計算機硬件系統(tǒng)

第2章計算機硬件系統(tǒng)

本章內(nèi)容信息工具——計算機計算機的工作原理微機系統(tǒng)及其主要指標嵌入式計算機系統(tǒng)計算機應(yīng)用

2.1信息工具——計算機2.1.1計算機的起源與發(fā)展2.1.2計算機的特點2.1.3計算機的分類2.1.4計算機的應(yīng)用2.1.5計算機的發(fā)展趨勢

2.1.1計算機的起源與發(fā)展1.計算機的起源現(xiàn)代計算機是從古老的計算工具一步步發(fā)展而來的。第一臺真正意義上的電子計算機于1946年2月在美國賓夕法尼亞大學問世，取名為ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，電子數(shù)字積分計算機）。ENIAC用十進制計算，每秒5000次加法運算，沒有鍵盤、鼠標等設(shè)備，人們只能通過扳動龐大面板上的無數(shù)開關(guān)向計算機輸入信息。計算機問世以后，經(jīng)過半個多世紀的飛速發(fā)展，已由單純的計算工具發(fā)展成為在信息社會中舉足輕重、不可缺少的具有強大信息處理功能的現(xiàn)代化電子設(shè)備。

2.1.1計算機的起源與發(fā)展發(fā)展階段邏輯元件存儲設(shè)備性能特點應(yīng)用第一代電子管先：水銀延遲線后：磁鼓或磁芯算機體積大，耗電多，價格高，速度和可靠性都不高科學計算第二代晶體管磁芯存儲器體積大減小，速度及可靠性大為提高科學計算、數(shù)據(jù)處理、過程控制第三代集成電路半導體存儲器標準化、通用化、系列化更加廣泛第四代大規(guī)模集成電路半導體存儲器運算速度、存儲容量、可靠性及性價比空前提高、軟件豐富網(wǎng)絡(luò)化2.計算機的發(fā)展

2.1.1計算機的發(fā)展3.新一代計算機新一代計算機習慣上被稱為第五代計算機，它是對第四代計算機以后的各種未來型計算機的總稱。新一代計算機能夠在很大程度上模擬人類大腦的機制，具有人類大腦所特有的聯(lián)想、推理、學習等功能，具有對語言、聲音、圖像及各種模糊信息的感知、識別和處理能力。新一代計算機是從20世紀80年代開始研制的?，F(xiàn)在已提出了智能計算機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機、生物計算機及光子計算機等各種設(shè)想和描述，在實際研制過程中也取得了一些重要進展。

2.1.1計算機的發(fā)展4.我國計算機的發(fā)展1956開始研究，1958年研究出第一臺電子管計算機1964年：晶體管計算機，1971年：集成電路計算機1983年：“銀河Ⅰ”巨型機，運算速度每秒1億次1995年：“曙光1000”研制完成1997年：“銀河Ⅲ”巨型機，運算速度每秒130億次2008年：曙光5000A研制成功，繼美國后第二個成功研制浮點速度在百萬億次的超級計算機。2010年：國際超級計算機大會公布中國超級計算機“星云”是世界第二快的計算機，僅僅排在美國克雷公司的“美洲豹XT5”之后。2010年：經(jīng)過一年時間全面的系統(tǒng)升級后，“天河一號”在第36屆全球超級計算機五百強排名中奪魁。實測運算速度可達每秒2570萬億次。

2.1.2計算機的特點1.高速性計算機的運算部件采用的是電子器件，其運算速度遠非其他計算工具所能比擬，而且其運算速度還在以每隔幾個月提高一個數(shù)量級的速度在快速發(fā)展。2.存儲性計算機的存儲性是計算機區(qū)別于其他計算工具的重要特征。計算機的存儲器可以把原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、運算指令等存儲起來以備隨時調(diào)用。存儲器不但能夠存儲大量的信息，而且能夠快速準確地存入或取出這些信息。存儲性是計算機能夠自動運算的前提和基礎(chǔ)。3.通用性通用性是計算機能夠應(yīng)用于各種領(lǐng)域的基礎(chǔ)。任何復雜的任務(wù)都可以分解為基本的算術(shù)運算和邏輯操作集合，計算機程序員可以把這些基本的運算和操作按照一定規(guī)則（算法）寫成一系列操作指令，加上運算所需的數(shù)據(jù)，形成適當?shù)某绦蚓涂梢酝瓿筛鞣N各樣的任務(wù)。2.1.2計算機的工作的特點

4.自動性計算機內(nèi)部的操作運算是根據(jù)人們預(yù)先編制的程序自動控制執(zhí)行的。只要把包含一連串指令的處理程序和要處理的數(shù)據(jù)輸入計算機，計算機便會依次取出指令，逐條執(zhí)行，完成各種規(guī)定的操作，直到得出結(jié)果為止。5.精確性計算機通常采用二進制運算，這使得計算機的狀態(tài)穩(wěn)定，算術(shù)和邏輯運算規(guī)則簡單，可靠性很高，差錯率極低。一般來講，只在人工介入的地方才有可能發(fā)生錯誤，這就是計算機的精確性。

