第2章計算機的組成與工作原理

第2章計算機的組成與工作原理2.1計算機的基本組成

2.2計算機的軟件系統(tǒng)

2.3計算機的基本工作原理

2.4微機系統(tǒng)的組成及主要性能指標

2.5多媒體計算機的構(gòu)成

思考題

圖2.1計算機系統(tǒng)的組成

2.1計算機的基本組成

2.1.1計算機的基本組成按照馮·諾依曼的“存儲程序和二進制”理論，計算機應(yīng)當具有輸入、存儲、輸出和處理(運算、判斷及控制)等功能?；谶@種思想，現(xiàn)在各類計算機(硬件系統(tǒng))都是由5大基本部件組成，它們分別是運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，它們之間的關(guān)系如圖2.2所示。

圖2.2計算機的基本硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.2計算機各部件的主要功能1.運算器(ALU:ArithmeticalandLogicalUnit)運算器的主要功能就是對二進制數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯運算，所以也稱算術(shù)邏輯單元。其運算過程是在控制器的控制下，對取自內(nèi)存儲器的數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術(shù)運算和“與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯運算，并將結(jié)果送到內(nèi)存儲器。

2.控制器(CU：ControlUnit)控制器是整個計算機的控制樞紐，用于控制計算機各部件協(xié)調(diào)地工作，并負責從內(nèi)存中取出指令，進行分析，確定操作次序，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。運算器和控制器合稱為計算機的中央處理器CPU(CentralProcessingUnit)，是決定計算機性能的核心部件。

3.存儲器(Memory)存儲器是計算機用來存放程序和數(shù)據(jù)的記憶裝置。存儲器分內(nèi)存儲器(也稱主存儲器，簡稱內(nèi)存或主存)和外存儲器(也稱輔助存儲器，簡稱外存或輔存)兩部分。CPU只能直接存取內(nèi)存，而不能直接存取外存，外存儲器只有先調(diào)入內(nèi)存中才能被CPU訪問。4.輸入設(shè)備(InputDevice)輸入設(shè)備是將程序和數(shù)據(jù)變?yōu)橛嬎銠C能接受的電信號，送入計算機存儲器的外部設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標、掃描儀、觸摸屏等。

5.輸出設(shè)備(OutputDevice)

輸出設(shè)備是將運算結(jié)果、工作過程(包括程序)以人們所期望的形式表示出來的電子設(shè)備。常用的輸出設(shè)備有顯示器、打印機、繪圖儀和音響等。

2.2計算機的軟件系統(tǒng)

2.2.1系統(tǒng)軟件(SystemSoftware)1.操作系統(tǒng)(OS：OperatingSystem)操作系統(tǒng)是對計算機的硬件和軟件資源進行控制和管理的程序，是系統(tǒng)軟件的核心(見圖2.3)。用戶通過操作系統(tǒng)來使用計算機。因此，操作系統(tǒng)也是用戶和計算機之間的接口。目前常用的操作系統(tǒng)有單用戶操作系統(tǒng)(DOS)、多用戶操作系統(tǒng)(Windows和UNIX)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(Netware、WindowsNT)等。

圖2.3用戶與計算機系統(tǒng)各層次之間的關(guān)系

2.程序設(shè)計語言和語言處理程序1)機器語言(MachineLanguage)機器語言是由二進制代碼表示的機器指令組成的、計算機惟一能識別和執(zhí)行的語言。其優(yōu)點是執(zhí)行速度快、占用內(nèi)存少；缺點是面向機器，通用性差，編寫繁瑣，調(diào)試復(fù)雜，程序可讀性、可維護性差。

2)匯編語言(AssemblyLanguage)匯編語言是用助記符(符號)表示二進制代碼的機器指令的語言，也稱符號語言。相對于機器語言，其優(yōu)點是易學(xué)易記；缺點是面向機器，通用性較差。用匯編語言編寫的程序稱為匯編語言源程序，它不能直接運行，必須通過匯編程序把它翻譯成目標程序(機器代碼或目標代碼)，計算機才能執(zhí)行。這個翻譯過程稱為匯編(見圖2.4)。

