大学计算机基础(九)

湖南工业大学计算机与通信学院

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学习目标

1.掌握计算机系统组成部分及各部分的

2.掌握计算机软、硬件系统基础知识。

3.学习计算机的基本工作原理。

4.了解计算机的存储体系，内存和外存的特点。

5.了解微型计算机的组成、特点及性能指标。

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重点难点

1.重点

①计算机系统的组成和工作原理;

②计算机硬件组成；

③总线、接口和I/O设备。

2.难点

①存储器的结构特性；

②总线与I/O设备的结构特性。

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课前思考题

r

1.计算机系统由哪两大部分组成？

2.计算机硬件系统由哪些部件组成？什么是

冯•诺依曼体系结构？

3.微型计算机存储器的分类是怎样的？内存和

外存各有什么特点？

4.什么是指令？什么是程序？

5.什么是软件？软件系统分为哪两类？

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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微型计算机硬件系统

2.5计算机系统案例实战

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2.1计算机系统概述

显示器

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一体化计算机笔记本

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计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。

硬件(HardWare)系统：各种物理设备的总称。

软件(SoftWare)系统：程序以及各种文档的总和。

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。

硬件与软件的发展密切交织着，缺一不可。就好比

人的思维和躯体。

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r

r运算器

中央处理器＜

(CPU)i控制器

r随机存取存储器(RAM)

「主机

内存储器1只读存储器(ROM)

〔高速缓冲存储器(Cache)

(硬件系统＜

等

备

盘

鼠标

输入

设

键

扫

描

(/仪>

、

\、

备

打

示

设

显

等

输出

印

/器}

(机

\、

集

制

备

卡

网

没

器

网络

解

调

线

1(/器

外部设备'调

\：

计算机系统、

磁

器

硬

盘

储

光

盘

外存

软

迎

配

|/盘

\、

、

「系统软件

i软件系统

〔应用软件

计算机系统组成

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硬件和软件的关系

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2.2计算机硬件系统和工作原理

2.2」计算机硬件系统组成

1946年第一台计算机诞生

冯•诺依曼原理：存储程序和程序控制

存储程序工作原理

1.电子计算机应由运算器、控制器、存储JohnvonNeumann

器、输入设备和输出设备5个部分组成。冯•诺依曼

2.采用存储程序的方式，程序和数据都放在同一个存储器

中，按地址访问。

3.程序和数据以二进制表示。

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冯•诺依曼计算机硬件结构框架图:

输存储器输

出

入♦数据流

设

设备

备V♦控制流

控

运〉指令流

制

算

器

器

I

口央处理器（CPU）

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(1)CPU(中央处理器)

.

COREz

中控制整个计算机

央所有部件的工作

处

理

器

执行算术运算

和逻辑运算

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(1)CPU(中央处理器)

①运算器

运算器也称为算术逻辑单元ALU。运算

器是计算机的核心部件，主要负责对输入计

算机中的二进制编码进行算术或逻辑运算。

算术运算就是指加、减、乘、除。逻辑运算

就是指“与”、“或”、“非”、“比较”、

“移位”等操作。

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（工）CPU（中央处理器）______

-②控制器,也称为CU（实现计算机各部分联系及、

自动执行程序的部件）。控制器是计算机的神经

中枢和指挥中心，它控制计算机的全部动作。

控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序

电路和有关控制电路组成。控制器的基本功能就

是从内存依次取出指令，产生控制信号，向其他

部件发出命令，指挥整个计算过程。同时把数据

地址发向有关部件（输入、输出、运算器），并?

根据各部件的反馈信号进行控制调整。g

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（2）存储器

「RAM

YROM

厂内存储器（内存或主存）_高速缓冲存储器（Cache）

存储器V

匚外存储器（外存或辅助存储器）

存储器数据和程序

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（2）存储器

每个记忆单元由8位二进制位组成

字节BYTE

人

76543210

位bit

1KB=21OB=1O24B1MB=210KB=1024KB

1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB\

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（2）存储器

①RAM（随机存取存储器）

RAM是既可从里面读

取数据，也可以存入数据

的存储器。随机存储器的

速度快，但也有一个缺点:

它具有易失性——RAM中

存放的所有数据当计算机

9一

断电后都会丢失。通常8学

RAM叫主存、内存条。

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（2）存储器

②ROM（只读存储器）

ROM是不能用普通计算机写入的，只能用专

用设备才能写入，并且写入的内容在断电后依然保

存。启动计算机的指令存储在不易失的只读存储器

中，只读存储器在制造时即包含了永久存储的指令。

PROM（可编程序只读存储器）芯片。

EPROM（可擦可编程序只读存储器）芯片，

EEPROM（电可擦可编程只读存储器）

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(2)存储器

③高速缓冲存储器(Cache)