2.1.3計算機的分類

1.按信息表示形式和處理方式劃分根據(jù)信息表示形式和處理方式的不同，計算機可分為模擬計算機和數(shù)字計算機兩大類。模擬計算機的主要特點：參與運算的數(shù)值由不間斷的連續(xù)量表示，其運算過程是連續(xù)的。數(shù)字計算機的主要特點：參與運算的數(shù)值用離散的數(shù)字量表示，其運算過程按數(shù)字位進行計算。目前主流的計算機都屬于數(shù)字計算機。2.按計算機的用途劃分電子計算機按用途可分為專用計算機和通用計算機。專用計算機與通用計算機在效率、速度、配置、結(jié)構(gòu)復雜程度、造價和適應(yīng)性等方面是有區(qū)別的。專用計算機針對某類問題能顯示出最有效、最快速和最經(jīng)濟的特性，但它的適應(yīng)性較差，不適于其他方面的應(yīng)用。在導彈和火箭上使用的計算機很多是專用計算機。通用計算機適應(yīng)性很強，應(yīng)用面很廣，但其運行效率、速度和經(jīng)濟性依據(jù)不同的應(yīng)用對象會受到不同程度的影響。2.1.3計算機的分類

3.按計算機的規(guī)模劃分通用計算機按其規(guī)模、速度和功能等又可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機及單片機。這些類型之間的基本區(qū)別通常在于其體積大小、結(jié)構(gòu)復雜程度、功率消耗、性能指標、數(shù)據(jù)存儲容量、指令系統(tǒng)和設(shè)備、軟件配置等方面的不同。一般來說，巨型計算機的運算速度很快，可達每秒幾百萬億條或更多指令，數(shù)據(jù)存儲容量很大，規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復雜，價格高昂，主要用于大型科學計算。它也是衡量一個國家科學實力的重要標志之一。單片機則只由一片集成電路制成，其體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)十分簡單。性能介于巨型機和單片機之間的就是大型機、中型機、小型機和微型機，它們的性能指標和結(jié)構(gòu)規(guī)模則依次遞減。

2.1.4計算機的應(yīng)用

1.數(shù)值計算計算機最初是為解決科學研究和工程設(shè)計中遇到的大量數(shù)學問題的數(shù)值計算而研制的計算工具，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進一步發(fā)展，數(shù)值計算在現(xiàn)代科學研究中的地位不斷提高，在尖端科學領(lǐng)域中尤為重要。例如，人造衛(wèi)星軌跡的計算，房屋抗震強度的計算，火箭、宇宙飛船的研究設(shè)計都離不開計算機的精確計算。2.數(shù)據(jù)處理（信息處理）在科學研究和工程技術(shù)中，會得到大量的原始數(shù)據(jù)，其中包括大量圖片、文字、聲音等。信息處理就是對數(shù)據(jù)進行收集、分類、排序、存儲、計算、傳輸和制表等操作。目前計算機的信息處理應(yīng)用已非常普遍，如人事管理、庫存管理、財務(wù)管理、圖書資料管理、商業(yè)數(shù)據(jù)交流、情報檢索和經(jīng)濟管理等信息處理是當代計算機的主要任務(wù)，是現(xiàn)代化管理的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計，全世界計算機用于數(shù)據(jù)處理的工作量占全部計算機應(yīng)用工作量的80%以上，大大提高了工作效率和管理水平。

3.自動控制自動控制是指通過計算機對某一過程進行自動操作，它不需人工干預(yù)，能按人預(yù)定的目標和預(yù)定的狀態(tài)進行過程控制。目前被廣泛用于鋼鐵、石油化工、醫(yī)藥工業(yè)等操作復雜的生產(chǎn)中。使用計算機進行自動控制可大大提高控制的實時性和準確性，提高勞動效率、產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短生產(chǎn)周期。計算機自動控制還在國防和航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。例如，無人駕駛飛機、導彈、人造衛(wèi)星和宇宙飛船等飛行器的控制都是靠計算機實現(xiàn)的?？梢哉f計算機是現(xiàn)代國防和航空航天領(lǐng)域的神經(jīng)中樞。2.1.4計算機的應(yīng)用

4.計算機輔助設(shè)計和輔助教學計算機輔助設(shè)計（CAD，ComputerAidedDesign）：借助計算機的幫助，自動或半自動地完成各類工程設(shè)計工作。計算機輔助制造（CAM，ComputerAidedManufacturing）計算機輔助測試（CAT，ComputerAidedTest）計算機輔助教學（CAI，ComputerAidedInstruction）：用計算機來輔助完成教學計劃或模擬某個實驗過程。CAI不僅能減輕教師的負擔，還能激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量，為培養(yǎng)現(xiàn)代化高質(zhì)量人才提供了有效途徑。2.1.4計算機的應(yīng)用

