第2章 计算机系统基础

大学计算机第2章计算机系统基础本章主要内容：计算机中常用的数制；不同类型的信息在计算机内的表示方法；一般计算机系统的基本结构；计算机的指令系统，以及计算机的基本工作过程；微型计算机的部件，包括微处理器、存储器、输入输出设备、主板、总线等；如何选购、组装一台微型计算机；常用的各种软件；计算机系统安全的相关知识。本章主要内容：2.1计算机中的信息表示2.2计算机系统2.3计算机基本工作原理2.4微型计算机硬件系统2.5计算机软件系统2.6计算机系统安全2.1计算机中的信息表示数据是信息的载体。计算机中可以处理的数据可以分为两类：数值数据和非数值数据。数值数据有大小、正负之分，包含量的概念；非数值数据包括字母、符号、声音、图像等，不同的数字编码表示不同含义。2.1.1计算机中的数制按进位的原则进行计数称为进位计数制，简称“数制”:十进制,十二进制等1.数制的特点⑴逢基数进位基数是指数制中每个数据位所需要的数字字符的总个数。如十进制中有10个数字字符，基数是10，表示逢10进一⑵位权表示法位权是指单位一在一个数的某个位置上所代表的值，处在不同位置上的数字所代表的值不同，例如：十进制数2394.56=2*103+3*102+9*101+4*100+5*10-1+6*10-2，2.计算机常用数制

计算机中数字电路器件通常只有“导通”和“断开”两种状态，我们可以用“1”和“0”分别代表这两种状态。在计算机中的所有数据，如数字、符号以及图形等都是用电子元器件的不同状态表示的，也就是通过“1”“0”序列表示。自然可以想象只有“1”和“0”两个数字的表示就是二进制数，所以，在计算机系统中，所有数据的表示都采用二进制形式。由于二进制在表达一个数字时，位数太长，不易识别，书写麻烦，因此，在编写计算机程序时，经常将它们写成对应的十六进制数或八进制数，也经常采用人们熟悉的十进制数。因此，计算机工作时，往往需要根据情况，在其内部进行二进制数、八进制数、十进制数、十六进制数之间的转换。

2.1.1计算机中的数制表2.1常用计数制的基数和数码数制基数数字字符二进制201八进制801234567十进制100123456789十六进制160123456789ABCDEF3.书写规则为了区分各种计数制的数，常采用如下方法进行书写：⑴在数字后面加写相应的英文字母作为标识B(Binary)——表示二进制数。二进制数的100可写成100B。O(Octonary)——表示八进制数。八进制数的100可写成100O。D(Decimal)——表示十进制数。十进制数的100可写成100D。H(Hexadecimal)——表示十六进制数，十六进制数100可写成100H。一般约定D可省略，即无后缀的数字为十进制数字。⑵在括号外面加数字下标(1101)2——表示二进制数的1101。(3174)8——表示八进制数的3174。(6678)10——表示十进制数的6678。(2DF6)16——表示十六进制数的2DF6。2.1.1计算机中的数制4.计算机存储和处理二进制数的常用单位⑴位(bit)位是二进制数中的一个数位，可以是“0”或“1”。它是计算机中数据的最小单位，称为比特(bit)。⑵字节(Byte)通常将8位二进制数组成一组，称作一个字节。字节是计算机中数据处理和存储容量的基本单位，如存放一个英文字母需要在存储器中占用一个字节的空间。在书写时，常将字节英文单词Byte简写成B，1B=8bit常用的单位还有KB(千字节)、MB(兆字节)、GB(千兆字节)等，它们之间的关系是：1KB=B=1024B1MB=B=B=1024KB1GB=B=B=1024MB2.1.1计算机中的数制2.1.2数值数据的编码考虑三个因素：机器数的范围、机器数的符号和机器数中小数点的位置1.机器数的范围机器数的表示范围由硬件(CPU中的寄存器)决定。当使用8位寄存器时，字长为8位，所以一个无符号整数的最大值是，机器数的范围为0～255；当使用16位寄存器时，字长为16位，所以一个无符号整数的最大值是，机器数的范围为0～65535。2.机器数的符号在计算机内部，任何数据都只能用二进制的两个数码“0”和“1”来表示。正负数的表示也不例外，正负号也必须用0和1的形式表示。通常规定最高位为符号位，并用0表示正，用1表示负。图2-1机器数的符号2.1.2数值数据的编码3.定点数和浮点数在计算机内部难以表示小数点。故小数点的位置是隐含的。隐含的小数点位置可以是固定的，也可以是变动的，前者称为“定点数”，后者称为“浮点数”。⑴定点数在定点数中，小数点的位置一旦固定，就不再改变。定点数中又有定点整数和定点小数之分。定点整数，小数点的位置约定在最低位的右边，用来表示整数，如图2-2所示；定点小数，小数点的位置约定在符号位之后，用来表示小于1的纯小数。(194)10=11000010B(0.6875)10=-0.101100000000000B0000000011000010h数值部分符号位小数点位置图2-2机器内的定点整数11011000010000

