《计算机应用基础》课件第1章

第1章计算机基础知识

1.1计算机的发展1.2计算机的特点1.3计算机的分类1.4计算机的应用1.5数制与信息编码1.6微型计算机组成与工作原理

1.1计算机的发展

1.1.1计算机的诞生

世界上第一台电子数字式计算机于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行，它的名称叫ENIAC(埃尼阿克)，是电子数值积分计算机(ElectronicNumbericalIntergratorAndComputer)的缩写。它使用了18 000个真空电子管，耗电174千瓦，占地170平方米，重达30吨，每秒钟可运行5000次加法运算。虽然它的功能还远不及今天最普通的一台微型计算机，但在当时其运算速度却是最快的，且运算的精确度和准确度也是最高的。以圆周率(π)的计算为例，中国古代科学家祖冲之利用算筹，耗费15年心血，才把圆周率计算到小数点后7位数。一千多年后，英国人香克斯以毕生精力计算圆周率，才计算到小数点后707位，而ENIAC仅用了40秒就达到了这个纪录，还发现香克斯的计算中，第528位是错误的。

ENIAC所运行的程序须由外部插入，每当进行一项新的计算时，都要重新连接线路。有时几分钟或几十分钟的计算，要花几小时或一两天的时间进行线路连接准备，这是它一个致命的弱点。它的另一个弱点是存储量太小，至多只能存20个10位的十进制数。1.1.2第一台“存储程序式”计算机EDVAC

1946年6月，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼(JohnVonNeuman)教授发表了名为《电子计算机装置逻辑结构初探》的论文，随后设计出了第一台“存储程序式”计算机EDVAC(埃德瓦克)，即离散变量自动电子计算机(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer)。EDVAC与ENIAC相比有了如下重大改进：

(1)采用二进制数0和1直接模拟开关电路通、断两种状态，用于表示数据或计算机指令。

(2)把指令存储在计算机内部，且能自动依次执行。

(3)奠定了当代计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备等组成的体系结构。

冯·诺依曼提出的EDVAC计算机体系结构为后人所普遍接受，此结构又称冯·诺依曼结构。迄今为止，计算机系统基本上都是建立在冯·诺依曼体系结构上的。EDVAC在1952年正式投入运行，其运算速度是ENIAC的240倍。

简而言之，冯·诺依曼结构的特点是存储程序、设计程序。1.1.3计算机的发展过程

从第一台电子计算机诞生到现在，计算机的发展大致可分为四代，并正在向第五代或称为新一代发展。下面概述各代计算机的主要特征，其主要体现为计算机使用的元件不同。

1．第一代计算机

从1946年至1957年，计算机的逻辑元件采用电子管，通常称为电子管计算机。它的内存容量仅有几千个字节，不仅运算速度低，且成本很高。

在这个时期，没有系统软件，计算机用机器语言和汇编语言编程，只能在少数尖端领域中得到应用，一般用于科学、军事和财务等方面的计算。尽管存在这些局限性，但第一代电子计算机奠定了计算机发展的基础。

第一代电子计算机中使用磁鼓作为数据与指令的存储器，它的使用是计算机发展史上重大的技术进步。

2．第二代计算机

从1958年至1964年，计算机的逻辑元件采用晶体管，产生了晶体管计算机，其存储器采用磁芯和磁鼓，内存容量扩大到几十千字节(KB)。晶体管比电子管平均寿命提高100～1000倍，耗电量却只有电子管的1/10，体积比电子管小一个数量级，运算速度明显提高，每秒可以执行几万次到几十万次的加法运算，机械强度较高。由于具备这些优点，因此晶体管计算机很快就取代了电子管计算机，并开始成批生产。在这个时期，系统软件中出现了监控程序，人们提出了操作系统的概念，出现了如FORTRAN、ALGOL60等高级语言。

美国IBM公司于1959年采用晶体管生产出IBM7090型第二代电子计算机。它的体积减小了，运算速度却更快。

3．第三代计算机

从1965年至1970年，计算机的逻辑元件采用集成电路。集成电路把几十个或几百个分立的电子元件集中做在一块几平方毫米的硅片上(称为集成电路芯片)，使计算机的体积和耗电量大大减小，运算速度却成倍增加，每秒钟可以执行几十万次到一百万次的加法运算，性能和稳定性进一步提高。

在这个时期，系统软件有了很大发展，出现了分时操作系统和会话式语言，采用结构化程序设计方法，为研制复杂的软件提供了技术上的保证。

此时，著名的IBM 360型电子计算机系统还带有一个中央存储器和几个外围存储器。

4．第四代计算机

1970年以后，计算机的逻辑元件开始采用大规模集成(LargeScaleIntergrated，LSI)电路，在一个4 mm2的硅片上，至少可以容纳相当于2000个晶体管的电子元件。金属氧化物半导体(MetalOxideSilicon，MOS)也在这一时期出现。LSI和MOS的出现，进一步降低了计算机的成本，其体积也不断缩小，存储装置得到更大的改善，功能和可靠性也稳步提高。同时，计算机内部结构也有了很大的改进，采取了“模块化”的设计思想，即将计算机内部结构按执行的功能划分成比较小的处理部件，更加便于维护。从20世纪70年代末期开始出现超大规模集成电路(VLSI)，在一个小硅片上容纳相当于几万个到几十万个晶体管的电子元件。这些以超大规模集成电路构成的计算机日益小型化和微型化，其应用和发展的速度更加迅猛，产品覆盖巨型机、大中型机、小型机、工作站和微型计算机等各种类型。

在这个时期，操作系统不断完善，应用软件已成为现代工业的一部分，计算机的发展进入了以计算机网络为特征的时代。目前使用的计算机都属于第四代计算机。从20世纪80年代开始，发达国家开始研制第五代计算机，研究的目标是能够打破以往计算机固有的体系结构，使计算机能够具有像人一样的思维、推理和判断能力，向智能化方向发展，实现人工智能。

5．第五代计算机

第五代计算机是智能计算机，它是一种有知识、会学习、能推理的计算机，能理解自然语言、声音、文字和图像，并且具有会话能力，使使用者与计算机能够用自然语言直接对话。它可以利用已有的和不断学习到的知识，进行思维、联想、推理并得出结论，能解决复杂问题，具有汇集、记忆、检索有关知识的能力。智能计算机将突破传统的冯·诺伊曼式机器的概念，把许多处理机并联起来，并行处理信息，速度将会大大提高。它的智能化人机接口使人们不必编写程序，只需发出命令或提出要求，计算机就会完成推理和判断，并且给出解释。总之，第五代计算机将采用多媒体技术，把声音、图形、图像系统与计算机系统和通信系统集成为一个整体，使计算机具有像人一样的听、看、想、说、写等能力，甚至能具有某些情感和智力特征。目前，一些智能计算机产品已经应用于日常生活(如电子导盲犬)以及某些特殊场合(探测狭隘地下空间用的电子蟑螂、进行空中探测甚至具备进攻能力的电子蜻蜓等)。1.1.4微型计算机的发展

