计算机软硬件基础知识

第1章计算机系统概述
§1.1计算机系统的组成
一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，如图1.1所示。

硬件系统是构成计算机系统的各种物理设备的总称。

硬件是机器的实体，软件是它的灵魂。

计算机的功能不仅仅取决于硬件，更大程度上是由安装的软件系统所决定。

硬件与软件密切相关，相互依存。

在计算机系统中，硬件与软件的功能分担，在硬件基础上逐层地扩充软件是形成强大的计算机系统的有效途径。

§1.1 计算机硬件系统的基本组成
从硬件体系结构上看,它们的基本结构都基于冯·诺依曼存储程序原理的设计思想，即由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

微型计算机（简称为微机）的各部件之间是用总线相连接的，系统总线成为计算机内部传输各种信息的通道。

1.1.1 运算器、控制器和中央处理器
1．运算器
运算器也称为算术逻辑单元。

它的功能就是在控制器的控制下，对取自内存或内部寄存器的数据进行算术运算或逻辑运算。

离开了运算器，计算机的各种运算都不能实现。

2．控制器
控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。

控制器对计算机系统的其他各部分进行协调与控制，并对输入输出设备的运行进行监控，使计算机有条不紊地自动地执行程序。

没有控制器，计算机各组成部件将是分散独立的，不能成为一个功能完善的计算机系统。

3．中央处理器CPU（Central Processing Unit）
在决定计算机的总体性能方面，没有任何其他的单一部件比CPU更重要了，CPU由控制器和运算器组成。

关于CPU，我们应了解以下几点：
⑴必须按照CPU的特殊要求编写软件，因此，为某个处理器编写的程序可能在不同型号的处理器上不兼容；
⑵某些CPU比其他CPU处理数据的速度快得多，这是由于它们的数据总线宽度和系统时钟的速度不同影响了计算机的性能；
⑶CPU地址总线的宽度决定了其可能使用内存的最大数目。

