大学计算机基础

1、大学计算机基础徐久成 王岁花 主编 科学出版社9/30/20221普通高等教育“十二五”国家级规划教材第1章 计算机基础知识1.1 计算机概述1.2 计算机系统的运算基础1.3 计算机系统的构成1.4 微型计算机硬件组成9/30/202221.1 计算机概述1.1.1 什么是计算机1.1.2 计算机的发展1.1.3 计算机的分类1.1.4 计算机的应用9/30/202231.1.1 什么是计算机计算机（Computer）是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。计算机本质上是信息处理机，输入数字化的数据，按照程序规定的步骤进行处理，输出指定的

2、动作和时序，从而完成控制任务和信息处理。9/30/202241.1.1 什么是计算机信息既是对各种事物的变化和特征的反映，又是事物之间相互作用和联系的表征。数据（Data）是指能够输入计算机并由计算机处理的符号。例如：数值、文字、语言、图形、图像等。它是信息的载体，是信息的具体表示形式。信息、材料、能源是组成社会物质文明的三大要素。9/30/202251.1.2 计算机的发展 第一台计算机是1946年2月15日由美国宾夕法尼亚大学研制的，名为ENIAC。ENIAC：长30.48米，宽1米，占地面积170平方米，30个操作台，约相当于10间普通房间的大小，重达30吨，耗电量150千瓦，造价48万

3、美元。它包含了17,468个真空管7,200个水晶二极管, 1,500个中转, 70,000个电阻器, 10,000个电容器，1500个继电器，6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。Electronic Numerical Integrator and Calculator9/30/202261.1.2 计算机的发展 第一代：电子管计算机 (1946-1957)第一代计算机的特点是操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据。9/30/20227

4、1.1.2 计算机的发展 第二代：晶体管计算机 (1957-1964)第二代计算机用晶体管代替电子管，体积小、速度快、功耗低、性能更稳定。该类计算机，还具有现代计算机的一些部件：打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。在这一时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，使计算机编程更容易。9/30/202281.1.2 计算机的发展 第三代：集成电路计算机 (1964-1972)集成电路的应用使计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程序。9/30/202291.1.2 计算机的发展 第四代：大规模集成电

5、路 (1972年至今)大规模集成电路的应用得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。70 年代中期，计算机制造商开始将计算机带给普通消费者。1981年IBM 推出了个人计算机，用于家庭、办公室和学校。 9/30/2022101.1.2 计算机的发展 计算机的发展趋势计算机科学是有史以来发展最快的学科，为了迎合社会对计算机不同层次的应用需求，计算机正朝着巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。9/30/2022111.1.3 计算机的分类 计算机按其规模、速度和功能等可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机等等。这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率

6、消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软件配置等的不同。9/30/2022121.1.3 计算机的分类 1. 巨型机巨型机指运算速度快、存储容量大、功能最强和价格最贵的高性能计算机，它采用了大规模并行处理的体系结构，CPU由数以千计、万计的处理器组成，有极强的运算处理能力，巨型机主要用于国家高科技领域和国防尖端技术的研究。巨型机的研制水平是一个国家计算机技术水平的重要标志，这一领域的竞争是世界计算机界的热点。9/30/2022131.1.3 计算机的分类 2大型机大型机的运算速度一般介于百万次/秒至几千万次/秒之间，存储容量比巨型机小，可容纳上百个用户同时工作。它有比较完善的指令系统、

7、丰富的外部设备和功能齐全的软件系统。其特点是通用，有极强的综合处理能力。大型机一般用于大型企业、大专院校和科研机构。9/30/2022141.1.3 计算机的分类 3小型机小型机运算速度在几十万次/秒左右，存储容量和机器规模比大型机小，结构相对简单，设计试制周期短，便于及时采用先进工艺技术，软件开发成本低，易于操作维护。可同时容纳几十个用户同时工作，价格也相对比较便宜。小型机适用于中小企业、政府部门等。9/30/2022151.1.3 计算机的分类 4微型计算机微型计算机是以微处理器为核心，通过系统总线将存储器、外围控制电路、I/O接口连接起来的系统，简称微机。具有以下特点：集成度高，体积小，