微型计算机简称微机或PC机，是1971年出现的，属于第四代计算机。它的一个突出特点是将运算器和控制器做在一块集成电路芯片上，一般称为微处理器(MicroProcessorUnit，MPU)。根据微处理器的集成规模和功能，微机的发展经历了Intel80486、Pentium、PentiumⅡ、Pentium Ⅲ 以及当前流行的Pentium4等阶段。世界上第一台微机是由美国Intel公司年轻的工程师马西安·霍夫(M.E.Hoff)于1971年研制成功的。它把计算机的全部电路做在4个芯片上。4位微处理器Intel4004、320位

(40字节)随机存取存储器、256字节只读存储器和10位寄存器通过总线连接起来，组成了世界上第一台4位微型电子计算机——MCS-4，从此揭开了微机发展的序幕。

第一代微处理器是1972年由Intel公司研制的8位微处理器Intel8008，主要采用工艺简单、运算速度较低的P沟道MOS电路，由它组装的计算机称为第一代微型计算机。第二代微处理器是1973年研制的、主要采用运算速度较快的N沟道MOS技术的8位微处理器。其代表产品有Intel公司的Intel8085、Motorola公司的M6800、Zilog公司的Z80等。第二代微处理器的功能比第一代显著增强，以它为核心的微型计算机及其外部设备都得到相应的发展，由它组装的计算机称为第二代微型计算机。

第三代微处理器是1978年研制的、主要采用H-MOS新工艺的16位微处理器。其典型产品是Intel公司的Intel8086。Intel8086比Intel8085在性能上提高了10倍。由第三代微处理器组装的计算机称为第三代微型计算机。从1985年起采用超大规模集成电路的32位微处理器，标志着第四代微处理器的诞生。其典型产品有Intel公司的Intel80386、Zilog公司的Z80000、惠普公司的HP-32等。由第四代微处理器组装的计算机称为第四代微型计算机。

1993年Intel公司推出第五代32位微处理器芯片Pentium

(中文名为奔腾)，它的外部数据总线为64位，工作频率为66～200MHz。

1998年Intel公司推出PentiumⅡ、Celeron，后来又推出Pentium Ⅲ、Pentium4等。它们都是更先进的32、64位高档微处理器，工作频率为300～860 MHz，主要用于高档微机或服务器。

微机具有体积小、重量轻、功耗小、可靠性高、对使用环境要求低、价格低廉、易于成批生产等特点。因此，微机一出现，就显示出强大的生命力。1.1.5计算机的发展趋势

目前，计算机正朝着巨型化、微型化、网络化、智能化和多功能化等方向发展。巨型机的研制、开发和利用代表着一个国家的经济实力和科学水平，微型机的研制、开发和广泛应用则标志着一个国家科学普及的程度。

1．巨型化

目前，巨型化是指具有几千兆字节(MB)以上的存储容量、数万亿次每秒以上的运算速度且外设完备的计算机系统。巨型机主要用于尖端科学技术的研究开发及军事国防系统。

2．微型化

随着半导体技术的飞速发展，20世纪70年代以来，超大规模集成电路微处理器芯片连续更新换代，微型计算机连年降价。微型计算机配有丰富的软件和外设，操作简单，使用方便，很快普及到社会各个领域并走进了千家万户。

3．网络化

网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分散在不同地点的计算机互连起来，按照网络协议相互通信，以达到所有用户均可共享软、硬件和数据资源的目的。Internet(互联网)发展速度惊人。目前，计算机网络已在交通、金融、企业管理、教育、通信、商业等各行业得到了广泛使用。

目前各国都在开发三网合一的系统工程，即将电信网、计算机网、有线电视网合为一体。为适应这种发展，我国已将邮电部、电子工业部、广电部等合并为信息产业部。将来，通过网络能更好地传送数据、文本资料、声音、图形和图像，用户可随时随地在全世界范围拨打可视电话或收看任意国家的电影、电视。

4．智能化

智能化就是要求计算机能模拟人的思维功能和感观，即具有识别声音、图像的能力，有推理、联想、学习的功能，其中最具代表性的领域是专家系统和智能机器人。例如，用运算速度约10亿次每秒的“力量2型”微处理器制成的“深蓝”计算机，1997年战胜了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。1.1.6未来型计算机

1．神经网络计算机

近10年来，日、美和西欧的一些国家大力投入对人工神经网络(ArtificialNeuralNetwork,ANN)的研究，并取得很大发展。人脑是由数千亿个脑细胞(神经元)组成的网络系统。神经网络计算机就是用简单的数据处理单元模拟人脑的神经元，从而模拟人脑活动的一种巨型信息处理系统。它应具有智能特性，能模拟人的逻辑思维、记忆、推理、设计、分析、决策等智能活动，人机之间有自然通信能力。

2．生物计算机

1994年11月，美国首次公布了对生物计算机的研究成果。生物计算机使用生物芯片。生物芯片是以生物工程技术产生的蛋白质分子为主要原材料的芯片。生物芯片具有巨大的存储能力，且以波的形式传输信息，其处理数据的速度比当今最快的巨型机还要快百万倍以上，而能量的消耗仅为其十亿分之一。蛋白质分子具有自我组合的特性，从而可能使生物计算机具有自我调节能力、自我修复能力和自我再生能力，更易于模拟人类大脑的功能。不少科学家预测21世纪可能成为生物计算机的时代。

经过特殊培养后制成的生物芯片，可作为一种新型高速计算机的集成电路。

3．研究中的量子计算机

1996年初，美国科学家发现在某种条件下光子能够发生相互作用，这个发现能够被用来制造新的信息处理器件，从而导致世界上性能最好的超级计算机的出现。

加利福尼亚理工学院的物理学家已经证明，个体光子通常不相互作用，但是当它们与光学谐振腔内的原子聚在一起时，相互之间会产生强烈影响。光子的这种相互作用能用于改进利用量子力学效应的信息处理器件的性能，这些器件转而能形成建造“量子计算机”的基础。量子计算机的性能能够超过基于常规技术的任何处理器件的性能。量子计算于1994起跃居科学研究的前沿，当时研究人员发现了一种在量子计算机上分解大数因子的数学技术。这意味着，在理论上，量子计算机的性能能够超过任何可以想象的标准计算机。量子计算机潜在的用途将涉及人类生活的每一个方面，从工业生产线到公司的办公室，从军用装备到学生课桌，从国家安全系统到自动柜员机。科学家们在实验中已经证明，光子和光学谐振腔内原子之间的相互作用，能为建造光学量子逻辑门奠定基础。

4．光子计算机

利用光子代替现代半导体芯片中的电子，以光互连代替导线互连可以制成全光数字计算机。由于以光硬件代替电子硬件，以光运算代替电运算，因而光子计算机的运算速度比现代微机要快千倍以上。

