第二章微型计算机系统

第二章微型计算机系统

2.1基本术语和基本概念

1.硬件与软件

所谓“硬件”是指组成微型机的所有实体部

件。例如键盘、显示器、主机、器件、电阻等。

所谓“软件”是指建立在硬件基础之上的所

有程序和文档的集合。

2.微外理器（简称CPU）

•CPU的全称CentralProcessingUnit.即中央处理

单元，又称中央处理器。

•微处理器是利用超大规模集成电路技术，把计算

机的运算器和控制器集成在一小块硅片上制成的

集成电路器件简称为CPU,是整个微型机系统的核

心部件。

•通常，把CPU的型号作为各种档次微型机的型号的

总称。例如，PentiumIII（奔腾HI）微型机，其

实PentiumHI就是CPU的型号。有的微处理器中也

包含部分存储器，如高速缓冲存储器Cache。

3.时钟频率与CPU的

主频、夕卜频、倍频

(1)所谓“时钟频率”是指诸如计算机等电子设

备中的时钟震荡频率，通常以赫兹Hz,千赫兹KHz

等单位。

(2)所渭“主频”是指CPU的时钟频率，英文全称

为CPUClockSpeedo它是衡量CPU运行速度的最

重要的指标。例如，PentiumIII850,其中的

850指的就是CPU的主频850MHz。一般说来，主频

越高，一个时钟周期里面完成的指令数也越多，

当然CPU的速度也就越快了。

(3)所渭“外频”是指CPU的外部时钟频率又叫外

频。所谓“倍频”是指CPU外频与|■1a|倍

数。三者是有十分密切的关系的：主频二外频X倍

4.高速健存(Cache)

•CPU在进行运算时，所需的指令和数据都是从内

存中读串的。由于CPU的速度要比内存快很多，

因此，CPU等待数据到来或把数据写入内存需要

一段时间。为了减少这种等待时间，制造商在

CPU和内存之间增设了高速缓存(Cache),它的

读隼速度比系统内存快很多，在高速缓存中保存

着CPU近期执行程序时所使用的内存副本，因而

CPU执行程序过程中所需要的信息可以从高速缓

存中获得，这样大大提高了CPU工作效率。

•高速缓存分为：一级高速缓存和二级高速缓

存。（1）一级高速缓存与CPU集成在一块

芯片上，所以速度和CPU一样快。但这种设

计成本很高，一般只安装几十KB。

•（2）二级高速缓存一般做在主板上静态内

存（SRAM）,价格也很高，因此系统中一

般只安装几百KB。

5.微型计算机

微型计算机简称为微型机或电脑。

微型计算机是以微处理器为核心，配备上随机存储

器（RAM）和只读存储器（ROM）、输入/播出接口

电路以及系统总线（包括控制总线、地址总线和

数据总线）和总线接口等就构成了微型计算机。。

6.微型机系统

•微型计算机系统是以微型计算机为主体、并配

备相应的外围设备和系统软件就构成了微型计

算机系统。

7.BIOS

•BIOS是BasicInput/OutputSystem.基本输入/

输出系统的缩写。它其实是一个程序，主要用

于控制管理系统信息设置程序、开机上电自检

程序和系统启动自举程序、反馈回系统安装的

设备类型和数量等信息，是微机主板必不可少

的初始化程序。

•BIOS是集成在主板上的一个只读存储器（ROM）

芯片。

CMOS是主板上一块可读写的RAM芯片，用于保存当

前系统的硬件配置信息和用户设定的某些参数。

CMOSRAM由主板上的电池供电，即使系统掉电，信

息也不会丢失。对CMOS中各项参数的设定和更新可

通过开机时特定的按键实现（一般是Del键）。进

入BIOS设置程序可对CMOS进行设置，一般CMOS设置

习惯上也叫做BIOS设置。

2.2微机系统的

组成、结构与配置

微型计算机系统是一种不需要人工宜接干预,

能够对各种信息进行自动、高速处理和存储

的电子设备。

微型机系统的组成：「硬件系统

i软件系统

如下图所示。

微契计算机系统如图2」所示:

