第二章 计算机基础知识 2.1 计算机系统概述 2.2 计算机硬件系统和工作原理 2.3 计算机软件系统 2.4 微型计算机硬件组成

2.1 计算机系统概述 软 件 硬 件 系统软件 应用软件 计算机系统=硬件系统+软件系统

计算机系统的组成 CPU 主机 硬件 计算机系统 外部设备 系统软件 软件 应用软件 运算器 控制器 随机存储器(RAM) 只读存储器(ROM) 高速缓冲存储器(Cache) 内存 硬件 计算机系统 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等 输出设备：显示器、打印机、音响等 外 存：软盘、硬盘、光盘、U盘等 外部设备 操作系统：DOS、Windows、Unix、Linux 语言处理程序：C、Pascal、VB等 实用程序：诊断程序、排错程序等 系统软件 软件 应用软件 办公软件包、数据库管理系统

2.2 计算机硬件系统和工作原理 2.2.1 计算机硬件系统 主机 外设 输入设备 输出设备 外存设备 网络设备 计算机硬件包括主机和外设

计算机的五大部件 演示：计算机的五大部件 冯.诺依曼思想： 二进制 存储器 数据流 控制流 运算器 外存储器 输 出 设 备 内存储器 入 控制器 冯.诺依曼思想： 二进制 程序与数据一样存放在内存 五大模块 演示：计算机的五大部件

处理器 处 理 器 控制器 运算器 控制整个计算机所有部件的工作 执行算术运算和逻辑运算

存储器 存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合， 每个记忆单元由8位二进制位组成，可读写其中的数据。 存储器通常分为内存储器和外存储器 存放大量信息 的外存储器 信息交流中心 内存储器

存储器 每个记忆单元由8位二进制位组成。 1KB=210B=1024B 1MB= 210KB= 1024KB 1GB= 210MB= 1024MB 1TB= 210GB= 1024GB 字节BYTE 7 6 5 4 3 2 1 0 位Bit

输入设备 常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。 常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪等。

2.2.2 计算机基本工作原理 指令 指令是能被计算机识别并执行的的二进制代码，完成一种操作。 操作码 操作数 数据传送指令 数据处理指令 结构 操作码 操作数 指令 分类 操作码 要完成的操作类型或性质 操作数 操作的内容或所在的地址 数据传送指令 数据处理指令 程序控制指令 输入输出指令 其它指令 CPU 内存 ＋ － ×÷ And Or…… If Goto…… I/O设备 主机 对计算机的硬件进行管理等

计算机基本工作原理 1.指令的串行执行 一条指令的执行过程分为以下3步骤： ① 取指令 按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。 ② 分析指令 对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。 ③ 执行指令 由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。 一条指令执行完成，指令计数器加1 或将转移地址码送入程序计数器，然后回到①。 演示：计算机基本工作原理

计算机基本工作原理 1.指令的执行 是依次完成指令的三个部件后，才开始下一条指令的执行，在此过程中在执行某功能部件时，其他两个功能部件是不工作的。 2. 指令流水线技术 指令流水线技术就是使这三个功能部件并行工作，则可提高计算机执行指令的速度，现在的计算机一般采用流水线技术。 则有三条指令的并行执行理论速度是串行执行的3倍

2.3 计算机软件系统 软件是指程序、程序运行所需要的数据以及开发、使用和维护这些程序所需要的文档的集合。 系统软件 应用软件 用户 语言处理 程序 操 用户 作 系 统 应用软件 实用程序

2.3.1系统软件 1.操作系统 目的: 计算机与人交互的接口,不必了解计算机内部结构 合理地使用系统内包含的各种软、硬件资源，提高整个系统的使用效率和经济效益。 目前典型的操作系统有：Windows、UNIX、Linux等，详细介绍见第四章。

（1）机器语言 机器语言是由“０”、“１”二进制代码按一定规则组成的、能被机器直接理解、执行的指令集合。 2．程序设计语言与语言处理程序 （1）机器语言 机器语言是由“０”、“１”二进制代码按一定规则组成的、能被机器直接理解、执行的指令集合。 例如，计算A=15+10 的机器语言程序如下： 10110000 00001111 ： 把15放入累加器A中 00101100 00001010 ： 10与累加器A的值相加，结 果仍放入A中 11110100 ： 结束，停机 缺点：编程工作量大，难学、难记、难修改，只适合专业人员使用；由于不同的计算机，其指令系统不同，机器语言随机而异，通用性差，是面向机器的语言。 优点：程序代码不需要翻译，所占空间少，执行速度快。现在已经没有人用机器语言直接编程了。

