1.4 微型计算机系统

计算机系统由硬件系统和软件系统组成。

硬件系统是指计算机的物理系统，是所有构成计算机的物理实体，它包括计算机系统中一切电子、机械、光电等设备。“裸机”是指没有装配任何软件的计算机。

软件系统是指管理计算机软件系统和硬件系统资源、控制计算机运行的程序、文档、命令、指令、数据等。

1.4.1 微型计算机硬件系统

计算机由五大基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，结构如图1-1所示。

1.控制器

控制器是计算机的指挥控制中心。指挥、控制计算机各部件自动、协调地工作。控制器从内存中按顺序取出各条指令，每取出一条指令，就分析这条指令，然后根据指令的功能向各部件发出控制命令，控制它们执行这条指令中规定的任务。当各部件执行完控制器发出的命令之后，都会发出对执行情况的“反馈信息”。

2.运算器

运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，它的任务是在控制器的指挥下，对信息进行加工处理，包括算术运算和逻辑运算。运算器由算术逻辑单元ALU、累加器、状态寄存器和通用寄存器组等组成。

将运算器和控制器等集成在一块超大规模集成电路芯片上，该芯片称为中央处理器（Central Processing Unit,CPU），也称微处理器，是计算机系统的核心部件。

影响CPU性能的两个重要指标：

（1）字长：处理信息时一次能存取、加工和传送的一串二进制数称为字，字所包含的二进制位数称为字长。计算机的字长通常是字节的整数倍，如16位、32位、64位等。字长越长，计算机处理速度越快、运算精度就越高。

（2）主频：指 CPU 工作时的时钟频率，通常用一秒钟内处理器所能发出电子脉冲数来测定，计量单位一般为MHz或GHz，主频越高，运行速度越快。

3.存储器

用来存储程序和数据的记忆装置，是计算机中各种信息的存储和交流中心。存储器中有许多存储单元，一个存储单元由数个二进制位组成，每个二进制位可存放一个0或1。通常一个存储单元由8个二进制位组成，为一个字节。从存储器中取出原记录内容而不破坏其信息，这种取数操作称为存储器的“读”；把原来保存的内容抹去，重新记录新的内容，这种存数操作称为存储器的“写”。存储器分为两大类：内存储器和外存储器。

（1）内存储器：由中央处理器直接访问的存储器，由大规模或超大规模集成电路芯片所构成，它存放着正在运行的程序和数据、计算的结果或中间结果。内存由主存储器和高速缓冲存储器组成。

① 内存地址：内存由许多存储单元组成，每一个存储单元可以存放指令或数据，内存地址的编号从0开始。

② 存储容量：是描述计算机存储能力的指标，通常以1 024的倍数作为单位。内存地址决定存储容量，存储容量越大，能够存储的信息越多。

③ RAM和ROM：内存分为随机存取存储器RAM（Random Access Memory）和只读存储器ROM（Read Only Memory）两种。

ROM存储器中的信息一般只能读出而不能写入。断电后，ROM中的原有信息保持不变，在计算机重新开机后，ROM中的信息仍可被读出。

RAM存储器用于存放CPU正在处理、即将处理或处理完毕的数据，是CPU可以直接访问（可读/写）的存储器。一旦关闭计算机（断电）,RAM中的信息就丢失了。RAM在计算机中的作用很大，当系统运行时，先要将所需的指令和数据从外部存储器（如硬盘、U盘、光盘等）调入RAM中，CPU再从RAM中读取指令或数据进行运算，并将运算结果存入RAM。

不同类型的内存传输类型各有差异，在传输率、工作频率、工作方式、工作电压等方面都有不同。目前市场中主要的内存类型有SDRAM、DDR SDRAM和RDRAM 3种，其中DDR SDRAM内存占据了市场的主流。

④ 高速缓冲存储器Cache：由于RAM的运行速度和CPU之间有一个数量级的差距，这就限制了CPU速度潜力的发挥。为了弥补这个差距，人们在RAM和CPU之间设置一种高速缓冲存储器Cache。Cache的运行速度高于RAM，但容量较小。在程序运行中，当需要取指令或数据时，CPU先检查Cache中是否有该内容，若有就从Cache中取出，否则从主存储器取出，这样就解决了RAM和CPU速度不匹配的问题，充分发挥了CPU的潜力。

⑤ 虚拟内存：为了缓解RAM容量小与处理的数据大的矛盾，可以拿出一整块硬盘空间来充当内存使用。当运行的程序和数据要占用大量RAM时，先把RAM中暂时不急用的数据存放在虚拟内存中，用的时候再调入RAM中。

（2）外存储器：又称“辅助存储器”，是主机的外部设备，用来存储大量的暂时不参加运算或处理的数据和程序。要使用外存中的数据和程序，必须首先把它调入内存，然后再由CPU处理。

