《全国计算机等级考试一级教程》课件-2-1

第2章

计算机系统

计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。其中硬件系统包括主机（中央处理器和内存储器）和外部设备（输入设备、输出设备和外存储器）。软件系统包括系统软件（操作系统、语言处理程序和数据库管理系统）和应用软件。

硬件系统是指组成计算机系统的各种物理设备的总称。软件是指计算机运行需要的程序、数据和有关的技术文档资料。计算机硬件是支撑软件工作的基础，没有软件的计算机通常被称为“裸机”，无法工作。只有将两者有效地结合起来，计算机系统才能成为有生命力、有活力的系统。

2.1计算机硬件的组成

计算机硬件系统基本上都采用冯·诺依曼结构，即计算机都是由运算器、控制器、存储器和输入设备、输出设备五大部件组成。

2.1.1运算器

运算器主要负责对信息加工处理，运算器从内存储器得到需要加工的数据，对数据进行算数运算和逻辑运算，并将最后结果送回到内存储器中。运算通常由算数逻辑单元、通用寄存器、多路转换器和数据总线组成。

运算器的性能指标是衡量整个计算机性能的重要因素之一，与运算器相关的性能指标包括计算机的字长和运算速度。

字长是指计算机运算部件一次能同时处理的二进制数据的位数。字长的大小决定了计算机的运算精度，字长越长，所能处理的数的范围越大，运算精度越高处理速度越快。

运算速度是计算机每秒钟所能执行加法指令的数目。2.1.2控制器

控制器是中央处理器的核心部件。它控制和协调整个计算机的工作。控制器由指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、程序计数器（PC）和操作控制器（OC）4个部分组成。

计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。计算机的指令执行过程分为如下几个步骤：（1）取指令

从内存储器中取出指令送到指令寄存器。（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信号，并由地址码确定操作的地址。（3）执行指令

根据指令译码器向各个部件发出控制信号，完成该指令所需要的操作，控制单元将执行结果写入内存。

一条指令执行完毕，程序计数器加1或转移地址码送入程序计数器。然后回到步骤（1）为执行下一条指令做好准备。

硬件系统的核心是中央处理器（CPU），它主要由控制器和运算器组成。

时钟频率是指CPU的时钟频率，是微型计算机性能的一个重要指标，它的高低一定程度上决定了计算机速度的高低。主频越高，速度越快。2.1.3存储器

存储器（Memory）是计算机的记忆装置，用来存储当前要执行的程序、数据以及结果。所以，存储器应该具备存数和取数功能。存数是指往存储器里“写入”数据；取数是指从存储器里“读取”数据。读写操作统称对存储器的访问。存储器分为内存储器（简称内存）和外存储器（简称外存）两类。

中央处理器（CPU）只能直接访问存储在内存中的数据。外存中的数据只有先调入内存后，才能被中央处理器访问和处理。

存储器分为两大类：一类是设在主机中的内部存储器（简称内存），也叫主存储器，用于存放当前运行的程序和程序所用的数据，属于临时存储器；另一类是属于计算机外部设备的存储器，叫外部存储器（简称外存），或称辅助存储器（简称辅存）。外存属于永久性存储器。当需要某一程序或数据时，首先应调入内存，然后再运行。一般的微型计算机中都配置了高速缓冲存储器（Cache），这时内存包括主存和高速缓存两部分。1．内存

内存储器主要用于存放计算机当前正在运行的程序、用到的数据信息和运算结果等。

内存按存取方式可分为随机存取器（RAM）和只读存取器（ROM）。通常所说的内存容量一般是指RAM的大小，RAM的内容可以随机地读出或写入，断电时，RAM的内容丢失。RAM可分为静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）ROM中的内容是由生产制造商一次性写入固化的，使用时只能读不能写入。

高速缓冲存储器（Cache）主要是为了解决CPU和主存速度不匹配，为提高存储器速度而设计的，Cache一般用SRAM存储芯片实现。Cache产生的理论依据是局部性原理。2．外存

在计算机存储系统中，内存用来存放当前需要运行的程序和数据，容量相对较小，外存则是用来存放需联机存储但暂不运行的程序和数据，外存在功能上是内存的后备和补充，又称辅助存储器。对外存的需求是容量大、成本低，掉电后能长期保存信息。目前最常用的有硬盘、U盘和光盘等。（1）硬盘

