、编帀ラ以形成数字图像并输入计算机的ー种输入设备。（1）れ描仪的分类按扫描仪的结构可将扫描仪分为手持式扫描仪、平板式扫描仪、胶片专用和滚筒式扫描仪。手持式扫描仪是操作人员手执扫描仪在被扫描的图件上移动。其扫描头较窄,只适用于扫描较小的图件。平板式扌I描仪主要扫描反射式稿件,它的适用范围较广。其扫描速度、精度、质量比较好。胶片专用和滚筒式是髙分辨率的专业扫描仪,在光源、色彩捕捉等方面均具有较高的技术性能,多用于专业印刷排版领域。扫描仪是基丁一光电转换原理而设计的。光电荷耦哈•器件完成光电转换,产生电流并输出。扫描仪、数码相机常用光电荷耦合器件常用有,：CMOS和CCD(ChargecoupledDevice电荷耦合器件)。(2)性能指标①扫描仪的分辨率它反映了扫描仪扫描图像的清晰程度,用每英す生成的像素数冃(dpi)来表示(600,1200dpi.1200x2400dpi).②色彩位数(色彩深度)它反映了扫描仪对图像色彩的辨析能力,色彩位数越多，扫描仪所能反映的色彩就越丰富，扫描的图象效果也越真实。色彩位数分为:24bit、32bit、36bit、42bit、48bit.③扫描幅面指被扫描图件容许的最大尺寸，如A4、B3、16开等。④与主机的接口扫描仪与主机的接口有:并口、USB、Firewire、SCSI,专用接口。(3)平板式扫描仪工作流程①将被扫描的文稿正面朝下放置在玻璃窗口上;②一束强光在文稿ド方打到文稿上并移动;③文稿的图像被反射到ー系列镜子匕④通过镜子反射的光经过ー个CCD芯片转换为模拟电流;⑤模拟信号通过模数转换器(ADC)被转换为数字信号:⑥数字信息被送到计算机中，由软件进行处理并保存在外部存储介质中;⑦在屏幕上显示被扫描的图像。.数码相机(DigitalCamera)(1)数码相机数码相机(数字相机)将影像聚焦在成像芯片(CCD或CMOS)上,并由成像芯片转换成电信号,再经模数转换(A/D转换)变成数字图像,经过必要的图像处理和数据压缩之后,存储在相机内部的存储器中。数码相机是图像输入设备。与传统照相机相比其特点是:不使用光敏卤化银胶片成像，也不需要胶卷和暗房,能直接将数字形式的照片输入计算机进行处理,或通过打印机打印出来,或与电视机连接进行观看。(2)主要性能指标①成像芯片上像素矩阵的像素个数该指标决定照片图像能达到的最髙分辨率。例如，照片分辨率1600T200时，共有192000个像素(200万像素)。②存储器的容量保存CCD成像并转换后得到的数字图像的数据的能力(8MB-256MB)③存储介质数码相机的存储介质有;SM(SmartMedia)卡、CF卡、MemoryStick(记忆棒)、1.44M软盘等。⑶接口类型数码相机的接口类型有;USB数字接口(连接计算机或其他设备卜模拟视频信号输出接口(连接电视机)、1394(Firewire)接口(连接计算机或其他设备)。(4)数码相机工作流程①将数码相机对着要拍摄的景物按下快门，光线便进入相机的镜头。②进入数码相机内代收景物的光线被聚焦在CCD芯片上。③CCD将光转换为代表景物的模拟电信号。④模拟信号通过模数转换器(ADC)被转换为数字信号.⑤数字信号处理器(DSP)调整图像的质量并将数字图像存储在PC卡、软盘或数码相机内其他存储媒体中。⑥用电缆将数码相机和计算机连接,传送图像到计算机中;或者将PC卡、软盘插入到计算机中,将图像复制到计算机硬盘中。⑦运行软件将图像显示在屏幕上-(5)存储器经过CCD芯片成像并转换得到的数字图像，都存储在数码相机的存储器中。存储器大多采用快擦除存储器，即使断电也不会丢失信息。(6)成像区采用CCD芯片成像。若干CCD芯片纵横排列成宽髙比为4：3至3：2左右的矩形成像区。CCD芯片中有大量的CCD像素,每ー个像素可记录图像中的一个点,将其光信号转化为电信号。数码照相机使用的成像芯片目前采用CCD器件居多数(由丁光电转换速度的原因)，但另ー种CMOS成像芯片也很有发展前景。.2.8常用输出设备.显ホ器显示器的作用是将数字信号转化为光信号,最终将文字与图形显示出来。计算机显示器通常由监视器(Monitor)和显示控制器两部分组成。