，［中央处理器信藕

刃Lt左做奥JROM（只读存储器）

内存储器,RAM（读写存储器）

，外存储器｛器（软、硬）

外部设备，输入设备（键盘、光笔等）

'输出设备（显示器、打印机等）

微机系统外围设霏盘转换器

［操作系统｛需,wsNT

（系统软件1语言编译程序制JJ

I软件〔服务性程序

应用软件：面向问题的程序设计语言

I应用程序包

1.硬件系统

•在微型机系统中，硬件系统是指构成微型计算

机系统各功能部件的集合。而软件系统是微机

系统的各种程序的集合。硬件部件是微型计算

机进行工作的物质基础，任何软件都是建立在

硬件基础之上的。离开了硬件，软件一事无成。

如果把硬件系统比做微机的躯体，那么软件系

统就是微机的头脑和灵魂。这两者是互相依存、

密不可分的。

2.软件系统

・软件系统是指在硬件系统上运行的各种

程序及有关资料。它是为了充分发挥硬

件结构中各部分的功能和方便用户使用

微机而编制的各种程序。

•软件包括：系统软件和应用软件。软件

系统结构如图2-2所示。

软件系统结构如图2-2所示。

粳件

(1)系统软件

•系统软件包括操作系统、语言处理程序、

数据库管理系统和作为软件研究开发工

具的编译程序、调试程序、装配程序和

连接程序、测试程序等。

操作系统:

操作系统是系统软件中的核心软件，对微机进行

存储管理、设备管理、文件管理、处理器管理等,

以提高系统使用效能和方便用户使用微型计算机。

注意：操作系统属于系统软件，但是所有的软件

（系统软件和应用软件）都必须在操作系统的支

持下才能安装运行。

・微机中必须装入操作系统才能工作。当

用户打开微机电源时，微机就能启动，

就是因为微机中已经安装了Windows2000

操作系统系统软件。

语言处理程序:

语言处理程序包括：汇编程序、编译程序和解

释程序等。

计算机只能接受机器语言程序。例如，用汇编

语言和高级语言编写的程序计算机无法执行，

必须经过“翻译程序”将它们翻译成机器语言

程序，计算机才能执行。语言处理程序就是完

成这种“翻译程序”的软件。

数据庠系统:

•数据库技术是针对大量数据的处理而产生发展起

来的，至今仍不断地发展。主要是面向解决数据

处理的非数值计算问题，目前主要用于图书馆管

理、财务管理、人事管理、材料管理等方面的数

据处理。

•数据库的特点：数据量大，数据处理的主要内容

是数据的存储、查询、修改、排序、统计等。

•数据库系统是由计算机硬件、数据库、数据库管

理系统、操作系统和数据库应用程序组成。

•目前，常用的数据库管理系统有VisualFoxPro.

SQLServer、Oracal、SyBase和My;