下面就以上内容说明有关术语。

⑴兼容性
由于各种处理器都有特定的指令集，为某种计算机设计的程序在另一种计算机上可能无法运行。

可在给定计算机上运行的程序即与该计算机的处理器兼容。

⑵数据总线
决定CPU速度的一个重要因素是数据总线宽度，它是用位（8，16，32或64）来衡量的。

当人们说“这是16位计算机”或“那是32位计算机”时，他们指的就是总线宽度。

总线的位数决定了计算机可同时处理的位数，这一数目也就是计算机中“字”的长度。

16位计算机中“字”长16位，而32位计算机中“字”长32位。

数据总线将CPU与内存相连，并提供计算机外部设备的通道。

⑶地址总线
内存由许多存储单元组成，每一个单元可以存放若干位数据代码，该代码可以是指令，也可以是数据。

为区分不同的存储单元，所有存储单元均按一定顺序编号，该编号称为地址编码，简称地址。

⑷控制总线
控制总线是传送计算机系统中控制信号的一组线，用于发布控制命令和实现对设备的控制和监视功能。

⑸系统时钟频率
总线不是影响计算机速度的唯一因素。

计算机系统内有一个时钟发生器定时地发出脉冲，管理CPU的处理功能。

每秒系统时钟产生脉冲的次数叫时钟频率，也称主频，单位为赫兹（Hz）。

100万周称为1兆赫兹（MHz）。

时钟频率越高，就意味着处理速度越快。

当
然，时钟频率只是影响计算机性能的一个重要因素，它本身不足以充当微处理器性能的衡量尺度。

即使时频率度相同，32位芯片处理数据的速度也会比16位芯片快得多。

CPU的控制总线速度、地址总线速度、数据总线速度、CPU是否有浮点处理器等因素也对计算机的性能有影响。

⑹指令周期
指令周期是指计算机执行一条指令所用的时间，一个完整的指令周期包括：取指令、解释指令、执行指令几个操作步骤。

1.1.2内存
计算机存储器分为内存储器（简称为内存或主存）和外存储器（简称外存或辅助存储器）两种。

存储器是用来存放数据和程序的记忆装置。

计算机将内存当作“便笺”，保存正被CPU使用的程序和数据。

大多数计算机的内存由RAM、高速缓存和ROM组成。

下面我们对这些术语进行解释。

1．RAM（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。

处理器将正在使用的程序和数据保存在RAM中。

没有RAM，处理器就无法工作。

它是用户程序运行的工作间，是仅次于CPU的宝贵系统资源。

RAM的大小直接关系到计算机系统的工作能力。

一般来说，内存越大越好。

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断电后都会立即消失。

2．ROM（只读存储器）
ROM的特点是用普通计算机只能读出内容，不能写入。

其内容一般由制造商在制造时写入，并且其内容在断电后依然保存，不会因断电而丢失。

ROM主要用于存放各种系统软件（如ROM BIOS、监控程序等）。

ROM BIOS芯片保存着一个小型指令集合，含有启动计算机的指令和设置系统基本输入输出接口功能的指令。

ROM是用户不能直接使用的存储空间，但又是计算机中不可缺少的。

某些ROM芯片在制造时包含的是适于特定终端用户的指令。

这些特别编程的ROM芯片称为PROM（可编程只读存储器）芯片。

芯片一旦编程后，其内容无法更改。

另一种ROM 芯片称为EPROM（可擦可编程只读存储器）芯片，能够从计算机中取下，用特殊设备擦除其内容后重新编程。

而最新的ROM芯片EEPROM（电可擦可编程只读存储器）芯片不必从计算机上取下即可利用特殊的程序进行电改写。

3．Cache（高速缓冲存储器）
CPU的运算速度快，远远超过了RAM的存取速度，所以当CPU与RAM交换数据时，大部分时间都是在等待从RAM中传送数据。

CPU与RAM速度的不匹配直接影响了整个系统的性能。

为了解决这个问题，设计计算机时，在CPU和内存之间增加了一种存取速度很快的存储器，即高速缓冲存储器Cache，简称缓存。

4．CMOS存储器
CMOS存储器只需要极少的电能就可以保持其中的数据。

由于耗电低，CMOS芯片可以使用集成在主板上的电池供电，即使关机，数据也不会丢失。

正因为如此，故可用CMOS 保存计算机系统配置等重要数据。

当改变了计算机的系统配置后，CMOS中的数据必须进行更新。

操作系统提供了特殊的工具供用户进行CMOS设置的更新。

现在很多计算机都有即插即用特征，在安装了新的硬盘驱动器后自动更新CMOS。

1.1.3主板
在微型计算机中，前面所介绍的所有组件都放置在称为主板的一块大型电路板上。

主板是一块分层的电路板，在各层中布满了各式各样的线路。

除了放置CPU、存储器和协处理器芯片外，主板上还有为扩展卡设计的扩展槽。

扩展卡，也叫做适配卡，是为计算机提供附加功能的电路板。

扩展卡可用于多种不同的目的。

如用来控制显示器的显示适配卡，还有进行网络通讯的网络适配卡等。

大多数个人计算机同时配有并行口（常用于打印机）和串行口（常用于调制解调器）。

调制解调器是使一台计算机可以通过电话与其他计算机通信的辅助设备。

图 3.2.3所示为Intel主板。

1.1.4 信息的存储单位
在计算机内部，各种信息都是以二进制编码形式存储的。

信息的单位常采用“位”、“字节”、“字”几种量纲来表示。

1．位（bit）：能够存放一位二进制数“0”或“1”，位是度量数据的最小单位。

2．字节（byte）：一个字节由连续的8个二进制位组成（1byte = 8bit）。

字节是存储信息的基本单位。

通常计算机存储器（包括内存与外存）以字节来表示它的容量。

常用的单位有：
KB（千字节）：1KB=1024 byte
MB （兆字节）：1MB=1024 KB
GB：1GB=1024 MB
TB：1TB=1024 GB
3．字（word）：计算机存储一个参与运算的机器数所使用的电子器件的基本个数是固定的，每个位置上的电子器件能够代表一位二进制数据。

通常把这种具有固定位数的二进制串称为字，又称为机器字。

把字包含的二进制数的位数称为字长。

字作为一个独立的信息单位处理。

通常所说的计算机是多少位，就是指机器字长的二进制位数，它代表了机器的精度。

计算机的字长越长，计算机的性能越高。

机器的功能设计决定了机器的字长，一般大型机用于数值计算，为保证足够的精度，需要较长的字长，如32位、64位等。

而小型机、微机一般字长为16位、32位等，现在也有64位的微机。

1.1.5 总线与接口
1.总线的概念及类型
计算机的CPU、内存、显示器、键盘、光驱、磁盘等都是独立存在的物理部件，任何一个微处理器都要与一定数量的部件和外围设备相连。