硬盘具有容量大、速度快、价格相对便宜等特点。是计算机系统最常见的辅存。硬盘属于旋转的磁表面存储设备。由磁盘盘片、磁头、磁盘驱动器和磁盘控制器组成。硬盘使用前需要进行格式化。格式化后的硬盘容量为数据总容量。目前硬盘的容量普遍在500GB以上，个别高达2TB。

硬盘的盘片由铝合金制成，表面涂有磁性材料，通过读写头把信息记录在盘片上。磁盘由多个盘片构成，多个盘片安装在同一个轴上，实现同时转动。将磁盘旋转一周后写入磁盘的数据位形成的环形称为磁道。磁盘盘片中有多个磁道，每个磁道可以划分为固定长度的扇区。位于同一半径的磁道的集合称为柱面。磁盘的总容量可以简单计算出来，即

磁盘总容量＝磁头数×柱面数×磁道扇区数×每扇区字节数

硬盘的性能指标主要包括：记录密度、容量和平均存取时间。记录密度分为道密度和位密度。道密度指盘面径向上单位长度的磁道数目。位密度是指磁道上单位长度存储的二进制位的数目。平均存取时间为寻道时间、旋转定位时间和读／写数据时间之和。其中，寻道时间是把磁头移到目标磁道所需要的时间，包括磁头启动和稳定时间。旋转定位时间是指将磁道上的目标扇区旋转到磁头下所花费的时间。读／写数据时间也称为数据传输时间，是指磁盘与内存间进行数据传输所花费的时间。

硬盘与主机的接口为面向PC机的电子集成驱动器IDE、面向服务器的小型计算机系统接口SCSI和面向多硬盘系统的高端服务器的光纤通道。IDE的前身是ATA，所以也有人称IDE为PATA。目前，IDE已发展成为结构简单、支持热拔的SATA。使用SATA接口的硬盘称为串口硬盘，SATA国标组织在2009年5月颁布的新标准SATA3.0传输速率可达到6GB/s。（2）USB优盘

随着信息技术的不断发展，几十兆甚至几百兆的信息交换已经成为日常工作中的家常便饭。近几年来，更多小巧、轻便、价格低廉的移动存储产品正在不断涌现和普及。USB优盘又称拇指盘。它利用闪存（FlashMemory）在断电后还能保持存储数据而不丢失的特点而制成，非常适合复制文件及数据交换等应用。由于闪存盘没有机械读／写装置，避免了移动硬盘容易碰伤、跌落等原因造成的损坏。其优点是重量轻、体积小，一般只有拇指大小，15~30克重；通过计算机的USB接口即插即用，使用方便；容量有从64MB到4GB不等。优盘有基本型、增强型和加密型三种。基本型只提供一般的读写功能，价格是这三种盘中最低的；增强型是在基本型上增加了系统启动等功能，可以替代软驱启动系统；加密型提供文件加密和密码保护功能，在这三种盘中，它的价格最贵。（3）光盘（OpticalDisc）

光盘是一种大容量辅助存储器，呈圆盘状，与磁盘类似，也需要有光盘驱动器来读写。但它不是用电磁转换的机制读写信息，而是用光学的方式进行的。

根据类型的不同，光盘分为二类，不同种类的光盘，存取原理也有所不同。

第一类是只读型光盘，包括CD-ROM和DVD-ROM。与ROM类似，即光盘中的数据是由生产厂家预先写入的，用户只能读取其中数据而无法修改。这类光盘目前已在微机中广泛应用。

第二类是可记录型光盘，包括CD-R、CD-RW、DVD-R、DVD+R和DVD+RW。这类光盘用户可以写入。

对于CD-R光盘，盘上有一层可塑材料。写入数据时，用高能激光束照射光盘片，在可塑层上灼出极小的坑，并以小坑的有无表示“1”和“0”。读取时，用低能激光束入射光盘，利用盘表面上的小坑边缘和平面处的不同反射来区分“1”和“0”。当然，入射激光束的强度应比用以灼坑的激光束要弱得多。由于CD-R光盘中数据固定，所以常用来存放无需修改的数据或计算机辅助教学软件等。

