第2章计算机的组成与工作原理

第2章计算机的组成与工作原理2.1计算机的基本组成

2.2计算机的软件系统

2.3计算机的基本工作原理

2.4微机系统的组成及主要性能指标

2.5多媒体计算机的构成

思考题

图2.1计算机系统的组成

2.1计算机的基本组成

2.1.1计算机的基本组成按照冯·诺依曼的“存储程序和二进制”理论，计算机应当具有输入、存储、输出和处理(运算、判断及控制)等功能。基于这种思想，现在各类计算机(硬件系统)都是由5大基本部件组成，它们分别是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，它们之间的关系如图2.2所示。

图2.2计算机的基本硬件结构图

2.1.2计算机各部件的主要功能1.运算器(ALU:ArithmeticalandLogicalUnit)运算器的主要功能就是对二进制数据进行算术运算和逻辑运算，所以也称算术逻辑单元。其运算过程是在控制器的控制下，对取自内存储器的数据进行加、减、乘、除等算术运算和“与”、“或”、“非”、“异或”等逻辑运算，并将结果送到内存储器。

2.控制器(CU：ControlUnit)控制器是整个计算机的控制枢纽，用于控制计算机各部件协调地工作，并负责从内存中取出指令，进行分析，确定操作次序，产生相应的控制信号。运算器和控制器合称为计算机的中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)，是决定计算机性能的核心部件。

3.存储器(Memory)存储器是计算机用来存放程序和数据的记忆装置。存储器分内存储器(也称主存储器，简称内存或主存)和外存储器(也称辅助存储器，简称外存或辅存)两部分。CPU只能直接存取内存，而不能直接存取外存，外存储器只有先调入内存中才能被CPU访问。4.输入设备(InputDevice)输入设备是将程序和数据变为计算机能接受的电信号，送入计算机存储器的外部设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏等。

5.输出设备(OutputDevice)

输出设备是将运算结果、工作过程(包括程序)以人们所期望的形式表示出来的电子设备。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和音响等。

2.2计算机的软件系统

2.2.1系统软件(SystemSoftware)1.操作系统(OS：OperatingSystem)操作系统是对计算机的硬件和软件资源进行控制和管理的程序，是系统软件的核心(见图2.3)。用户通过操作系统来使用计算机。因此，操作系统也是用户和计算机之间的接口。目前常用的操作系统有单用户操作系统(DOS)、多用户操作系统(Windows和UNIX)和网络操作系统(Netware、WindowsNT)等。

图2.3用户与计算机系统各层次之间的关系

2.程序设计语言和语言处理程序1)机器语言(MachineLanguage)机器语言是由二进制代码表示的机器指令组成的、计算机惟一能识别和执行的语言。其优点是执行速度快、占用内存少；缺点是面向机器，通用性差，编写繁琐，调试复杂，程序可读性、可维护性差。

2)汇编语言(AssemblyLanguage)汇编语言是用助记符(符号)表示二进制代码的机器指令的语言，也称符号语言。相对于机器语言，其优点是易学易记；缺点是面向机器，通用性较差。用汇编语言编写的程序称为汇编语言源程序，它不能直接运行，必须通过汇编程序把它翻译成目标程序(机器代码或目标代码)，计算机才能执行。这个翻译过程称为汇编(见图2.4)。

图2.4汇编过程

3)高级语言(High-levelProgrammingLanguage)高级程序设计语言类似于人们习惯用的自然语言和数学语言。用高级语言编写的程序不但表达直观、可读性好，而且与具体的机器无关，便于交流和移植。常用的高级语言有FORTRAN、PASCAL、BASIC、C、JAVA、VB和VC等。如同汇编语言一样，高级语言也不能被计算机直接运行，必须经过编译或解释，翻译成机器语言目标代码。高级语言的翻译有两种：编译方式和解释方式。编译方式是将高级语言源程序通过编译程序翻译成机器语言目标代码(见图2.5)。

图2.5编译过程

图2.6解释过程

3.工具软件工具软件包括编辑、链接程序，计算机测试和诊断程序，数据库管理软件及网络软件等。

2.2.2应用软件(ApplicationSoftware)

应用软件是为解决某种专门问题而设计的软件。它包括应用软件包和面向问题的应用软件。如办公自动化软件包Office2003中包含的Word、Excel和PowerPoint，CAD、CAM及CAI软件，网络应用软件(如Outlook)，以及为解决科研及生产中的实际问题而由用户设计的应用程序，均属于应用软件。

2.3计算机的基本工作原理

1.存储程序和程序控制计算机工作时先要把程序和所需数据送入计算机内存，然后存储起来，这就是“存储程序”的概念。运行时，计算机根据事先存储的程序指令，在程序的控制下由CPU周而复始地取出指令，分析指令，执行指令，直至完成全部操作。这就是所谓的存储程序和程序控制原理，也称冯·诺依曼原理，是现代计算机的基本工作原理。