8、重量轻，价格低廉。部件标准化，易于组装及维修。高可靠性及适应性。微机是当前使用最为广泛的计算机，现在微机的运算速度已经赶上某些大中小型机了。9/30/2022161.1.3 计算机的分类 5单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，单片机只缺少了I/O设备。单片机是器件级计算机系统，它可以嵌入到任何对象体系中去，实现智能化控制。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。9/30/2022171.1.4 计算机的应用 计算机应用范围非常广泛，并且还在不断向各行各业渗透扩展。从计算机所处理数据的类型这个

9、角度来看，计算机的应用原则上可分为数值计算和非数值计算两大类。而后者的应用范围远远超过前者，概括起来主要有以下几个方面。9/30/2022181.1.4 计算机的应用 2数据处理数据处理又称信息加工，是现代化管理的基础。信息处理是目前计算机应用最广泛的领域之一。信息处理是指用计算机对各种形式的信息（如文字、图像、声音等）收集、存储、加工、合并和分类统计、分析和传送的过程。当今社会，计算机在信息处理领域的应用，对办公自动化、管理自动化乃至社会信息化都起着积极的促进作用。9/30/2022191.1.4 计算机的应用 3计算机仿真计算机仿真技术是当前应用最广泛的实用技术之一，是通过虚拟试验的方法来

10、分析和解决问题的一门综合性技术。虚拟现实技术是计算机仿真最具潜力的发展方向之一，虚拟现实VR（Virtual Reality）已是计算机世界最热门的一个词汇。9/30/2022201.1.4 计算机的应用 3计算机仿真是通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。9/30/2022211.1.4 计算机的应用 4过程控制又称实时控制，其工作过程是选用传感器实时检测受控对象的数据，求出它们与设定数据的偏差

11、，接着由计算机按控制模型进行计算，然后产生相应的控制信号，驱动伺服装置对受控对象进行控制或调节。是实现工业生产过程自动化的一个重要手段。9/30/2022221.1.4 计算机的应用 5计算机辅助系统CAD/CAM：用来帮助产品或各项工程的设计制造，使设计和制造过程实现半自动化或自动化。CIMS:集设计、制造、管理等三大功能于一体的现代化工厂生产系统。CBE:以计算机为主要媒介所进行的教育活动。CAI、CMI9/30/2022231.1.4 计算机的应用 6人工智能简称AI，它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。它企图了解智能的实质，并生产出

12、一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。 目前比较热门的应用主要包括机器人、专家系统、模式识别、智能检索等9/30/2022241.2 计算机系统运算基础1.2.1 进位计数制1.2.2 几种常用数制之间的转换1.2.3 二进制数的运算规则1.2.4 信息在计算机中的表示1.2.5 信息在计算机中的存储9/30/2022251.2 计算机系统运算基础1.2.1 进位计数制1.2.2 几种常用数制之间的转换1.2.3 二进制数的运算规则1.2.4 信息在计算机中的表示1.2.5 信息在计算机中的存储9/30/2022261.2.1 进位计数制数制是进位计数制的简称。对于任何一个数制必须

13、弄清楚三个问题，即基数r、r个不同的数码和位权值ri。9/30/2022271.2.1 进位计数制1十进制数 十进制数，其基数为10，有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个数码，位权值为10i。 对任何一种进位计数制表示的数都可以写成按其权展开的多项式之和，即任意一个有n位整数m位小数的r进制数N可表示为：如：68.34=6101+8100+310-1+410-29/30/2022281.2.1 进位计数制2二进制数 二进制数的主要特点为：有两个数码0和1。进位方式为逢2进1，基数是2，数位k上的权是2k-1。二进制数中位数的“权”以2为基数，也就是说任意一个二进制数N可表示为： (N)

14、2=an-12n-1+an-22n-2+a121+a020 例如：(1101)2=123+122+021+1209/30/2022291.2.2 常用数制之间的转换2二进制数 二进制数的主要特点为：有两个数码0和1。进位方式为逢2进1，基数是2，数位k上的权是2k-1。二进制数中位数的“权”以2为基数，也就是说任意一个二进制数N可表示为： (N)2=an-12n-1+an-22n-2+a121+a020 例如：(1101)2=123+122+021+1209/30/2022301.2.2 常用数制之间的转换1r进制与十进制间的相互转换 （1）r进制转十进制： “位权展开法”。 【例1-1】 分

