大学计算机基础（十一五规划教材）

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第 1 章 计算机系统基础 一、计算机的基本工作原理及结构 二、计算机硬件系统的组成 三、计算机软件系统 四、数据在计算机中的表示与存储

本章重点 计算机的基本工作原理和结构计算机硬件基本知识：硬件系统的总线结构图;微机系统五大组成部分及功能;计算机的主要性能指标计算机软件基本知识：语言的概念，系统软件、应用软件的概念，操作系统、汇编程序、编译程序和解释程序的功能

什么是现代计算机？ 计算机是一种无须人工干预，能对各种信息进行存储和快速处理的电子设备。现代计算机是电子驱动的，其本质特征是存储控制，即将事先编好的“程序”（指令和数据）存入“存储器”中，然后计算机就可以按照程序步骤自动连续执行。 ? 思考：计算器和计算机的区别。

John von Neumann 冯诺依曼一、计算机的基本工作原理及结构存储程序工作原理计算机的两个基本能力：一是能够存储程序，二是能够自动地执行程序。计算机是利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序的，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令，并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。重点计算机奠基人——冯诺依曼冯·诺依曼结构：硬件核心由五部分组成采用二进制和程序存储

运算器 输入设备输出设备（内）存储器程序+ 数据响应信号请求信号数据流控制流控制器注意：其中5-10是个重复的过程冯·诺依曼计算机结构模型 10 操作命令反馈信号存数 8 9 取数 1 6 处理结果 4 13 14 指令响应信号请求信号 7 地址 5 2 12 11 3

指令格式 操作码操作数机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）指令和指令系统指令是对计算机进行程序控制的最小单位。注意： (1)所有指令的集合称为计算机的指令系统。 (2)不同的计算机指令系统不同。程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列

+1 PC 指令执行过程 冯氏原理：人们预先编好程序，利用输入设备把程序输入内存，计算机在控制器控制下，从内存中逐条取出程序交运算器执行。把结果回送入内存、或由输出设备输出。 执行步骤：取指令、分析指令、执行指令、程序计数器加1 （例：指令070740H的执行过程）

内存储器 程序计数器PC（0100H）控制器指令寄存器 … … 操作码地址码程序区译码器 …… 操作控制线路 … 数据区 …… 累加器 …… 算术、逻辑运算部件运算器自动加1 程序计数器PC （0101H） 07 0740

微型计算机系统结构 1.早期的计算机系统结构多总线设计，南北桥结构 2.目前的计算机系统结构以CPU为核心的控制中心分层结构， 3.微机系统的“1-3-5-7”规则

非冯·诺依曼计算机结构 非冯·诺依曼结构：是由数据而不是由指令来驱动程序执行例： • 数据流计算机 • 归约计算机 • 基于面向对象程序设计语言的计算机 • 智能计算机

小结 • 计算机的分代、发展方向、分类 • 计算机的存储程序工作原理和结构

二、计算机硬件系统的组成 • 应用软件计算机系统 • 系统软件软件系统（程序、文档） • 硬件硬件系统（设备）计算机系统的组成 (1) 计算机系统组成图层次图

(2) 微机硬件的基本组成 从外观看，一台微机由主机（包括内存）和外部设备（包括外存）组成。在主机箱内有主板（包括CPU和内存、总线扩展槽）、外存、输入输出接口电路等，如下图所示：

微处理器 CPU AB DB CB 其他I/O口外存接口输入输出接口主存储器软、硬盘驱动器键盘、显示器等各种外设计算机的硬件系统结构图（总线结构图）如下：根据总线结构讲解计算机硬件各部分及功能

CPU

1) 中央处理器CPU（核心）：它执行对信息的处理与控制，是整个微型机的核心，它是一个大规模集成电路芯片。决定微机的档次。 ① 针脚式Socket 2) CPU可分为： ② 插卡式Slot 3)主流产品： • Intel公司的Pentium(奔腾）系列和AMD公司的Athlon(速龙）系列 • P4 CPU:奔腾、赛扬、至强、迅驰

4) 主要性能指标： • 字长CPU一次所能处理的数据的二进制位数；CPU字长有8bit，16bit，32bit，64bit等，目前流行的微机主要采用32bit。 • 工作频率即CPU每秒所能执行的指令条数，常用主频表示，CPU主频通常以MH（兆赫）和GH（千兆赫）为单位，１MH 指每秒执行１百万条指令。目前流行的CPU的主频均已达GH 数量级 • 高速缓存（cache)（128KB～2MB) 高速CPU和低速内存的速度不匹配，如何解决？高速缓存高速CPU 低速内存