2.二进制计算机中，程序(指令)和数据都是以二进制形式表示的。其中，数据的非数值型信息(如字符、文字、声音、图像等)要经过编码变成二进制数码。程序是完成某一特定任务的操作命令集合，是由指令构成的序列。指令是完成一个基本操作的命令。不同的计算机语言有其对应的指令，计算机只能直接执行以二进制形式表示的机器语言指令，而汇编语言和高级语言源程序要经过语言处理程序翻译成机器语言代码，即变成以二进制形式表示的机器指令，计算机才能执行。

2.4微机系统的组成及主要性能指标

2.4.1微机系统的组成微机的结构与一般计算机的结构没有本质区别，同样基于冯·诺依曼的“存储程序与程序控制”原理，但微机采用总线结构，即构成微机的CPU、存储器和输入/输出(I/O，Input/Output)接口等部件之间都是通过总线连接的(见图2.7)。

图2.7微机系统的硬件组成

1.总线(Bus)总线是计算机中传送信息的公共信号线。微机中各部件之间是通过总线连接的，一个部件只要满足总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中去。一般微机的总线包括：地址总线、数据总线和控制总线等3种。(1)地址总线(AB：AddressBus)：用来传送CPU寻址存储单元和外设接口的地址信息。地址总线的宽度反映计算机的最大内存容量，如一微机地址总线宽度是32位，它的最大内存容量是232=4GB。

(2)数据总线(DB：DataBus)：用于在CPU与存储器和I/O接口之间双向传送数据。它的宽度表示计算机内部传输数据的能力。(3)控制总线(CB：ControlBus)：用于传送各种控制信号，包括控制器发向内存、外设的控制信息，以及内存、外设返回的应答信号及外设向CPU发出的请求(如中断请求)信号。随着微机的不断发展，微机的总线结构也在不断地发展和变化，先后用过PC-XT、ISA、MCA、EISA、VESA和PCI总线，如表2.1所示。

总线的性能指标主要体现在总线宽度、总线工作频率和数据传输率上，其中数据传输率是最主要的。(1)总线宽度：数据总线的数量，用bit(位)表示，如8位、16位、32位和64位。(2)数据传输率：每秒钟在总线上传输的最多字节数，它是总线工作频率与总线宽度的字节数之积。如PCI总线的工作频率为33MHz，总线宽度为32位，则最大传输率为132MB/s。

表2.1微机总线主要性能表

(3)总线工作频率：它是反映总线工作快慢的一个重要参数，它和总线宽度一起决定总线上传输信息的速率。

2．CPUCPU即中央处理单元，又称微处理器。它是微机的核心部件，由控制器、运算器和寄存器组成。目前大部分微机的CPU都采用Intel公司的系列芯片(见表2.2)。

表2.2Intel公司的部分CPU的主要性能指标

3.存储器1)内存储器内存储器位于微机主机板上，包括随机存储器(RAM，RandomAccessMemory)和只读存储器(ROM，ReadOnlyMemory)。(1)随机存储器(RAM)。计算机中，RAM主要用来暂时保存程序和数据，其特点是：信息可随时写入或读出，计算机一旦断电，其中的信息立即丢失。根据电路原理，RAM分为静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)。微机的内存板一般采用DRAM。而高速缓冲存储器(Cache)则采用SRAM，以实现内存的高速存取，适应高速CPU的需要。SRAM的存取速度是DRAM的10倍左右。

(2)只读存储器(ROM)。内存中还有一定容量的ROM，其内容只能读出，用户不能写入。计算机断电后，信息仍能长期保持，不丢失。因此，ROM用来保存系统引导程序、系统自检程序及系统初始化程序等。当开机后，CPU自动读出ROM中程序并执行，以实现系统引导、系统自检及系统初始化。ROM还包括可编程PROM、紫外光可擦除可编程EPROM及电可擦除可编程E2PROM。内存的性能指标包括内存容量、读写速度及Cache的大小。目前微机的内存配置容量一般为256～1024MB，读写速度用一次存取时间表示，目前大约为50～100ns(1ns为10亿分之1秒)，Pentium微机一般都配有128KB、256KB或512KB的Cache。

2)外存储器(1)软盘(FloppyDisk，英文也称Diskette)是主要的外存设备之一，使用时需要有相应的软盘驱动器。软盘是一种表面涂有磁性金属氧化物的塑料薄圆盘片，被封装在卡纸封套内或硬塑料封套内。存取信息时，软盘在软盘驱动器中快速旋转，驱动器中的磁头在软盘上进行读/写操作。目前微机中常用的软盘主要有5.25英寸和3.5英寸两种。任何一片软盘都必须首先按操作系统的要求格式化，只有经过格式化的软盘才能存储数据。目前，软盘已很少使用，它已被容量大、可靠性高、读写速度快的U盘取代。