15、别将(10110)2、(17.2)8、(3AC)16各制数转换为十进制数。(10110)2=124+023+122+121+020 =16+0+4+2+0=22 (17.2)8=181+780+28-1=15.25 (3AC)16=3162+A161+C160 =3162+10161+12160 =9409/30/202231（2）十进制转r进制。“基数乘除法”，具体规则如下： 整数部分：“除r取余，逆序排列”。 小数部分：“乘r取整，顺序排列”。 【例1-2】将十进制数25.625转换为二进制数。 (25.625)10=(11001.101)2 1.2.2 常用数制之间的转换9/30/202

16、2322八进制（十六进制）与二进制间的相互转换 ：“分组转换法”，由于23=8(24=16)，即1位八进制数（十六进制数）相当于3位（4位）二进制数。 （1）二进制数转换成八进制数（十六进制数）的规则为：从小数点开始，整数部分向左、小数部分向右，每3位（4位）为一组用一位八进制数（十六进制数）的数字表示，不足3位（4位）的要用“0”补足，就得到一个八进制数（十六进制数）。 （2）八进制数（十六进制数）转换成二进制数：把每一位八进制数（十六进制数）转换成对应的3位（4位）二进制数码，就得到一个二进制数。1.2.2 常用数制之间的转换9/30/2022331.2.2 常用数制之间的转换9/30/2

17、022343八进制与十六进制之间的相互转换八进制与十六进制之间的转换，可用二进制作为中间量进行相互转换。如要将一个八进制数转换为相应的十六进制，可以先将八进制转换为二进制，然后可以直接根据二进制写出对应的十六进制数，反之亦然。 1.2.2 常用数制之间的转换9/30/2022351二进制数的算术运算规则（1）加运算： 00=0，01=1，10=1，11=10 (进位)（2）减运算： 11=0，10=1，00=0，01=1 (借位)（3）乘运算： 00=0，01=0，10=0，11=1（4）除运算： 01=0，11=11.2.3 二进制数的运算规则9/30/2022362二进制数的逻辑运算 我们

18、把逻辑的“T”作为逻辑代数中的“1”，“F”作为“0”，这样就把逻辑命题的对应关系反映到代数方法中，这就是逻辑代数。 （1）逻辑与：只有决定“结果”的条件全部满足，结果才成立，这种因果关系叫做逻辑与(AND)，逻辑与的运算符表示为“”。 即： （2）逻辑或：决定结果的条件中只要任何一个满足，结果就成立。这种因果关系叫做逻辑或(OR）。逻辑或的运算符号为“”。 即： 1.2.3 二进制数的运算规则9/30/202237（3）逻辑非：第三种基本逻辑关系为“非(NOT）”关系。最简单的描述就是结果对条件的否定。逻辑非的运算符号为“”。 即：（4）逻辑异或：“异或”是一种复合逻辑关系。因为它所表现的特

19、殊性，也可以把“异或”关系当作基本逻辑关系处理。当两个命题存在“两者不可兼得”关系时，我们称之为异或。也可以描述异或关系为：相同为假，相异为真。逻辑异或的运算符号为“ ”。 即： 1.2.3 二进制数的运算规则9/30/202238 在计算机内，无论哪一种数据，都以二进制形式表示。计算机内部信息用二进制数表示的原因：1）二进制数中只有0和1 两个数字符号，可以方便采用具有两种不同的稳定物理状态的元件来表示。例如：电容的充电和放电；电位的高和低；指示灯的开和关；晶体管的截止和导通，脉冲电位的低和高等，都可以用二进制数中的0和1表示。（具有上述两个状态的这些元件制造容易，可靠性高）。2）二进制数运

20、算规则简单，使计算机中的运算部件结构简单。3）二进制数中的0和1与逻辑代数的逻辑变量一样，可以采用二进制数进行逻辑运算，并运用逻辑代数作为工具来分析和设计计算机中的逻辑电路，使得逻辑代数成为设计计算机的数学基础。1.2.4 信息在计算机中的表示9/30/2022391数值型数据在计算机中的表示方式 数值型数据指数学中的代数值，具有量的含义，且有正负、整数和小数之分。 （1）机器数与真值 任何一个非二进制整数输入到计算机中都必须以二进制格式存放在计算机的存储器中，且用最高位作为数值的符号位，并规定二进制数0表示正数，二进制数1表示负数，每个数据占用一个或多个字节。这种连同数字与符号组合在一起的二