（2）汇编语言 将机器指令的代码用英文助记符来表示，代替机器语言中的指令和数据。例如用ADD表示加、SUB表示减、JMP表示程序跳转等等，这种指令助记符的语言就是汇编语言。 例如，计算 A=15+10 的汇编语言程序： MOV A，15 ：把15放入累加器A中 ADD A，10 ：10与累加器A相加，结果存入A中 HLT ：结束，停机 优点：汇编语言克服了机器语言难读等缺点，保持了其编程质 量高，占存储空间少，执行速度快的优点。 缺点：还是依赖于机器，通用性差。 特点：源程序必须通过汇编程序翻译成机器语言。 常用于：过程控制等编程。

（3）高级语言 高级语言是由表达各种意义的词和数学公式按照一定的语法规则来编写程序的语言。 例如，计算 A=15+10 的BASIC语言程序如下： A=15+10 ‘ 15与10相加的结果放入A中 PRINT A ‘ 输出A END ‘ 程序结束 优点：通用性强，编程效率高。 缺点：源程序要翻译成机器语言，代码不最优。

常用高级语言 Fortran语言 1954年推出，适用于科学和工程计算。 COBOL语言 是面向商业的通用语言，1959年推出，主要用于数 据处理，随着数据库管理系统的迅速发展，很少使用。 Pascal语言 结构化程序设计语言，1968年推出，适用于教学、科 学计算、数据处理和系统软件等开发，目前已被C语言取代. C、C++语言 1972年推出C语言，1983年加入面向对象的概念， 改名为C++。语言简练、功能强，适用面广。 BASIC语言 初学者语言，1964年推出；1991年微软推出可视化的 、基于对象的VisualBasic开发环境，发展到现在的VB.NET开 发环境，则是完全面向对象、功能更强大。 Java语言 一种新型的跨平台的面向对象设计语言，1995年推出， 适用于网络应用 .

语言处理程序 在所有的程序设计语言中，除了用机器语言编制的程序能够被计算机直接理解和执行外，其他的程序设计语言编写的源程序都必须经过一个翻译过程才能转换为计算机所能识别的机器语言程序，实现这个翻译过程的工具是语言处理程序，即翻译程序。用非机器语言写的程序称为源程序；通过翻译程序翻译后的程序称为目标程序。翻译程序也称为编译器。针对不同的程序设计语言编写出的程序，有各自的翻译程序，互相不通用。

语言处理程序 —— 汇编程序 汇编程序是将汇编语言编制的程序（源程序）翻译成机器语言程序（目标程序）的工具。 汇编程序的具体翻译工作步骤： ① 用机器操作码代替符号化的操作符。 ② 用数值地址代替符号名称。 ③ 将常数翻译为机器的内部表示。 ④ 分配指令和数据的存储单元。

BASIC、LISP等语言采用解释方式。 语言处理程序 —— 高级语言翻译程序 1)解释方式 解释方式的翻译工作由解释程序来完成，这种方式如同“口译” 。解释程序对源程序进行逐句分析，若没有错误，将该语句翻译成一个或多个机器语言指令，然后立即执行这些指令；若解释时发现错误，会立即停止，报错并提醒用户更正代码。解释方式不生成目标程序。 数据 高级语言 源程序 解释程序 计算结果 优点：查找错误的语句行和修改方便 缺点：执行速度慢 BASIC、LISP等语言采用解释方式。

2）编译方式 翻译工作由编译程序完成。如同“笔译”在纸上记录翻译后的结果。编译程序过程： 对源程序编译产生目标程序； 连接程序将目标程序和有关的程序库组合可执行程序。 目标程序 源程序 可执行程序 编译程序 连接程序 数据 计算结果 .C .OBJ .EXE 优点：执行速度快，修改源程序后都必须重新编译。 一般高级语言（C/C++、PASCAL、FORTRAN、COBOL等）都是采用编译方式。