00

h数值部分符号位小数点位置图2-3机器内的定点小数2.1.2数值数据的编码⑵浮点数如果要处理的数既有整数部分，又有小数部分，则采用定点数便会遇到麻烦。为此引出浮点数，即小数点位置不固定。将十进制数66.37、－6.637、0.6637、－0.06637用指数形式表示，它们分别可以表示为：0.6637×102、－0.6637×101、0.6637×100、－0.6637×10-1可以看出，在原数字中无论小数点前后各有几位数，它们都可以用一个纯小数(称为尾数，有正、负)与10的整数次幂(称为阶数，有正、负)的乘积形式来表示，这就是浮点数的表示法2.1.3字符编码编码方式主要有如下几种。1.ASCII码美国标准信息交换码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)。ASCII包括32个通用控制字符、10个十进制数码、52个英文大小写字母和34个专用符号，共128个元素，故需要用7位二进制数进行编码，并规定其最高位总是0。“GOOD!”的ASCII编码二进制：01000111B01001111B01001111B01000100B00100001B十六进制：47H4FH4FH44H21H2.BCD码BCD(BinaryCodedDecimal)码又称“二—十进制编码”，专门解决用二进制数表示十进制数的问题。二—十进制编码方法很多，有8421码、2421码、5211码、余3码、右移码等。最常用的是8421编码。如：5803的8421编码：01011000000000112.1.4汉字编码汉字通常用两个字节进行编码，且根据传输、输入、存储和处理、打印或显示等不同处理场合，分为交换码、输入码、机内码和字形码。⑴交换码不同设备之间交换信息需要有共同的信息表示方法，对于字符和汉字的交换也需要制定一种人们共同遵守的编码标准，这就是交换码标准。现在，汉字交换码主要采用国标码和BIG5码两种编码方式。①国标码1981年我国公布的《通用汉字字符集(基本集)及其交换码标准》GB2312-80编码简称国标码，它规定每个汉字编码由两个字节构成。第一个字节的范围从A1H－FEH，共94种，第二个字节的范围也为A1H－FEH，共94种。共定义了6763个汉字和682个图形符号。汉字分为两级，即一级（常用）汉字3755个(按汉语拼音排序)和二级（次常用）汉字3008个(按偏旁部首排序)。②BIG5码BIG5码是台湾计算机界实行的汉字编码字符集。2.1.4汉字编码⑵汉字输入码汉字输入码是指从键盘输入汉字时采用的编码，又称为外码，主要有:数字编码，如区位码；拼音码，如微软拼音输入法、紫光输入法、智能ABC输入法等；形码，如五笔字型输入法、表形码；音形码，如双拼码、五十字元等。