当启动一个任务时，计算机预测CPU可

能需要哪些数据，并将这些数据预先送到高

速缓冲存储器区域。当指令需要数据时，

CPU首先检查高速缓冲存储器中是否有所需

要的数据。如果有，CPU就从高速缓冲器中

直接取数据而不用到RAM中取了。

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（2）存储器

Cache：

不同级存储器

间数据传输的

一条捷径

、、

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（3）外存储器

外存储器又称为辅助存储器，简称外存（

辅存）。外存作为主存储器的后备和补充而广

泛使用。

外存储器的特点是：存储容量大、成本低

、存取速度慢，可以永久地脱机保存信息。

常用的外存储器有：软磁盘、硬磁盘和光

盘、U盘等。一台微机配备的硬盘容量越大越好

，但容量越大，价格越高。

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（4）输入设备

（5）输出设备

投影仪

音箱

显示器

打印机

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&随着计算机硬件技术的发展,圈以上五部分的组件集最在一

起，并为之命名了专业术语。

(1)中来处理器:运算器和控制器一起称为中央处理器(

CPU)。容彳痛型计算机上中央处理器通常是一块超大规模集

成电路芯片。像8088、80486、Pentium等是微型计算机上的

CPU芯片。

❖(2)主机：运算器、控制器和内存储器三者的合称，所以

,主机包括CPU和内存。

(3)外部设备：包括输入设备和输出设备,简称外设。

❖(4)总线：连接计算机内各部件的一簇公共信号线,是计

算机中传送信息的公共通道。其中病送地址的称务盅址总装

;传送数据的称为数据总线；传送控制信号的称为控制总线

❖(5)接口：主机与外设相互连接部分,是外设与CPU进行数］

据交换的协调及转换电路。J

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2.2.2计算机工作原理

♦:♦计算机的工作原理就是存储程序和程序控制。即

首先把计算机如何进行操作的指令序列（称为程

序）和原始数据输入到计算机内存中一一存储程

序；然后每一条指令中明确规定了计算机从哪个

地址取数、怎样操作、最后送到哪里等步骤，就

这样在控制器的指挥下完成规定的所有操作步骤

,直到遇到停止指令一一程序控制。

L______

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1、指令和程序

指令是计算机能识别并执行的二进制代码，是计算机

为完成某个基本操作而发出的指示或命令。

指令结构

操作码操作数

分操作码要完成的操作类型或性质

类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

•其它指令对计算机的硬件进行管理等

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2、指令的执行过程

一条指令的执行时程分为以下3步骤，

IqwrT\h*,A、I42/n、JuJ九1J>t

①取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

②分析指令>、b、%-*1»一4bi>>、k\.、'、A\A、

卬人’由操作控制线路发出完成该操作所需

③执仃指令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。、

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r

指令的串行执行

(a)指令的串行执行

指令的并行执行

指令1

指令2

指令3

则:有三条指令的并行执行理论上约是串行执行速

度的3倍

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3、程序的执行过程

♦:♦有序的指令集合构成了程序，程序的执行过程

就是一条一条指令的执行过程。

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4.案例：计算机的工作过程_5+7=?