5．模糊计算机系统

1956年，英国人查德创立了模糊信息理论。依照模糊信息理论，问题的判断不仅仅以是、非两种绝对的值(或0与1两种数码)来表示，而可以用许多值，如接近、几乎、差不多及差得远等模糊值来表示。用这种模糊的、不确切的判断来进行工程处理的计算机就是模糊计算机，或称模糊电脑。模糊计算机是建立在模糊数学基础上的，这种计算机除了具有一般计算机的功能之外，还具有学习、思考、判断和对话的能力，它可以立即辨别外界物体的形状和特征。

6．高速超导计算机

超导计算机是使用超导体元器件制成的高速计算机。所谓超导，是指有些物质在接近绝对零度(相当于－269℃)时，电流流动是无阻力的。1962年，英国物理学家约瑟夫逊提出了超导隧道效应原理，即由超导体－绝缘体－超导体组成器件，当两端加电压时，电子便会像通过隧道一样无阻挡地从绝缘体中穿过去，形成微小电流，而这一器件的两端是无电压降的。约瑟夫逊因此获得诺贝尔奖。

用约瑟夫逊器件制成的电子计算机称为约瑟夫逊计算机，也就是超导计算机，又称超导电脑。这种计算机的耗电量仅为半导体计算机的几千分之一，它执行一个指令只需十亿分之一秒，比半导体计算机快10倍。日本电气技术研究所研制成世界上第一台完善的超导电脑，它采用了4个约瑟夫逊大规模集成电路，每个集成电路芯片只有3～5mm3大小，每个芯片上有上千个约瑟夫逊元件。1.1.7我国计算机的发展

我国从20世纪50年代开始研制高性能计算机系统，与国际发展的阶段类似，也经历了大型机、超级计算机、高性能计算机时代。在这个发展过程中，曙光、银河、神威系列是其有代表性的成果。

中国科学院计算技术研究所作为我国第一个计算机研究所，在我国高性能计算机的发展历史上起了很大的作用。其早期的成果包括我国第一台小型通用数字电子计算机103机、大型系统104机、我国自行设计的107机、第一台晶体管计算机109乙机、109丙机、自行设计的大型系统119机，以及后来的757矢量机、用于石油地质勘探油田开发的大型数据处理机KJ8920，这些都是为科学计算服务的计算机系统。国家智能计算机研究开发中心研发的曙光系列代表着我国高性能计算机的领先水平，从20世纪90年代的曙光一号SMP系统、曙光1000MPP系统、曙光2000－Ⅰ、曙光2000－Ⅱ超级服务器到曙光3000系统，也经过了超级计算机和高性能计算机阶段；从单一的计算功能发展到为数据处理、网络服务应用提供多种服务，并且从1995年开始逐渐走向高性能计算机的产业化道路，使曙光系列高性能计算机广泛为国民经济和信息化建设服务。我国高性能计算机研制中比较突出的还有银河系列、神威系列超级计算机系统，其中银河一号亿次矢量机、神威大规模并行处理系统都具有划时代的意义。另外，航天部门、清华大学、北京航空航天大学、中国科学院计算技术研究所、江南计算所、上海交通大学等单位也研制了许多重要的超级计算机系统。

1985年6月，我国第一台IBMPC兼容微型计算机——长城0520CH研制成功，其后长城、联想、方正等公司纷纷推出国产微型计算机。以联想为代表的PC厂家在设计、生产与服务方面均得到了国内广大用户的认同，其技术已与世界同步，特别是在家用电脑的开发与生产上，更是注重了我国的传统文化与特色。2001年，中国科学院计算技术研究所研制成功我国第一款通用CPU“龙芯”芯片。2002年，曙光公司推出了完全自主知识产权的“龙腾”服务器。早期国产软件主要用于配套专用系统，银河Ⅰ巨型机的操作系统YHOS是我国研制成功的第一个巨型机操作系统。20世纪80年代，国产商品化软件的亮点集中在对国外软件的汉化方面，主要解决汉字的显示及输入问题。第一套中文通用操作系统CCDOS于1983年问世，1989年第一套中文字处理系统WPS推向市场。此外，中文排版系统、财务系统等行业应用软件、游戏软件等也有较大的市场影响。由于受到国外大公司的冲击，在系统软件尤其是操作系统和数据库方面，国产软件的发展道路坎坷。

1999年3月，全球第一套完整的中文Linux发行版——XteamLinux中文版1.0由冲浪平台(中国)软件技术有限公司开发成功并正式发布，受到我国用户的广泛欢迎。中国计算机软件与技术服务总公司于1999年发布的COSIX64，是我国第一个符合国际技术标准的64位高端操作系统，可以胜任国家有关部门的业务应用。目前，我国在Linux操作系统、集成办公软件、信息安全软件和“金卡”、“金税”、“金关”等国家重大信息化工程大型应用软件开发等方面也取得了可喜的进展。

HOPEN等嵌入式操作系统的推出，为国内数字化3C产品的自主开发和产业化提供了技术基础。东大阿尔派的OpenBASE等国产数据库管理系统也具备了一定的市场竞争力。国产软件工程工具以及软件复用技术和软件的构件化生产技术方面的成果为软件企业提高开发能力提供了条件。

20多年来，一大批优秀的国产应用软件在办公自动化、财税、金融电子化建设等电子政务、企业信息化领域以及国民经济和社会生活中得到广泛应用，成功地为“金”系列国家信息化工程开发了应用软件系统，为贯彻落实“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”和大力推广信息技术应用，改造提升传统产业和推动国家信息化建设工作发挥了重要作用。表1.1为我国计算机发展史大事记。表1.1我国计算机发展史大事记

1.2计算机的特点

1．运算速度快

大型、巨型计算机的运算速度由20世纪50年代初的几万次每秒发展到1976年的1亿次每秒及1985年前后的100亿次每秒，90年代初达到1万亿次每秒。1996年，美国已推出2.4万亿次每秒的巨型计算机。2004年，IBM的BlueGene/L的最高运算速度已达70万亿次每秒。

2．计算精度高

计算机内部采用二进制数进行运算，使数值计算非常精确。例如圆周率值的计算，发明计算机前的1500多年中经过数代科学家的人工计算，其精度只达到小数点后的几百位，而第一台计算机诞生后，利用计算机计算其精度可达到2000位，目前计算精度可达到几亿位。现在在中档Pentium 4微机上，编一个小程序就可以计算千位数的阶乘，得到万位以上的有效数字。

3．具有“记忆”功能

计算机的存储器能记忆大量的计算机程序和数据。计算机的存储设备可以把原始数据、中间结果、计算结果、程序等信息存储起来以备使用。

4．存储容量大

目前微型计算机内存储器的容量已达到512MB～4 GB。用若干张光盘甚至可以保存一座图书馆的全部内容。

5．具有逻辑判断功能

计算机不仅能进行计算，还具有逻辑判断能力，能够实现推理和证明，并能根据判断的结果自动决定以后执行的命令，因而能解决各种各样的问题。例如百年数学难题“四色猜想”(任意复杂的地图，使相邻区域的颜色不同，最多只用四种颜色即可完成)，1976年美国两位科学家用IBM-370计算机进行了上百亿次的判断，连续运算1200小时，证明了此难题，当时震惊了整个数学界。