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2.2.2微超计算机的基本结构

•1.微型计算机的基本结构

•微机的制造技术从微机出现到今天已经发

生了极大的变化，但在基本的结构方面仍

沿用冯•诺依蔓设计的传统结构。微机硬

件系统包括运算器、控制器、存储器和输

入输出设备五部分。

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2.微型计算机的外部结构

从外观看微机主要由以下几部分组成：

(1)主机

(2)显示器

(3)键盘

(4)鼠标

微机硬件系统的基本结构如图2-4所示。

2.2.2主机

・主机是微机的核心部件，主要包括主机板、微

处理器、内存条、I/O扩展槽和各种接口等。下

面分别介绍主机的各个硬件及其功能。

1.主机板

•主机板又称为系统主板，是位于主机箱内一块大

型多层印刷电路板。如果把CPU比作微机的心脏，

那么主板就是血管神经等循环系统。在微机的主

板上有中央学理器CPU、随机存储器RAM、只读存

储器ROM、6—8个长形扩展槽（用于插接显示卡、

声卡等），还有内存扩充插槽，用来插扩充内存

的内存条。它们之间通过系统总线交换数据。

•微机采用了总线结构，其主要特点是工艺简单、

扩展性好，提高了微处理器与内存和外设之间信

息传输的速度、准确性和可靠性。

2.微处理器

•微处理器由运算器和控制器组成。它是微机系

统重要的元件。但不同的CPU需要搭配不同的主

板。在早期的微机系统里，CPU都是直接焊接在

主板上的。到了486时代，为了便于微机升级，

将焊接的CPU改装成能插拔的CPU。

•CPU的主要性能指标有两项：时钟频率和字长。

P4-2.4GIntelCPU图：

——8F嗯EAL

OJ88ESJU":

ie©t.sem叫B，—

(1)运算器

•运算器的主要部件是算术逻辑单元，是计算机对

数据加工处理的部件。运算器的主要功能是对二

进制数进行算术运算加、减、乘、除等。逻辑运

算主要完成逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑异或、

逻辑比较等。

(2)控制器

•控制器负责从存储器中隼出指令，确定指令

类型，并对指令进行译码；按时间的先后顺序，

负责向其他各部件发出控制信号，保证务部件协

调一致地工作,一步一步地完成各种操作。控制

器主要由指令寄存器、译码器、程产计等器操

作控制器等组成。I<IA

3.内存储器

•存储器是用来存放数据和程序信息的部件。

计算机中的全部信息，包括指挥计算机运行

的各种程序、原始的输入数据、经过初步加

工的中间数据以及最后的结果都存放在存储

器中。它是微机的主要工作存储区，待执行

的程序和数据必须先从外存储器装入内存储

器后才能执行。

•内存包括：「RAM随机存储器

Y

ROM只读存储器

♦・

脩

(1)衡量内存储器的指标:

•衡量内存储器的指标包括存储容量、存储

速度和价格。

•微机的程序和数据必须装入内存(RAM)才

能运行，因此内存的大小，质量的好坏直

接影响程序的运行。现在的微机中使用RAM

是一4—个的内存条，引脚数有72线和168

线，内存容量为128M或256M,内存速度为

80ns、70ns、60ns等。,

(2)版机存储器RAM(Random

AccessMemory)

•随机存储器RAM又称为读/写存储器或内存，通常

所说的微机内存容量就是指内存RAM的容量。用

于存储待执行的程序或待处理的数据。

•内存RAM的特点：断电后程序和数据会全部丢失。

•除了主板上的RAM条外，许多板卡（显示卡、网

卡）上也使用RAM芯片，如显示内存可以作为CPU

与显示器之间数据传输的中转站，从而加快显示

信息的速度。

(3)RAM分类:

