第2章 计算机系统

计算机是能按照人的要求接受和存储信息、自动进行数据处理和计算并输出结果的机器系统。

计算机由硬件和软件两部分组成，共同协调运行应用程序，处理和解决实际问题。其中：硬件是计算机赖以工作的实体、是各种物理部件的有机结合；软件是控制计算机运行的灵魂、是由各种程序以及程序所处理的数据组成的。

2.1 计算机硬件系统

尽管各种计算机在性能、用途和规模上有所不同，但其基本结构都遵循冯·诺依曼型体系结构。人们称符合这种设计的计算机为冯· 诺依曼型计算机，该计算机由输入、存储、运算、控制和输出五个部分组成。

2.1.1 运算器

运算器（Arithmetic Unit）是计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。通常情况下，运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加器（ACC）、状态寄存器、通用寄存器组、多路转换器、数据总线等组成。算术逻辑运算单元（ALU）的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。

运算器的处理对象是数据，所以数据长度和计算机数据表示方法，对运算器的性能影响极大。70年代微处理器常以1个、4个、8个、16个二进制位作为处理数据的基本单位。大多数通用计算机则以16、32、64位作为运算器处理数据的长度。能对一个数据的所有位同时进行处理的运算器称为并行运算器。若一次只处理一位，则称为串行运算器。有的运算器一次可处理几位（通常为6或8位），一个完整的数据分成若干段进行计算，称为串/并行运算器。运算器往往只处理一种长度的数据。有的也能处理几种不同长度的数据，如半字长运算、双倍字长运算、四倍字长运算等。有的数据长度可以在运算过程中指定，称为变字长运算。

按照数据的不同表示方法，可以有二进制运算器、十进制运算器、十六进制运算器、定点整数运算器、定点小数运算器、浮点数运算器等。按照数据的性质，有地址运算器和字符运算器等。

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。

2.1.2 控制器

控制器（Control Unit）是计算机的心脏，控制全机各个部件的工作。控制器的基本功能是根据指令计数器中指定的地址从内存取出一条指令，对指令进行译码，再由操作控制部件有序地控制各部件完成操作码规定的功能。

控制器由指令寄存器（Instruction Register）、指令译码器（Instruction Decoder）、程序计数器（Program Counter）和操作控制器（Operation Counter）4个部分组成。

控制器的组成方式主要是指微操作控制信号形成部件采用何种组成方式产生微操作控制信号。根据产生微操作控制信号的方式不同，控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型三种。

2.1.3 存储器

存储器（Memory）是计算机系统内最主要的记忆装置，能够把大量计算机程序和数据存储起来，既能接收计算机内的信息（数据和程序），又能保存信息，还可以根据命令读取已保存的信息。

存储器按功能可分为内存（主存储器）和外存（辅助存储器），按存放位置又可分为内存储器和外存储器。内存是主板上的存储部件，用来存储当前正在执行的数据、程序和结果；内存容量小、存取速度快、但断电后信息全部丢失。外存是磁性存储介质或光盘等部件，用来存放各种数据文件和程序文件等需要长期保存的信息；外存容量大、存取速度慢、但是断电后内容不丢。

一个存储器中所包含的字节数称为该存储器的容量，简称存储容量。存储容量通常用KB、MB或GB表示，其中B是字节（Byte），并且1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB。例如，640KB就表示640× 1024=655360个字节。

1．内存储器

现代的内存储器多半是半导体存储器，采用大规模集成电路或超大规模集成电路器件。内存储器按其工作方式的不同，可以分为随机存取存储器（简称随机存储器或RAM）和只读存储器（简称ROM）。

随机存储器。随机存储器允许随机的按任意指定地址向内存单元存入或从该单元取出信息，对任一地址的存取时间都是相同的。由于信息是通过电信号写入存储器的，所以断电时RAM中的信息就会消失。计算机工作时使用的程序和数据等都存储在RAM中，如果对程序或数据进行了修改之后，应该将它存储到外存储器中，否则关机后信息将丢失。通常所说的内存大小就是指RAM的大小，一般以KB或MB为单位。