可擦除型光盘，盘面上涂有一层磁光材料，故也叫“磁光盘”。写入数据时，用激光束加热偏置场中的磁光材料，偏置场是由偏置线圈产生的。于是加热的位置便在偏置场的方向上被极化，待盘表面冷却后，极化状态仍保留下来，并以此记录一位信息。如果将偏置场反向并同时加热光盘表面，则相应位置上的一位信息就被擦除。因此，要改变盘上的数据，需要两步操作：首先擦除相应道（类似磁盘的磁道）上的全部数据，然后再写入新数据。读出时，则根据盘表面是否被极化而区别存储的是“1”或“0”。光盘的特点是：

①存储容量大，价格低。目前，微机上广泛使用的直径为120mm光盘的存储容量达650

MB。这样每位二进制位的存储费用要比磁盘低得多。

②不怕磁性干扰。所以，光盘比磁盘的记录密度更高，也更可靠。

③存取速度快。目前，主流光驱为50倍速和52倍速（传输率150KB/s为单倍速）。例如：50倍速光驱的传输率为：50×150KB/s=7500KB/s。DVD光盘与CD光盘大小相同，但它存储密度高，单面光盘可以分单层或双层存储信息，一张光盘有两面，最多可以有4层存储空间，所以，存储容量极大。120mm的单面单层DVD盘片的容量为4.7GB。DVD光盘驱动器的单倍速为1350KB/s。类似CD光盘。

蓝光光盘是DVD之后的下一代光盘格式之一，用以存储高品质的影音及高容量的数据存储。蓝光的命名是由于其采用波长为405mm的蓝色激光光束来进行读写操作。通常，波长越短的激光能够在单位面积上记录或读取的信息越多。因此，蓝光极大地提高了光盘的存储容量。

光盘容量：CD光盘的最大容量是700MB。DVD光盘单面最大容量为4.7GB、双面为8.5GB。蓝光光盘单面单层为25GB，双面为50GB。3．存储器的主要技术指标

主存是CPU直接访问的存储器，要求其容量大，速度尽量与CPU匹配。主存储器的主要技术指标包括存储容量、存取时间、存取周期和存储器带宽。

存储容量是指一个存储器中可容纳的存储单元总数，存储容量越大，能存储的信息就越多。存储容量常用字数或字节数（B）来表示。存储容量这一概念仅反映了存储空间的大小。

存取时间是指从一次读操作命令发出到该操作完成将数据读出到数据总线上所经历的时间。通常取写草走时间等于读操作时间，故称为存储器存取时间。

存储周期是指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。

存储器带宽是指单元时间内存储器所存取的信息量，带宽是衡量数据传输速率的重要指标。

存取时间、存储周期和存储器带宽三个概念反映了主存的速度指标。4．层次结构

为了解决同时满足存取速度快、存储容量大和存储价位低的要求，在计算机系统中通常采用多级存储器结构，即将速度、容量和价格上各不相同的多种存储器按照一定体系结构连接起来，构成存储系统。如果单独使用一种或独立使用若干种存储器，会大大影响计算机的性能。图2-1所示，存储器层次结构从上至下，速度越来越慢，容量越来越大，价格越来越低。

现代计算机系统基本都采用Cache、主存和辅存三种存储系统。该系统分为“Cache—主存”层次和“主存—辅存”层次。前者主要解决CPU和主存速度不匹配问题，后者主要解决存储器系统容量问题。在存储系统中，CPU可直接访问Cache和主存；辅存则通过主存与CPU交换信息。2.1.4输入/输出设备

输入／输出设备（简称I/O设备）它是与计算机主机进行信息交换，实现人机交互的硬件设备。输入设备是将外界的程序数据、文字、图形、图像等信息送入到计算机内部的设备。常用的输入设备有键盘、鼠标扫描仪、条形码读入器、手写笔、麦克风等。输出设备是将计算机处理后的信息以人们能够识别的形式（文字、图形、数值、声音等）进行显示和输出的设备。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。2.1.5计算机的结构

计算机的结构反映的是计算机各个组成部件之间的连接方式。1．直接连接

最早的计算机基本上采用直接连接的方式，运算器、存储器、控制器和外部设备等四个组成部件之中的任意两个组成部件，相互之间基本上都有单独的连接线路。这样的结构可以获得最高的连接速度，但不易扩展。如由冯·诺依曼在1952年研制的计算机IAS，基本上就采用了直接连接的结构。IAS的结构如图2-2所示。