圖2.4匯編過程

3)高級語言(High-levelProgrammingLanguage)高級程序設(shè)計語言類似于人們習慣用的自然語言和數(shù)學(xué)語言。用高級語言編寫的程序不但表達直觀、可讀性好，而且與具體的機器無關(guān)，便于交流和移植。常用的高級語言有FORTRAN、PASCAL、BASIC、C、JAVA、VB和VC等。如同匯編語言一樣，高級語言也不能被計算機直接運行，必須經(jīng)過編譯或解釋，翻譯成機器語言目標代碼。高級語言的翻譯有兩種：編譯方式和解釋方式。編譯方式是將高級語言源程序通過編譯程序翻譯成機器語言目標代碼(見圖2.5)。

圖2.5編譯過程

圖2.6解釋過程

3.工具軟件工具軟件包括編輯、鏈接程序，計算機測試和診斷程序，數(shù)據(jù)庫管理軟件及網(wǎng)絡(luò)軟件等。

2.2.2應(yīng)用軟件(ApplicationSoftware)

應(yīng)用軟件是為解決某種專門問題而設(shè)計的軟件。它包括應(yīng)用軟件包和面向問題的應(yīng)用軟件。如辦公自動化軟件包Office2003中包含的Word、Excel和PowerPoint，CAD、CAM及CAI軟件，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件(如Outlook)，以及為解決科研及生產(chǎn)中的實際問題而由用戶設(shè)計的應(yīng)用程序，均屬于應(yīng)用軟件。

2.3計算機的基本工作原理

1.存儲程序和程序控制計算機工作時先要把程序和所需數(shù)據(jù)送入計算機內(nèi)存，然后存儲起來，這就是“存儲程序”的概念。運行時，計算機根據(jù)事先存儲的程序指令，在程序的控制下由CPU周而復(fù)始地取出指令，分析指令，執(zhí)行指令，直至完成全部操作。這就是所謂的存儲程序和程序控制原理，也稱馮·諾依曼原理，是現(xiàn)代計算機的基本工作原理。

2.二進制計算機中，程序(指令)和數(shù)據(jù)都是以二進制形式表示的。其中，數(shù)據(jù)的非數(shù)值型信息(如字符、文字、聲音、圖像等)要經(jīng)過編碼變成二進制數(shù)碼。程序是完成某一特定任務(wù)的操作命令集合，是由指令構(gòu)成的序列。指令是完成一個基本操作的命令。不同的計算機語言有其對應(yīng)的指令，計算機只能直接執(zhí)行以二進制形式表示的機器語言指令，而匯編語言和高級語言源程序要經(jīng)過語言處理程序翻譯成機器語言代碼，即變成以二進制形式表示的機器指令，計算機才能執(zhí)行。

2.4微機系統(tǒng)的組成及主要性能指標

2.4.1微機系統(tǒng)的組成微機的結(jié)構(gòu)與一般計算機的結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)區(qū)別，同樣基于馮·諾依曼的“存儲程序與程序控制”原理，但微機采用總線結(jié)構(gòu)，即構(gòu)成微機的CPU、存儲器和輸入/輸出(I/O，Input/Output)接口等部件之間都是通過總線連接的(見圖2.7)。

圖2.7微機系統(tǒng)的硬件組成

1.總線(Bus)總線是計算機中傳送信息的公共信號線。微機中各部件之間是通過總線連接的，一個部件只要滿足總線標準，就可以連接到采用這種總線標準的系統(tǒng)中去。一般微機的總線包括：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線等3種。(1)地址總線(AB：AddressBus)：用來傳送CPU尋址存儲單元和外設(shè)接口的地址信息。地址總線的寬度反映計算機的最大內(nèi)存容量，如一微機地址總線寬度是32位，它的最大內(nèi)存容量是232=4GB。