21、进制数称为机器数，由机器数所表示的实际值称为真值。如：1.2.4 信息在计算机中的表示9/30/202240（2）机器数的表示方法 在计算机中，机器数也有不同的表示方法，通常用原码、反码和补码三种方式表示，其主要目的是解决减法运算。任何正数的原码、反码和补码的形式完全相同，负数则各自有不同的表示形式。 原码：正数的符号位用0表示，负数的符号位用1表示，数值部分用二进制形式表示，这种表示法称为原码。 反码：正数的反码和原码相同，负数的反码是对该数的原码除符号位外每位取反。 补码：正数的补码和原码相同，负数的补码是其反码加1。 1.2.4 信息在计算机中的表示9/30/202241求负数补码的方法

22、为： 第一步：写出与该负数相对应的正数的补码。 第二步：按位求反。 第三步：末位加1。 【例1-5】 假设机器字长为8位，求-46的补码。 +46的补码表示为： 00101110 按位求反： 11010001 末位加1： 11010010 所以，-46补码为： 11010010 补码的加法规则是：X+Y补=X补+Y补 补码的减法规则是：X-Y补=X补+-Y补 1.2.4 信息在计算机中的表示9/30/2022422.非数值数据在计算机中的表示 1）ASCII码 目前在小型机和微型机系统内国际上最广泛使用的字符编码是：“美国信息交换标准码”，简称ASCII码(American Standard

23、Code For Internation Interchange)。标准ASCII码采用7位二进制编码，可以表示128个字符，每个字符对应一个7位的二进制数，这个二进制数的值称为ASCII码值。码值可采用十进制或十六进制数来表示。在计算机的存储过程中，一个ASCII码值是使用8个二进制位(一个字节），其最高位(bit7)用作奇偶校验位。1.2.4 信息在计算机中的表示9/30/2022431.2.4 信息在计算机中的表示9/30/2022442）汉字编码（1）国际码 为了编码，将汉字分成若干个区，每个区内有94个汉字。由区号和位号（区中的位置）构成了区位码。为了与ASCII码兼容，区号和位号各

24、加32就构成了国标码。 1981年公布的国家标准GB2312-80信息交换用汉字编码字符集基本集（国标码、也称汉字交换码），共收录汉字、字母、图形符号共7445个。其中汉字6763个，按其出现的频度分为一级汉字3755个，二级汉字3008个。2001年我国发布了GB18030编码标准，它是GBK的升级，GB18030编码空间约为160万码位，目前已经纳入编码的汉字约为2.6万个。1.2.4 信息在计算机中的表示9/30/202245（2）机内码 汉字机内码是计算机系统内部处理和存贮汉字时所用的代码，将国标码的每个字节的最高位由“0”变为“1”，变换后的国标码称为汉字机内码，简称内码。（3）输入

25、码 以字母、数字等按键的组合对汉字进行的编码，称为汉字输入码，或称汉字的外码。其中常见的输入码可以分为：数码、音码、形码、音形码。 （4）字形码 汉字字形码用在输出时产生汉字的字形，采用点阵或者矢量形式产生。汉字的字形按一定规则排列成汉字字形库，也称汉字库。当需要打印出不同字体的汉字时，必须备有多种字体、不同规格的汉字库。 1.2.4 信息在计算机中的表示9/30/2022463.各类数据在计算机中的转换 所谓数字化即为对传统信息的进行编码，信息编码的目的就是把用户要求计算机处理的各种形式的信息，转换为计算机所能接受、识别的二进制形式存入到计算机内进行处理，然后把计算机的处理结果以用户需要的形

26、式输出。1.2.4 信息在计算机中的表示9/30/2022471位(bit): 位是计算机处理信息的最小单位。位音译为“比特”，简写为“b”。二进制数系统中，每个0或1就是一个位(bit)，位是存储信息的最小单位。2字节(Byte):字节是计算机处理数据的基本单位，即以字节为单位解释信息。音译为“拜特”，简写为“B”。8个二进制位编为一组称为一个字节，即：1B=8bit。归结几比特作为1字节要根据上下文的连贯性而定，由n比特构成的字节被称为“n比特字节”(n-bit byte)。因为当前8比特字节最为普及，所以如果没有什么注释的话，一般1字节就被认为是8比特。3字(Word):计算机一次存取、