•RAM可分为静态SRAM和动态DRAM两大类。

•所谓动态DRAM是靠MOS电路中的栅极电容来记忆信

息的。由于电容会放电，所以需要定时充电以维持

存储器内容的正确。例如每隔2nls刷新一次，因此

称之为动态DRAM。目前，微机上配置的主存储器均

采用动态DRAM,其接口多为168线的DIMM类型。

•所谓静态DRAM是靠双稳态触发器来记忆信息的。由

于它没有电容放电造成的刷新问题。只要有电源正

常供电，就能稳定地存储数据，因此称之为静态

SRAMO

目前，常见的有两种DRAM,一种称为

EDO(ExtendDataOutput)动态内存，另一种则

是SDRAM(同步动态内存)。EDO内存是在原

先的普通DRAM之后出现的，它的存隼速度等性

能比普通DRAM有了很大的提高。SDRAM是继

EDO之后出现的，它采用同步技术，使内存工作

频率与系统的外部总线频率相同，性能又有了很

大的提高。SDRAM内存条是168脚的，比EDO

要长许多，而且没有成对使用的限制，插几条都

可以。

(4)只读存储器ROM

主机板上有只读存储器ROM花片，ROM所存储的信

息在制造时就固化在ROM中，使用时只能读不能写。

例如CMOS芯片就是一块只读存储器ROM花片。

•特点：只能读出不能写入，断电后程序和数据不

会丢失。

•只读存储器ROM通常分为EPROM(Erasablly

ProgrammableROM可擦写的只读存储器)和

EEPROM(ElectricallyErasablePROM)来存储

BIOS程序。EEPROM可以以字节为单位重复写入，

而EPROM必须将数据全部冲掉才能写入。现在，

BIOS所用的ROM一般是FlashROM{<|f成

EEPROM的一种，两者的界限并不很乩退

4.输入/输出接口

•什么是输入/输出接口?

在机器内部，各个部件是通过总线连接；对于外

部设备，则是通过总线连接相应输入/输出设备的

接口电路，然后再与输入/输出设备设备连接。一

般接口电路又叫适配器或接口卡。接口卡是一块

印刷电路板，它是系统I/O设备控制器功能的扩展

和延伸，因此，也称为功能卡。

常见的接口卡有：显示卡、声卡、网卡。

接口卡的作用:

•CPU与外部设备的工作方式、工作速度、信

号类型都不相同，通过接口电路的变换作用，

把两者匹配起来。接口电路中包含一些专业

芯片、辅助芯片以及各种外部设备适配器和

通信接口电路等。不同的夕卜部设备与主机相

连都要配备不同的接口。现在常用的几中接

口卡都做成标准件，以便于选用。

•微机与外部设备之间的信息传输方式：一种是串

行方式，另一种是并行方式。

•串行方式是按二进制位逐位传输，传输速度较慢,

但省器材。

•并行方式一次可以传输若干个二进制位的信息，

传输速度比串行方式快，但器材投入较多。在微

机内部都是采用并行方式传送信息。微机与外设

之间的信息传送，两种方式均有采用。

(1)串行接口

微型机中采用串性通信协议的接口称为

串行端口，也称为RS-232接口。一般微

型机有两个串口,被标记为C0M1和COM2。

微型机中使用串口的设备主要有鼠标、

扫描仪、数码照相机和调制解调器等。

(2)并行接口

•并行端口信称为“井口”,用一组线同

时传送一组数据。在微型机中，一般配

置一个并行端口，被标记为LPT1或PRN。

微型机中使用并行端口的设备主要有打

印机、外置式光驱和扫描仪。

(3)ISA接口

•ISA(industrialstandardarchitecture)总

线标准是IBM公司1984年为推出PC/AT机而建立

的系统总线标准，所以也叫AT总线。它是对XT总

线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。它在

80286至80486时代应用非常广泛，以至于现在奔

腾机中还保留有ISA总线插槽。

•ISA系统总线接口是微机上即将要淘汰的接口，

由于许多如声卡，MODEM等老设备还是离不开它，

所以VIA的主板芯片组依然提供了对它的支持。

(4)PCI接口

•PCI是系统总线接口的国际标准。目前，PCI接口

的最大传输率可达266Mbit/s。显卡、声卡、网

卡、MODEM等接口大部分为PCI接口。

•PCI(Peripheralcomponentinterconnect)总

线插槽是主板上最常见的接口插槽，它是由

Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位

数据总线，且可扩展为64位。它的工作频率为

33MHzo

PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还

小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持

突发读写操作，可同时支持多组外围设备。

其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发

读写操作，最大传输速率可达132MB/s,可同

时支持多组外围设备。

(5)AGP图形加速接口

(AcceleratedGraphicsPort)