5) CPU技术的新发展 • 多核CPU技术 • 64位CPU • 低功耗CPU • 嵌入式CPU

主板

主板是计算机中重要的部件。主要功能是传输电子信号。计算机的性能、功能、兼容性都取决于主板设计。目前主板的系统结构为控制中心结构。主流产品是ATX主板。主板是计算机中重要的部件。主要功能是传输电子信号。计算机的性能、功能、兼容性都取决于主板设计。目前主板的系统结构为控制中心结构。主流产品是ATX主板。 1-3-5-7 • 三大芯片北桥芯片－决定主板性能高低南桥芯片－决定主板功能多少 BIOS芯片－决定主板兼容性好坏

CPU插座 目前CPU均采用Socket插座，Socket插座根据CPU引脚的多少进行编号。芯片组生产芯片组的厂商有Intel、AMD、VIA、SIS等少数企业。

随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 可编程只读存储器 PROM 可改写只读存储器 EPROM 主存储器（内存）存储器磁盘存储器：软磁盘、硬磁盘外存储器（辅助存储器）光盘存储器、优盘存储器系统计算机的存储器用来存放程序和数据，其容量的大小、存取数据速度的快慢将直接影响到微机系统的性能。注意：计算机运行时的程序和数据均放在RAM中，一旦掉电，其中的内容将全部丢失。

内存

短暂地保留数据、其特点是速度快。分为随机存取存储器（RAM,静态SRAM和动态DRAM）、只读存储器（ROM）、高速缓冲存储器（Cache)。短暂地保留数据、其特点是速度快。分为随机存取存储器（RAM,静态SRAM和动态DRAM）、只读存储器（ROM）、高速缓冲存储器（Cache)。注意： 1.地址：存储单元的一个编号，数据的存取须通过该编号完成。 2.存储容量：内存单元的总数，通常一个单元为一个字节，1024个单元为1KB，1024×1024个单元为1兆节，记为1MB。通常为256MB。内存容量实质上指RAM的容量（因为ROM可存储容量为0 )。 3. RAM：随机存储器，可读写，断电后数据丢失。 4.ROM：只读存储器，不可写，预先存入数据，断电后数据不丢失。

内存地址 RAM在实际存储的时候被分成为许多等长的存储单元，在微机中一般按照字节存储，即按字节来分存储单元。比如，如果有内存１kB，则被分为1024个存储单元。每个存储单元将被赋予一个编号即内存地址。 FFFFH 0002H 0001H 0000H 注意区分内存地址和内存地址中的内容。

外存储器之一：硬盘存储器 外存存储原理：电磁原理

外存储器之二:软盘存储器 3.5英寸软盘示意图软盘一般有5寸盘(5.25“)和3寸盘(3.5”)，高密3寸盘的存储容量为1.44M，高密5寸盘容量为1.2M，现在一般采用3寸盘。在DOS中用“A：”、或“B：”来表示软盘的盘符。塑料壳挡板读写窗口写保护孔盘片轴盘连接孔

外存储器之三：光盘存储器 • 原理：运用光盘盘面的凸凹不平，表示“0”和“1”的信息，光驱利用激光头产生激光扫描光盘盘面，读取“0”和“1”的信息。 • 特点：记录密度高，存储容量大，数据保存时间长。

类型： 只读型光盘(CD-ROM、DVD-ROM)，数据采用专用设备一次性写入到光盘中。只能读取信息，不能再写入。CDROM的存储容量为650MB，DVDROM的存储容量为4.3GB～17GB。一次写入型光盘(CD-R、DVD-R)，只能写一次，写后不能修改。可擦写型光盘(CD-RW、 DVD-RW)，可以反复读写，但需要专用软件进行操作。

外存储器之四、五：优盘与移动硬盘 ①优盘（又名闪存盘）特点：防潮、耐高低温、抗震、防电磁波、容量大、携带方便等 ②移动硬盘 • 容量大，单位存储成本低； • 速度快； • 兼容性好，即插即用； • 具有良好的抗震性能。特点：

内存外存 CPU 交换数据交换数据不能直接交换外存是一种长期保留数据的装置，属外部设备。既是输入设备，又是输出设备，主要用于和内存储器交换信息。有硬盘、软盘、光盘、U盘、移动硬盘。 CPU、内存、外存间的关系： • 外存和内存的比较：速度较内存慢、容量一般较内存大，且价格比内存便宜。软盘容量为1.44M，常见硬盘达GB级以上，光盘容量有500~600MB，有可擦写光盘。

注意: 1.软盘写保护孔打开时，处于写保护状态，只能读取信息，不能写信息。 2.软盘正在工作时（指示灯亮时），不能将软盘取出，否则丢失数据或损坏磁盘。 3.磁道、柱面由外到内编号，从0开始，磁道数一般为40或80 。 4.磁盘容量的计算公式（每个扇区存储512个字节）：软盘容量=面数×磁道数×每道扇区数×每扇区字节数硬盘容量=柱面数×面数×每道扇区数×每扇区字节数如：3.5英寸双面软盘，有80个磁道，18扇区/磁道，其格式容量为： 512 × 18 × 80 × 2＝1440KB≈1.44MB，简称1.44MB。