27、处理和传输的数据长度称为字，即：一组二进制数码作为一个整体来参加运算或处理的单位。一个字通常由一个或多个字节构成，用来存放一条指令或一个数据。1.2.5 信息在计算机中的存储9/30/2022484存储单元 表示一个数据的总长度称为计算机的存储单元。在计算机中，当一个数据作为一个整体存入或取出时，这个数据存放在一个或几个字节中组成一个存储单元。存储单元的特点是：只有往存储单元送新数据时，该存储单元的内容以新值代替旧值，否则将保持原有数据。5存储容量 某个存储设备所能容纳的二进制信息量的总和称为存储设备的存储容量。存储容量用字节数来表示。 其关系为：1KB=1024B 1MB=1024KB 1G

28、B=1024MB 1TB=1024GB1.2.5 信息在计算机中的存储9/30/2022496编址与地址 （1）编址：对计算机存储单元编号的过程称为“编址”，是以字节为单位进行的。 （2）地址：存储单元的编号称为地址。地址号与存储单元是一一对应的，CPU通过单元地址访问存储单元中的信息，地址所对应的存储单元中的信息是CPU操作的对象，即数据或指令本身。地址也是用二进制编码表示，为便于识别通常采用十六进制表示地址。 1.2.5 信息在计算机中的存储9/30/2022501.3 计算机系统的构成1.3.1 冯诺依曼体系计算机的结构特点1.3.2 计算机的硬件系统1.3.3 计算机的软件系统1.3.

29、4 计算机程序及其运行原理1.3.5 计算机的性能指标9/30/2022511.3.1 冯诺依曼体系计算机的结构特点 科学家冯诺依曼在1945年提出了现代计算机的基本工作原理： 1）抛弃十进制，采用二进制作为数字计算机的数制基础； 2）提出了程序存储式电子数字自动计算机的方案； 3）确定了计算机硬件体系结构的5个基本部件： （1）输入数据和程序的输入设备。 （2）记忆程序和数据的存储器。 （3）完成数据加工处理的运算器。 （4）控制程序执行的控制器。 （5）输出处理结果的输出设备。 9/30/2022521.3.2 计算机的硬件系统 基本的计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备

30、五大部分组成。其中运算器主要对数据进行处理加工，完成算数和逻辑运算；控制器主要负责从存储器中取出指令并进行分析，控制计算机各个部件有条不紊地完成指令的功能；存储器是计算机系统的记忆设备。计算机硬件的各部分主要是采用总线结构连接起来。9/30/202253 为了控制、管理、维护和开发计算机系统资源而编制的各种程序及其相关资料的集合称为软件。硬件若是计算机系统的躯体，软件则是计算机系统的灵魂。 计算机的软件系统可分为系统软件和应用软件两部分。系统软件是负责对整个计算机系统资源的管理、调度、监视和服务。应用软件是指各个不同领域的用户为各自的需要而开发的各种应用程序。1.3.3 计算机的软件系统9/3

31、0/202254 1计算机系统软件 （1）操作系统：系统软件的核心，它负责对计算机系统 内各种软、硬件资源的管理、控制和监视。 （2）数据库管理系统：负责对计算机系统内全部文件、资料和数据的管理和共享。 （3）编译系统：负责把用户用高级语言所编写的源程序编译成机器所能理解和执行的机器语言。 （4）网络系统：负责对计算机系统的网络资源进行组织和管理，使得在多台独立的计算机间能进行相互的资源共享和通信。 （5）标准程序库：按标准格式所编写的一些程序的集合，这些标准程序包括求解初等函数、线性方程组、常微分方程、数值积分等计算程序。 （6）服务性程序：也称实用程序。为增强计算机系统的服务功能而提供的各

32、种程序，包括对用户程序的装置、连接、编辑、查错、纠错、诊断等功能。1.3.3 计算机的软件系统9/30/2022552计算机应用软件 应用软件是为满足用户不同领域、不同问题的应用需求而提供的那部分软件，即用户可以使用的各种程序设计语言，以及用各种程序设计语言编制的应用程序的集合，分为应用软件包和用户程序。应用软件包是利用计算机解决某类问题而设计的程序的集合，供所有用户使用。在使用应用软件时一定要注意系统环境，也就是说运行应用软件需要系统软件的支持。在不同的系统软件下开发的应用程序要在不同的系统软件下运行。应用软件可以拓宽计算机系统的应用领域，放大硬件的功能。1.3.3 计算机的软件系统9/30