(2)硬盘(HardDisk)也作为主要的外存设备之一，其结构和工作原理与软盘类似，只是硬盘的盘片由金属、陶瓷或玻璃制成，而且是几片组成一组。硬盘的盘片组都固定在驱动电机的主轴上，同轴旋转，并与多个读写磁头封装在真空的铝合金的盒子内。因此，磁盘片和硬盘驱动器合二为一，通称为硬盘。其内无阻力，也不受灰尘的影响，稳定性好，速度快，存储容量大。目前PC机使用的硬盘，其容量已达到120GB。硬盘也要格式化后才能使用。

(3)光盘(CD，CompactDisc)是由有机玻璃制成的薄圆片，一面涂上反光性很好的铝膜，另一面通过激光来读写。目前使用的光盘有3种类型：只读光盘(CD-ROM)、一次写入型光盘(CD-WO)和可改写光盘(CD-MO)。CD-ROM是由生产厂商按用户要求将信息写入盘片中，写入的信息只可读出不能修改。CD-WO是用户通过光盘刻录机将自己的信息写入，一旦信息写入就不能修改。CD-MO是通过可擦写的光盘机进行数据的读写，如同使用磁盘一样。光盘相对于软盘可谓海量存储器。如以前常用的3.5英寸软盘，其存储容量为1.44MB,而光盘的容量可达650MB。光盘必须在光盘驱动器(简称光驱)中使用，光驱的主要技术参数是其数据传输速率(指一秒钟读取的最大数据量)，也称倍速。如CD-ROM驱动器，其倍速已达到48，即数据传输速率为48×150KB/s。

(4)闪存存储器(FlashMemory)是一种USB接口的新型移动存储器，又称U盘。它采用非遗失性的快速闪存存储芯片作为存储介质，不仅具有RAM存储器可擦除可读写的优点，而且写入的数据在断电后不会消失；它也具有容量超大、存取快捷、轻巧便捷、即插即用、安全稳定等许多传统存储设备无法替代的优点，任何带有USB接口的PC机不需添加任何设备都可以使用。目前，人们已经把它作为软盘的替代品。

4．常用输入输出设备(Input/OutputDevice)微机同一般计算机一样，也要配备具有人机联系、交换数据功能的输入输出设备，简称I/O设备。微机常用I/O设备包括键盘、鼠标、显示器和打印机等。(1)键盘(Keyboard)是计算机的基本输入设备，通过键盘可完成数据、字符、汉字及操作命令、程序指令等的输入。微机上常用的键盘有101键、102键和104键等几种。(2)鼠标(Mouse)是一种使用越来越广泛的输入设备。其上有两个或3个按键，各键的功能可由软件或通过Windows操作界面任意设置，一般左键用得较多。鼠标通过RS232C串行口或PS口与主机连接。

(3)显示器(Display)是计算机的基本输出设备，它必须与显示适配器(显示卡)连接才能构成一个完整的显示系统。显示器种类较多，常用的有：阴极射线管显示器(CRT)、液晶(LCD)显示器、发光二极管(LED)显示器和真空(VFD)显示器。CRT主要用于台式机，LED主要用于单板机、单片机，LCD主要用于笔记本(便携式)计算机。

显示器的性能参数中，一般用户最关心的是屏幕尺寸、显示分辨率和点距。屏幕尺寸用矩形屏幕的对角线长度(以英寸为单位)表示。目前微机常用的屏幕尺寸有14、15、17、19英寸。显示分辨率是屏幕水平和垂直的点阵，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图像分析。点距是屏幕上荧光点间的距离，它决定着屏幕能到达的最高显示分辨率和像素的大小，点距越小越好。常用的显示器的点距有0.20、0.25、0.26、0.28、0.31和0.39(毫米)等。

(4)打印机(Printer)也是计算机的基本输出设备，其作用是将信息以字符、表格、图形、图像的形式打印在纸上。打印机按工作原理分为击打式和非击打式。击打式打印机是用机械撞击的方式通过色带将信息打印在纸上。针式打印机是目前使用中最普及的击打式打印机，其特点是：价格适中，性能稳定，使用方便。激光打印机和喷墨打印机是非击打式打印机中最常用的两种，前者打印效果最好，打印速度最快，噪音最小，而喷墨打印机的打印效果仅次于激光打印机，通过彩色喷墨打印机可实现彩色图形、图像的高质量输出。