5.人工智能方面的研究和應(yīng)用人工智能（AI，ArtificialIntelligence）是指計算機模擬人類某些智力行為的理論、技術(shù)和應(yīng)用。例如，用計算機模擬人腦的部分功能進行思維學習、推理、聯(lián)想和決策，使計算機具有一定“思維能力”。機器人是計算機人工智能的典型例子。6.多媒體技術(shù)應(yīng)用隨著電子技術(shù)，特別是通信和計算機技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)有能力把文本、音頻、視頻、動畫、圖形和圖像等各種媒體綜合起來，構(gòu)成一種全新的媒體——“多媒體”（Multimedia）。在醫(yī)療、教育、商業(yè)、銀行、保險、行政管理、軍事、工業(yè)、廣播和出版等領(lǐng)域中，多媒體的應(yīng)用發(fā)展很快。2.1.4計算機的應(yīng)用

7.計算機網(wǎng)絡(luò)與通信隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計算機的應(yīng)用進一步深入到社會的各行各業(yè)，通過高速信息網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的查詢，高速通信服務(wù)（電子郵件、電視電話、電視會議、文檔傳輸），電子教育，電子娛樂，電子購物（通過網(wǎng)絡(luò)選看商品、辦理購物手續(xù)、質(zhì)量投訴等），遠程醫(yī)療和會診以及交通信息管理等。計算機的應(yīng)用將推動信息社會更快地向前發(fā)展。利用通訊技術(shù)，可以將不同地理位置的計算機互聯(lián)，可以實現(xiàn)世界范圍內(nèi)的信息資源共享，并能交互式地交流信息，這是傳統(tǒng)通信手段難以達到的。Internet的建立和應(yīng)用使世界變成了一個“地球村”，它正在深刻地改變著我們的生活、學習和工作方式。2.1.4計算機的應(yīng)用

未來的計算機將向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等方向發(fā)展。1.巨型化巨型化是指發(fā)展高速的、大存儲量和強大功能的巨型計算機。巨型計算機主要應(yīng)用于天文、氣象、地質(zhì)、核技術(shù)、航天飛機和衛(wèi)星軌道計算等尖端科學技術(shù)領(lǐng)域。巨型計算機的技術(shù)水平是一個國家科學技術(shù)和工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。2.微型化微型化是指利用微電子技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)，把計算機的體積進一步縮小，價格進一步降低。計算機的微型化已成為計算機發(fā)展的重要方向。各種筆記本式計算機和掌上計算機的大量面世和使用，是計算機微型化的一個標志。2.1.5

計算機的發(fā)展趨勢

3.網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化是計算機發(fā)展的又一個趨勢。所謂計算機網(wǎng)絡(luò)化，是指用現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機技術(shù)把分布在不同地點的計算機互聯(lián)起來，組成一個規(guī)模更大、功能更強的可以互相通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)化的目的是使網(wǎng)絡(luò)中的軟、硬件和數(shù)據(jù)等資源能被網(wǎng)絡(luò)上的用戶所共享。4.智能化智能化是指使計算機具有模擬人的感覺和思維過程的能力。智能計算機是目前正在研制的新一代計算機。智能化的研究包括模擬識別、物形分析、自然語言的生成和理解、博弈、定理自動證明、自動程序設(shè)計、專家系統(tǒng)、學習系統(tǒng)和智能機器人等。目前已研制出多種具有人的部分智能的機器人，可以代替人在一些特定的工作崗位上工作。2.1.5

計算機的發(fā)展趨勢

2.2計算機的工作原理2.2.1馮·諾依曼計算機結(jié)構(gòu)2.2.2計算機的心臟——CPU2.2.3存儲器2.2.4計算機的工作過程

2.2.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備控制器運算器輸入信息輸出信息數(shù)據(jù)流控制流1.計算機的基本結(jié)構(gòu)1）輸入設(shè)備輸入設(shè)備的主要功能是把原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別的二進制代碼，通過輸入接口輸入到計算機的存儲器中，供CPU調(diào)用和處理。常用的輸入設(shè)備有鼠標、鍵盤、掃描儀、數(shù)字化儀、數(shù)碼攝像機、條形碼閱讀器、數(shù)碼相機和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）等。2）輸出設(shè)備輸出設(shè)備是指從計算機中輸出信息的設(shè)備。它的功能是將計算機處理的數(shù)據(jù)、計算結(jié)果等內(nèi)部二進制信息轉(zhuǎn)換成人們習慣接受的信息形式（如字符、圖形、聲音等），然后將其輸出。最常用的輸出設(shè)備是顯示器和打印機，輸入設(shè)備和輸出設(shè)備合起來稱為外部設(shè)備（I/O設(shè)備），簡稱外設(shè)。1.計算機的基本結(jié)構(gòu)2.2.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