⑶汉字机内码汉字机内码是指计算机内部存储、处理加工汉字时所用的代码。通常将国标码的前两个字节的最高位置“1”作为汉字的机内码。以汉字“啊”为例，其机内码为B0A1H，即1011000010100001。⑷汉字字形码字形码是指文字信息的输出编码。通常采用点阵形式，点阵越大，分辨率就越高，输出的字形也就越清晰美观。汉字字型有16×16、24×24、32×32、48×48、128×128点阵等，2.1.4汉字编码⑸各种编码之间的关系交换码输入设备输入管理软件汉字输入码(外码)计算机汉字处理输出管理软件汉字库存储器通讯管理软件打印机字形或交换码字形码地址码内码内码内码内码数字编码音码形码音形码显示器其它设备字形码图2-5各种编码之间的关系2.2计算机系统一个完整的计算机系统应当包括硬件系统和软件系统两部分。组成一台计算机的物理设备的总称叫做计算机硬件系统，是计算机工作的基础。指挥计算机工作的各种程序的集合称为计算机软件系统，是计算机的灵魂，是控制和操作计算机工作的核心。计算机工作时软、硬件协同工作，二者缺一不可。2.2计算机系统1.硬件系统冯·诺依曼计算机的硬件系统包括：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。运算器是对数据进行处理的部件，进行算术运算和逻辑运算。控制器的主要作用是指挥计算机各部件协调工作。它是计算机的指挥中心，在控制器的控制之下，将输入设备输入的程序和数据存入存储器，并按照程序的要求指挥运算器进行运算和处理，然后把运算和处理的结果再存入存储器中，最后将处理结果传送到输出设备上。在现代计算机中，运算器和控制器经常被封装在一起，构成中央处理器（CPU）的重要组成部分。存储器是用来存储程序和数据的部件。存储器分为内存储器(主存储器)和外存储器(辅助存储器)两类。输入设备是将用户的程序、数据和命令输入到计算机内存的设备。输出设备是显示或硬拷贝计算机运算和处理结果的设备。2.2计算机系统2.软件系统计算机软件包括计算机运行所需要的各种程序、数据及有关技术文档资料。根据软件的用途，通常把软件划分为系统软件和应用软件两大类。⑴系统软件是用于管理、控制和维护计算机系统资源的软件。系统软件有两个显著的特点：一是通用性，其算法和功能不依赖于特定的用户，普遍适用于各个应用领域；二是基础性，其它软件都是在系统软件的支持下进行开发和运行的。系统软件通常又分为操作系统、语言处理程序、数据库管理系统和工具软件四大类。⑵应用软件是用于解决各种实际问题的软件,常用的应用软件有文字处理软件、表格处理软件、辅助设计软件等。3.计算机系统的层次结构硬件操作系统其他软件用户程序或文档图2-7计算机系统层次结构2.3计算机基本工作原理1.指令