(2)數(shù)據(jù)總線(DB：DataBus)：用于在CPU與存儲器和I/O接口之間雙向傳送數(shù)據(jù)。它的寬度表示計算機內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)的能力。(3)控制總線(CB：ControlBus)：用于傳送各種控制信號，包括控制器發(fā)向內(nèi)存、外設(shè)的控制信息，以及內(nèi)存、外設(shè)返回的應(yīng)答信號及外設(shè)向CPU發(fā)出的請求(如中斷請求)信號。隨著微機的不斷發(fā)展，微機的總線結(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)展和變化，先后用過PC-XT、ISA、MCA、EISA、VESA和PCI總線，如表2.1所示。

總線的性能指標主要體現(xiàn)在總線寬度、總線工作頻率和數(shù)據(jù)傳輸率上，其中數(shù)據(jù)傳輸率是最主要的。(1)總線寬度：數(shù)據(jù)總線的數(shù)量，用bit(位)表示，如8位、16位、32位和64位。(2)數(shù)據(jù)傳輸率：每秒鐘在總線上傳輸?shù)淖疃嘧止?jié)數(shù)，它是總線工作頻率與總線寬度的字節(jié)數(shù)之積。如PCI總線的工作頻率為33MHz，總線寬度為32位，則最大傳輸率為132MB/s。

表2.1微機總線主要性能表

(3)總線工作頻率：它是反映總線工作快慢的一個重要參數(shù)，它和總線寬度一起決定總線上傳輸信息的速率。

2．CPUCPU即中央處理單元，又稱微處理器。它是微機的核心部件，由控制器、運算器和寄存器組成。目前大部分微機的CPU都采用Intel公司的系列芯片(見表2.2)。

表2.2Intel公司的部分CPU的主要性能指標

3.存儲器1)內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器位于微機主機板上，包括隨機存儲器(RAM，RandomAccessMemory)和只讀存儲器(ROM，ReadOnlyMemory)。(1)隨機存儲器(RAM)。計算機中，RAM主要用來暫時保存程序和數(shù)據(jù)，其特點是：信息可隨時寫入或讀出，計算機一旦斷電，其中的信息立即丟失。根據(jù)電路原理，RAM分為靜態(tài)RAM(SRAM)和動態(tài)RAM(DRAM)。微機的內(nèi)存板一般采用DRAM。而高速緩沖存儲器(Cache)則采用SRAM，以實現(xiàn)內(nèi)存的高速存取，適應(yīng)高速CPU的需要。SRAM的存取速度是DRAM的10倍左右。

(2)只讀存儲器(ROM)。內(nèi)存中還有一定容量的ROM，其內(nèi)容只能讀出，用戶不能寫入。計算機斷電后，信息仍能長期保持，不丟失。因此，ROM用來保存系統(tǒng)引導(dǎo)程序、系統(tǒng)自檢程序及系統(tǒng)初始化程序等。當開機后，CPU自動讀出ROM中程序并執(zhí)行，以實現(xiàn)系統(tǒng)引導(dǎo)、系統(tǒng)自檢及系統(tǒng)初始化。ROM還包括可編程PROM、紫外光可擦除可編程EPROM及電可擦除可編程E2PROM。內(nèi)存的性能指標包括內(nèi)存容量、讀寫速度及Cache的大小。目前微機的內(nèi)存配置容量一般為256～1024MB，讀寫速度用一次存取時間表示，目前大約為50～100ns(1ns為10億分之1秒)，Pentium微機一般都配有128KB、256KB或512KB的Cache。

2)外存儲器(1)軟盤(FloppyDisk，英文也稱Diskette)是主要的外存設(shè)備之一，使用時需要有相應(yīng)的軟盤驅(qū)動器。軟盤是一種表面涂有磁性金屬氧化物的塑料薄圓盤片，被封裝在卡紙封套內(nèi)或硬塑料封套內(nèi)。存取信息時，軟盤在軟盤驅(qū)動器中快速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動器中的磁頭在軟盤上進行讀/寫操作。目前微機中常用的軟盤主要有5.25英寸和3.5英寸兩種。任何一片軟盤都必須首先按操作系統(tǒng)的要求格式化，只有經(jīng)過格式化的軟盤才能存儲數(shù)據(jù)。目前，軟盤已很少使用，它已被容量大、可靠性高、讀寫速度快的U盤取代。