A

MOVAL,5;取加数5到寄存器AL中

ADDAL,7;相加，和保留在相中

HLT;停机

程序执行时、先由CPU的程序计数器PC发出第一条指

地址令第一个字节的地址00H,然后PC自动加1,变成01H。

00H00H地址经过地址寄存器AR到存储器地址译码器译码

101100001MOVAL,5

识别主存00H地址单元。

01H00000101J

02H00000100CPU发来读命令，将存储器寻址到的单元内容读出送

.ADDAL,7到DR数据寄存器，再送到IR指令寄存器，然后送ID进

00000111

03H行译码，CPU识别该操作码的含义：取操作数。

04H11110100HLT

接着PC再将地址01H发出，又自动加1,变成02H。重

指令存存储示意图复以上过程，从存储单元读出操作数5送到AL寄存器,

至此第一条指令执行完毕。

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CPU读第一条指令第一个字节操作码过程

A

Lu（操作掇制）OC

PC

AR

M

10110000

00000101

00000100

00000111

11110100

u寅

CP

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计算机的工作过程中CPU的主要功能可归纳为

0(1)指令执行顺序的控制；

❖(2)指令操作的控制；

❖(3)时序信号控制；

(4)数据的加工处理与传递。

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2.3计算机软件系统

软件：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。

软件系统：程序+数据+文档

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3.3.1软件的分类

单用户操作系统

多用户操作系统

网络户操作系统

”汇编程序

「系统软件J语言处理程序1解释程序

I编译程序

数据库管理系统

诊断与维护程序

（服务程序调试程序

软件包

I应用软件

用户程序

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2.3.1系统软件

1、操作系统

操作系统(OperatingSystem,OS)是直接运行在裸机上的最基本

的系统软件，是系统软件的核心，其他软件必须在操作系统的支持

下才能运行。因此，操作系统是最基本、最不可少的系统软件，它

控制和管理计算机系统内各种软、硬件资源，合理有效地组织计算

机系统的工作。有了操作系统，用户不必关心硬件细节，机器更易

于使用。

操作系统实际上也是一组计算机程序，和别的计算机程序一样，它

们都给CPU的执行提供指令，但它又不同于其他程序。操作系统控

制着CPU及其他系统资源，并控制着其他程序的执行。

如：DOS、WINDOWS.UNIX、Linux等

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2、程序设计语言与语言处理程序

(1)程序设计语言

用于人与计算机之间交流的语言。计算机语言

是人工语言的一种。

机器语言：由二进制代码组成

汇编语言：由英文助记符组成

高级语言：由接近自然语言和数学语言组成

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执行指令机器语言汇编语言局级语百

001111100000011

第一条指操作码(LOAD)操作数

LETA=7+10

令7LDA,7；7-A

(将7送累加器A)

第二条指1100011000001010

ADDA,10;A+10

令ADD10（将A+10

）

第三条指

HALT;暂停END

令01110110；暂停

含义清楚,但面向机器，通接近自然语言或

计算机能识别可直

特点和缺用性差；编程时要熟悉指数字语言；易看

接执行。但难懂、

占令系统；要熟悉机器内部；易懂；不需懂机।

易错、难修改

要汇编程序翻译器内部；但要编7

过翻译心

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2、程序设计语言与语言处理程序

(2)语言处理程序

一般将用高级语言或汇编语言编写的程序称为

源程序,而将已翻译成机器语言的程序称为同宓

程序,不同的高级语言编写的程序必须通过相应

的语言处理程序进行翻译。计算机将源程序翻译

成机器指令时，通常有两种翻译方式：编译方式

和解释方式。

(a)语言处理程序的编译过程

(b)语言处理程序的解释过程

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3、数据库管理系统(DBMS)

数据库是存储在一起的相关数据的集合，这些数

据是结构化的、无有害的或不必要的冗余，可为

多种应用服务，数据的存储独立于使用它的程序。

对数据库插入新数据，修改和检索原有数据均能

按一种公用的和可控制的方式进行。也就是说，

数据库是可以共享的、相互关联的、以一定结构

组织起来的数据集合。

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4、各种实用服务程序

实用服务程序能配合各类其他系统软件为用户

的应用提供方便和帮助。如磁盘及文件管理软件

、瑞星、金山毒霸及Norton等。在Windows的附

件中也包含了系统工具，包括磁盘碎片整理程序

、磁盘清理等实用工具程序。

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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：I

1、办公信息化系统

2、计算机辅助设计（CAD）

3、计算机辅助制造（CAM）

4、计算机辅助教学（CAI）

5、计算机辅助测试（CAT）

6、翻译软件,

7、游戏软件/

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2.4微型计算机硬件系统

r

2.4.1微型计算机概述

特点：

(1)运算速度快、计算精度高，具有记忆功能和逻辑判

断能力。

(2)价格低、集成度高、适应性强，有利于推广和普及。

(3)生产周期短、见效快

(4)体积小、重量轻、耗电少、维护方便

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2.4.2微型计算机硬件的基本结构

♦:♦冯・诺依曼体系结构

微型计算机硬件

系统的这种结构

一般称为三总线

结构，即以中央

处理器(CPU)

为核心，通过地

址总线AB、数据

总线DB和控制总

线CB将其他部件

与微处理器连接

微型计算机硬件结构原理图起来。

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1、微处理器(Microprocessor)

PC:PersonalComputer

微型计算机的CPU芯片称作“微处理器”.