6．高度自动化

人们把需要计算机处理的问题编成程序存储在计算机中，在向计算机发出运行指令后，计算机便在该程序的控制下自动按规定步骤完成指定的任务。

1.3计算机的分类

1.3.1按处理数据方式分类

1．数字计算机

数字计算机处理的是非连续变化的数据，这些数据在时间上是离散的，输入是数字量，输出也是数字量，如职工编号、年龄、工资数据等。数字计算机的基本运算部件是数字逻辑电路，因此其运算精度高，通用性强。

2．模拟计算机

模拟计算机处理和显示的是连续的物理量，所有数据用连续变化的模拟信号来表示，其基本运算部件是由运算放大器构成的各类运算电路。模拟信号在时间上是连续的，通常称为模拟量，如电压、电流、温度等都是模拟量。一般来说，模拟计算机不如数字计算机精确，通用性不强，但解题速度快，主要用于过程控制和模拟仿真。

3．数模混合计算机

数模混合计算机兼有数字和模拟两种计算机的优点，既能接收、输出和处理模拟量，又能接收、输出和处理数字量。1.3.2按使用范围分类

1．通用计算机

通用计算机是指为解决各种问题而设计的、具有较强通用性的计算机。该机适用于一般的科学计算、学术研究、工程设计和数据处理等，具有较广泛的用途。

2．专用计算机

专用计算机是指为适应某种特殊应用而设计的计算机，具有运行效率高、速度快、精度高等特点，一般用在过程控制中，如智能仪表、飞机自动控制系统、导弹导航系统等。1.3.3按计算机规模和处理能力分类

1．巨型计算机

巨型计算机是指运算速度快、存储容量大、运算速度可达几十到几百亿次以上浮点运算每秒、主存容量高达几兆字节甚至几十兆字节、字长可达32位或64位的机器。这类机器价格相当昂贵，主要用于复杂、尖端的科学研究领域，特别是军事科学计算。由国防科技大学研制的“银河”系列和国家智能中心研制的“曙光”系列都属于这类机器。

2．大中型计算机

大中型计算机是指通用性能好、外部设备负载能力强、处理速度快的一类机器。其运算速度在100万次至几万亿次每秒，字长为32位或64位，主存容量在几百兆字节至几千兆字节左右。它有完善的指令系统、丰富的外部设备和功能齐全的软件系统，并允许多个用户同时使用。这类机器主要用于科学计算、数据处理或作为网络服务器使用。

3．小型计算机

小型计算机具有规模较小、结构简单、成本较低、操作简单、易于维护、与外部设备连接容易等特点，是在20世纪60年代中期发展起来的一类计算机。当时的小型机字长一般为16位，存储容量在32千字节与64千字节之间。DEC公司的PDP11/20、PDP11/70等是这类机器的代表。当时微型计算机还未出现，小型计算机得以广泛推广应用，许多工业生产自动化控制和事务处理都采用小型机。近期的小型机像IBMAS/400，其性能已大大提高，主要用于事务处理。

4．微型计算机

微型计算机(简称微机)是以运算器和控制器为核心，加上由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口和系统总线构成的具有一定功能的计算机。其特点是体积小，结构紧凑，价格低。如果把这种计算机制作在一块印刷线路板上，就称为单板机。如果在一块芯片中包含运算器、控制器、存储器和输入/输出接口，就称之为单片机。以微机为核心，再配以相应的外部设备(如键盘、显示器、鼠标、打印机)、电源、辅助电路和控制微机工作的软件，就构成了一个完整的微型计算机系统。

5．工作站

工作站是指为了某种特殊用途而将高性能的计算机系统、输入/输出设备与专用软件结合在一起的系统。它的独到之处是有大容量主存、大屏幕显示器，特别适合于计算机辅助工程。例如，图形工作站一般包括主机、数字化仪、扫描仪、鼠标、图形显示、绘图仪和图形处理软件等。它可以完成对各种图形与图像的输入、存储、处理和输出等操作。

6．服务器

服务器是在网络环境下为多用户提供服务的共享设备，一般分为文件服务器、打印服务器、计算服务器和通信服务器等。该设备连接在网络上，网络用户在通信软件的支持下远程登录，共享各种服务。

目前，微型计算机与工作站、小型计算机乃至中大型计算机之间的界限已经越来越模糊。各类计算机之间的主要区别是运算速度、存储容量及机器体积等。

1.4计算机的应用

1．科学计算

科学计算也称为数值计算，是指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。通过计算机可以解决人工计算无法解决的复杂问题。50多年来，一些现代尖端科学技术的发展都是建立在计算机基础上的，如卫星轨迹计算、气象预报等。

2．数据处理

数据处理也称为非数值处理或事务处理，是指对大量信息进行存储、加工、分类、统计、查询及生成报表等操作。一般来说，科学计算的数据量不大，但计算过程比较复杂；而数据处理的数据量很大，但计算方法较简单。

3．过程控制

过程控制也称为实时控制，是指利用计算机及时采集检测数据，按最佳值迅速对控制对象进行自动控制或自动调节，如对数控机床和流水线的控制。在日常生产中，有一些控制问题是人们无法亲自操作的，如核反应堆控制。有了计算机就可以用它来代替人完成那些繁重或危险的工作。

4．人工智能

人工智能是指用计算机模拟人类的智能活动，如模拟人脑学习、推理、判断、理解、求解问题等过程，辅助人类进行决策。人工智能是计算机科学研究领域最前沿的学科，近几年来已具体应用于机器人、医疗诊断、计算机辅助教育等方面。

5．计算机辅助工程

计算机辅助工程以计算机为工具，配备专用软件辅助人们完成特定的任务，以提高工作效率和工作质量为目标。

计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)技术综合利用计算机的工程计算、逻辑判断、数据处理功能，与人的经验与判断能力结合，形成一个专门系统，用来进行各种图形设计和图形绘制，对所设计的部件、构件或系统进行综合分析与模拟仿真实验。这是近十几年来形成的一个重要的计算机应用领域。目前在汽车、飞机、船舶、集成电路、大型自动控制系统设计中，CAD技术有愈来愈重要的地位。

计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)技术利用计算机对生产设备进行控制和管理，实现无图纸加工。计算机基础教育(ComputerBasedEducation，CBE)主要包括计算机辅助教学(ComputerAidedInstruction，CAI)、计算机辅助测试(ComputerAidedTest，CAT)和计算机管理教学(ComputerManagedInstruction，CMI)等。其中，CAI技术利用计算机模拟教师的教学行为进行授课，学生通过与计算机的交互进行学习并自测学习效果，是提高教学效率和教学质量的新途径。

近年来由于多媒体技术和网络技术的发展，推动了CBE的发展，网上教学和现代远程教育已在许多学校展开。开展CBE不仅使学校教育发生了根本变化，还使学生在学校里就能熟练掌握计算机应用，培养出新世纪的复合型人才。

电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation，EDA)技术利用计算机中安装的专用软件和接口设备，用硬件描述语言开发可编程芯片，将软件进行固化，从而扩充硬件系统的功能，提高系统的可靠性和运行速度。