1.計算機的基本結(jié)構(gòu)3）存儲器存儲器是計算機中用于存放程序和數(shù)據(jù)的部件。存儲器分為內(nèi)存儲器和外存儲器兩大類。內(nèi)存儲器又稱為主存儲器，外存儲器又稱為輔助存儲器。內(nèi)存是存取速度快而容量相對較小的一類存儲器；外存是存取速度較慢而容量相對較大的一類存儲器。4）運算器運算器包括算術(shù)邏輯單元（ALU）、累加器、標志寄存器、寄存器組等。其工作過程如下：2.2.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

運算器的工作過程累加器RAM寄存器寄存器ALU控制單元控制信號數(shù)據(jù)1）從RAM（隨機存取器）中取出數(shù)據(jù)，存儲到運算器的寄存器中；2）從控制器發(fā)出控制信號，決定進行何種運算（算術(shù)運算或邏輯算2.2.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)3）運算器執(zhí)行相應(yīng)操作，將結(jié)果存儲到累加器中；4）將最終運算結(jié)果存儲到RAM中，以備輸出。

1.計算機的基本結(jié)構(gòu)5）控制器定義：控制器是整個計算機系統(tǒng)的控制中心，它指揮計算機各部分協(xié)調(diào)工作，保證計算機按照預(yù)先規(guī)定的目標和步驟進行操作及處理。組成：控制器主要包括指令計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器和控制信號發(fā)生器，主要完成指令的翻譯，并產(chǎn)生片內(nèi)和片外的各種控制信號，執(zhí)行相應(yīng)的指令。作用：控制器的作用是使整個計算機能夠自動地執(zhí)行程序，并控制計算機各功能部件協(xié)調(diào)一致地工作?？刂破魇侵笓]和控制計算機各部件進行工作的“神經(jīng)中樞”.2.2.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)控制器的工作過程1）控制器從主存中按順序取出程序中的一條指令，并存儲到指令寄存器中；2）指令計數(shù)器加1，指向下一條指令的地址；3）解釋該指令并形成數(shù)據(jù)地址，取出所需的數(shù)據(jù)；指令寄存器控制單元指令地址地址1地址2地址3ALU2.2.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)4）向其他功能部件發(fā)出執(zhí)行該指令所需的各種時序控制信號；5）再按順序從主存中取出下一條指令執(zhí)行，如此循環(huán)，直到程序完成。

2.

采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令在計算機中，所有數(shù)據(jù)都以二進制的形式表示。二進制只有“0”和“1”兩個數(shù)字。二進制的運算規(guī)則：

2.2.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

3.采用存儲程序方式所謂存儲程序原理，就是把程序和處理問題所需的數(shù)據(jù)都以二進制編碼形式預(yù)先按一定順序存放到計算機存儲器里，計算機在運行程序時就能自動、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令且執(zhí)行，直到完成預(yù)定的任務(wù)。這是計算機能高速自動運行的基礎(chǔ)。計算機的工作體現(xiàn)為執(zhí)行程序，計算機功能的擴展在很大程度上也體現(xiàn)為所存儲程序的擴展。計算機的許多具體工作方式也是由此派生的。馮·諾依曼的上述思想奠定了現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)，后人將采用這種設(shè)計思想的計算機稱為馮·諾依曼型計算機。到目前為止，大多數(shù)計算機仍沿用這一結(jié)構(gòu)。2.2.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

2.2.2計算機的心臟—CPU

1.CPU簡介CPU也稱中央處理器（CentralProcessingUnit）或微處理器。第一個微處理器是1971年由美國Intel公司生產(chǎn)的。CPU內(nèi)核逐漸由單核向雙核、多核發(fā)展，主頻最高達到3GHz以上。目前Intel公司的主流產(chǎn)品有酷睿系列、賽揚系列產(chǎn)品等，AMD公司目前的主流產(chǎn)品有羿龍、閃龍和速龍系列等。CPU是計算機內(nèi)部完成指令讀出、解釋和執(zhí)行的重要部件，它主要由運算器和控制器組成，有的還包含了高速緩沖存儲器。目前的CPU都通過高速線路將各部件集成在一個芯片上，稱為微處理器。CPU是現(xiàn)代計算機的心臟

2.高速緩沖存儲器（Cache）(1)Cache技術(shù)的引入Cache即高速緩沖存儲器。隨著CPU主頻的提高，CPU對RAM的存取速度要求很快，而RAM的響應(yīng)速度慢，CPU大部分時間在等待從RAM傳輸數(shù)據(jù)，大大浪費了CPU的資源，為了協(xié)調(diào)二者的速度，引入Cache技術(shù)。(2)實現(xiàn)方法通常采用與CPU速度相近的RAM。具體方法為：當用戶啟動一個任務(wù)時，計算機預(yù)測CPU可能需要執(zhí)行哪些程序或要處理哪些數(shù)據(jù)，并將當前要執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)復制到Cache，CPU在讀寫時，首先訪問Cache，如果Cache中有，CPU就從Cache中取數(shù)據(jù)而不到RAM中去取。(3)分類高速緩存分為一級緩存（即L1Cache，64~128KB）和二級緩存（即L2Cache,1~3MB）。2.2.2計算機的心臟—CPU

