第2章计算机系统

第2章计算机系统

§1.计算机硬件的系统

2.1.1 运算器(ALU，Arithmetic and Logic Unit)P40

主要功能：对二进制数码进行算术运算或逻辑运算。

主要组成：由一个加法器、若干个寄存器和一些控制电路组成。如图2-1所示：

相关的性能指标：包括计算机的字长和运算速度。

字长：是计算机运算部件一次能同时处理的二进制数据的位数。字长越长运算的精度越高，计算机的处理能力越强。

运算速度：通常是指每秒钟所能执行的加法指令的数目，常用MIPS（百万次/秒）表示。

2.1.2 控制器(CU,Control Unit)P41

主要组成：由4个部分组成，指令寄存器IR、指令译码器ID、操作控制器OC、程序计数器PC。

基本功能：根据指令计数器(PC)中指定的地址从内存取出一条指令送IR，ID对指令进行译码，再由OC有序地控制各个部件完成操作码规定的功能。

机器指令：是计算机硬件可以真正识别和执行的语言。

机器指令的组成：一条机器指令通常包括两部分：

（1）操作码：指明指令所要完成的操作的性质和功能。

（2）操作数：指明操作码执行时的操作对象。

控制器和运算器合称为中央处理器(CPU)，在微型计算机中通常也称作微处理器(MPU)。

时钟主频是CPU的时钟频率，是微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。主频以吉赫兹GHz为单位。

2.1.3 存储器(Memory)P42

存储器是存储程序和数据的部件，分为内存和外存两大类。

内存(主存)：是主板上的存储部件，存储当前正在执行的程序、数据和结果；容量小，比外存存取速度快，CPU能直接存取。

外存(辅存)：是磁盘、光盘等存储部件，存放各种数据文件和程序文件等需要长期保存的信息，容量大，存取速度慢，断电后其上的信息不会丢失。CPU 不能直接访问外存，当外存上信息调入内存后，再被CPU访问。

1．内存

内存按功能又可分为随机存取存储器和只读存储器。

1)随机存取存储器RAM P43

特点：可读/写性；易失性，即断电后，RAM中的信息立即丢失。

计算机内存条采用的是DRAM。

2)只读存储器ROM P44

是只能读不能写的存储器。断电后，ROM中的信息不会丢失。

微机中装有64KB的ROM中含有BIOS等信息。

3)高速缓冲存储器Cache P44

高速缓冲存储Cache主要是为了解决CPU与内存速度不匹配。

Cache一般由SRAM存储芯片构成，因为SRAM比DRAM的存取速度快。

Cache按其功能通常分为两类：

CPU内部的Cache，称一级Cache,负责在CPU内部的寄存器与外部Cache 之间的缓冲。

CPU外部的Cache，称二级Cache,主要用于弥补CPU内部Cache的容量过小的缺陷，负责整个CPU与内存之间的缓冲。

4）内存储器的主要性能指标(2个) P44

容量：是一个内存储器包含的存储单元总数。目前常用的容量是2GB-4GB。

速度：一般以存取周期(是CPU从内存储器中存取数据所需的时间(读出或写入)。半导体存储器的存取周期一般为60ns-100ns。

2．外存

常见的外存有硬盘、U盘和光盘等。

1)硬盘P45

硬盘由磁盘片、读写控制电路和驱动机构组成。具有容量大、存取速度快等优点。

硬盘内部结构：P45 见图2-5所示。

硬盘容量=磁头数(H)x柱面数©x磁道数(S)x每扇区字节数(B)

硬盘接口：是硬盘与主板的连接部分。常见接口有ATA接口(高级技术附

件)和SCSI接口(小型计算机系统接口), P46见图2-6所示。

硬盘的转速：是硬盘电机主轴的旋转的速度，一般有5 400rpm(转/分钟)和7 200rpm两种。

硬盘的容量有320GB、500GB、750GB、1TB、2TB、3TB等。

2)闪速存储器P46

是一种新型非易失性半导体存储器(通常称U盘)。它是EEPROM的变种，它以固定区块为单位进行删除和重写，而不是整个芯片擦写。

通过USB接口即插即用。

3）光盘(Optical Disk) P46

光盘是以光信息作为存储信息的载体来存储数据。

光盘分类(3种)：

4)DVD(Digital Versatile Disk)光盘数字通用盘P47

DVD-ROM是CD-ROM的后继产品。

结构和容量：与CD光盘大小相同，但它的存储密度高。

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。

倍速：衡量光驱动器传输速度的指标是倍速。光驱的读取速度以150Kb/s 的单倍速为基准。后来驱动器的传输速度越来越快，就出现了四倍速、32倍速、40倍速甚至更高。

3. 层次结构

现代计算机系统基本采用Cache、主存和辅存三级存储系统。

图2-7所示存储器系统结构。

2.1.4 输入设备(Input Devices) P48

常用输入设备：键盘、鼠标器、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、语音输入、手触输入、传感等。

1.键盘P48

键盘是人与计算机之间进行联系和对话的工具，主要用于输入字符信息。

通常使用的键盘有：101键、102键、104键、红外线遥感键盘和无线键盘等。

2．鼠标器P49

鼠标器是多窗口环境下必不可少的输入设备。

常见的鼠标器有：机械鼠标、光学鼠标、光学机械鼠标、无线鼠标。3．其他输入设备P49

图形扫描仪：可直接将图形、图像、照片或文本输入计算机。

条形码阅读器：能够识别条形码的扫描装置，连在计算机上使用。

光学字符阅读器（OCR）：是一种快速字符阅读装置。

触摸屏：当手指或其它物件触摸触摸屏时，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，并通过接口送到主机。P31

语音输入设备和手写笔输入设备：使汉字输入变得更为方便、容易。

光笔(Light Pen)：是专门用来在显示屏幕上作图的输入设备。

数码相机、数码摄像机：能够将所拍摄的照片、视频图像以数字文件的形式传输给计算机。

2.1.5 输出设备(Output Devices)