指令是计算机硬件能够直接识别的指挥计算机完成某个基本操作的命令，每条指令都是由二进制代码表示和存储的。指令由两部分组成：操作码和地址码，其中操作码规定指令的动作（功能），而地址码指明操作数本身或操作数存放的地址。2.指令系统一台计算机所能执行的全部指令的集合称为计算机的指令系统。指令系统充分反映了计算机对数据进行处理的能力。不同种类的计算机，指令系统所包含的指令数目与格式也不同。3.程序程序是为完成特定任务的计算机指令（语句）的集合。程序可以直接用二进制指令代码编写（机器语言），也可以用汇编或高级语言编写，但计算机能直接识别执行的是二进制形式的指令代码，所以，汇编语言和高级语言源程序要翻译成二进制代码表示的机器语言才能执行。4.计算机执行指令的过程计算机的工作过程，实际就是CPU执行程序的过程，执行程序就是依次执行程序的指令。CPU执行一条指令分为取指令、分析指令、执行指令三个阶段。每执行完一条指令，CPU会自动取下一条指令执行，如此下去，直到程序执行完毕或遇到停机指令、外来事件的干预为止。2.4微型计算机硬件系统2.4.1.微型计算机的硬件逻辑结构微型计算机的硬件系统也采用冯·诺依曼体系结构，即由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成，但有一些分解和组合，如存储器又可以分为内存储器和外存储器，运算器和控制器被封装在一起，构成微型计算机中央处理器—微处理器的重要组成部分。地址总线CPU控制总线数据总线内存储器外存接口输入接口输出接口其它I/O接口硬盘驱动器软盘驱动器光盘驱动器键盘鼠标器显示器打印机各种外部设备图2-9微型计算机的基本逻辑结构2.4微型计算机硬件系统2.4.2.微处理器微处理器就是微型计算机上的一块集成电路芯片，它是微型计算机的核心部件。它主要由运算器、控制器、寄存器组成。运算器可以执行算术运算，也可以执行逻辑运算。寄存器临时保存将要被运算器处理的数据和结果。控制器负责取指令，并对指令进行分析，按照指令的要求控制各部件工作。目前微处理器的主要生产厂家有：Intel公司和AMD（AdvancedMicroDevices）公司。2.4微型计算机硬件系统微处理器主要技术参数⑴字长：字长是指微处理器一次能够处理的数据的比特位。字长的大小直接反映计算机的数据处理能力，目前流行的微处理器大多是32位或64位。⑵主频：即微处理器的时钟频率(ClockSpeed)，它决定了微处理器每秒钟可以执行多少个指令周期，⑶外频：即微处理器的外部时钟频率，它直接影响微处理器与内存之间的数据交换速度。外频由计算机主板提供。⑷内部缓存（Cache）：用于暂时存储微处理器运算时的部分指令和数据，存取速度与微处理器主频相匹配。缓存的容量单位一般为KB。⑸地址总线宽度：决定了微处理器可以访问的物理地址空间。假设微处理器有n根地址线，则其可以访问的物理地址为2n。目前，微型计算机地址总线有8位、16位、32位等之分。⑹数据总线宽度：数据总线负责整个系统的数据传输，数据总线宽度决定了微处理器与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。2.4微型计算机硬件系统2.4.3.存储器：分内存和外存1.内存储器，即内存，是直接与微处理器相联系的存储设备，其主要功能是存放计算机运行时所需要的程序和数据。内存储器是计算机中最主要的部件之一，它的性能在很大程度上影响计算机的性能。⑴内存的分类微机的内存储器分为随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、只读存储器（ROM，ReadOnlyMemory）、高速缓冲存储器（Cache）。①随机存取存储器（RAM）:分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。断电后信息消失。②只读存储器（ROM）：主要用于存放系统的引导程序、开机自检、系统参数等信息。断电后ROM中的信息仍然存在。目前常用的只读存储器有可擦除可编程的ROM（EPROM）和可电擦除电改写的ROM（E2PROM）、快闪存储器（FlashMemory）等类型。③高速缓冲存储器（Cache）2.4微型计算机硬件系统⑵内存的性能指标①存储容量存储器可以容纳的二进制信息量称为存储容量，通常以RAM的存储容量来表示。存储器的容量以字节（Byte）为单位。②存取周期存取周期指存储器进行一次独立读或写操作之间的最小间隔时间，单位为ns（毫微秒）。存储器的存取周期是衡量主存储器工作速度的重要指标。③功耗这个指标反映了存储器耗电量的大小，也反映了发热程度。功耗小，对存储器的工作稳定有利。2.4微型计算机硬件系统2.外存储器