3.CPU執(zhí)行的指令1）指令計算機執(zhí)行某種操作的命令稱為指令。根據(jù)指令中操作數(shù)的不同，可分為：

零地址：只有操作碼，而沒有地址碼。

一地址：單操作數(shù)指令。二地址：指令常稱雙操作數(shù)指令，它有兩個地址碼，分別指明參與操作的兩個數(shù)在內(nèi)存中或運算器通用寄存器的地址，其中前一個地址碼兼做存放操作結(jié)果的地址。除了上面介紹的之外，還有三地址指令。

2.2.2計算機的心臟—CPU

3.CPU執(zhí)行的指令2）指令集指令集（指令系統(tǒng)）：一臺計算機中所有機器指令的集合，是表征一臺計算機性能的重要因素。系列計算機：基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同的一系列計算機。向上兼容：新推出的機種指令系統(tǒng)一定包含所有舊機型的全部指令,舊機型上運行的各種軟件不做任何修改便可在新機種上運行。2.2.2計算機的心臟—CPU

3.CPU執(zhí)行的指令3)指令集的風格根據(jù)指令集的不同可分成兩種類型的計算機。(1)復雜指令集計算機（CISC，ComplexInstructionSetComputer）其特點：指令系統(tǒng)復雜，絕大多數(shù)指令需要多個機器周期。(2)精簡指令集計算機（RISC，ReducedInstructionSetComputer）其特點：指令有限，執(zhí)行速度很快。4）指令周期指令周期是取出并執(zhí)行一條指令的時間。2.2.2計算機的心臟—CPU

4.CPU的主要性能指標1）主頻、倍頻、外頻主頻是CPU的時鐘頻率。主頻越高，CPU的速度越快。外頻是系統(tǒng)總線的工作頻率。倍頻是CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。主頻=外頻×倍頻2）內(nèi)存總線速度指CPU與二級高速緩存和內(nèi)存之間的通信速度。3）擴展總線速度指安裝在微機上的局部總線（如PCI總線接口）的工作速度。4）工作電壓指CPU正常工作所需的電壓。2.2.2計算機的心臟—CPU

4.CPU的主要性能指標5）地址總線寬度地址總線寬度決定了CPU可以訪問的物理地址空間。如486微機系統(tǒng)，地址總線寬度為32位，直接訪問空間4096MB。（232=4G=4096MB）6）數(shù)據(jù)總線寬度數(shù)據(jù)總線寬度決定了CPU與二級高速緩存、內(nèi)存以及輸入/輸出設(shè)備之間一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘俊?）內(nèi)置協(xié)處理器含有內(nèi)置協(xié)處理器的CPU，可以加快特定類型的數(shù)值計算。2.2.2計算機的心臟—CPU

4.CPU的主要性能指標8）流水線流水線的工作方式就像工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中，由5~6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條指令分為5~6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能在一個CPU時鐘周期內(nèi)完成一條指令，由此提高了CPU的運行速度。9）高速緩存提高CPU的實際效率，按一級緩存和二級緩存設(shè)置。2.2.2計算機的心臟—CPU

2.2.3存儲器

存儲器是計算機中具有記憶能力的部件，它能根據(jù)地址接收并保存指令或數(shù)據(jù)。存儲器的操作是一個不斷存入與取出的過程，我們把存入數(shù)據(jù)的操作稱為“寫”操作，把取出數(shù)據(jù)的操作稱為“讀”操作。存儲器分為主存儲器和輔存儲器兩大類。主存儲器簡稱主存或內(nèi)存，是計算機中用來存放指令和數(shù)據(jù)并能由中央處理器直接讀取的存儲器。計算機工作時，整個處理過程中用到的數(shù)據(jù)和指令都存放在內(nèi)存中。輔助存儲器簡稱輔存或外存，是不直接向中央處理器提供指令和數(shù)據(jù)的各種存儲設(shè)備。它主要用來存放內(nèi)存中難以容納，但為程序執(zhí)行所需要的數(shù)據(jù)信息。常用作外存的有軟盤、硬盤、光盤和磁帶等。

2.2.3存儲器

1.隨機存儲器（RAM）1）分類隨機存儲器（RAM，RandomAccessMemory）按半導體材料分為雙極型（TTL）半導體存儲器和金屬氧化物（MOS）半導體存儲器兩種。根據(jù)存儲信息機構(gòu)的原理不同，又分為靜態(tài)MOS存儲器（SRAM）和動態(tài)MOS存儲器（DRAM）。2）單位及單位換算字節(jié)是表示信息含義的最小單位，是存儲器容量的基本單位。1KB=1024B