外存与内存有许多不同之处。一是外存不怕停电，磁盘上的信息可保存数年之久。二是外存的容量可以很大，如U盘容量最大可达1TB，硬盘容量为500GB～1TB，光盘容量有650M, 4.7GB等。

① 磁存储器：磁带、硬盘、软盘等，它们的工作原理都是将信息记录在涂有磁性材料的塑料带、金属或塑料圆盘上，靠磁头存储信息。

② 光存储器：一次写入型光盘（CD-R）、可擦写型光盘（CD-RW）、数字多用途光盘（DVD）等。CD光盘的容量一般在650MB左右，DVD光盘的容量一般在4.7GB左右，蓝光光盘的容量可达到50GB。

③ 移动存储器：U盘、移动光盘、移动硬盘等。

4.输入设备

向计算机输入程序、数据和其他信息的部件，如键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等。

（1）键盘：是计算机常用也是最主要的输入设备。键盘有机械式和电容式，有线和无线之分。

（2）鼠标：是一种指点设备，它将频繁的击键动作转换成为简单的移动、点击。鼠标有机械式和光电式、有线和无线之分；按照键数目，又可分为单键、两键、三键以及滚轮鼠标。

（3）笔输入设备：它兼有鼠标、键盘和书写笔的功能。一般由与主机相连的基板和在基板上写字的笔组成。

（4）扫描仪：是常用的图像输入设备，它可以把图片和文字材料快速地输入计算机。

（5）数码相机（DC）：是集光学、机械、电子一体化的产品。

5.输出设备

从计算机中输出结果和其他信息的部件，如显示器、打印机、绘图仪等。

（1）显示器：是人机交互的窗口，由监视器和显示控制适配卡（简称显卡）两部分组成，类型有 CRT（阴极射线管）和 LCD（液晶显示器）。显卡由图形处理芯片 GPU、显存、VGA （视频图形阵列）插座、AGP（图形加速端口）接口等部件组成。它的性能好坏直接关系到显示系统性能的优劣。显示器的主要性能参数如下：

① 像素（pixel）：显示屏幕由许多不同色彩或不同亮度的点组成。屏幕上一个点称为一个像素。

② 分辨率：在某一种显示模式下计算机屏幕上最大的显示区域，以水平和垂直的像素来表示，即屏幕上显示的点数。如分辨率为800×600像素，就是说显示屏幕由800个水平点和600个垂直点组成。

③ 点距：屏幕上相邻两个像素间的距离，是屏幕的物理指标，规格有0.31mm、0.28mm、0.25mm等。点距越小，越容易得到清晰的显示效果。

（2）打印机分为击打式和非击打式两大类，击打式主要有针式打印机，非击打式主要有喷墨打印机和激光打印机。

1.4.2 主板和BIOS

1.主板

主板也叫母版，实际上是一块电路板，它是所有电子部件和外设的基地，计算机中几乎所有的零部件，不是直接安装在主板上，就是利用数据线与主板相连，因此主板性能的好坏直接影响计算机的总体性能。传统主板主要由芯片组、CPU插座、内存插槽、软盘插槽和硬盘插槽、PCI插槽、AGP插槽、外部接口、电源接口、BIOS等组成，如图1-2所示。

2.BIOS和CMOS设置程序

（1）BIOS（Basic Input-Output System）为计算机基本输入/输出系统，它是一组固化在计算机主板上的一个ROM芯片上的程序。BIOS内容包括：计算机开机自检程序、CMOS设置程序、系统启动自举程序、基本输入/输出程序等。

（2）CMOS（互补金属氧化物半导体存储器）是主板上的一块可读写的RAM 芯片，它保存着计算机当前的配置信息，如日期和时间、硬盘的格式和容量、内存容量等。CMOS由主板上的电池来供电，关闭计算机电源后，CMOS中的信息仍能保留。

1.4.3 I/O接口和系统总线

1.I/O接口

I/O接口是指输入/输出设备接口，是外部设备与主机之间的信息交换接口，是连接外设和主机的一个“桥梁”。I/O接口是外部设备侧、主机侧各一个接口，外设侧的接口称为外部接口，它是通过各种接口电缆将其连到外设上；主机侧的接口称为内部接口，它是通过系统总线和内存、CPU相连。

2.系统总线

是一组用于传输信息的公共信号线，所有的数据和指令都通过总线传达到相关设备中去。一次能够在总线上同时传输信息的二进制位数被称为总线宽度。

（1）数据总线DB（Data Bus）：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间相互传送数据。数据总线的宽度（条数）通常与微处理的字长相一致，例如字长为32位的计算机，其数据总线宽度也是32位。

（2）地址总线AB（Address Bus）：用于CPU访问主存储器或外部设备时，传送相关的地址。地址总线的位数决定了可以直接寻址的内存储器地址范围，如32位地址总线决定了内存储器最大容量为4GB。

（3）控制总线CB（Control Bus）：用来传送各种控制信号，如时钟信号、读或写信号，中断请求信号等等。

一般计算机硬件组成如图1-3所示。