计算机系统的基本组成

·1·一、计算机系统的基本组成一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械和光电元器件等物理部件组成。直观地看，计算机硬件是一大堆设备，它们都是看得见摸得着的，是计算机进行工作的物质基础，也是计算机软件发挥作用、施展其技能的舞台。计算机软件是指在硬件设备上运行的各种程序以及有关资料。所谓程序实际上是用户用于指挥计算机执行各种动作以便完成指定任务的指令的集合。用户要让计算机做的工作可能是很复杂的，因而指挥计算机工作的程序也可能是庞大而复杂的，有时还可能要对程序进行修改与完善。因此，为了便于阅读和修改，必须对程序作必要的说明或整理出有关的资料。这些说明或资料（称之为文档）在计算机执行过程中可能是不需要的，但对于用户阅读、修改、维护、交流这些程序却是必不可少的。因此，也有人简单地用一个公式来说明包括其基本内容：软件=程序+文档。通常，人们把不装备任何软件的计算机称为硬件计算机或裸机。裸机由于不装备任何软件，所以只能运行机器语言程序，这样的计算机，它的功能显然不会得到充分有效的发挥。普通用户面对的一般不是裸机，而是在裸机之上配置若干软件之后构成的计算机系统。有了软件，就把一台实实在在的物理机器（有人称为实机器）变成了一台具有抽象概念的运算器中央处理器控制器主机内存储器硬件外存储器外设输入设备微型计算机输出设备系统操作系统系统软件服务软件软件编译或解释系统信息管理软件应用软件辅助设计软件文字处理软件图形软件各种程序包图1-4微型计算机系统组成框图·2·逻辑机器（有人称为虚机器），从而使人们不必更多地了解机器本身就可以使用计算机，软件在计算机和计算机使用者之间架起了桥梁。正是由于软件的丰富多彩，可以出色地完成各种不同的任务，才使得计算机的应用领域日益广泛。当然，计算机硬件是支撑计算机软件工作的基础，没有足够的硬件支持，软件也就无法正常工件。实际上，在计算机技术的发展进程中，计算机软件随硬件技术的迅速发展而发展；反过来，软件的不断发展与完善又促进了硬件的新发展，两者的发展密切地交织着，缺一不可。计算机系统的组成如图1-4所示。二、微型计算机的硬件系统计算机硬件的基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据输入、运算、数据输出等一系列根本性的操作。虽然计算机的制造技术从计算机出现到今天已经发生了极大的变化，但在基本的硬件结构方面，一直沿袭着冯·诺伊曼的传统框架，即计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件构成。图1-5列出了一个计算机系统的基本硬件结构。图中，实线代表数据流，虚线代表指令流，计算机各部件之间的联系就是通过这两股信息流动来实现的。原始数据和程序通过输入设备送入存储器，在运算处理过程中，数据从存储器读入运算器进行运算，运算的结果存入存储器，必要时再经输出设备输出，如图1-5。指令也以数据形式存于存储器中，运算时指令由存储器送入控制器，由控制器控制各部件的工件。由此可见，输入设备负责把用户的信息（包括程序和数据）输入到计算机中；输出设备负责将计算机中的信息（包括程序和数据）传送到外部媒介，供用户查看或保存；存储器负责存储数据和程序，并根据控制命令提供这些数据和程序，它包括内存（储器）和外存（储器）；运算器负责对数据进行算术运算和逻辑运算（即对数据进行加工处理）；控制器负责对程序所规定的指令进行分析，控制并协调输入、输出操作或对内存的访问。下面分别对其各部分进行介绍。1.中央处理器图1.5各主要设备之间的关系原程序存数取数数据存数输入命令运行命令输入设备存储器运算器输出设备控制器输出命令存储命令·3·中央处理器简称CPU（CentralProcessingUnit）,它是计算机系统的核心，中央处理器包括运算器和控制器两个部件。计算机所发生的全部动作都是CPU的控制。