1MB=1024KB

1GB=1024MB。

隨機存儲器（RAM）3）操作特點RAM在CPU運行期間既可讀出信息又可寫入信息，主要用于臨時保存數(shù)據(jù)，便于CPU對數(shù)據(jù)進行處理。優(yōu)點：存取速度快、存儲體積小、可靠性高。缺點：斷電后所存的信息會丟失。RAM中的數(shù)據(jù)通過改變電容的狀態(tài)來改變。RAM的容量通常為1GB，2GB，4GB和8GB等。4）數(shù)據(jù)的存取方法數(shù)據(jù)的存取方法是按址存取。

存儲單元地址：計算機為了區(qū)分存儲器的各存儲單元，把全部存儲單元按順序編號。2.2.3存儲器

2.

CMOS存儲器和BIOS1）CMOS的縮寫CMOS是互補金屬氧化物半導體的縮寫（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），是指制造大規(guī)模集成電路芯片用的一種技術(shù)或用這種技術(shù)制造出來的芯片。2）CMOS存儲器的功能CMOS存儲器是指主板上一塊可讀寫的存儲芯片，它存儲了微機系統(tǒng)的時鐘信息和硬件配置信息等。系統(tǒng)加電引導時，要讀取CMOS信息，用來初始化機器各個部件的狀態(tài)。CMOS存儲器用電池供電。保存的重要數(shù)據(jù)比RAM時間長久，不象ROM那樣不可改寫。當改變了計算機的系統(tǒng)配置后，CMOS中的數(shù)據(jù)必須進行更新。啟動計算機時，按Del鍵進入CMOS界面進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。2.2.3存儲器

2.CMOS存儲器和BIOS3）ROMBIOS存儲器的功能ROMBIOS是主板上存放微機基本輸入輸出程序的只讀存儲器，其功能是微機的上電自檢、開機引導、基本外設(shè)I/O和系統(tǒng)COMS設(shè)置。主板上的BIOS芯片貼有保護標簽（避免紫外線照射）標有“BIOS”字樣。P45

圖2-9。2.2.3存儲器

3.只讀存儲器（ROM）只讀存儲器（ROM，ReadOnlyMemory）中的數(shù)據(jù)或程序一般是在裝入計算機前事先寫好的。計算機在工作過程中只能讀出事先存儲的數(shù)據(jù)，一般不能改寫。

1）ROM的優(yōu)點具有不易丟失性，即使電源被切斷，ROM中的信息也不會丟失。ROM常用于存放固定的程序和數(shù)據(jù)。2）ROM的分類(1)掩模只讀存儲器。優(yōu)點：可靠性高，集成度高，價格便宜；缺點：不能改寫。(2)一次編程只讀存儲器。分為PN結(jié)擊穿型（反向二極管）和熔絲燒斷（熔絲）型兩種。(3)多次編程只讀存儲器。EPROM，使用紫外線擦除其中的數(shù)據(jù)，再次寫入信息；EEPROM，使用電擦除其中的數(shù)據(jù)，再次寫入信息。2.2.3存儲器

4.

虛擬內(nèi)存操作系統(tǒng)用虛擬內(nèi)存來動態(tài)管理運行時的交換文件。為了提供比實際物理內(nèi)存還多的內(nèi)存容量，Windows操作系統(tǒng)占用硬盤上的一部分空間作為虛擬內(nèi)存。當CPU有要求時，首先會讀取內(nèi)存中的資料，當內(nèi)存容量不夠用時，Windows就會將需要暫時儲存的數(shù)據(jù)寫入硬盤。所以，計算機的內(nèi)存大小等于實際物理內(nèi)存容量加上“分頁文件（交換文件）”的大小。虛擬內(nèi)存不僅解決了存儲容量和存取速度之間的矛盾，而且也是管理存儲設(shè)備的有效的方法。設(shè)置方法：“控制面板——系統(tǒng)——高級——性能——設(shè)置”2.2.3存儲器

5.