各种存储器特点比较 cpu • 速度 • 容量小快 cache RAM 外存：硬、光、U、软慢大

总线与接口 • 总线 • 扩展槽 • I/O接口

1) 总线 总线（BUS):是指计算机系统中能够为多个部件共享的一组公共信息传输线路。按照其功能及传输信息的种类可分为： ① 数据总线（DB）：用于CPU与内存或I/O接口之间的数据传递，它的条数取决于CPU的字长，信息传送是双向的（可送入到CPU也可由CPU送出）。

② 地址总线（AB）：用于传送存储单元或I/O接口的地址信息，信息传送是单向的,它的条数决定了计算机内存的大小：若一台计算机中有16条地址总线，则它的内存大小为216（64KB）。 ③ 控制总线（CB）：双向传送控制器的各种控制信息。总线性能：总线宽度、总线频率 7大总线（前端总线FSB、内存总线MB、Hub总线IHA、图形显示接口总线PCIE、外部设备总线PCI、通用串行总线USB和少针脚总线LPC）的功能

2) I/O接口 主板外部接口是用来连接键盘、鼠标（串行接口）、音箱、麦克风、显示器、打印机（并行接口）、电话线等其它外部设备，实现数据交换的功能。 USB接口，通用串行总线接口标准。

输入输出设备 • 显示器 • 打印机 • 绘图仪输入设备 • 键盘 • 鼠标 • 扫描仪输出设备

键盘键盘(101键)——由4个部分组成（主键盘区、功能键区、编辑键区、小键盘区）。

(1) 功能键区：F1——F12，每一个功能键往往对应一串字符，不同软件中功能键的定义不相同。 (2) 主键盘区：分为字符键和控制键两类。 字符键：每按一次字符键，屏幕显示一个对应的字符。 控制键：常用的控制键如下： Enter键:回车键。 Shift键:上下档换档键。 Caps Lock键：大小写字母锁定键。空格键： Back Space键：退格键。 Ctrl 键：控制键。 Esc 键：强行退出键。 Tab 键：标记键，制表键。

(3) 小键盘区：小键盘区的数字都有双重功能。开机后“Num Lock”指示灯亮，这时按每个数字键，均可显示数字。当“Num Lock”指示灯熄灭时，小键盘上的2，4，6，8等键变成了控制光标移动的键。 (4) 光标控制键区： Insert 键：插入转换键。 Delete 键：删除光标所在处字符。 Home 键：把光标移到所在行的开始位置。 End 键：把光标移到所在行的末尾。 Page UP键：显示上一页的内容。 Page Down键：显示下一页的内容。

无线光电鼠标器 鼠标器主要用于视窗界面的操作环境中，通过在桌面上移动鼠标器带动光标移动来实现各种需要的操作。鼠标器通过串行通讯接口与主机相连，有机械式和光电式两种。

显示器 如同一台电视机，能及时显示计算机的提示信息和程序的运行结果，是向用户提供信息的重要设备。主要由显示监视器和显示适配器（显卡）两部分组成 (1) 显示器的分类（按器件分）：（VGA是一种显示标准）有阴极射线管显示器(CRT)(模拟显示方式，显示效果好）、液晶（LCD)（数字显示方式，显示效果稍差）、发光二极管、等离子体、荧光等平板型显示器。

(2) 显示器的主要技术参数 • 屏幕尺寸：主要有14英寸、15英寸、17英寸、20英寸等规格。 • 点距：屏幕上荧光点间的距离。越小越好，现有的规格0.20,0.25,0.26,0.28,0.31,0.39(毫米)等。 • 显示分辨率(最主要参数）：通常写成(水平点数)×(垂直点数)的形式，点数越多越好，目前1024 ×768较普及。 • 刷新频率：每分钟屏幕画面更新的次数，频率越高越好，一般是75Hz～200Hz。

打印机 可以对数据进行永久性保存，有击打式（针式打印机）和非击打式（激光打印机和喷墨打印机）等。打印机的主要技术指标： • 打印速度：CPS（字符/秒）表示； • 打印分辨率：DPI（点/英寸）表示； • 最大打印尺寸：A4或A3。

扫描仪 扫描仪是一种光机电一体化的输入设备，它可以将图文形象转换成可由计算机处理的数字数据。绘图仪绘图仪是一种输出图形的硬拷贝设备。思考：数码相机和数字化仪是输入设备还是输出设备？

微型计算机的主要技术指标 重点 • 性能指标 • 字长：计算机一次可并行处理的二进制数码的位数 • （分32位、64位等几种字长） • 运算速度（或时钟频率）——MIPS（每秒百万条指令） • 主频，即主时钟频率。 80486：33MHZ~66MHZ之间 • Pentium 4：2.4GHZ 频率越高，速度越快。 • 主（内）存贮器的容量：128MB/256MB/512MB/1GB等 • 外部设备配置此外，还有功能指标、可靠性指标、兼容性指标等。

三、计算机软件系统的组成

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