其中，运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算，是对信息加工和处理的部件，由进行运算的运算器件及用来暂时寄存数据的寄存器、累加器等组成。控制器是对计算机发布命令的“决策机构”，用来协调和指挥整个计算机系统的操作，它本身不具有运算功能，而是通过读取各种指令，并对其进行翻译、分析，而后对各部件做出相应的控制。它主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。中央处理器是计算机的心脏，CPU品质的高低直接决定了计算机系统的档次。能够处理的数据位数是CPU的一个最重要的性能标志。人们通常所说的8位机、16位机、32位机即指CPU同时处理8位、16位、32位的二进制数据。8位机是早期的微型机产品，后来的IBMPC/XT、IBMPC/AT及286机均是16位机，386机和486机是32位机，586机也是32位机。现在的CPU芯片主要由两大公司生产，它们是Intel公司和AMD公司。其中Intel公司生产的产品是要有“奔腾”系列和“赛扬”系列，目前主流是“P4”和以“P4”为内核的“赛扬”。2．内存储器存储器是计算机的记忆和存储部件，用来存放信息。对存储器而言，容量越大，存储速度越快越好。计算机中的操作，大量的是与存储器交换信息，存储器的工作速度相对于CPU的运算速度要低很多，因此存储器的工作速度是制约计算机运算速度的主要因素之一。计算机存储器一般分为两部分；一个是包含在计算机主机中的内存储器，它直接和运算器、控制器交换数据，容量小，但存取速度快，用于存放那些正在处理的数据或正在运行的程序；另一个是外存储器，它间接和运算器、控制器交换数据，存取速度慢，但存储容量大，价格低廉，用来存放暂时不用的数据。内存又称为主存，它和CPU一起构成了计算机的主机部分。内存由半导体存储器组成，存取速度较快，由于价格上的原因，一般容量较小。存储器由一些表示二进制数0和1的物理器件组成，这种器件称为记忆元件或记忆单元。每个记忆单元可以存储一位二进制代码信息（即一个0或一个1）。位、字节、存储容量和地址等都是存储器中常用的术语。（1）位又称比特（Bit）。用来存放一位二进制信息的单位称为1位，1位可以存放一个0或一个1。位是二进制数的基础单位，也是存储器中存储信息的最小单位。（2）字节（Byte）。8位二进制信息称为一个字节，用B来表示。内存中的每个字节各有一个固定的编号，这个编号称为地址。CPU在存取存储器中的数据时是按地址进行的。所谓存储器容量即指存储器中所包含的字节数，通常用KB、MB、GB和TB作为存储器容量单位。它们之间的关系为：1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024MB内存储器按其工作方式的不同，可以分为随机存储器RAM和只读存储器ROM两种。·4·RAM是一种可读写存储器，其内容可以随时根据需要读出，也可以随时重新写入新的信息。这种存储器又可以分为静态RAM和动态RAM两种。静态RAM的特点是，存取速度快，但价格也较高，一般用作高速缓存。动态RAM的特点是，存取速度相对于静态较慢，但价格较低，一般用作计算机的主存。不论是静态RAM还是动态RAM，当电源电压去掉时，RAM中保存的信息都将全部丢失。RAM在微机中主要用来存放正在执行的程序和临时数据。ROM是一种内容只能读出而不能写入和修改的存储器，其存储的信息是在制作该存储器时就被写入的。在计算机运行过程中，ROM中的信息只能被读出，而不能写入新的内容。计算机断电后，ROM中的信息不会丢失，即在计算机重新加电后，其中保存的信息依然是断电前的信息，仍可被读出。ROM常用来存放一些固定的程序、数据和系统软件等，如检测程序、BOOTROM、BIOS等。只读存储器除了ROM外，还有PROM、EPROM和EEPROM等类型。PROM是可编程只读存储器，它在制造时不把数据和程序写入，而是由用户根据需要自行写入，一旦写入，就不能再次修改。EPROM是可擦除可编程只读存储器。与PROM器件相比，EPROM器件是可以反复多次擦除原来写入的内容，重新写入新内容的只读存储器。