(2)硬盤(HardDisk)也作為主要的外存設(shè)備之一，其結(jié)構(gòu)和工作原理與軟盤類似，只是硬盤的盤片由金屬、陶瓷或玻璃制成，而且是幾片組成一組。硬盤的盤片組都固定在驅(qū)動電機的主軸上，同軸旋轉(zhuǎn)，并與多個讀寫磁頭封裝在真空的鋁合金的盒子內(nèi)。因此，磁盤片和硬盤驅(qū)動器合二為一，通稱為硬盤。其內(nèi)無阻力，也不受灰塵的影響，穩(wěn)定性好，速度快，存儲容量大。目前PC機使用的硬盤，其容量已達到120GB。硬盤也要格式化后才能使用。

(3)光盤(CD，CompactDisc)是由有機玻璃制成的薄圓片，一面涂上反光性很好的鋁膜，另一面通過激光來讀寫。目前使用的光盤有3種類型：只讀光盤(CD-ROM)、一次寫入型光盤(CD-WO)和可改寫光盤(CD-MO)。CD-ROM是由生產(chǎn)廠商按用戶要求將信息寫入盤片中，寫入的信息只可讀出不能修改。CD-WO是用戶通過光盤刻錄機將自己的信息寫入，一旦信息寫入就不能修改。CD-MO是通過可擦寫的光盤機進行數(shù)據(jù)的讀寫，如同使用磁盤一樣。光盤相對于軟盤可謂海量存儲器。如以前常用的3.5英寸軟盤，其存儲容量為1.44MB,而光盤的容量可達650MB。光盤必須在光盤驅(qū)動器(簡稱光驅(qū))中使用，光驅(qū)的主要技術(shù)參數(shù)是其數(shù)據(jù)傳輸速率(指一秒鐘讀取的最大數(shù)據(jù)量)，也稱倍速。如CD-ROM驅(qū)動器，其倍速已達到48，即數(shù)據(jù)傳輸速率為48×150KB/s。

(4)閃存存儲器(FlashMemory)是一種USB接口的新型移動存儲器，又稱U盤。它采用非遺失性的快速閃存存儲芯片作為存儲介質(zhì)，不僅具有RAM存儲器可擦除可讀寫的優(yōu)點，而且寫入的數(shù)據(jù)在斷電后不會消失；它也具有容量超大、存取快捷、輕巧便捷、即插即用、安全穩(wěn)定等許多傳統(tǒng)存儲設(shè)備無法替代的優(yōu)點，任何帶有USB接口的PC機不需添加任何設(shè)備都可以使用。目前，人們已經(jīng)把它作為軟盤的替代品。

4．常用輸入輸出設(shè)備(Input/OutputDevice)微機同一般計算機一樣，也要配備具有人機聯(lián)系、交換數(shù)據(jù)功能的輸入輸出設(shè)備，簡稱I/O設(shè)備。微機常用I/O設(shè)備包括鍵盤、鼠標、顯示器和打印機等。(1)鍵盤(Keyboard)是計算機的基本輸入設(shè)備，通過鍵盤可完成數(shù)據(jù)、字符、漢字及操作命令、程序指令等的輸入。微機上常用的鍵盤有101鍵、102鍵和104鍵等幾種。(2)鼠標(Mouse)是一種使用越來越廣泛的輸入設(shè)備。其上有兩個或3個按鍵，各鍵的功能可由軟件或通過Windows操作界面任意設(shè)置，一般左鍵用得較多。鼠標通過RS232C串行口或PS口與主機連接。

