计算机文化基础 第一章 计算机系统

第一章计算机系统结构

主要内容:

1.1微型计算机硬件基础

1.2微型计算机的软件

1.3工业PC机介绍

1.1微型计算机的基本结构

当前流行的微型计算机的基本结构从外观上

看都是由主机、显示器、键盘、鼠标等组成。

主机是微型计算机的核心，主要由系统主板、

CPU、内存、硬盘、光盘驱动器、显示器适

配器（显卡）、总线与接口、电源等构成，

如图所示，通常被封装在主机箱内。

I网卡1［电源1］内存1［显卡1［CPU］做盘I

图主机箱中的基本部件

1.1.1微处理器

微处理器是20世纪最伟大的发明之一，也称中央处理

器，简称CPU,它是微型计算机的核心部件，它包含

在一个单一芯片中。通常，微处理器封装在一个矩形

盒子中，将其插在主板上的CPU插座中，通过引脚与

主板相连。微处理器是微型计算机系统的“大脑”，

它决定了微型计算机的档次和主要性能指标，通过它

接受来自各种输入设备的数据、处理这些数据并输出

结果到相应的输出设备。但不管是什么样的微处理器,

其内部结构都是由控制单元、算术逻辑运算单元、寄

存器组3个基本单元以及内部总线组成。

1、衡量CPU的主要性能指标

❖(1)CPU字长

❖(2)CPU外频

❖(3)CPU主频

❖(4)运算速度

(5)地址总线宽度

❖(6)数据总线宽度

❖(7)内部缓存(L1cache)