实用程序 完成一些与管理计算机系统资源及文件有关的任务 系统设置软件 （不必直接修改注册表） 超级兔子软件、Windows优化大师 诊断程序（识别并且改正计算机系统存在的问题 ） 控制面板的系统 备份程序（备份程序把硬盘上的文件复制到其他存储设备上） “附件|系统工具|”的“备份” 反病毒程序 文件压缩程序

2.3.2应用软件 为某一专门的应用目的而开发的软件称为应用软件 。例如： 1. 办公软件包 2. 图形和图象处理软件 3.数据库系统 4. Ineternet服务软件 5.娱乐与学习软件

2.4 微型计算机硬件系统 2.4 .1主机系统 1. 微型计算机的诞生 2.4 　 微型计算机硬件系统 2.4 .1主机系统 1. 微型计算机的诞生 1971年Intel的工程师马西安·霍夫(M.E.Hoff)成功地在一个芯片上实现了中央处理器： 第一片4位微处理器 — Intel 4004， 第一台4位微型计算机 — MCS-4， 2. 摩尔定律 每18个月，集成度将翻一翻， 速度将提高一倍， 而其价格将降低一半

主机系统 主机的基本组成 主板 CPU 存储器：内存、外存

主板（Main Board）也叫母板（Mother Board 1. 主板 注：集成了声卡、网卡、IEEE 1394卡 没有集成显卡 背板上没有串行口和IEEE 1394接口 但是主板上引脚

主板总线图 各种指标及相互关系 最重要的是前端总线频率和外频 频率越高则性能越好 芯片组： CPU是大脑，芯片组是心脏 由南桥，北桥组成 主板架构 板载功能 就是将某一些接口卡的功能集成到主板上。最常见的就是集成声卡和网卡的功能。

芯片组 是主板的核心，决定了主板的功能和档次，由北桥和南桥芯片组成。 北桥芯片（Memory Control Hub，MCH） 负责与CPU的联系，决定主板支持的CPU的类型、内存的类型等。 位置：CPU和内存插槽最近 北桥芯片决定了主板的性能，人们常用北桥芯片的代号来称呼主板，如使用Intel 915北桥芯片的主板称为915主板。 南桥芯片（I/O Control Hub，ICH） 负责与I/O总线的通信，如PCI总线、USB、IDE、SATA等，以及负责管理音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等。 位置：离CPU插槽较远的下方

主板架构 ATX BTX 主板架构 常见架构 概念：是对主板的尺寸大小、形状、各元器件的布局、排列方式等制定出标准，所有主板厂商都必须遵循。 主要解决散热、噪声等 常见架构 ATX:最常见的主板架构 ,扩展插槽较多，数量在4-6个 Micro ATX:常说的“小板”，扩展插槽较少 BTX:新一代主板结构，是将来的发展趋势 ATX BTX

CPU 主频、外频和前端总线频率关系 主频＝外频×倍频系数 前端总线频率新引入 CPU和外界交换数据的唯一通道 前端总线数据传输速率＝前端总线频率×前端总线数据宽度／8 字长和位数 通常，CPU位数=CPU的字长=通用寄存器位数 高速缓冲存储器容量 核心数量 通过提高CPU主频来提高计算机运算能力，在早期主频比较低的时候还可行。随着频率越高，耗电越多，热量越大，问题越多。 多核心可以在较低主频，提高性能。 制造工艺 CPU内电路与电路之间的距离，单位是微米和纳米。1纳米 =10-9米 现在先进的是65，45和32纳米

主流CPU产品 Intel产品系列 AMD产品系列 龙芯 龙芯1号 龙芯2号 龙芯2号E

存储器 内存 外存 内存储器（主存储器）, 速度快，容量小，价格较高，可由CPU直接访问。 数据访问 内存储器（主存储器）, 速度快，容量小，价格较高，可由CPU直接访问。 外存储器（辅助存储器）,速度慢，容量大，价格低，CPU不可以直接访问。 CPU RAM 随机存储器(RAM) 只读存储器(ROM) 高速缓冲存储器 (Cache) 内存 外存 磁介质,软盘和硬盘 光盘 Flash存储器 外存

RAM的发展 SDRAM(同步动态存储器) 一个总线时钟周期 读写一次数据 DDR(双倍数据速率SDRAM) 一个总线时钟周期 读写两次数据, 2倍 一个总线时钟周期 读写两次数据 并行存取两个数据, 4倍 DDR2 一个总线时钟周期 读写两次数据 并行存取四个数据, 8倍 DDR3