2.4.2微机的主要性能指标1.字长字长就是CPU可以同时处理的数据的二进制位数，

它反映了CPU的寄存器和数据总线的数据位数。字长是计算机的一个重要性能指标。字长较长的计算机在一个指令周期要比字长短的计算机处理更多的数据。单位时间内处理的数据越多，处理器的性能越高。微机的字长可分为8位、 16位、32位和64位等几种。早期的苹果机的字长为8位，IBMPC/AT和各种兼容的286机均为16位字长，386机的字长为32位或准32位，486和Pentium机的字长为32位。

2.运算速度和主频运算速度通常定义为CPU每秒执行加法指令的数目，用来描述CPU的工作快慢，其单位是MIPS(MillionInstructionPerSecond，百万条加法指令每秒)。目前的Pentium微机运算速度已达到数百MIPS。主频是CPU工作的时钟频率，或称系统时钟。主频决定了计算机执行指令的速度，很大程度上决定了计算机的运算速度。早期的IBMPC机上采用的Intel8088微处理器的主频为4.77MHz，而现在的PentiumIV微处理器的主频已达到了2～3GHz。

3.存储容量存储容量是描述计算机存储数据和程序的能力，微机中实际上仅指内存容量，它是微机的重要性能指标之一。内存容量一般用KB(1024B)或MB(1024KB)来表示。内存容量不仅反映计算机存储空间的大小，同时也决定大型软件的运行速度。因为随着计算机软件的发展及其功能的越来越强大，为使软件达到最佳运行状态，对内存容量提出了更高的需求，如Windows98的最佳运行状态需要微机有32MB内存，而Windows2000则需要64MB内存。目前微机内存的配置已达到256MB、512MB或1024MB。

以上仅是反映微机性能的几个主要指标，除此之外还有一些指标，包括可靠性、可维护性、外设的配置和软件指标等。

2.5多媒体计算机的构成

2.5.1多媒体概述1.什么是多媒体媒体是信息表示和传播的载体，计算机系统中信息的主要表现形式为文本、图形、图像、声音及视频，而多媒体就是指包括文本、图形、图像、音频及视频这些计算机多种媒体的集成物。多媒体这个词的英文原文Multimedia的含义就是“多种媒体”(Multimedia=Multi(多种)+Media(媒体))。

2.多媒体技术及其特征(1)多样性与集成性。多样性是指多媒体技术所涉及的信息的表现形式的多样性。集成性是指利用计算机综合处理多种信息媒体，最终形成融合一体的多媒体信息。(2)交互性。交互性是指用户可以与计算机的多种信息媒体进行交互式操作、控制与使用，以获得所期望的多媒体效果。(3)数字化。在计算机内部各种类型的信息均是以数字化的二进制数码形式表示的，多媒体信息中的每一种媒体信息也不例外，也都是以数字化的形式进行存储、处理和传输的。

2.5.2多媒体计算机的构成与应用1.主机

MPC的主机就是性能指标较好的微机主机。主机的性能指标主要指CPU类型、主频和运算速度、内存容量等。2.多媒体输入设备通常使用的多媒体输入设备包括数字视频、音频输入设备(如图像扫描仪、数码相机、CD-ROM等)以及模拟视频、音频输入设备(如摄像机、传真机、话筒、MIDI合成器等)。

3.多媒体输出设备多媒体输出设备通常有视频、音频播放设备，如显示器、扬声器、MIDI合成器、电视机、耳机等。4.多媒体存储设备多媒体存储设备通常包括磁盘、光盘、录像带等。5.多媒体功能卡多媒体功能卡包括声音卡、视频卡和通信卡等。

6.多媒体控制设备多媒体控制设备通常包括键盘、鼠标、操纵杆和触摸屏等。7.多媒体软件系统多媒体软件系统是MPC的重要组成部分，它与多媒体硬件有机配合，完成多媒体功能。多媒体软件系统包括以操作系统(如Windows2000)为基础的多媒体软件，用来初始化、驱动设备的多媒体驱动软件，多媒体系统开发与应用的多媒体创作、编辑工具软件。

思

考

题

1.完整的计算机系统包括

。(A)硬件系统和软件系统(B)主机及外部设备(C)系统硬件和系统软件(D)主机板和CPU2.计算机系统软件应包括

。(A)操作系统和编程软件(B)程序和数据(C)系统软件和应用软件(D)数据库软件和管理软件

3.操作系统是一种(1)，它是(2)的界面，其主要功能是(3)。(1)(A)应用软件(B)系统软件(C)通用软件(D)工具软件(2)(A)主机与外设(B)软件和硬件(C)用户与计算机(D)高级语言与机器语言(3)(A)对计算机的所有资源进行控制和管理(B)对外部设备进行管理(C)对汇编语言、高级语言进行翻译(D)管理数据库文件

4.计算机惟一能够直接识别和处理的语言是(1)，能将汇编语言源程序变成可执行模块的方法是(2)，能将高级语言源程序变成可执行模块的方法是(2