♦:♦微处理器包括算术逻辑部件ALU、控制部件和寄存

器组三个基本部件。

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各种CPU图：奔腾、赛扬、迅驰、龙芯

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2、主存储器

❖(1)只读存储器(ROM)。它在没有电源的情况下能保持数据，但存储

器一旦做好，就不易改动其内容。

(2)静态随机存取存储器(SRAM)。它不必周期性地刷新就可以保持教

据。

(3)动态随机存取存储器(DRAM)。它需要周期性地刷新来保持数据。

此类存储器又分为同步动态随机存取存储器(SDRAM)及DDR(Double

DataRate)o

(4)高速缓冲存储器(Cache)。在32位、64位微型计算机中，为了加

快运算速度，普遍在CPU与常规主存储器之间增设一级或两级高速小容量

存储器，称之为高速缓冲存储器(Cache)。

SDRAM内存条DDR内存条

、、

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3、外存储器3寸硬盘

①磁盘：

软盘和硬盘

只读光盘（

移动硬盘

②盘符闪存

每个盘都有一个名字标识，人

们习惯称之为盘符。用A：、B：

代表软盘。C：、D：等代表硬盘，

硬盘盘符最后一个字母的下一个字

母为光盘盘符，如一台计算机分区

为C：D：E：三个逻辑硬盘，那么

光盘盘符就为F：

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(1)软磁盘

写保护状态：未写保护状态:

只能读、不能写入可以读写

小

滑

块

向

上

推

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磁道是

索引孔

以盘片中心

为圆心的同

扇区

，第n道心圆〉每一

个圆周为一

个磁道,最

外面的磁道

为0磁道。

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磁道和扇区

3.5口寸高密度软盘有80个磁道，每个磁道

有18个扇区，每个扇区可存储512B,每个磁

富有两个面。

80x18x512Bx2=1474560B=1.44MB

磁盘格式化：对磁盘进行磁道和扇区的划分，写

上各扇区的地址标记并标明存储容量的大小。、

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Q

(2)硬盘

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♦:♦衡量硬盘性能好坏，硬盘的平均寻道时间和内部

传输速率是两项主要性能指标。

（3）光盘存储器

、、

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可移动的外存储器

r

(4)闪存盘(U盘)

(5)USB硬盘(移动硬盘)

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4、外部设备

♦:♦常见的外部设备如图:

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常见输入设备:

(1)键盘

(2)鼠标

(3)扫描仪

常见输出设备:

(1)显示器

(2)打印机

(3)绘图仪

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⑴大键盘输入设备

BackSpace

«I

।IEnter

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小键盘

（2）鼠标器

r

鼠标器是取代传统键盘的光标移动键，使光标移动定

位更加方便、准确的输入装置，它是一般窗口软件和绘图软

件的首选输入设备。

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鼠标操作

鼠标分机械型和光电型

(1)指向

(2)单击

(3)双击

(4)右击

(5)拖动

无线轨迹球

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2、输出设备

输出设备是用来保存计算机的处理结果。

♦：♦常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

(1)显示器

显示器又称为监视器(Monitor)，是计

算机最基本的，也是必配的输出设备。使用

的阴极射线管显示器简称CRT。另一类是LCD

液晶显示器。

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r

阴极射线管液晶显示器

(CathodeRayTube,CRT)(LiquidCrystalDisplay,LCD)

、、

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CRT显不奇

有红、绿、蓝（RGB）三支电子枪

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显示器常用术语

点距：显示器上两个颜色相同的磷光点之间的

距离。如.28mm,.26mm等

点距数值越小,

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分辨率：显示屏水平方向和垂直方向上

像素的数目

分辨率一般有640x480、800x600、

1024x768>

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显示器必须配置正确的适配器

完整的显示系统。

显示器的标准有：

CGA：320X200,彩色

EGA：640X350,彩色

SVGA：800X600以上，16.7兆真彩色

TVGA：1024X768以上，16.7兆真彩色

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（2）打印机

打印机也是计算机系统最常用的输

出设备。在显示器上输出的内容可当场察

看，但不能保存，打印机正好弥补了这个

不足。

目前常用的打印机有：点阵打印机

、喷墨打印机与激光打印机。

L______

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各种打印机图

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针式打印机原理

打印钢针

\

字符E象点

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2.4.3主板、总线与系统微机配置

1、主板

声卡芯片AOP插槽

PCI插槽

CPU插槽

北桥芯片

南桥芯片

BIOS芯片电池IDE接口软驱接口

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主板上常见的I/O接口

口置重低音斑

崛口

音源输入接口

音频输出接口

曷标接口藕巡口

口

/II*I后置环臻富舞边顼绕廉

同轴靛输出接口光纤音频接口并行接口M串行接DUSB接口网发接口叫接口税骸口

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2、总线与接口

所谓总线，就是微型计算机在部件之间、设备之间传送信息的公共信号线。总

线的特点就在于其公用性，可以形象地将总线比作计算机内部信息传送的“高

速公路”。

。总线一般分为三个层次，一是微处理器级总线，也叫前端总线。