❖2＞微型计算机流行CPU简介

微处理器从最初发展至今已经有30多年的历史，这

期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为4位

微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微

处理器以及64位微处理器等，可以说微型计算机的

发展是随着CPU的发展而前进的。按照CPU的用途

可以分为通用CPU和工业控制CPU,微型计算机一

般采用通用CPU,最具有代表性的产品当属美国英

特尔公司的微处理器系列，另外还有AMD公司、

旧M公司、Zilog公司、摩托罗拉公司、苹果公司等

世界著名公司的微处理器产品。

2、微型计算机流行CPU简介

(1)IntelCPU

♦：♦Pentium4CPU

CeleronCPU

(2)AMDCPU

(3)中国“芯”工程

1.1.2内存储器

♦:♦内存储器（简称内存）也是微型计算机的主

要组成部分，用于存放计算机工作时所必须

的数据和程序代码，衡量内存的主要指标一

般包括存储容量（存储容量越大，其处理数

据的能力就越强，运算速度一般也越快）、

存取速度及位存储价格等。

1.1.2内存储器

❖1,内存储器介绍

❖2,内存条

*3,高速缓冲存储器Cache

1.1.3系统主板

♦:♦系统主板也称为主板、主机板或母板。它是

微型计算机最基本的也是最重要的部件之一,

是其他各种设备的连接载体。PC99技术规格

规范了主板设计要求，提出主板各接口必须

采用有色识别标志，以方便用户识别。

1.1.3系统主板

❖主板是微型计算机主机箱内的一块平面集成电路板,

一般安装在主机箱的底部（卧式机）或一侧（立式

机），板上集成了CPU插座、内存条插槽、控制芯

片组、BIOS（BasicInput-outputSystem,基本

输入输出系统）芯片、电源插座、软盘接口插座、

硬盘接口插座、光盘接口插座、扩展插槽、并行接

口、串行接口、USB接口、多媒体与通讯设备接口

以及一些连接其他部件的接口等。主板几乎与主机

内的所有设备都有连接关系，微型计算机通过主板

上的总线及接口将CPU等器件与外部设备有机地连

接起来，形成一个完整的系统。

1.1.3系统主板

♦:♦主板从结构上可大体分为AT主板、ATX主板、

NLX主板三大类型。

❖下面以ATX主板为例介绍主板上的几个主要

部件，如图1-2所示。

图1-2主板的主要组成部件

1.1.3系统主板

1、CPU插座

主板上的CPU插座是安装CPU的基座，它是主板

上的“王座”。其结构与形状取决于CPU的封装

形式。CPU插座有Slot和Socket两大主流结构，

目前的主流产品一般采用Socket结构，Socket结

构是一种方形多针的ZIF（零插拔力）插座，这种

结构的设计便于CPU的安装与拆卸，只要抬起插

座边上的拉杆，就可以毫不费力插拔CPU,拉下

拉杆，CPU就被牢牢地固定在插座上。

2、芯片组

❖芯片组(chipset)是主板的控制中枢，它是随着

集成电路工艺的发展以及微机结构的发展而发展

起来的，人们将微机的大部分标准电路全部集成

到几块大规模集成电路中，便产生了芯片组的概

念。

❖芯片组作为主板的灵魂和核心，起着协调和控制

数据在CPU、内存和各部件之间传输的作用，主

板所采用芯片的型号决定了主板的主要性能和级

另限

3、BIOS芯片

♦BIOS（BasicInput/OutputSystem）芯片即基本输

入输出系统，它实际是一组程序，该程序负责主板的

一些最基本的输入和输出，在开机后对系统的各部件

进行检测和初始化。BIOS一般固化在EPROM

（ErasableProgrammableRead-OnlyMemory可

修改只读存储器）或EEPROM（Electrically

ErasableProgrammableRead-OnlyMemory电子

式可修改只读存储器）芯片中，在新型主板中也有存

储在Flash（闪存，英文名称是“FlashMemory”,简

称为“Flash”，属于内存器件的一种）ROM芯片中。

如果说芯片组是主板心脏的话，那么BIOS就是主板

的大脑，它告诉主板应该如何工作，各个中断地址的

使用状况，以及把一些特定的开关打开等。

4、内存插槽

❖内存插槽是主板上用来安装内存条的一组

长型插槽，内存条（将若干个内存芯片集

中在一块条状结构的集成电路板上）通过

正反两面带有的金手指与主板连接。主板

所支持的内存种类和容量都是由内存插槽

来决定的。

5、驱动器插座

♦：♦驱动器插座指硬盘、光盘以及软盘驱动器

与主板连接的插座。硬盘、光盘驱动器一

般通过80芯的专用扁平电缆与主板上的IDE、

EIDE或SCSI接口连接；软盘驱动器一般也

是通过一根扁平电缆与主板上提供的一个，

34针的软盘驱动器插座连接的。

6、扩展槽

❖主板上的扩展槽是用来扩展微型计算机功

能的插槽，扩展槽可用来安装各种扩展卡

（也叫适配卡），如显示卡、声卡、内置

式Modem卡、网卡等（大部分微机已经将

某些扩展卡集成在主板上）。目前微机主

板上较为常见的扩展槽有PCI扩展槽和AGP

扩展槽。

7、计算机与外部设备接口

❖外部总线通常以接口形式出现，是外部设备与计

算机连接的端口，也叫I/O接口。在微机中，通

常将I/O接口做成I/O接口卡插在主板的I/O扩展槽

上（如显卡、网卡）、也有的直接做在主板上的,

如键盘接口、鼠标接口、串行接口、并行接口、

USB接口以及高档微机上的IEEE1394口（俗称

火线口）等。外部设备和主机的连接通常是通过

连接电缆将外部设备与主板上提供的外部接口连

接起来实现的。

外部设备接口

❖(1)键盘和鼠标接口

❖(2)串行接口

❖(3)并行接口

❖(4)USB口

❖(5)IEEE1394接口

1」.4系统总线

♦:♦微型计算机内部的连接方式均采用总线(bus)结

构，即各个部件之间通过一组公共的信号线连接起

来，这组信号线称为系统总线，也就是说总线是计

算机各模块间进行信息传输的通道。

1、总线的分类

❖(1)片内总线，也称为CPU总线，位于CPU芯片

内部，用于连接CPU内部的各功能单元。

(2)片总线,是微机主板上以CPU为核心与各部

件间的直接连线，是芯片一级的连接线，它是微机

系统的重要总线。

❖(3)存储总线，是用来连接存储控制器和DRAM

之间的总线。

❖(4)系统总线，也称为板总线，用于连接微机扩

展槽上的各扩展板与系统主板之间的总线，它是微

机系统最重要的一种总线。微机总线通常指的就是

系统总线。系统总线的标准很多(如PCI、ISA、

AGP),可以插接各种扩展板卡。

❖(5)外部总线，也称为通信总线，用于微机系统、

微机系统之间、微机系统和外设之间的连接。常用

的外部总线有RS-232C串行总线、USB总线

2、系统总线

♦系统总线根据传输信息的类型可分为数据总线(DataBus,

DB)、地址总线(AddressBus,AB)和控制总线

(ControlBus,CB)三大类。

(1)数据总线是用于CPU与内存或I/O接口之间传输数据或指

令代码的信号线，它的位数取决于CPU的字长，数据总线是

双向的，即数据可传送到CPU,也可以从CPU传送到其他

部件。

(2)地址总线是传送CPU所要访问的存储单元或I/O接口地址

的信号线，它的位数决定了计算机内存空间的大小，地址总

线是单向的，通常总是将地址从CPU传送给内存储器或I/O

接口。

(3)控制总线传送控制器的各种控制信息，保证计算机协调

正确地工作。

3、系统总线的性能指标

❖评价一种总线的性能指标主要有以下三个方面：

(1)总线的宽度：是指总线能同时传送的数据位数,

其单位为位(bit)o

(2)总线的工作频率：也称作总线的时钟频率，其

单位为MHz。它是影响总线传输速率的重要因素之

(3)总线的传输速率：总线上每秒钟传输的最大字

节数，其单位为Mbit/s。

4、常用的总线标准

(1)ISA总线是旧M开发的用于个人计算机的总线标准,

数据传输宽度16位，传输速率较低，主要用在286到

486的微机中，ISA总线的扩展标准是EISA总线，它是

.一种32位总线、数据传输速度比ISA更快。

*(2)PCI总线是为了满足现代操作系统对系统外部设

备信息吞吐量“一大二快”的要求而设计的，“一大”