6．电子商务

电子商务是指通过计算机和网络进行商务活动，是在Internet的广阔联系与传统信息技术的丰富资源相结合的背景下应运而生的一种网上商务活动。

电子商务从1996年开始兴起，起步时间虽然不长，但因其具有高效率、低支付、高收益和全球性等特点，故很快受到各国政府和企业的广泛重视，有着广阔的发展前景。目前，世界各地的许多公司已经开始通过Internet进行商业交易，他们通过网络方式与顾客、批发商和供货商等联系，在网上进行业务往来。

7．娱乐

计算机正在走进家庭，在工作之余，人们使用计算机欣赏影碟和音乐，进行各种游戏等娱乐活动。1.5.1计算机内部是二进制数字世界

在二进制系统中只有0和1两个数。不论是指令还是数据，在计算机中都采用了二进制的编码形式。即便是图形、声音等信息，也必须转换成二进制编码形式，才能存入计算机中。这是因为在计算机内部，信息的表示依赖于机器硬件电路的状态，信息采用什么表示形式，直接影响到计算机的结构与性能。采用二进制编码表示信息有以下几个优点：1.5数制与信息编码

(1)易于物理实现。具有两种稳定状态的物理器件是很多的，如门电路的导通与截止、电压的高与低都恰好对应表示1和0两个符号。假如采用十进制，要制造具有10种稳定状态的物理电路，那是非常困难的。

(2)运算简单。数学推导证明，对R进制数进行算术求和或求积运算，其运算规则有R(R+1)/2种。如采用十进制，就有55种求和与求积的运算规则；而二进制仅有3种，这大大简化了运算器等物理器件的设计。

(3)机器可靠性高。由于电压的高低、电流的有无等都是一种质的变化，两种状态分明，因而二进制码的抗干扰能力强，鉴别信息的可靠性高。

(4)通用性强。二进制码(0和1)不仅成功地运用于数值信息编码(二进制)，而且适用于各种非数值信息的数字化编码。特别是0和1两个符号正好与逻辑命题的“真”与“假”两个值相对应，从而为计算机实现逻辑运算和逻辑判断提供了方便。计算机存储器中存储的都是由“0”和“1”组成的信息，但它们分别有其各自不同的含义，有的表示机器指令，有的表示二进制数据，有的表示英文字母，有的则表示汉字，还有的可能表示色彩与声音。存储在计算机中的信息采用了各自不同的编码方案，同一类型的信息也可以采用不同的编码方案。

虽然计算机内部均用二进制数来表示各种信息，但计算机与外部交往仍采用人们熟悉和便于阅读的形式，如十进制数据、文字显示以及图形描述等，其间的转换由计算机系统的硬件和软件来实现。1.5.2计算机的数字系统

数值信息在计算机内用二进制数来表示。为了运算简单，在不同的场合采用“原码”和“补码”等不同的编码方法，并采用“定点数”和“浮点数”方式来分别表示整型数和实型数。

人们日常生活中最熟悉的是十进制数，但在与计算机打交道时，会接触到二进制、八进制、十六进制数。无论哪种数制，都属于进位记数制。

1．认识进位记数制

一般来说，如果数制只采用R个基本符号，则称为基R数制，R称为数制的“基数”，而数制中每一固定位置对应的单位值称为“权”。

进位记数制的编码符合“逢R进位”的规则，各位的权是以R为底的幂，一个数可按权展开成为多项式。例如，十进制数256.47可按权展开为

256.47=2×102+5×101+6×100+4×10－1+7×10－2下面是我们需要熟悉的几种进位记数制：

二进制R = 2基本符号：0,1

八进制R = 8基本符号：0,1,2,3,4,5,6,7

十进制R = 10基本符号：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

十六进制R = 16基本符号：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F

其中，十六进制数符A～F分别对应十进制的10～15。对于二进制来说，基数为2，每位的权是以2为底的幂，遵循“逢二进一”的原则，基本符号只有0和1两个。1011.01就是二进制数。

当然，二进制也有其不足之处，如它表示数的容量最小。表示同一个数，二进制较其他进制需要更多的位数。

2．几种进位记数制之间的转换

1) R进制转换为十进制

基数为R的数字，只要将各位数字与它的权相乘，其积相加，和数就是十进制数。

例如：

1101101.01012=1×26+1×25+0×24+1×23+1×22+0×21

+1×20+0×2－1+1×2－2+0×2－3+1×2－4

= 109.3125

 3506.28= 3×83+5×82+0×81+6×80+2×8－1=1862.25

 0.2A16=2×16－1+10×16－2=0.1640625从上面几个例子可以看到，当把R进制数转换为十进制数时，可以把小数点作为基点，分别向左右两边进行，即对其整数部分和小数部分分别转换。对于二进制数来说，只要把数位是1的那些位的权值相加，其和就是等效的十进制数。因此，二—十进制数的转换是最简便的，同时也是最常用的。

2)十进制转换为R进制

将十进制数转换为基数为R进制的等效表示时，可将此数分成整数和小数两部分分别转换，然后再拼接起来即可。

十进制整数转换成R进制的整数，可用十进制数连续地除以R，其余数即为R进制的各位系数。此方法称为除R取余法。

例如，将5710转换为二进制数：所以5710 = 1110012

十进制小数转换成R进制数时，可连续地乘以R，直到小数部分为0或达到所要求的精度为止(小数部分可能永远不为零)，每次乘R所得到的整数即组成R进制的小数部分，此法称为乘R取整。例如，将0.312510转换成二进制数：

要注意的是，十进制小数常常不能准确地换算为等值的二进制小数(或其他R进制数)，有换算误差存在。

例如，将0.562710

转换成二进制数：

0.5627 × 2 = 1.1254

0.1254 × 2 = 0.2508

0.2508 × 2 = 0.5016

0.5016 × 2 = 1.0032

0.0032 × 2 = 0.0064

0.0064 × 2 = 0.0128此过程会不断进行下去(小数位达不到0)，因此只能取到一定精度，即保留几位小数：

0.562710 = 0.1001002

若将十进制数57.3125转换成二进制数，可分别进行整数部分和小数部分的转换，然后再拼在一起：

57.312510 = 111001.01012

3)二进制、八进制、十六进制的相互转换

二进制、八进制、十六进制的相互转换应用较多。由于这三种进制的权之间有内在的联系，即23 = 8，24 = 16，因而它们之间的转换比较容易，即每位八进制数对应三位二进制数，每位十六进制数对应四位二进制数。

在转换时，位组划分以小数点为中心向左右两边延伸，中间的0不能省略，两头不够位数时可以用0补齐。例如，将1011010.10转换成八进制和十六进制数：

将十六进制数F7.28转换为二进制数：将八进制数25.63转换为二进制数：1.5.3信息存储单位

上节已经提到，在计算机内部，各种信息都是以二进制编码形式存储的，因此我们有必要了解一下信息的存储单位。

信息的存储单位通常采用“位”、“字节”和“字”表示。

1．位(bit)

位是度量数据的最小单位，用来表示一位二进制信息。

2．字节(byte)