外存储器又称为辅助存储器，用来长期保存数据、信息，主要包括：软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器、U盘存储器。⑴软盘存储器软盘存储器由软盘、软盘驱动器FDD(FloppyDiskDriver)和软盘适配器组成。①软盘：软盘的存储容量=盘面数×每面磁道数×每磁道扇区数×每扇区字节数。2.4微型计算机硬件系统②软盘使用注意事项

不要用手或物品接触到盘片，以避免盘片被划伤或弄污。

避免弯曲或挤压软盘，以防软盘变形。

软盘要远离磁场。图2-16软盘驱动器外观

存有重要数据的软盘要处于写保护状态，以防误操作而造成数据的丢失。

对外来的软盘，一定要经过检测，确保没有病毒后方可使用。③软盘驱动器计算机需要通过软盘驱动器才能够读、写软盘上的数据。主要由控制电路板、马达、磁头定位器和磁头组成，它是驱动软盘旋转并向软盘读写数据的设备。软盘驱动器的主要性能指标有：道密度(磁道数/每英寸)、位密度（数据位数／每英寸）、平均存取时间、传输率（单位：Kb/s，常见的有125Kb/s、250Kb/s、300Kb/s、500Kb/s）等。2.4微型计算机硬件系统⑵硬盘存储器①硬盘的组成微机中的硬盘存储器由于采用了“温彻斯特”技术，所以又称“温盘”。一块完整的硬盘存储器由磁盘、盘片驱动系统、读写系统以及控制系统组成，这四部分密封在金属盒中。硬盘的存储容量=磁头数×柱面数×每磁道扇区数×每扇区字节数（512B）②硬盘的主要性能指标转速：单位是r/min，目前硬盘主轴电机的转速为5400r/min或7200r/min。平均寻道时间：指磁头从初始位置到目标磁道的时间，单位是ms，硬盘的平均寻道时间为8ms～12ms。数据传输率：指硬盘读写数据的速度，单位是Mb/s。目前硬盘的最大外部传输率不低于16.6Mb/s。③硬盘使用注意事项：a.硬盘转动时不要关闭电源。B.防止震动、碰撞。c.防止病毒对硬盘数据的破坏，应注意对重要数据的备份。d.未经允许严禁对硬盘进行低级格式化、分区、高级格式化等操作。2.4微型计算机硬件系统⑶光盘存储器计算机常采用光盘存储器存储声音、图像等大容量信息。由于光盘与多媒体技术密切相关，⑷U盘存储器U盘的存储介质是快闪存储器。U盘具有许多优点：

直接使用USB接口，无需外接电源，支持即插即用和热插拔，只要用户所使用的计算机主板上有USB接口就可以使用U盘。当计算机操作系统使用WindowsME/2000/XP时不用安装驱动程序就可以使用U盘。存取速度比软盘快，存储容量比软盘大。现在比较流行的U盘容量通常为128MB、256MB、512MB等。2.4微型计算机硬件系统2.4.4输入、输出设备1.键盘最常用的输入设备，它可以将英文字母、汉字、数字、标点符号等输入到计算机中，从而向计算机输入数据、文本、程序和命令。现在键盘已经标准化，以101键为主。2.鼠标鼠标常见的有：机械式、光电式和无线遥控式。

常见的鼠标接口有串口、PS/2接口和USB接口等，给计算机配置鼠标时一定要注意计算机支持哪种接口的鼠标。2.4微型计算机硬件系统2.4.4输入、输出设备3.显示器显示器又称为“监视器”，是计算机中标准的输出设备。⑴显示器的分类按显示的色彩分为单色显示器和彩色显示器。单色显示器只能显示黑白两色，彩色显示器可以显示多达1600多万种颜色。目前微机多为彩色显示器。按显示器件分为阴极射线管显示器（CRT）和液晶（LCD）、发光二极管（LED）、等离子体（PDP）、荧光（VF）等平板型显示器。目前微机上常用CRT显示器和LCD显示器。2.4微型计算机硬件系统⑵显示器的主要技术参数①屏幕尺寸：指显示器对角线长度，以英寸为单位（1英寸=2.54厘米），常见的显示器为15″、17″、19″、21″等。②点距：点距指屏幕上的相邻像素点之间的距离。点距越小，显示器的分辨率越高。常见显示器的点距有0.20、0.25、0.26、0.28等。③显示分辨率：指显示屏幕上可以容纳的像素点的个数，通常写成“水平点数”ד垂直点数”的形式。例如，800×600、1024×768等。显示器的分辨率受点距和屏幕尺寸的限制，也和显示卡有关。④灰度和颜色深度：灰度指像素点亮度的级别数，在单色显示方式下，灰度的级数越多，图像层次越清晰。颜色深度指计算机中表示色彩的二进制位数，一般有1位、4位、8位、16位、24位，24位可以表示的色彩数为1600多万种。⑤刷新频率：指每秒钟内屏幕画面刷新的次数。刷新频率越高，画面闪烁越小。通常是75Hz～90Hz。⑥扫描方式：水平扫描方式分为隔行扫描和逐行扫描。现在的显示器采用的都是逐行扫描方式。2.4微型计算机硬件系统⑶显示适配器显示适配器又称显卡，它是连接微处理器与显示器的接口电路。①显卡的结构主要由：显示芯片、显示内存、RAMDAC芯片、显卡BIOS、连接主板总线的接口组成。