是信息量大，“二快”是传输速度快。Intel公司在

1999年推出一个高速度的系统总线标准，其数据传输

宽度32位或64位，数据传输速率较高，是目前被广泛

采用的一种总线。

(3)AGP总线是一种最新的总线类型，它比PCI总线

的速度快2倍以上，专门用于加速图像显示。

1.1.5输入输出设备

中央处理器（CPU）和主存储器（RAM）构

成微型计算机的主体，简称主机。主机以外

的大部分硬件设备称为外部设备，简称外设,

外设通过接口以及连接电缆与主机相连。外

设通常包括输入输出设备和外部存储设备。

外部存储设备既可以看作是输入设备，也可

以看作是输出设备。输入输出设备是人与计

算机交换信息所必需的设备，不同种类的设

备可以满足不同场合的需求。

1、常用的输入设备

❖输入设备是指一切能向计算机输入信息的设

备，微机系统中常用的输入设备有键盘、鼠

标、扫描仪、条形码阅读器、光笔、触摸屏、

数码摄像机、数码照相机、摄像头、麦克风

等。其中键盘是微机中最常用的和必备的标

准输入设备。

输入设备：

❖(1)扫描仪

❖(2)条形码阅读器

❖(3)触摸屏

❖(4)数码照相机

❖(5)数码摄像机

♦(6)摄像头

❖(7)麦克风

❖(8)录音笔

2、常用的输出设备

♦：♦计算机通过输入设备将输入的数据经过一定

处理后，必须将处理结果转换成可以理解的

形式呈现给用户，这就需要输出设备才能完

成。常用的输出设备主要有显示器、打印机、

绘图仪、音箱等。

输出设备：

(1)显示器

①CRT显示器

②LCD显示器

❖(2)显示卡

❖(3)打印机

1.2工业PC机介绍

♦我们家庭和办公室、学校使用的IBM-PC机或

兼容机叫通用计算机，在工业控制领域还经

常使用一种叫工业控制计算机的PC机，简称

工控机。它和后面介绍的单片机一样都是计

算机大家庭中的重要成员。它们各有特点，

使用场合也不一样。通常我们把工业PC机控

制系统俗称“大”系统，而把单片机控制系.

统叫“嵌入式”控制系统。

工控机和通用计算机的区别主要有：

*1、在外型结构上没什么区别，但在内部芯片使用

上差别很大，计算机芯片可分为三个档次，即商

业级、工业级和军品级。商业级集成芯片的工作

温度为0℃〜70℃；工业级集成芯片的工作温度为

-40℃-85℃；军品级集成芯片的工作温度为・

55℃-125℃o由于工控机模板采用工业级集成芯

片，它的无故障工作时间是很长的，一般可保证

十年以上。

2、机箱采用特殊材料并密封，抗灰尘、抗震动、抗电磁

干扰。

♦:♦工控机的操作系统和通用计算机一样，大多由用户选择,

基本上是Windows98/2000/XP等系统。但使用最多、

最方便的是Windows98操作系统，因为在Windows98

操作系统以后，微软对操作系统进行了限制，普通用户

对底层设备不能进行访问，就是连简单的输入输出都不

能。如果要进行底层设备操作必须使用专门的底层设备

驱动程序，Windows98及以下操作系统可以使用叫

VxD的驱动程序，Windows98和Windows2000使用叫

WDM的驱动程序，给用户带来很大困难。

1.3软件系统概述

1.3.1软件系统的分类

❖软件系统大体上可分为系统软件和应用软件两大类。

系统软件是面向计算机硬件系统本身的软件，可解

决普遍性问题，是人们学习使用计算机的首要软件;

而应用软件则是指面向特定问题处理的软件，可解

决特殊性问题，应用软件是在系统软件的支持下运

行的。在大多数情况下，人们是通过应用软件使用

计算机的。

1、系统软件

♦:♦系统软件是管理、控制和维护计算机资源的

软件。系统软件面向计算机硬件系统本身，

是用来扩展计算机的功能、提高计算机的工

作效率、方便人们使用计算机的软件。系统

软件又分为两类：一类是操作系统本身，一

类是实用软件。系统软件通常包括操作系统、

程序设计语言及语言翻译系统、工作软件及

系统服务程序、数据库管理系统等。

2、应用软件

*应用软件是在系统软件的基础上，人们利用计算机为解

决某一应用领域中的特定问题而开发的软件。应用软件

运行在系统软件之上，通过系统软件访问计算机硬件资

源，也就是说应用软件的运行受到系统软件的管理和控

制。应用软件一般又分为通用应用软件和专用应用软件。

通用应用软件是最基本的应用软件，通常为解决某一类

问题并被广泛地应用于几乎所有的应用领域而设计的软

件。如办公应用软件MicrosoftOffice、WPSOffice>

商业应用软件中的财务软件包、项目管理软件等。专用

应用软件是专门为某一行业领域或部门而设计的软件，

如铁路售票系统、人事管理系统、工资管理系统、收费

系统等。通常应用软件与专用软件之间并没有严格的界

限区分。

3、软件系统中的几个重要概念

人类通过软件使用计算机，在长期应用计

算机的过程中抽象并不断完善软件系统中

,的概念，通过这些概念在软件设计中的进

一步使用，可使人们更