ROM 开机 自检 执行ROM中的启动程序 加载操作系统 执行操作系统 只读存储器,可读，不可写；掉电后数据不会丢失 BIOS(Basic Input Output System)即基本输入输出系统。是被固化到主板ROM芯片上的程序。 BIOS主要功能: 识别各种硬件(包括型号) 引导操作系统 进行硬件最直接的操作，如读文件等。 引导操作系统过程 自检。检查电脑硬件是否良好。 初始化，读取CMOS里设置的参数,对硬件进行设置。 引导操作系统。 开机 自检 执行ROM中的启动程序 加载操作系统 执行操作系统

Cache 高速缓存(Cache) ,CPU的速度很快而内存速度较慢，怎么办？ Cache，它集成在CPU内部，高速，容量小。 CPU首先从Cache中查找 ，如果没有找到，再从内存中读取，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中 一级缓存L1 Cache，容量小。二级缓存L2 Cache ，容量大。主要区别在于CPU查找数据的顺序 。 一般由DRAM(静态存储器)构成。

外存储器 外存储器，大容量、能长期保存数据，价格便宜。 磁盘:软盘和硬盘 光盘：CD,DVD Flash存储器：U盘和各种Flash卡 外存

软盘(Floppy Disk) 微机使用的软盘直径为3.5英寸，称为3寸盘，容量为1.44MB。 软盘容量小、单位容量成本高、速度慢且可靠性差。已被U盘替代。

硬盘 硬盘(Hard Disk) 微机中最主要的辅存，容量大。 盘片：一个硬盘有多个盘片，每盘片有上下两个面，都可以保存数据。 磁道：盘片上不同半径的同心圆为磁道。 扇区：一个磁道被划分为多个扇区。 柱面：不同盘片相同磁道构成的圆柱面即柱面 。 存储容量＝盘片数×磁道（柱面）数×扇区数×每扇区字节数。 信息记录可表示为：几号磁头（盘片），几号磁道（柱面），几号扇区。

硬盘接口 难点：硬盘接口 IDE接口是一种并行接口 连接IDE硬盘 连接CD或DVD驱动器 SATA接口是一种串行接口 SATA 1.0 数据传输率达到150MBps SATA 2.0 数据传输率达到300MBps SATA 3.0 数据传输率达到600MBps

硬盘种类 笔记本硬盘的直径一般仅为2.5英寸和1.8英寸。 移动硬盘＝笔记本硬盘＋读写控制电路板＋外部接口。外部接口主要有USB2.0和IEEE1394。 ① USB 2.0 速度可达480Mbps ② IEEE 1394 速度目前可达400Mbps 微型硬盘一般为1英寸以下的硬盘。主要用于数码产品中，如数码摄像机。 固态硬盘（solid-state disk，SSD）是运用Flash芯片发展出最新的硬盘。不怕摔，能适应极端温度或湿度，适合工业或军事用途。价格非常高 。

光盘 CD的容量一般为680M , DVD的容量为4.7G~50G，采用更细的激光束，具有更高的磁道密度。 光驱： CD-ROM光驱：只能读取CD光盘。 DVD-ROM光驱：可以读取CD 和DVD光盘 COMBO光驱：“康宝” 是一种集合了CD、 DVD的读取和CD的刻录。 DVD刻录光驱：包括了CD、 DVD的读取和CD、 DVD的刻录。 光驱的数据读取速率用倍速来表示， CD光驱的1倍速是150KB/s, DVD光驱的1倍速是1350KB/s CD最高为64倍速,DVD为20倍速。

总线 总线是各部件（或设备）之间传输数据的公用通道 共享总线带宽 如：USB总线 独享总线带宽 如：AGP总线 PCI-e总线 PCI总线 设备1 设备2 南桥 芯片 总线 设备3

总线 衡量总线的指标就是总线带宽 总线带宽 = 总线频率 × 总线位数 × 传输次数 连接对象 内部总线：连接CPU的各个组成部件（芯片内部） 系统总线：连接计算机中各大部件 外部总线：连接计算机和外部设备 传输内容 地址总线:传输地址信息 数据总线:传输数据信息 控制总线:传输控制信息 通信方式 并行总线:通信速度快、实时性好 串行总线:简易、方便、灵活