只读存储器。只读存储器是只能读出而不能随意写入信息的存储器。ROM中的内容是由厂家制造时用特殊方法写入的，或者要利用特殊的写入器才能写入。当计算机断电后，ROM中的信息不会丢失。当计算机重新被加电后，其中的信息保持原来的不变，仍可被读出。ROM适宜存放计算机启动的引导程序、启动后的检测程序、系统最基本的输入/输出程序、时钟控制程序以及计算机的系统配置和磁盘参数等重要信息。

2．外存储器

PC常用的外存是软磁盘（简称软盘）和硬磁盘（简称硬盘），目前，光盘的使用也越来越普及。下面介绍常用的三种外存：

软盘：目前计算机常用的软盘按尺寸划分有5.25英寸盘（简称5寸盘）和3.5英寸盘（简称3寸盘）。

二者之间的主要区别是：3.5英寸盘的尺寸比5.25英寸盘小，由硬塑料制成，不易弯曲和损坏；3.5英寸盘的边缘有一个可移动的金属滑片，对盘片起保护作用，读/写槽位于金属滑片下，平时被盖住：3.5英寸盘无索引孔；3.5英寸盘的写保护装置是盘角上的一个正方形的孔和一个滑块，当滑块封住小孔时，可以对盘片进行读/写操作，当小孔打开时，则处于写保护状态。

软盘记录信息的格式是：将盘片分成许多同心圆，称为磁道，磁道由外向内顺序编号，信息记录在磁道上。另外，从同心圆放射出来的若干条线将每条磁道分割成若干个扇区，顺序编号。这样，就可以通过磁道号和扇区号查找到信息在软盘上存储的位置，一个完整的软盘存储系统是由软盘、软盘驱动器和软驱适配卡组成的。

软盘只能存储数据，如果要对它进行读出或写入数据的操作，还必须有软盘驱动器。软盘驱动器位于主机箱内，由磁头和驱动装置两部分组成。磁头用来定位磁道，驱动装置的作用是使磁盘高速旋转，以便对磁盘进行读写操作。软驱适配卡是连接软盘驱动器与主板的专用接口板，通过34芯扁平电缆与软盘驱动器连接。

硬盘：从数据存储原理和存储格式上看，硬盘与软盘完全相同。但硬盘的磁性材料是涂在金属、陶瓷或玻璃制成的硬盘基片上，而软盘的基片是塑料的。硬盘相对软盘来说，主要是存储空间比较大，现在的硬盘容量已在160GB以上。硬盘大多由多个盘片组成，此时，除了每个盘片要分为若干个磁道和扇区以外，多个盘片表面的相应磁道将在空间上形成多个同心圆柱面。

通常情况下，硬盘安装在计算机的主机箱中，但现在已出现多种移动硬盘。这种移动硬盘通过USB接口和计算机连接，方便用户携带大容量的数据。

光盘：随着多媒体技术的推广，光盘以其容量大、寿命长、成本低的特点，很快受到人们的欢迎，普及相当迅速。与磁盘相比，光盘的读/写是通过光盘驱动器中的光学头用激光束来读写的。目前，用于计算机系统的光盘有三类：只读光盘（CD-ROM）、一次写入光盘（CD-R）和可擦写光盘（CD-RW）。

3．存储器的性能指标

（1）存储器容量

存储器容量是指存储器可以容纳的二进制信息总量，即存储信息的总位（Bit）数。设微机的地址线和数据线位数分别是p和q，则该存储器芯片的地址单元总数为2p，该存储器芯片的位容量为2p × q。存储器容量越大，则存储的信息越多。目前存储器芯片的容量越来越大，价格在不断降低，这主要得益于大规模集成电路的发展。

（2）存取速度

存储器的速度直接影响计算机的速度。存取速度可用存取时间和存储周期这两个时间参数来衡量。存取时间是指CPU发出有效存储器地址从而启动一次存储器读/写操作，到该读写操作完成所经历的时间，这个时间越小，则存取速度越快。目前，高速缓冲存储器的存取时间已小于5ns。存储周期是连续启动两次独立的存储器操作所需要的最小时间间隔，这个时间一般略大于存取时间。