外存外存儲器最常用的有磁盤、磁帶和光盤。磁盤又可分軟盤和硬盤。軟盤和硬盤都是利用磁存儲原理來存儲數(shù)據(jù)的。1）硬盤(harddisk)硬盤精度高、容量大、速度快、結(jié)構(gòu)復雜。它由鋁合金制成，兩面都鍍有磁性材料，多個圓盤片固定在同一根驅(qū)動軸上，隨之轉(zhuǎn)動，盤片兩面都有可移動的磁頭，從上讀取信息。硬盤和硬盤驅(qū)動器固結(jié)在一起，安裝在主機箱內(nèi)。容量從幾百GB到數(shù)TB不等，現(xiàn)在微機的硬盤容量一般在250GB以上。硬盤的各個盤面也分成一系列的磁道，所有盤面上同一半徑的磁道稱為柱面。存取信息時可在同一柱面上按磁盤的順序進行。柱面從外向里依次編號，即0、1、2、3等。常見的硬盤的盤面為3.5英寸。p47圖2-142.2.3存儲器

2）磁帶存儲器在磁帶中存儲信息也是利用磁存儲原理，其工作原理和錄音機或錄像機使用錄音帶或錄像帶相同。磁帶存儲器由磁帶機和磁帶兩部分組成。磁帶又分為開盤式磁帶和盒式磁帶兩種，開盤式磁帶主要用于大中型計算機，而盒式磁帶主要用于微型機。與磁盤相比，磁帶主要用于數(shù)據(jù)備份領(lǐng)域。磁帶是線性存儲設(shè)備，不利于高速存取，但其單位存儲成本低，容量擴展靈活方便，介質(zhì)尺寸小，可靠性高且易于保存，所以適用于對數(shù)據(jù)備份有需求的用戶。2.2.3存儲器

3）CD-ROM與DVD

CD-ROM(CompactDisk-Read-OnlyMemory)，“密集盤-只讀存儲器”,一張光盤盤片可存放650~700MB的信息，且保存時間長，可靠性高。只能讀取，不能寫。CD-ROM上的數(shù)據(jù)通過激光在介質(zhì)表面燒蝕出凸凹來記錄，邊界代表“1”，平面代表“0”2.2.3存儲器

3）CD-ROM與DVD

使用光盤驅(qū)動器讀出關(guān)盤上的信息。光驅(qū)分為單、2、4、8、12倍速等。單倍速是指數(shù)據(jù)的傳輸速率是150KB/s。DVD（DigitalVersatileDisc）數(shù)字多功能光盤單面單層DVD的容量約為4.7GB，用作大容量存儲數(shù)據(jù)用途。隨著光盤技術(shù)的發(fā)展，一次寫入型光盤（WriteOnceReadManyDisk，簡稱WORM或CD-R）和可擦寫光盤（ErasableOpticalDisk，或稱為CD-RW）也逐漸流行起來。一次寫入型光盤只允許用戶寫入一次，寫入后不能修改?？刹翆懝獗P允許用戶多次寫入與擦除。無論是一次寫入型光盤還是可擦寫光盤，在寫入信息時都需要專門的光盤刻錄機。2.2.3存儲器

4）USB、U盤和閃存USB是UniversalSerialBus的縮寫，意思是通用串行總線。這是一種計算機系統(tǒng)連接外圍設(shè)備（如鍵盤、鼠標、打印機等）的輸入/輸出接口標準。在USB方式下，所有的外設(shè)都在機箱外連接，連接外設(shè)不必再打開機箱；外設(shè)允許熱插拔。USB采用“級聯(lián)”方式，即每個USB設(shè)備可以用一個USB插頭連接到一個外設(shè)的USB插座上，而其本身又能提供一個USB插座供下一個USB外設(shè)連接用。通過這種連接方式，一個USB控制器可以連接多達127個外設(shè)。U盤又稱優(yōu)盤，是用閃存作為存儲介質(zhì)的，可反復存取數(shù)據(jù)，不需另外的硬件驅(qū)動設(shè)備，使用時只要插入計算機中的USB插口即可。目前U盤的容量小的1GB，大的已達數(shù)百GB，USB2.0標準理論最高數(shù)據(jù)讀取速度可達480Mb/s，存取時可靠性高，數(shù)據(jù)保存可達10年。常用的閃存卡還有CF卡，SD卡（SD、SDHC、MINISD、TF（micro-SD）），記憶棒，SM卡，XD卡等，經(jīng)常應(yīng)用于手機、數(shù)碼相機、筆記本電腦、數(shù)碼攝像機乃至手持式GPS等。2.2.3存儲器

2.2.4計算機的工作過程

(1)控制器控制輸入設(shè)備或外存將數(shù)據(jù)輸入到內(nèi)存。(2)控制器指揮從內(nèi)存取出指令送入控制器。(3)控制器分析指令，指揮相關(guān)設(shè)備執(zhí)行規(guī)定操作。(4)運算結(jié)果由控制器控制存儲器保存或送輸出設(shè)備輸出。(5)返回第二步，如此反復，直到程序結(jié)束。從程序所在內(nèi)存首地址開始，啟動計算機執(zhí)行程序從內(nèi)存取第一條指令對指令進行分析為執(zhí)行下一條指令做準備完成該指令規(guī)定的操作若為停止指令，則停止程序的執(zhí)行