(3)顯示器(Display)是計算機的基本輸出設(shè)備，它必須與顯示適配器(顯示卡)連接才能構(gòu)成一個完整的顯示系統(tǒng)。顯示器種類較多，常用的有：陰極射線管顯示器(CRT)、液晶(LCD)顯示器、發(fā)光二極管(LED)顯示器和真空(VFD)顯示器。CRT主要用于臺式機，LED主要用于單板機、單片機，LCD主要用于筆記本(便攜式)計算機。

顯示器的性能參數(shù)中，一般用戶最關(guān)心的是屏幕尺寸、顯示分辨率和點距。屏幕尺寸用矩形屏幕的對角線長度(以英寸為單位)表示。目前微機常用的屏幕尺寸有14、15、17、19英寸。顯示分辨率是屏幕水平和垂直的點陣，常用的有640×480、800×600、1024×764、1280×1024、1600×1200等，再高的分辨率多用于大屏幕做圖像分析。點距是屏幕上熒光點間的距離，它決定著屏幕能到達的最高顯示分辨率和像素的大小，點距越小越好。常用的顯示器的點距有0.20、0.25、0.26、0.28、0.31和0.39(毫米)等。

(4)打印機(Printer)也是計算機的基本輸出設(shè)備，其作用是將信息以字符、表格、圖形、圖像的形式打印在紙上。打印機按工作原理分為擊打式和非擊打式。擊打式打印機是用機械撞擊的方式通過色帶將信息打印在紙上。針式打印機是目前使用中最普及的擊打式打印機，其特點是：價格適中，性能穩(wěn)定，使用方便。激光打印機和噴墨打印機是非擊打式打印機中最常用的兩種，前者打印效果最好，打印速度最快，噪音最小，而噴墨打印機的打印效果僅次于激光打印機，通過彩色噴墨打印機可實現(xiàn)彩色圖形、圖像的高質(zhì)量輸出。

2.4.2微機的主要性能指標1.字長字長就是CPU可以同時處理的數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)，

它反映了CPU的寄存器和數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)位數(shù)。字長是計算機的一個重要性能指標。字長較長的計算機在一個指令周期要比字長短的計算機處理更多的數(shù)據(jù)。單位時間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)越多，處理器的性能越高。微機的字長可分為8位、?16位、32位和64位等幾種。早期的蘋果機的字長為8位，IBMPC/AT和各種兼容的286機均為16位字長，386機的字長為32位或準32位，486和Pentium機的字長為32位。

2.運算速度和主頻運算速度通常定義為CPU每秒執(zhí)行加法指令的數(shù)目，用來描述CPU的工作快慢，其單位是MIPS(MillionInstructionPerSecond，百萬條加法指令每秒)。目前的Pentium微機運算速度已達到數(shù)百MIPS。主頻是CPU工作的時鐘頻率，或稱系統(tǒng)時鐘。主頻決定了計算機執(zhí)行指令的速度，很大程度上決定了計算機的運算速度。早期的IBMPC機上采用的Intel8088微處理器的主頻為4.77MHz，而現(xiàn)在的PentiumIV微處理器的主頻已達到了2～3GHz。

3.存儲容量存儲容量是描述計算機存儲數(shù)據(jù)和程序的能力，微機中實際上僅指內(nèi)存容量，它是微機的重要性能指標之一。內(nèi)存容量一般用KB(1024B)或MB(1024KB)來表示。內(nèi)存容量不僅反映計算機存儲空間的大小，同時也決定大型軟件的運行速度。因為隨著計算機軟件的發(fā)展及其功能的越來越強大，為使軟件達到最佳運行狀態(tài)，對內(nèi)存容量提出了更高的需求，如Windows98的最佳運行狀態(tài)需要微機有32MB內(nèi)存，而Windows2000則需要64MB內(nèi)存。目前微機內(nèi)存的配置已達到256MB、512MB或1024MB。