（3）可靠性

存储器的可靠性用MTBF（Mean Time Between Failures）平均故障间隔时间来衡量，MTBF越长，可靠性越高，内存储器常采用纠错编码技术来延长MTBF以提高可靠性。

（4）性能/价格比

这是一个综合性指标，性能主要包括上述三项指标——存储容量、存储速度和可靠性。对不同用途的存储器有不同的要求。例如，有的存储器要求存储容量，则就以存储容量为主；有的存储器如高速缓冲器，则以存储速度为主。

2.1.4 输入设备

输入设备（Input Devices）用来向计算机输入数据和信息。其主要功能是把可读信息转换为计算机能识别的二进制代码输入计算机，供计算机处理，是人与计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。

目前常用的输入设备有键盘、鼠标、摄像头、扫描仪、光笔、手写输入板、语音输入装置等。

1．键盘

键盘（Key Board）是目前最常用、最普遍的输入设备，主要用于输入字符信息。键盘的种类比较多，有101键、102键、104键、手写键盘、人体工程学键盘等，其接口规格有两种：PS/2和USB。

键盘上的字符分布是根据字符的使用频度确定的。人的十个手指的灵活程度是不一样的，灵活一点的手指分管使用频度较高的键位，反之，不太灵活的手指分管使用频度较低的键位。将键盘一分为二，左右手分管两边，分别按在基本键上。

2．鼠标

鼠标（Mouse）通常有两个按键和一个滚轮，当它在平板上滑动时，屏幕上的鼠标指针也跟着移动。它不仅可以用于光标定位，还可以用来选择菜单、命令和文件，是多窗口环境下必不可少的输入设备。

常见的鼠标有机械鼠标、光学鼠标、光学机械鼠标、无线鼠标。

3．其他输入设备

除了键盘、鼠标外，输入设备还有扫描仪、条型码阅读器、光学字符阅读器、触摸屏、手写笔、语言输入设备和图像输入设备等。

2.1.5 输出设备

输出设备（Output Devices）把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来，其主要功能是将计算处理后的各种内部格式的信息转换为人们能识别的形式表达出来。除了常用的输出设备（显示器、打印机）外，还有绘图仪、影像输出、语音输出、磁记录设备等。

1．显示器

显示器（又称监视器）是微型计算机中最重要的输出设备之一，也是人机交互必不可少的设备，其主要功能是将图形、图像和视频等信息显示出来。

（1）显示器的分类

显示器按工作原理可分为：CRT（阴极射线管显示器）、LCD（液晶显示器）、PDP（等离子体显示器）、VFD（真空荧光显示器）等，目前市场主流的显示器是CRT和LCD显示器。

（2）显示器的主要技术指标

像素与点距：屏幕上图像的分辨率或清晰度取决于能在屏幕上独立显示点的直径，这种独立显示的点称为像素。而屏幕上两个像素之间的距离称为点距，该指数直接影响显示效果。

像素越小，在同一个字符面积下像素数就越多，则显示的字符就越清晰。

分辨率：每帧的线数和每线的点数的乘积。通常情况下，该值是衡量显示器性能的重要指标。

显示器的尺寸：指显像管对角线长度，一般用英寸为单位。

2．打印机

打印机是把文字或图形在纸上输出的计算机外部设备。一般微型计算机常用的打印机有点阵式打印机、喷墨式打印机和激光打印机三种类型。

（1）点阵式打印机

点阵式打印机主要由打印头、运载打印头的小车机构、色带机构、输纸机构和控制电路等几部分组成。其中：打印头是点阵式打印机的核心构成部件。通常，点阵式打印机有9针、24针两种，针的数目可以影响打印文字的质量。

（2）喷墨打印机

喷墨打印机属于非击打式打印机。其优点是价格低廉，打印质量高于点阵式打印机；而且可以支持彩色打印，无噪声。缺点是打印速度慢、耗材贵。

（3）激光打印机

激光打印机也是非击打式打印机。其优点是无噪声、打印速度快、打印质量好，常用来打印正式公文及图表。缺点是价格高、耗材贵。

3．其他输出设备

计算机使用的其他输出设备还有绘图仪、音频输出设备、视频投影仪等。