微机系统总线 常见的总线有： ISA PCI PCI-E AGP

PCI PCI是一种32位数据的并行总线（可扩展为64位） ，总线频率为33MHz或66MHz， 最大传输速率＝66M×64/8＝532MB/s。 优点是结构简单、成本低、设计容易。 缺点是总线带宽有限（总线频率有限），同时多个设备是共享总带宽。

PCI-E 是一种串行总线，是替代PCI的最新的总线。 有多个通道（Lane），各个通道相互独立，即PCI-E的x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32等。每个通道单向传输带宽可达250MB/s，双向为500MB/s。 优点是数据传输速率高，而且带宽是各个设备独享的。 PCI-E x1取代传统的PCI，而PCI-E x16取代AGP。

AGP AGP（Accelerated Graphics Port，图形加速端口)是显卡的专用扩展插槽，在PCI基础上发展而来的。 AGP接口也有多个通道的版本，AGP 1x和AGP 2x, AGP 4x, AGP 8x。在微机中应用的主要是AGP 4x，它的数据传输带宽有1066MB/s。

串行总线和并行总线 速度 将来：串行总线肯定会逐渐取代并行总线 原因：并行总线高频率的条件下容易出错 串行总线：RS232、PS/2、USB、SATA等 速度

接口 各种接口 USB接口： USB 1.1 最高传输速率可达12Mbps 很少见到 USB 2.0 传输速率可达480Mbps 普遍 IEEE 1394：支持的设备有DV、移动硬盘、音响设备 可以达到400Mbps， 将来会800Mbps，1Gbps，1.6Gbps PS/2接口 串行口 并行口

输入和输出设备 基本输入和输出设备 键盘、鼠标、触摸屏、显示器、打印机 新型数码设备 数码相机、数码摄像机、摄像头、投影仪 其它应用广泛的设备： 磁卡、IC卡、射频卡等许多卡片的读写设备 条形码扫描器 指纹识别器等

输入和输出设备 轨迹球 ① 基本输入设备 PS/2（紫色）口 连接 键盘 USB口 触摸板 “蓝牙”技术 无线键盘 机械式的 “蓝牙”技术 无线键盘 机械式的 PS/2（绿色）口 连接 鼠标 鼠标 USB口 光电式的 “蓝牙”技术 无线鼠标 光电鼠标更精确、更耐用、更容易维护 控制鼠标指针：轨迹球（TrackPoint） 触摸板（TouchPad） （笔记本电脑） 触摸屏

输入和输出设备 注1：显示器颜色质量若为32位， 因为增加了1个字节的透明度注2：LCD在标准分辨率下最清晰 ② 基本输出设备 显示器 CRT 性能价格比高，技术成熟 分类 LCD 将取代CRT 分辨率 像素的数量 如1024×768 1280×1024 指标 颜色质量 每一个像素占用的位数，真彩色是24位 刷新频率(CRT) 屏幕刷新速度(Hz) 刷新频率越高，闪动就越少 不闪动至少需要75Hz

输入和输出设备 ② 基本输出设备 打印机 打印速度 每分钟打印页数(ppm) 指标 分辨率 每英寸的点数(dpi) 针色打印机 9针、24针等，用于银行、超市 分类 喷墨打印机 黑白、彩色，打印成本高，小批量打印 激光打印机 速度最快，可达80ppm以上 质量最高，可达1200dpi以上

思 考 题 1．微型计算机的基本结构由哪几部分构成？主机主要包括了哪些部件？ 2．微型计算机的发展方向是什么？ 思 考 题 1．微型计算机的基本结构由哪几部分构成？主机主要包括了哪些部件？ 2．微型计算机的发展方向是什么？ 3．系统主板主要包括了哪些部件？ 4．衡量CPU性能的主要技术指标有哪些？ 5．微型计算机的内部存储器按其功能特征可分为几类？各有什么区别？ 6．外部存储器上的数据能否被CPU直接处理？ 7．高速缓冲存储器的作用是什么？ 8．常用的外存储器有哪些？各有什么特点？ 9．什么是总线？按总线传输的信息特征可将总线分为哪几类？各自的功能是什么？ 10．什么是接口？计算机上常见的接口有哪些？