33、/2022561指令及指令系统 指令是指计算机完成某个基本操作的命令。指令能被计算机的硬件理解并执行，一条指令就是计算机机器语言的一个语句，是程序设计的最小语言单位。一台计算机所能执行的全部指令的集合，称为这台计算机的指令系统。 指令用一串二进制代码表示，通常包括操作码和地址码两部分信息。（1）操作码用来表示该指令的操作特性和功能，即指出进行什么操作。（2）地址码用来指出参与操作的数据在存储器中的什么地方，即地址。1.3.4 计算机程序及运行原理9/30/2022572指令的执行过程指令的执行分为以下三个阶段过程。 （1）取指令：取指令阶段完成将现行指令从内存中取出来并送到指令寄存器中。 （2

34、）分析及取数指令：取出指令后，机器立即进入分析及取数阶段，指令译码器可识别和区分不同的指令类型及各种获取操作数的方法。（3）执行：执行阶段完成指令规定的各种操作，产生运算结果，并将结果存储起来。1.3.4 计算机程序及运行原理9/30/2022583程序 程序是指一组指示计算机每一步动作的指令，通常用某种程序设计语言编写，运行于某种目标体系结构上。 在一台基于冯诺依曼体系结构的计算机上，程序从某种外部设备（通常是硬盘），被加载到计算机的内存里。指令序列顺序执行，直到一条跳转或转移指令被执行，或者一个中断出现。所有这些指令都会改变指令寄存器的内容。1.3.4 计算机程序及运行原理9/30/202

35、2594数据 程序已经被定义了，如何定义数据呢？数据可以被定义为被程序处理的信息。 当我们考虑到整个计算机系统时，有时程序和数据的区别就不是那么明显了。中央处理器有时用一组微指令控制硬件，此时数据可以是一个有待执行的程序；程序本身有时也可以编写、生成其它的程序。1.3.4 计算机程序及运行原理9/30/202260 一台计算机的功能或性能涉及体系结构、硬件组成、软件配置等多方面的因素，不是由某一项指标来决定的。表示计算机性能的主要指标有以下几个： 1字长 字长是指计算机内部一次能同时处理的二进制数据的位数，反映了计算机内部寄存器、ALU (Arithmetic and Logic Unit，算

36、术逻辑单元)和数据总线的位数，直接影响着计算机的硬件规模和造价。字长是衡量计算机性能的一个重要标志。字长越长，一次处理的数字位数越大，速度也就越快。1.3.5 计算机的性能指标9/30/2022612主频 频率是描述周期性循环信号（包括脉冲信号）在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称。主频，就是CPU的时钟频率，电脑中的系统时钟是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。简单地说就是CPU运算时的工作频率（1秒内发生的同步脉冲数）的简称。 通常来讲，在同系列处理器中，主频越高就代表计算机的速度也越快，但对与不同类型的处理器，它就只能作为一个参数来作参考。主频仅仅是CPU性能表现的一个方

37、面，并不代表CPU的整体性能。 1.3.5 计算机的性能指标9/30/2022623主存容量 主存容量是指主存储器（内存）所能存储二进制信息的总量。计算机的主存容量一般以字节(Byte)数来表示。 4MIPS MIPS是英文Million Instructions Per Second的简称，意思是每秒百万条指令，即“百万条指令秒”。它是指CPU每秒处理的百万级的机器语言指令数，它是处理器运行速度的测量方法，是衡量计算机运行速度的一个主要指标。 1.3.5 计算机的性能指标9/30/2022631.4.1 中央处理器1.4.2 主板1.4.3 内存储器1.4.4 微机总线1.4.5 常用外部设

38、备1.4.6 外存储器1.4.7 键盘及其基本操作1.4 微型计算机硬件组成9/30/202264 中央处理器CPU(Central Processing Unit)是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为微处理器MPU(Micro Processor Unit)。 1.4.1 中央处理器9/30/2022651. CPU的组成1）算术逻辑单元ALU：算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logical Unit)即运算器。运算器主

39、要完成各种算数(加、减、乘、除)和逻辑运算(与、或、非运算)。2）寄存器组：寄存器(Register)是用来临时存放参与ALU运算的各种数据，它是CPU中具有存储特性的内部高速单元。3）控制单元：控制单元即控制器。它负责读取指令寄存器中的指令并对指令进行分析和逻辑译码，产生并发出各种相应的控制信号完成一系列的内外部操作。1.4.1 中央处理器9/30/2022662. 微处理器的发展 目前主流的CPU主要由美国的Intel公司开发生产。1965年，作为Intel公司创始人的戈登摩尔（Gordon Moore）应邀撰写了一篇名为“让集成电路填满更多元件”（Cramming more compon