2.3微機系統(tǒng)及其主要指標

2.3.1微機分類2.3.2微機結(jié)構(gòu)2.3.3微機的常見外部設(shè)備

2.3.1微機分類

按其性能、結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點等可分為：1.單片機將微處理器、一定容量的存儲器以及I/O接口電路等集成在一個芯片上，就構(gòu)成了單片機。一般用于控制儀表、家用電器中。2.單板機將微處理器、存儲器以及I/O接口電路安裝在一塊電路板上，就構(gòu)成了單板機。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、微機教學或?qū)嶒灐?.PC機配置有顯示器、鍵盤、硬盤、打印機、光驅(qū)以及機箱和接口插槽等。4.便攜式微機包括筆記本和個人數(shù)字助理、智能手機等。

2.3.2微機結(jié)構(gòu)

1.微機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3.2微機結(jié)構(gòu)

1.微機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3.2微機結(jié)構(gòu)

2.輸入與輸出計算機的輸入/輸出設(shè)備(I/O設(shè)備)是計算機系統(tǒng)的有機組成部分，計算機的輸入/輸出設(shè)備通過接口與主機相連。相關(guān)設(shè)備有：擴展槽、適配器、接口等。

2.3.3微機的主要性能指標

1.內(nèi)核和流水線多核心處理器就是在一塊CPU機板上集成兩個或兩個以上的處理器核心，并通過并行總線將各處理器核心連接起來。單處理器只有一個CPU，在執(zhí)行指令時是以串行方式執(zhí)行的，即一個時刻只執(zhí)行一條指令。使用流水線技術(shù)，處理器就可以在完成上一條指令前開始執(zhí)行另外一條指令。流水線技術(shù)可以加快CPU的處理速度。2.字長

計算機進行數(shù)據(jù)處理時，一次存取、加工、和傳送的一組二進制位。它的長度叫字長。字長決定CPU的寄存器和總線的寬度。3.時鐘頻率（主頻）CPU每秒平均執(zhí)行的速度，它決定了計算機在一定時間內(nèi)能夠執(zhí)行的指令數(shù)，是衡量微型計算機運行速度的一個重要指標。4.內(nèi)存容量內(nèi)存中能存儲信息的總字節(jié)數(shù)。5.運算速度運算速度是一項綜合性的性能指標，其單位是MIPS（MillionInstructionsPerSecond，每秒106條指令，簡稱MIPS）和BIPS（BillionInstructionsPerSecond，每秒109條指令，簡稱BIPS）。一般主頻越高，運算速度越快；字長越長，運算速度越快；內(nèi)存容量越大，運算速度越快；存取周期越小，運算速度越快。衡量一臺計算機系統(tǒng)的性能指標很多，除上面列舉的4項主要指標外，還應(yīng)考慮機器的兼容性，系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)的可維護性，機器允許配置的外部設(shè)備的最大數(shù)目，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)功能等。另外，性能/價格比也是一項綜合性評價計算機性能的指標。2.3.2微機的主要性能指標

2.3.4微機的常見外部設(shè)備最常見的外設(shè)有打印機、繪圖儀、掃描儀、鍵盤、鼠標等輸入/輸出設(shè)備。1.鼠標機械式鼠標軌跡球鼠標光電鼠標無線鼠標2.3.4微機的常見外部設(shè)備2.顯示器和打印機顯示器和打印機是最常見的輸出設(shè)備。1）顯示器顯示器主要有陰極射線管（CRT）顯示器和平板顯示器。顯示器的主要指標之一是分辨率。分辨率是指顯示屏單位距離上像素點的數(shù)目，常用整個屏幕能顯示的像素點陣（水平×垂直）來表示。顯示器是通過顯示適配器（顯卡）與主板相連的，應(yīng)與顯卡配套使用。平面顯示器有液晶顯示器（LCD）、等離子顯示器等。液晶顯示器已成為目前微機的主流顯示器。與傳統(tǒng)的CRT顯示器相比，液晶顯示器的最大優(yōu)點就是體積小、重量輕，可以為用戶節(jié)省許多的空間。

2.3.3微機的常見外部設(shè)備2）打印機打印機一般常用的有擊打式打印機和非擊打式打印機兩大類。在擊打式打印機中，最常用的是點陣針式打印機。點陣針式打印機由打印頭、走紙裝置和色帶組成。打印時有較大噪聲。非擊打式打印機可分為噴墨打印機、激光打印機等。與擊打式打印機相比，它們都具有打印速度快、打印質(zhì)量高、沒有機械噪聲等優(yōu)點。噴墨打印機類似于點陣針式打印機，但它用很細的墨水噴頭代替打印頭，將墨水噴在紙上印出字符或圖形。體積小，重量輕，打印時無噪聲，很容易實現(xiàn)彩色打印，價格也較低廉。激光打印機的工作原理比較復雜，它綜合了復印機、計算機和激光技術(shù)。激光打印機打印速度快，打印質(zhì)量高，無噪聲，但價格較高。2.3.3微機的常見外部設(shè)備3.掃描儀和數(shù)碼相機掃