一个字节由8位二进制数字组成(1byte = 8bit)。字节是信息存储中最常用的基本单位，通常用B表示。

计算机的存储器(包括内存与外存)通常也以字节数来表示其容量。常用的存储单位有：

KB(千字节) 1KB = 1024B

MB(兆字节) 1MB = 1024KB

GB(千兆字节) 1GB = 1024MB

TB(太字节) 1TB = 1024GB

3．字(word)

字是位的组合，并作为一个独立的信息单位处理。字又称为计算机字，它的含义取决于机器的类型、字长以及使用者的要求。

信息单位用来描述机器内部数据的格式，即数据(包括指令)在机器内的排列形式，如单字节数据、可变长数据(以字节为单位组成几种不同长度的数据格式)等。

4．机器字长

在讨论信息单位时，还有一个与机器硬件指标有关的单位，这就是机器字长。机器字长一般是指参加运算的寄存器所含有的二进制数的位数，它代表了机器的精度。机器的功能设计决定了机器的字长。一般大型机用于数值计算，为保证足够的精度，需要较长的字长，如32位、64位或更长等。现在的小型机、微机一般字长为32位、64位等。1.5.4信息编码

1．西文编码

1) ASCII码

ASCII码是“美国信息交换标准代码”的简称，是目前国际上最为流行的字符信息编码方案。ASCII码包括0～9十个数字、大小写英文字母及专用符号等95种可打印字符，还有33种控制字符(如回车、换行等)。一个字符的ASCII码通常占一个字节，用7位二进制数编码组成，所以ASCII码最多可表示128个不同的符号。例如，数字0～9用ASCII编码表示为30H～39H，“H”表明是十六进制形式。30H转化成二进制为0110000，这就是机器内数字0的ASCII码表示。

又如，大写英文字母A～Z的ASCII编码为41H～5AH。字母Z的机内表示为

01011010

5A

ASCII码采用7位编码，没有用到字节的最高位，很多系统就利用这一位作为校验码，以提高字符信息传输的可靠性。

2) EBCDIC码

EBCDIC码是美国IBM公司在其各类机器上广泛使用的一种信息代码。

一个字符的EBCDIC码占用一个字节，用8位二进制码表示，最多可以表示出256个不同代码。

例如，数字“0”的EBCDIC码为F0H，字母“A”的编码为C1H，即：

2．中文编码

汉字在计算机内也是采用二进制数字编码来表示的。

汉字的数量大，常用的有几千个，显然用一个字节(8位编码)是不够的。目前的汉字编码方案有二字节、三字节甚至四字节的。下面我们主要介绍“国家标准信息交换用汉字编码”(GB 2312—80标准)，以下简称国标码。

国标码是二字节码，用两个7位二进制数编码表示一个汉字。

目前国标码收入6763个汉字，其中一级汉字(最常用)3755个，二级汉字3008个；另外还包括682个西文字符、图符。例如，“巧”字的代码是39H41H，在机内形式如下：

01110011000001

第一字节第二字节

在计算机内部，汉字编码和西文编码是共存的，如何区分它们是个很重要的问题，因为对不同的信息有不同的处理方式。方法之一是对于二字节的国标码，将两个字节的最高位都置成“1”，而ASCII码所用字节最高位保持“0”，然后由软件(或硬件)根据字节最高位来做出判断。当前，另一种编码——“Unicode码”已成为信息编码的标准。Unicode码是由国际标准化组织ISO于20世纪90年代初制定的一种16位字符编码标准，它以两个字节表示一个字符。Unicode码允许世界上几乎所有书面语言都能用单一的字符集表示，其中也包括中文。相比而言，8位的ASCII码就只能表示英文字母和部分符号。在Unicode码的65 536个可能的编码中，有39 000个字符编码已经有了规定，其中21 000个编码用于表示汉字。Unicode编码中尚未定义的编码留待以后使用。1.5.5信息的内部表示与外部显示

我们周围的信息是多种多样的，如文字、数字、图像、声音乃至各种仪器输出的电信号等。各种各样的信息都可以在计算机内存储和处理，而机内表示它们的方法只有一个，就是采用基于符号“0”和“1”的数字化信息编码。不同的信息需要采用不同的编码方案，如上面介绍的几种中、西文编码。二进制数可被看做是数值信息的一种编码。计算机的外部信息需要经某种转换变为二进制编码信息后，才能被计算机主机所接收；同样，计算机内部信息也必须经转换后才能恢复信息的“本来面目”。这种转换通常是由计算机的输入/输出设备来实现的，有时还需要软件来参与这种转换过程。

例如我们最常使用的终端，就是人与计算机交换信息的外部设备，它主要用于在人和机器之间传递字符数据。

当一个程序要求用户在终端上输入十进制数“10”时，这个数值信息怎样传递给程序呢?

(1)用户在键盘上先后按下“1”和“0”两个键。

(2)终端的编码电路依次接收到这两个键的状态变化，并先后产生对应于“1”和“0”的用ASCII码表示的字符数据(31H和30H)，然后送往主机。

(3)主机的终端接口程序一方面将接收到的两个ASCII码回送给终端(这样，当用户敲入“1”时，终端屏幕上就显示出“1”)，另一方面将它们依次传给有关程序。

(4)程序根据数据类型的定义，将这两个字符数据转换成相应十进制数的二进制表示(00001010)。同样，当一个运算结果被送往终端显示时，首先要将数值信息转换为字符数据，即每一位数字都要转换成相应的ASCII码，然后由主机传到终端。终端再将这些ASCII码转换成相应的字符点阵信息，用来控制显示器的显示。

当然，上述输入/输出过程对普通用户来说应该是透明的。用户可以在终端上根据程序的需要，或者输入数值信息，或者输入字符信息。

至于如何将图像、声音和其他形式的信息送入计算机，要靠一些专用的外部设备，如图形扫描仪、语音卡等。它们的功能也是将不同的输入信息转换成二进制信息并存入计算机，然后由计算机(软件)做进一步的分析与处理。当然处理这些信息比处理字符信息要复杂得多。微型计算机是目前使用最广泛的计算机系统，本节主要介绍微型计算机系统的组成及各主要部分的功能，使读者对微型计算机有一个整体的了解，并掌握计算机的基本操作。

1.6.1微型计算机系统组成

微型计算机系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成。1.6微型计算机组成与工作原理

1．硬件系统

硬件是组成计算机的物理实体，它提供了计算机工作的物质基础，人通过硬件向计算机系统发布命令、输入数据，并得到计算机的响应，计算机内部也必须通过硬件来完成数据存储、计算及传输等各项任务。无论是哪一种计算机，一个完整的硬件系统从功能角度而言必须包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分，每个功能部件各尽其职、协调工作。微型计算机也是基于这五部分组成的。根据微型计算机的特点，可将硬件系统分为主机和外部设备两部分，如图1.1所示。图1.1硬件系统分类典型的微型计算机硬件系统外观示意图如图1.2所示。图1.2典型的微型计算机硬件系统外观示意图