40、ents onto integrated circuits）的文章。文中摩尔对未来半导体元件工业的发展趋势作出了预测，文章指出，单块硅芯片上所集成的晶体管数目大约每年（1975年，摩尔将周期修正为“每两年”）增加一倍。这一预言后来成为广为人知的“摩尔定律”，被誉为“定义个人电脑和互联网科技发展轨迹的金律”。 1.4.1 中央处理器9/30/202267 主板(Mainboard)的主要功能有三个：一是支撑计算机的微处理器芯片并让所有其它部件与其连接。提供安装CPU、内存和各种功能卡的插座，部分主板甚至将一些功能卡的功能制作在主板上；二是为各种常用的外部设备，如打印机、扫描仪、调制解调器、外部存

41、储器等提供通用接口；三是通过主板，计算机的所有部件可以得到电源并相互通信。图1-6为微机中ATX结构的主板实例图，图1-7为其逻辑结构图。 主板主要由CPU插槽、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、软盘驱动器接口、基本输入输出系统（BIOS）、CMOS、电池、电源插槽、芯片组等部件组成。1.4.2 主板9/30/202268内存插槽PCI扩展槽CPU插座电源插座软驱接口南桥芯片北桥芯片键盘接口USB口并口串口CMOS电池IDE接口AGP插槽1.4.2 主板9/30/2022691.4.2 主板9/30/2022701CPU插槽：用于固定连接CPU芯片，它决定了主板所支持的中央处理器类型。随着集成化程

42、度和制造工艺的不断提高，越来越多的功能被集成到CPU上。 2芯片组：芯片组包括两个基本部分北桥芯片和南桥芯片。计算机的所有不同部件都通过芯片组与CPU通信。 （1）北桥芯片：北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP数据在北桥内部传输，提供对CPU的类型和主频、系统的前端总线频率、内存的类型和最大容量、AGP插槽、ECC纠错等支持。 （2）南桥芯片：是主板芯片组的重要组成部分，南桥芯片负责I/O总线之间的通信，如PCI总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等1.4.2 主板9/30/2022713基本输入输出系统BIOS和CMOS BIO

43、S（Basic Input Output System，基本输入/输出系统）是一组存储在可擦写只读存储器(EPROM)中的程序，其主要作用是负责对基本I/O系统进行控制和管理及用户对某些系统参数的设定，它控制计算机最基本的功能并在每次开机时执行自检。 CMOS是英文Complementary Metal Oxide Semiconductor的缩写，本意是指互补金属氧化物半导体。它是微机主板上的一块可读写的RAM芯片。1.4.2 主板9/30/2022724主板上的插槽与端口 除了前面提到的部件之外，主板的还有许多接口（插槽），主要有以下几种。 （1）内存插槽：主板的内存插槽对所支持的内存种类

44、和内存数量有直接的影响。目前台式机系统主要有SIMM、DIMM和RIMM三种类型的内存插槽。 （2）PCI插槽：PCI插槽现在多用来接声卡、网卡、电视卡及硬盘保护卡之类的PCI设备，目前桌面级主板均采用这种32位插槽。现在已有64位的PCI插槽，但长度比32位的PCI插槽要长。 （3）AGP插槽：AGP是英文Accelerate Graphical Port的缩写，中文意思是加速图形接口。它是一种显示卡专用的插槽。1.4.2 主板9/30/202273按照与CPU的接近程度，存储器的层次结构分为内部存储器与外部存储器，简称内存与外存。内部存储器又常称为主存储器（简称主存），属于主机的组成部分；

45、内存是CPU 直接访问的存储器, 它存放当前使用的程序和数据以及运算的中间结果。外部存储器又常称为辅助存储器（简称辅存），属于外部设备，要用来存放暂时不用的程序和数据。由于内存的速度与CPU的速度之间存在一定的差距，为了减小CPU的等待时间，大多数CPU中都配置了高速缓冲存储器（Cache）。主存储器、辅助存储器和高速缓冲存储器协同工作，解决了对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾。 1.4.3 内部存储器9/30/202274目前微机系统通常采用多级存储器体系结构，如表所示。名 称简称用 途特 点高速缓冲存储器 Cache 高速存取指令和数据 速度快，成本高，存储容量小内部存储器