但EPROM与RAM不同，虽然其内容可以通过擦除而多次更新，但只要更新固化好以后，就只能读出，而不能象RAM那样可以随机读出和写入信息。EEPROM称为电可擦除可编程只读存储器，也称“Flash闪存”,目前普遍用于可移动电子硬盘和数码相机等设备的存储器中。不论哪种ROM，其中存储的信息不受断电的影响，具有永久保存的特点。3．外存储器内存由于技术及价格上的原因，容量有限，不可能容纳所有的系统软件及各种用户程序，因此，计算机系统都要配置外存储器。外存储器又称为辅助存储器，它的容量一般都比较大，而且大部分可以移动，便于不同计算机之间进行信息交流。在微型计算机中，常用的磁盘、光盘等属于外存储器，磁盘又可以分为硬盘和软盘。软磁盘是一种磁介质形式的大容量存储器。它的磁盘片被装在一个保护套内，保护套保护磁面上的磁层不被损伤，也防止盘片旋转时产生静电引起数据丢失。在软盘套上开有若干个孔，其中有主轴孔、磁头读写孔和索引孔等。软盘驱动器的主轴通过主轴孔将软盘卡紧，驱动软盘旋转。软盘驱动器的读/写磁头通过磁头读/写孔与磁盘接触，将信息读出或写入。索引孔为磁盘上每个磁道起始位置的标志。除此之外，在保护套上还有写保护口，对磁盘中的数据进行保护。磁盘写保护时，磁盘上的信息只能被读出，不能写入。在软盘上存有重要数据且不再改动时，最好对磁盘写保护，以保护该软盘上的信息，同时也可防止感染计算机病毒。目前微型机上常用的软盘有3.5英寸盘，双面高密度3.5英寸盘的存储容量为1.44MB。软盘的每一面包含许多同心圆，称为磁道。磁道由外向内顺序编号，最外面的为0磁道，最里面的为末磁道。磁道被从圆心放射出的若干条线分割为若干个扇区。软盘上的信息就是按磁道和扇区存放的。扇区是软盘的基本存储单位，每当读或写时，总是读写一个完整的扇区，不论其中数据多少。软盘在使用前必须格式化，其作用就是划分磁道和扇区，指明扇区的位置、大小，并写入地址标志。·5·硬磁盘是由若干片硬盘片组成的盘片组，一般被固定在计算机箱内。硬盘的存储格式与软盘类似，但硬盘的容量要大很多，存取信息的速度也快得多。现在一般微型机上所配置的硬盘容量通常在几个GB。硬盘在第一次使用时，也必须首先进行格式化。光盘的存储介质不同于磁盘，它属于另一类存储器。由于光盘的容量大、存取速度较快、不易受干扰等特点，光盘的应用越来越广泛。光盘根据其制造材料和记录信息方式的不同一般分为三类：只读光盘、一次写入型光盘和可擦写光盘。只读光盘是生产厂家在制造时根据用户要求将信息写到盘上，用户不能抹除，也不能写入，只能通过光盘驱动器读出盘中信息。只读光盘以一种凹坑的形式记录信息。光盘驱动器内装有激光光源，光盘表面以凸凹不平方式记录的信息，可以反射出强弱不同的光线，从而使记录的信息被读出。只读光盘的存储容量约为650MB。一次写入型光盘可以由用户写入信息，但只能写一次，不能抹除和改写（像PROM芯片一样）。信息的写入通过特制的光盘刻录机进行。它是用激光使记录介质熔融蒸发穿出微孔或使非晶膜结晶化，改变原材料特性来记录信息。这种光盘的信息可多次读出，读出信息时使用只读光盘用的驱动器即可。一次写入型光盘的存储容量一般为几百MB。可擦写光盘用户可自己写入信息，也可对自己记录的信息进行抹除和改写，就像使用磁盘一样可反复使用。它是用激光照射在记录介质上（不穿孔），利用光和热引起介质可逆性变化来进行信息记录的。可擦写光盘需插入特制的光盘驱动器进行读写操作，它的存储容量一般在几百MB至几个GB之间。4．输入设备输入设备是外界向计算机送信息的装置。在微型计算机系统中，最常用的输入设备是键盘和鼠标。键盘由一组按阵列方式装配在一起的按键开关组成。每按下一个键，就相当于接通一个开关电路，把该键的代码通过接口电路送入计算机。这时送入计算机的按键代码不是常用的字符ASCII码，而且称为“键盘扫描吗”。每一个键的扫描码反映了该键在键盘上的位置。按键的扫描码送入计算机后，再由专门的程序将它转换为相应字符的ASCII码。目前，微型计算机配置的标准键盘有101（或104）个按键，包括数字