2．软件系统

软件内容丰富、种类繁多，根据其用途可分为系统软件和应用软件两类，如图1.3所示。这些软件都是用程序设计语言编写的程序。图1.3软件系统分类1.6.2硬件系统

1．主机

主机是微型计算机系统的核心，主要由CPU、内存储器(简称内存)、输入/输出设备接口(简称I/O接口)、总线和扩展槽等构成，通常被封装在主机箱内，制成一块或多块印刷电路板，称为主机板，简称主板或系统板。主机箱内部实物图如图1.4所示。图1.4主机箱内部实物图

1)主板

从功能上讲主板就是主机，是一个插槽的集合体，也是整个硬件系统的平台。无论是奔腾(Pentium)、赛扬(Celeron)还是毒龙(Duron)，所用主板在工作原理、主要器件的设置上都差不多。主板按结构分为AT主板和ATX主板，按其大小分为标准板、Baby、Micro板等几种。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。随着计算机的不断发展，不同型号的微型计算机的主板结构是不一样的，典型的主板外观示例如图1.5所示。图1.5典型主板外观示例主板主要由以下部件组成：

(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。芯片组被固定在主板上，不能像CPU、内存那样等进行简单的升级换代。

芯片组的作用是在BIOS和操作系统的控制下，按照统一规定的技术标准和规范为计算机中的CPU、内存、显卡等部件建立可靠的安装、运行环境，为各种接口的外部设备提供可靠的连接。

(2) CPU插槽。CPU插槽用于固定连接CPU芯片。由于集成化程度和制造工艺的不断提高，越来越多的功能被集成到CPU上。为了使CPU安装更加方便，现在CPU插槽基本上采用零插槽式设计。

(3)内存插槽。随着内存扩展板的标准化，主板给内存都预留有专用插槽，只要购买与主板插槽匹配的内存条，就可以实现内存的扩充和即插即用。

(4)总线扩展槽。主板上有一系列的扩展槽，用来连接各种功能卡。用户可以根据自己的需要在扩展槽上插入各种用途的卡，如显示卡、声卡、防病毒卡、网卡等，以扩展微型计算机的功能。卡插入扩展槽后，就可以通过系统总线与CPU连接，在操作系统的支持下实现即插即用。这种开放的体系结构为用户组合各种功能设备提供了方便。

(5)输入/输出接口。输入/输出接口是CPU与外部设备之间交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。I/O接口分为总线接口和通信接口两类。当需要外部设备或用户电路与CPU之间进行数据、信息交换以及控制操作时，应使用微型计算机总线把外部设备或用户电路与计算机连接起来，这时就需要使用微型计算机总线接口；当微型计算机系统与其它系统直接进行数字通信时，使用通信接口。所谓总线接口，是把微型计算机总线通过电路插座的形式提供给用户的一种总线插槽，供插入各种功能卡。插槽的各个管脚与微型计算机总线的相应信号线相连，用户只要按照总线排列的顺序制作外部设备或用户电路的插线板，即可实现外部设备或用户电路与系统总线的连接，使外部设备或用户电路与微型计算机系统成为一体。常用的总线接口有：AT总线接口、PCI总线接口、IDE总线接口等。

AT总线接口多用于连接16位微型计算机系统中的外部设备，如16位声卡、低速显示适配器、16位数据采集卡以及网卡等。PCI总线接口用于连接32位微型计算机系统中的外部设备，如3D显示卡、高速数据采集卡等。IDE总线接口主要用于连接各种磁盘和光盘驱动器，可以提高系统的数据交换速度和能力。通信接口是指微型计算机系统与其它系统直接进行数字通信的接口电路，通常分为串行通信接口和并行通信接口两种，即串口和并口。串口用于连接如Modem这种低速外部设备，传送信息的方式是一位一位地依次进行。串口的标准是EIA(ElectronicsIndustryAssociation，即电子工业协会)RS-232C标准。串口的连接器有D型9针插座和D型25针插座两种，位于计算机主机箱的后面板上。鼠标一般就连接在这种串口上。并行接口多用于连接打印机等高速外部设备，传送信息的方式是按字节进行，即8个二进制位同时传送。PC机使用的并口为标准并口Centronics。并口也位于计算机主机箱的后面板上。

I/O接口一般做成电路插卡的形式，所以通常把它们称为适配卡，如软盘驱动器适配卡、硬盘驱动器适配卡(IDE接口)、并行打印机适配卡(并口)、串行通信适配卡(串口)，以及显示接口、音频接口、网卡接口(RJ45接口)、调制解调器使用的电话接口(RJ11接口)等。在386以上的微型计算机系统中，通常将这些适配卡做在一块电路板上，称为复合适配卡或多功能适配卡，简称多功能卡。

通用串行总线接口(USB)并不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的接口技术。USB版本经历了多年的发展，到现在已经发展为2.0版本，成为目前微机中的标准扩展接口。目前主板中主要采用USB 1.1和USB 2.0接口，各USB版本间能很好地兼容。USB用一个4针插头作为标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，最多可以连接127个外部设备，并且不会损失带宽。

目前的主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，主板上也安装有USB接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上还预留有USB插针，可以通过连线接到机箱前面作为前置USB接口以方便使用(注意，在接线时要仔细阅读主板说明书并按图连接，千万不可接错而使设备损坏)。通过USB接口还可以使用专门的USB连机线实现双机互连，并可以通过HUB(集线器)扩展出更多的接口。

USB具有传输速度快(USB 1.1的传输速度是12 Mb/s，USB 2.0的传输速度是480 Mb/s)、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等优点，可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存、MP3、手机、数码相机、移动硬盘、外置光驱、USB网卡、ADSLModem、CableModem等几乎所有的外部设备。

IEEE 1394接口是Apple公司开发的串行标准，又称Firewire接口。IEEE 1394接口也是串行数据总线，目前能够在计算机与外围设备间提供100、200、400Mb/s的传输速率。与USB技术不同，该接口不要求PC端作为所有接入外设的控制器，不同的外设可以直接在彼此之间传递信息。另外，利用IEEE1394接口，两台电脑可同时共享同一个外设。

利用IEEE1394的拓扑结构，该接口不需要集线器就可连接63台设备，并且可由桥网将独立的子网连接起来，该接口不需要强制用电脑控制这些设备。

IEEE1394b接口规范能够实现传输速率为800Mb/s和1.6Gb/s的高速通信方式。与其前身相比该技术的特点是可实现较长距离数据的传输。

(6)基本输入/输出BIOS和CMOS。BIOS是一组存储在EPROM中的软件，固化在主板的BIOS芯片上，主要作用是负责对基本I/O系统进行控制和管理。CMOS是一种存储BIOS所使用的系统存储器，是微机主板上的一块可读/写的ROM芯片，用来保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。当计算机断电时，BIOS芯片由一块电池供电，使存储器中的信息不被丢失。用户可以利用CMOS对微机的系统参数进行设置。

BIOS负责从计算机开始加电到完成操作系统引导之前的各个部件和接口的检测、运行管理。在操作系统引导完成后，由CPU控制完成对存储设备和I/O设备的各种操作、系统各部件的能源管理等。