46、主存 存放计算机运行期间的大量程序和数据 存取速度较快，存储容量不大外部存储器 外存 存放系统程序和大型数据文件及数据库 存储容量大，单位成本低1.4.3 内部存储器9/30/2022751. RAM与ROM 根据存取方式不同，内存可以分为RAM和ROM两种。 （1）RAM：RAM是英文Random Access Memory的缩写，其中文名称为随机存取存储器。RAM主要用来存放正在运行的程序、相关的数据。RAM的优点是存取速度快、读写方便，缺点是数据不能长久保持，断电后自行消失。 （2）ROM：ROM是英文Read Only Memory的缩写，其中文名称为只读存储器。ROM是一种对其内容只

47、能读不能写入的存储器，即预先一次写入的存储器。通常用来存放固定不变的信息。如经常用作微程序控制存储器。1.4.3 内部存储器9/30/2022762常见的内存 SDRAM：SD（SynchronousDynamic）RAM即同步动态随机存取存储器，都是168线的，工作电压为3.3V，目前最快的速度可达6ns。 DDR SDRAM：是Double Data Rate SDRAM的缩写，既双倍速率同步动态随机存取存储器。DDR内存可以在与SDRAM相同的总线频率下达到更高的数据传输率。与SDRAM相比，DDR允许在时钟脉冲的上升沿和下降沿读出数据，所以在相同的时钟频率下其速度就能达到标准SDRAM

48、的两倍。 DDR2（Double Data Rate 2）SDRAM：它与上一代DDR内存技术标准最大的不同就是，虽然同是采用了在时钟的上升沿/下降沿同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存却拥有两倍于DDR内存预读取能力。1.4.3 内部存储器9/30/2022773简单直观地区分各种不同类型的内存条 针脚数量的不同：SDR针脚模组是168 Pin、DDR针脚模组是184 Pin、DDR2针脚模组是240 Pin。 卡口数量的不同：SDRAM金手指上有两个卡口；DDR与DDR2金手指（是指内存条上与内存插槽之间的连接部件）上只有一个卡口，但卡口的位置稍微有一些不同。1.4.3 内部存储器9

49、/30/202278 现代计算机系统的复杂结构，使各部件之间需要有一个能够有效高速传输各种信息的通道，这就是总线。在微机中总线一般分为内部总线、系统总线和外部总线。 1内部总线 ：内部总线就是微处理器级总线，也叫前端总线。包括地址总线AB(Address Bus)、数据总线DB(Data Bus)和控制总线CB(Control Bus)，从CPU引脚上引出，用来实现CPU与外围控制芯片(包括主存、Cache等)之间的连接。 2系统总线：系统级总线也称为I/O通道总线，是插件板一级的总线，用于CPU与接口卡的连接。为使各种接口卡能够在各种系统中实现“即插即用”，常见的总线标准有ISA总线、PCI

50、总线、AGP总线等。 3外部总线：外部总线是互连设备一级的总线，用于在计算机和外设之间进行信息与数据交换。主要有RS-232-C总线、RS-485总线、IEEE-488总线、USB总线等。1.4.4 微机总线9/30/202279在计算机硬件系统中，外部设备是相对于计算机主机而言的。凡在计算机主机处理数据前后，负责把数据输入计算机主机、对数据进行加工处理及输出处理结果的设备都称为外部设备，而不管它们是否受中央处理器的直接控制。一般说来，除计算机主机以外的设备原则上都叫外部设备。不同的设备，特别是以微机为核心的电子设备，都有自己独特的系统结构、控制软件、总线、控制信号等。为使不同设备能连接在一起

51、协调工作，必须对设备的连接有一定的约束或规定，这种约束就是接口协议。实现接口协议的硬件设备叫做接口电路，通常称为输入输出接口，它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。1.4.5 常用外部设备9/30/202280在计算机硬件系统中，外部设备是相对于计算机主机而言的。凡在计算机主机处理数据前后，负责把数据输入计算机主机、对数据进行加工处理及输出处理结果的设备都称为外部设备，而不管它们是否受中央处理器的直接控制。一般说来，除计算机主机以外的设备原则上都叫外部设备。不同的设备，特别是以微机为核心的电子设备，都有自己独特的系统结构、控制软件、总线、控制信号等。为使不同设备能连接在一起协调工作，必须对设备的连接有一定的约束或规定，这种约束就是接口协议。实现接口协议的硬件设备叫做接口电路，通常称为输入输出接口，它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。1.4.5 常用外部设备9/30/