•AGP接口是近几年主板上发展起来的最重要的接

口之一。它直接与主板的北桥芯片相连，且该接

口让视频处理器与系统主内存直接相连，避免经

过窄带宽的PCI总线而形成系统瓶颈，增加3D图

形数据传输速度，而且在显存不足的情况下还可

以调用系统主内存，所以它拥有很高的传输速率。

•AGP接口的发展经历了AGP1X/2X/PR0/4X/8X等等

阶段，其传输速度也从最早的AGP1X的266MB/s的

带宽发展到了AGP8X的2GB/S。

(6)USB接口

.USB接口即符合通用串行总线硬件标准的接口，

用于外部设备。USB能使相关外设在机箱外连

接，允许“热插拔”（连接外设时不必关闭电

源），实现安装自动化。它比传统串口快100倍,

能提供的传输速率最高达12Mbps。例如，扫描

仪、鼠标、调制解调器、游戏控制和键盘等。

5.总线和扩展槽

（1）总线

•总线：微机各功能部件相互传输数据时，需

要有连接它们的通道，这些公共通道就称为

总线（BUS）o一次传输信息的位数则称为总

线宽度。

•内部与外部总线：CPU本身也有若干个部件组

成，这些部件之间也是通过总线连接，通常

把CPU花片内部的总线称为内部总线，而连接

系统各部件间的总线称为外部总线或称为系

统总线。I/I、—

总线的分类:

的不同，可将总线分为：

数据总浮、地址总线和控制总线。

・数据息泡:

用来传福^据信息，它是CPU同各部件交换信

息的通道。数据总线都是双向的，而具体输送

信息的方向，则由CPU来控制。

•地址总线：

用来传送地址信息的，CPU通过地址总线把需要访问

的内存单元地址或外部设备的地址传送出去。

通常地址总线是单方向的。地址总线的宽度与寻址的

范围有关，即决定了寻址的范围，如寻址1MB的地址

空间，就需要有20条地址线。

•控制总线：

控制总线来传输控制信号，以协调各部件的操作，它

包括CPU对内存储器和接口电路的读写信息、中断响

应信号等。||a

(2)扩展槽

目前，微机均采用总线结构将各部件组成一个系

统。主机与其它外围硬件是以扩充总线相连的，

一般扩充总线在主板上的接口称为扩展槽。扩展

槽主要用于插接各种功能的板卡。目前，微机上

主要使用两种总线扩展槽规格：

•ISA总线扩展槽：

这是微机中使用最普遍的扩展槽，CPU与接口硬

件之间数据传输速度为8MHz,数据总线的位数为

16位。ISA总线是一种逐渐被淘汰的总线，存在

它只是为了兼容已有的大量硬件产品，如ISA总

线插卡。

PCI总线扩展槽:

•PCI总线是一种不依附于某个具体处理

器的局部总线。PCI扩展槽为白色、长

度较短的插槽。它是Intel公司提出属

于它自己的先进的局部总线。它的工作

频率为33MHz,数据总线达到32位

（PCI2.0标准总线达到64位，总线工作

频率66MHz），其最大的优点是箱化主板

与芯片组的设计。

2.2.4外存储器

软盘和硬盘是微机的外部存储器，磁盘驱动器则

兼备了输入、输出两种功能，它们实现了对磁盘

上记录信息的读、写操作。

一、软盘及软盘驱动器

一个完整的软盘存储系统是由软盘、软盘驱动器组

成。软盘记录的信息是通过软盘驱动器进行读写

的。软盘驱动器与主机的连接是通过将软盘驱动

卡插入主板的某个扩展槽中，并用驱动卡专用连

线将软盘驱动器与驱动卡连接在一起。

软盘:

•目前微机所

配置通用软

盘驱动器大

多数是3.5英

寸的1.44MB

薄型软盘驱

动器，适用

于1.44MB软

盘。如图2-9

所示。

1.软盘的结构和存储原理

・3.5英寸软盘片是软盘的核心，是记录数据

的载体，它由一种塑料物构成，表面涂着一

层由铁氧化物构成的磁性材料。这与录音机

中使用的磁带有点相似，盘片在软盘驱动器

中水平旋转并通过磁头来读写盘片上的信息,

写的过程是以电脉冲将磁头下方磁道上那一

点磁化，而读的过程则将磁头下方磁道上那

一点的磁化信息转化为电信号，并通过电信

号的强弱来判断为“0”还是“1"C

2.软盘格式化的原理

・软盘只有经过格式化后才可以使用。格式

化是为存储数据作准备，在此过程中，软

盘被划分为若干个磁道，磁道又被划分为

若干个扇区。例如，3.5英寸软盘共有80个

磁道，18个扇区，每个扇区的容量均为512

个字节，两面的总容量约为1.44MB。软盘

的容量可以用下列公式计算。

•软盘的容量=记录面数x磁道数/面x扇区

数/道X字节/扇区一、一

硬盘及硬盘驱动器

软盘具有使用携带方

便等特点，但其存储容量

小，读写速度慢，对大量

数据的存储显得力不从心

而硬盘便具有解决以上问

题的全部特点。硬盘作为

微机系统的外存储器，它

有着软盘所不可比拟的优

势，所以成为微机的主要

配置之一。如图2T0所示。

1,硬盘的分类

从外形磁盘直径尺寸分有5.25英寸、3.5英寸、

2.5英寸和L8英寸等。从存储容量上分有8.4GB、

10GBG、20GB、30GB等。从接口分有IDE、EIDE、

ATA2、SCSI接口。其中SCSI接口硬盘主要用在服

务器上。EIDE、ATA2是在IDE作了改进的接口，

其传输速度有了大幅度的提高。

2.硬盘的结构和存储原理

♦硬盘与软盘的工作原理相同。硬盘一般由多个盘

片固定在一个公共的转轴上，构成盘片组。微机

上用的硬盘采用了温彻斯特技术，它把硬盘、驱

动电机、读写磁头等组装并封装在一起，成为曼

彻斯特驱动器。硬盘工作时，固定同一个转轴上

的多张盘片以每分钟数千转甚至更高的速度旋转,

磁头在驱动马达的带动下在磁介质盘做径向移动,

寻找定位，完成写入或读出数据工作。

硬盘经过低级格式化、分区及高级格式化后即可使

用。~~/、~~

■

3.硬盘的存储容量

硬盘片以硬质的铝合金片为片基，并涂上精细

磁性材料制作而成。磁盘表面也以转轴中心为圆

点，被均匀地划分为若干个半径不等的同心圆，

称为磁道。不同记录面上相同宜径的磁道在垂直

方向构成同心圆柱，称为柱面，柱面数等于磁道

数。每个磁道同样被划分为若干个扇区，每个扇

区的容量均为512字节。因此，硬盘的容量可用

下式计算：

硬盘容量二记录面数x柱面数x扇区数/磁道

x字节/扇区

三、光盘与光盘驱动器

1.光驱分类

光驱是多媒体计算机的重要外设，主要用来读取

光盘上的信息。此外它还可以用来播放CD、VCD

的功能。

光驱按安装方式划分：有内置和外置式两种；

光驱按数据传输速度分：20速、24速、32速、40

速、50速等等；

光驱按接口分类：IDE（或EIDE）接口和SCSI接

口，一般来说，SCSI接口光驱性能比较好，但价

格比较贵。|二||

2.光盘的存储原理

光电存储介质俗称光盘。光盘上有许多可痕，光

电读隼设备中的光学读写头利用激光束投到光盘

上，根据可痕的深浅不同，反射的光束也不同，

来表示不同的数据。一张光盘可以存储650兆字

节的数据。

3.光盘的分类

从光盘的使用特性来分：只读光盘、写一次光盘、

可重写光盘三大类。

(1)只读光盘或称CD-ROM(CompactDisc

ReadOnlyMemory)o

数据信息由生产厂家在制造时写入到光盘中，

该光盘可反复进行读操作，但不能进行写操作，

即光盘中的数据不能更改或删除，而是永久保存。

由于这种光盘具有ROM性质，因此又称为CD-ROM。

目前广泛使用的是CD-ROM光盘。

(2)一次性写入光盘

一次性写入光盘，可以由用户写入信息，但只能

写一次，不能抹除和改写。这种光盘的信息可反

复读盘上的信息。

(3)可擦写型光盘

可擦写型光盘，用户可自己写入