2)中央处理器(CPU)

在微型计算机中，中央处理器也称为微处理器(MPU)，是一个超大规模集成电路器件，是微型计算机的心脏。它起到控制整个微型计算机工作的作用，产生控制信号对相应的部件进行控制，并执行相应的操作。不同型号的微型计算机，其性能的差别首先在于其微处理器性能的不同，而微处理器的性能又与它的内部结构、硬件配置有关。每种微处理器具有专门的指令系统。

但无论哪种微处理器，其内部结构是基本相同的，主要由运算器、控制器及寄存器等组成。其中运算器用于对数据进行算术运算和逻辑运算，即进行数据的加工处理；控制器用于分析指令，协调I/O操作和内存访问；寄存器用于临时存储指令、地址、数据和计算结果。通常我们所说的Pentium、Pentium Ⅲ、Pentium 4等，都是指CPU的型号，CPU型号决定计算机的性能。常见的CPU如图1.6所示。图1.6奔腾微处理器

3)内存储器

内存储器是直接与CPU相联系的存储设备，是微型计算机工作的基础，位于主板上。通常，内存储器分为只读存储器、随机读/写存储器和高速缓冲存储器三类。内存储器一般做成条状，欲称内存条。常见的内存条如图1.7所示。图1.7内存条

(1)只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM)。ROM是指只能从中读数据，而不能往里写数据的存储器。ROM中的数据是由设计者和制造商事先编制好的，并固化在存储器中，使用者不能随意更改。ROM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，如存储BIOS参数的CMOS芯片即采用ROM。ROM的特点是计算机断电后，存储器中的数据仍然存在。

(2)随机读/写存储器(RandomAccessMemory，RAM)。一切要执行的程序和数据都要事先装入该存储器内。随机读/写的含义是指既能从该设备中读数据，也可以往里写数据。CPU在工作时，直接从RAM中读数据，而RAM中的数据来自外存，并随着计算机的工作随时变化。

RAM的特点主要有两个：一是存储器中的数据可以反复使用，只有向存储器写入新数据时存储器中的内容才被更新；二是RAM中的信息随着计算机的断电而自然消失。因此说RAM是计算机处理数据的临时存储区，要想长期保存数据，必须将数据保存在外存中。

目前微型计算机中的RAM大多采用半导体存储器，做成内存条的形式，其优点是扩展方便，用户可根据需要随时增加内存。常见的内存条有32 MB、64 MB和128 MB等几种。使用时只要将内存条插在主板的内存插槽上即可。

(3)高速缓冲存储器(Cache)。Cache是在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。Cache通常被固化在主板上。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的容量在32～256 KB之间，存/取时间在15～35ns(纳秒)之间，而RAM的存/取时间一般要大于80ns。

4)总线

总线是一组连接各个部件的公共通信线，即系统各部件之间传送信息的公共通道。总线由一组物理导线组成，按其传送的信息可分为数据总线、地址总线和控制总线三类。按总线接口类型来划分，有ISA总线、PCI总线和AGP总线等。不同的CPU芯片，数据总线、地址总线和控制总线的数量也不同。

PCI总线是目前计算机常用的标准总线结构，它使图形显示、硬盘驱动器、网络适配器等需要高速性能的外设的速度进一步得到提高。

(1)数据总线(DataBus，DB)。数据总线用来传送数据信息，是双向总线。CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据，又可通过DB将内部数据送至内存或输出设备。它决定了CPU和计算机其它部件之间每次交换数据的位数。80486CPU有32条数据线，每次可以交换32位数据。

(2)地址总线(AddressBus，AB)。地址总线用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线。传送地址信息的目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。一般存储器是按地址访问的，所以每个存储单元都有一个固定地址，要访问1 MB存储器中的任一单元，需要给出1 MB个地址，即需要20位地址(220≈1 M)。因此，地址总线的宽度决定了CPU的最大寻址能力。80286CPU有24根地址线，其最大寻址能力为16 MB。

(3)控制总线(ControlBus，CB)。控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。其中有的是CPU向内存或外部设备发出的信息，有的是内存或外部设备向CPU发出的信息。显然，CB中的每一根线的方向都是一定的，并且是单向的，但作为一个整体则是双向的。因此，在各种结构框图中，凡涉及到控制总线CB，均以双向线表示。

2．外部存储器

外部存储器即外存，也称辅存，是内存的延伸，其主要作用是长期存放计算机工作所需要的系统文件、应用程序、用户程序、文档和数据等。CPU将需要执行的某部分程序或数据由外存调入内存，以供CPU访问。由此可见，外存的作用是扩大存储系统的容量。外存主要有磁盘或磁带等，它既属于输入设备，又属于输出设备。磁盘是微型计算机使用的主要存储设备，分为硬盘、软盘和光盘三种。通常一台微型计算机至少安装一个硬盘存储器、一个软盘存储器和一个光盘存储器。硬盘存储器的特点是存储容量大，读/写速度快，密封性好，可靠性高，使用方便，有些软件只需在硬盘上安装一次便能长期使用运行。软盘存储器的特点是成本低，重量轻，价格便宜，盘片易携带、易保存，但运行软盘上的软件需在每次运行时都插入软盘。

1)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。

软盘适配器与软盘驱动器安装在主机箱内，软盘驱动器插槽安装在主机箱的前面板上，可方便地插入或取出软盘。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，而不能往软盘上写信息。

2)硬盘存储器

硬盘存储器(简称硬盘)是由电机和盘片组成的，一般置于主机箱内，其结构剖面图如图1.8所示。盘片是涂有磁性材料的磁盘组件，用于存放数据。根据容量，一个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，硬盘的磁头不与盘片表面接触，它“飞”在离磁盘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。封装硬盘的外观图如图1.9所示。

图1.8硬盘的结构剖面图图1.9封装硬盘外观图

(1)硬盘的结构。一个硬盘可以有1～10张甚至更多的盘片，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、柱面数及每个磁道扇区数。由于硬盘一般均有多个盘片，因而用柱面这个参数来代替磁道。每一扇区的容量为512 B，硬盘的容量为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，因此安装新磁盘后，需要对主机进行硬盘类型的设置。此外，当计算机发生某些故障时，也需要重新进行硬盘类型的设置。

①固定式硬盘。固定式硬盘固定安装在主机箱内，其容量在20～160 GB之间，甚至更大。当容量不足时，可再扩充另一个硬盘。

②移动式硬盘。移动式硬盘如同软盘一样使用方便，只是它的速度与容量都远超过软盘。移动式硬盘的容量为20～120 GB，适合于备份数据时使用。固定式硬盘使用率最高。

(2)硬盘的性能指标。硬盘的性能指标一般包括存储容量、速度、访问时间及平均无故障时间等。

(3)使用硬盘的准备工作。使用新硬盘之前，必须进行以下准备工作：硬盘的低级格式化、硬盘分区和硬盘的高级格式化。

①硬盘的低级格式化。硬盘的低级格式化即硬盘的初始化，其主要目的是对一个