如果将各部件和每一种外围设备分别用不同的线路与CPU直接相连，那么线路错综复杂，甚至难以实现。

为了简化硬件电路设计，简化系统结构，常用一组线路配置以适当的接口电路与各种部件和外围设备连接。

这组共享的连接线路称为总线。

微机总线可以从以下几个角度分类。

根据连接的部件设备，可以区分为内部总线、系
统总线和外部总线。

内部总线用于连接CPU的各个组成部件，位于芯片的内部。

系统总线连接微机的各大部件。

外部总线是微机和外部设备之间的总线。

根据在总线上传输的信息性质，总线可分为数据总线（Data Bus, DB）、地址总线（Address BUS, AB）和控制总线（Control BUS , CB）。

地址总线决定了计算机内存空间的范围，即CPU能管理的内存大小。

当人们说16位微机时，是指它的数据总线宽度为16个二进制位，这个数目也就是计算机的字长。

按照通信方式不同，总线又可分为串行总线和并行总线。

2.接口
计算机的所有外设都不直接与主机相连，而是通过接口（也称为适配器）与总线相连。

接口是介于主机与外部设备之间的一种缓冲电路，是微机与外部设备联系的桥梁。

一般来说接口有如下几个主要功能。

①进行数据格式的转换。

例如进行串行与并行数据格式之间的转换；
②数据缓冲。

接口对数据传送提供缓冲，协调处理器与外部设备在速度上的差异；
③电气特性的匹配。

完成主机与外设在电气特性上的适配，如高低电压的转换。

总之，接口是外设与主机相连的中间电路，所有的外部设备都是通过接口与主机相连，并在软件的控制下工作。

§1.2 计算机的基本工作原理
1.2.1 计算机的指令系统
指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。

一条指令通常由操作码、操作数两个部分组成：
操作码指明该指令要完成的操作的类型或性质，操作码的位数决定了一台机器操作指令的条数。

当使用定长操作码格式时，若操作码位数为n，则指令条数可有2n条。

操作数指明操作对象的内容或所在的单元地址。

操作数在大多数情况下是地址码。

从地址码得到的仅是数据存放的地址，可以是源操作数的存放地址，也可以是操作结果的存放地址。

一台计算机的所有指令的集合，称为该计算机的指令系统。

不同类型的计算机，指令系统的指令条数有所不同。

但无论哪种类型的计算机，指令系统都应具有以下功能的指令。

（1）数据传送指令：将数据在内存与CPU之间进行传递；
（2）数据处理指令：对数据进行算术、逻辑或关系运算；
（3）程序控制指令：控制程序中指令的执行顺序，如条件转移、无条件转移、调用子程序、返回、停机等；
（4）输入/输出指令：用来实现外部设备与主机之间的数据传输；
（5）其他指令：对计算机的硬件进行管理。

1.2.2 计算机的工作原理
计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。

当计算机在工作时，有两种信息
在执行指令过程中流动：数据流和控制流。

数据流是指原始数据、中间结果、最终结果、源程序等。

控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令，指挥各部件协调工作。

指令的执行过程分为以下4个步骤：
（1）取指令：按照程序计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器；
（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位信号，由地址码确定操作数地址；
（3）执行指令：由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作；
（4）一条指令执行完成，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后返回到步骤（1）。

一般将计算机完成一条指令所花的时间称为1 个指令周期。

指令周期越短，指令执行越快。

通常所说的CPU主频(或称为工作频率)，就反映了指令执行周期的长短。

计算机在运行时，CPU从内存读出一条指令到CPU内执行，指令执行完再从内存读出下一条指令到CPU内执行。

CPU不断地取指令、分析指令、执行指令，这就是程序的执行过程。

所以，计算机的工作就是执行程序，即自动连续地执行一系列指令。

一条指令的功能虽然有限，但是由一系列指令组成的程序可以实现复杂的功能。