监视器以CRT阴极射线管或LCD液晶显示器为核心,加上必要的视频信号放大电路及同步扫描电路,构成一个独立的设备,就是常说的“显示器”。显示控制器包含接口电路、控制逻辑部件及显示存储器。在PC机中多半做成扩充卡的形式，所以也叫做显示卡、图形卡或者视频卡。也有集成在主板I二的。(1)显示器分类显示器分为CRT显示器(CathodeRayTube,阴极射线管)、液晶显示器LCD(LiquidCrystalDisplay)..①CRT显示器CRT显示器的成像原理是:工作时，显像管后部的电了枪发出电子束，经过水平和垂直合成偏转磁场，轰击到荧光屏上某一点,使该点发光。电子束从左到右,从上至下，逐行逐点轰击荧光屏，从而形成ー帧图像。每•个像素由红、绿、蓝三基色组成，通过对三基色强度(亮度)的控制能合成出各种不同的颜色。②液晶显示器液晶显示器是借助液晶对光线的折射或透射进行调制而显示图像的种显示器。液晶是介于固态和液态之间的一种物态。它既具有液体的流动性，又具有固态晶体排列的有向性。它是ー种弹性连续体，在电场的作用下能快速地展曲、扭曲或者弯曲。利用液晶的这•物理特性,通过对电场的控制以达到使液晶排列变化，使光线的折射式透射通过量也发生变化，最终在屏幕匕显示出可变化的图像。彩色LCD的显示原理是:彩色显示时则需要用3个液晶单元构成•个像素,在出射位置给每个液晶单元贴上R、G、B彩色滤光片，就可以获得彩色效果。③液晶显示器与CRT显示器的不同a.液晶显示器所有像素的大小是固定的,因此只有固定的ー种显示分辨率。CRT的像素是可变大小的，可以有不同的显示分辨率.b.LCD是一种固态器件,与CRT显示器相比，它不采用电子枪表击方式成像，具有工作电压低、没有辐射危害、功耗小、不闪烁,适于大规模集成电路驱动，体积轻薄，易于实现大画面显示和全色显示等特点。已获广泛应用。④显示器主要性能参数(无论是CRT还是LCD显示器)a.显示屏的尺寸与电视机相同，计算机显示器屏幕的大小也是以显示屏的对角线长度来度量,目前常用的显示器有15英寸、17英寸、19英寸、21英寸等。显示屏的水平方向与垂直方向之比ー一般为4：3。b.显示器的分辨率分辨率是衡量显示器的ー个重要指标,它指的是整屏可显示像素的多少,一般用水平分辨率X垂直分辨率来表示,例如1024"68、1280x1024等.c.刷新频率刷新频率指所显示的图像每秒钟更新的次数。刷新频率越髙,图像的稳定性越好.PC机显示器的阿面刷新频率-一般在85Hz以上。d.可显示颜色数冃ー个像素可显示出多少种颜色，由表示这个像素的:进位位数决定。彩色显示器的彩色是由3个基色R、G、B合成而得到的，因此是R、G、B的二进位位数之和决定了可显示颜色的数目。例如，R、G、B分别用8位表示，则它就可表示224约1680万种(16M)不同的颜色。e.辐射和环保f.点距点距是显示器相邻像素之间的距离。(2)显示控制器(显示卡)①显示卡组成显示卡主要由显示控制电路、绘图处理器、显示存储器和接口电路4个部分组成。显示控制电路负责对显示卡的操作进行控制和协调，包括对CRT(或液晶)显示器进行控制，如光栅扫描、同步、画面刷新等。接II电路负责显示卡与CPU和内存的数据传输。绘图处理器(GPU)与CPU一起完成绘图操作。显示存储器(VRAM)乂称为帧存储器、刷新存储器或简称VRAM,用了存储显示屏I:所有像素的颜色信息(每一•像素用一存储空间)。在屏幕刷新时，VRAM中的内容被反复读出并送到监视器去显示。②显示卡与主存之间传送数据的方式a.通过AGP端口AGP(AcceleratedGraphicsPort,加速图形端口),是ー种接口规范。将主存和显示存储器直接连接,数据宽度32位或64位,时钟频率66MHz(1X),最髙传输速率266MB/s(1X)、533MB/s(2X)106GB/s(4X),2.12GB/s(8X)„b.通过PCI总线数据宽度32位或64位,时钟频率33MHz,最高传输速率达133MB/s(32位数据宽度)或266MB/s(64位数据宽度)。由于经常需要将内存中的图像数据成块地传送到显示存储器,因此相互间的连接方法和传输速度