显示芯片：显示芯片是显卡的核心部件，它决定显卡的性能和档次。

显示内存：用来存放显示芯片处理后的数据，其容量、存取速度对显卡的整体性能至关重要，它还直接影响显示的分辨率及色彩的位数。

RAMDAC芯片：RAMDAC芯片将显示内存中的数字信号转换成能在显示器上显示的模拟信号。它的转换速度影响着显卡的刷新频率和最大分辨率。

显卡BIOS：显卡上的BIOS存放显示芯片的控制程序，同时还存放着显卡的名称、型号、显示内存等。

总线接口：是显卡与总线的通信接口。目前最多的是PCI和AGP接口。2.4微型计算机硬件系统②显卡的分类

按采用的图形芯片分为：单色显示卡、彩色显示卡、2D图形加速卡、3D图形加速卡。

按总线类型分为：ISA显卡、VESA显卡、PCI显卡和AGP显卡。

按显示的彩色数量分为：伪彩色卡：用1个字节表示像素，可显示256种颜色。高彩色卡：用2个字节表示像素，可显示65536种颜色。真彩色卡：用3个字节表示像素，可显示1600多万种颜色。

按显示卡发展过程分为：MDA（MonochromeDisplayAdapter）卡，即单色字符显示卡。CGA（ColorGraphicsAdapter）卡，即彩色图形显示卡。EGA（EnhancedGraphicsAdapter）卡，即增强图形显示卡。VGA（VideoGraphicsArray）卡，即视频图形阵列显示卡。SVGA（SuperVGA）卡，即超级视频图形阵列显示卡。XGA（ExtendedGraphicsArray）卡，即增强图形阵列显示卡。2.4微型计算机硬件系统4.打印机⑴打印机的分类 按打印机打印的方式可分为逐行打印机和逐字打印机。按打印色彩分为单色打印机和彩色打印机。按工作方式分为击打式打印机和非击打式打印机。针式打印机是常用的击打式打印机。常用的非击打式打印机有激光打印机、喷墨打印机。⑵打印机主要技术参数①打印分辨率：用DPI（点／英寸）表示。激光和喷墨打印机一般都达到600DPI。②打印速度：可用CPS（字符／秒）表示或用“页／分钟”表示。③打印纸最大尺寸：一般打印机是A4幅面。2.4微型计算机硬件系统2.4.5主板主板的主要部件包括：1.芯片组芯片组是主板的灵魂，由一组超大规模集成电路芯片构成。芯片组控制和协调整个计算机系统的正常运转和各个部件的选型，2.微处理器插座及插槽用于固定连接微处理器芯片。微处理器与主板的接口形式根据微处理器的不同分为：Socket插座和Slot插槽。3.内存插槽主板给内存预留的专用插槽，插入与主板插槽匹配的内存条，可以实现扩充内存。4.总线扩展槽总线扩展槽主要用于扩展微型计算机的功能，也称为I/O插槽。根据总线的不同，总线扩展槽可分为：ISA、EISA、VESA、PCI、AGP扩展槽。2.4微型计算机硬件系统2.4.5主板5.BIOS芯片BIOS(BasicInput/OutputSystem)保存着计算机系统中的基本输入/输出程序、系统