以上僅是反映微機性能的幾個主要指標，除此之外還有一些指標，包括可靠性、可維護性、外設(shè)的配置和軟件指標等。

2.5多媒體計算機的構(gòu)成

2.5.1多媒體概述1.什么是多媒體媒體是信息表示和傳播的載體，計算機系統(tǒng)中信息的主要表現(xiàn)形式為文本、圖形、圖像、聲音及視頻，而多媒體就是指包括文本、圖形、圖像、音頻及視頻這些計算機多種媒體的集成物。多媒體這個詞的英文原文Multimedia的含義就是“多種媒體”(Multimedia=Multi(多種)+Media(媒體))。

2.多媒體技術(shù)及其特征(1)多樣性與集成性。多樣性是指多媒體技術(shù)所涉及的信息的表現(xiàn)形式的多樣性。集成性是指利用計算機綜合處理多種信息媒體，最終形成融合一體的多媒體信息。(2)交互性。交互性是指用戶可以與計算機的多種信息媒體進行交互式操作、控制與使用，以獲得所期望的多媒體效果。(3)數(shù)字化。在計算機內(nèi)部各種類型的信息均是以數(shù)字化的二進制數(shù)碼形式表示的，多媒體信息中的每一種媒體信息也不例外，也都是以數(shù)字化的形式進行存儲、處理和傳輸?shù)摹?/p>

2.5.2多媒體計算機的構(gòu)成與應(yīng)用1.主機

MPC的主機就是性能指標較好的微機主機。主機的性能指標主要指CPU類型、主頻和運算速度、內(nèi)存容量等。2.多媒體輸入設(shè)備通常使用的多媒體輸入設(shè)備包括數(shù)字視頻、音頻輸入設(shè)備(如圖像掃描儀、數(shù)碼相機、CD-ROM等)以及模擬視頻、音頻輸入設(shè)備(如攝像機、傳真機、話筒、MIDI合成器等)。

3.多媒體輸出設(shè)備多媒體輸出設(shè)備通常有視頻、音頻播放設(shè)備，如顯示器、揚聲器、MIDI合成器、電視機、耳機等。4.多媒體存儲設(shè)備多媒體存儲設(shè)備通常包括磁盤、光盤、錄像帶等。5.多媒體功能卡多媒體功能卡包括聲音卡、視頻卡和通信卡等。

6.多媒體控制設(shè)備多媒體控制設(shè)備通常包括鍵盤、鼠標、操縱桿和觸摸屏等。7.多媒體軟件系統(tǒng)多媒體軟件系統(tǒng)是MPC的重要組成部分，它與多媒體硬件有機配合，完成多媒體功能。多媒體軟件系統(tǒng)包括以操作系統(tǒng)(如Windows2000)為基礎(chǔ)的多媒體軟件，用來初始化、驅(qū)動設(shè)備的多媒體驅(qū)動軟件，多媒體系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的多媒體創(chuàng)作、編輯工具軟件。

思

考

題

1.完整的計算機系統(tǒng)包括

。(A)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)(B)主機及外部設(shè)備(C)系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件(D)主機板和CPU2.計算機系統(tǒng)軟件應(yīng)包括

。(A)操作系統(tǒng)和編程軟件(B)程序和數(shù)據(jù)(C)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件(D)數(shù)據(jù)庫軟件和管理軟件

3.操作系統(tǒng)是一種(1)，它是(2)的界面，其主要功能是(3)。(1)(A)應(yīng)用軟件(B)系統(tǒng)軟件(C)通用軟件(D)工具軟件(2)(A)主機與外設(shè)(B)軟件和硬件(C)用戶與計算機(D)高級語言與機器語言(3)(A)對計算機的所有資源進行控制和管理(B)對外部設(shè)備進行管理(C)對匯編語言、高級語言進行翻譯(D)管理數(shù)據(jù)庫文件

4.計算機惟一能夠直接識別和處理的語言是(1)，能將匯編語言源程序變成可執(zhí)行模塊的方法是(2)，能將高級語言源程序變成可執(zhí)行模塊的方法是(2