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1、Learning materials?电脑的诞生及应用 电脑的诞生 计算机最早是作为一种先进的数值计算工具而产生的。计算工具的发展经历了漫长的历史，而且总是与人类社会生产、经济、文化的发展相联系的。人类最原始的计数方法是利用自身附属物（如手指）或身边的石块、贝壳等进行的。后来，许多民族都曾用人工制成的小棒来计数，我国称之为算筹。早在春秋战国时期，我国就有了算筹。大约在我国汉代，出现了 “珠算”。算盘的定型，大约是在我国宋代（公元 1 0 世纪）完成的。可以说，算盘是最早产生的计算工具。到了公元 1 7 世纪，英国人奥托里（O u g h t r e d ）利用对数原理制成了计算尺。计算尺是一种
2、模拟计算工具。随着工业革命的兴起，计算工具也开始采用机械化技术。1 6 4 2 年，法国哲学家和数学家帕斯卡（B l a i s e P a s c a l ）发明了世界上第一台加减法计算机。它是利用齿轮传动原理制成的机械式计算机，通过手摇方式操作运算。他称“这种算术机器所进行的工作，比动物的行为更接近人类的思维”。这一思想对以后计算机的发展产生了重大的影响。1 6 7 1 年，著名的德国数学家莱布尼兹（G . W . L e i b n i t z ）制成了第一台能够进行加、减、乘、除四则运算的机械式计算机。最后，机械式 l 计算机发展成为不久前还能见到的手摇或电动的台式计算机。1 8 3
3、3年，英国科学家巴贝奇（C h a r l e s B a b b a g e ）提出了制造自动化计算机的设想，他所设计的分析机，引进了程序控制的概念。尽管由于当时技术上和工艺上的局限性，这种机器未能完成制造，但它的设计思想，可以说是现代计算机的雏型。2 0 世纪初期。随着机电工业的发展，出现了一些具有控制功能的电器元件， 并逐渐为计算工具所采用。 1 9 2 5 年， 美国麻省理工学院由布什 （V a n n e v e rB u s h ）领导的一个小组制造了第一台机械模拟式计算机。1 9 4 2 年，又制成了采用继电器、速度更快的模拟式计算机。1 9 4 4年，艾肯（H o w a r
4、d A i k e n ）在美国国际商用机器公司 （I B M ）的赞助下领导研制成功了世界上第一台数字式自动计算机 M a r k I ，实现了当年巴贝奇的设想。这台机器使用了三千多个继电器，故有继电器计算机之称。2 0 世纪以来，产生了电子技术，并取得了迅速的发展。第二次世界大战期间，出于军事上的迫切需要，美国宾夕法尼亚大学的莫奇莱 （J o h n W i l l i a mM a u c h l y ）和艾克特（J . P r e s p e r E c k e r t ）在美国陆军部的赞助下于 1 9 4 6 年研制成功了一台电子数字积分机和计算机（E l e c t r o n i
5、 c N u m e r i c a lI n t e r g r a t o r a n d C a l c u l a t o r ，简称 E N I A C ），它是世界上第一台电子数字计算机。E N I A C 是一个庞然大物，它使用了 1 8 0 0 0 多只电子管，1 5 0 0 个继电器， 功率 1 4 O 千瓦， 重量 3 0 吨， 占地约 1 7 0 平方米， 运算速度达到每秒 5 0 0 0次。E N I A C虽然有存储数据的存储器，然而由指令组成的程序则由控制盘上的布线或穿孔卡片的方式存储。运算之前，先要按照程序用手工把相应的电路接通或由读卡机读卡以执行各个指令，既费时
6、又费力，无法发挥它的运算速度。这一问题引起了在美国工作的匈牙利数学家冯诺依曼（V o n N e u -m a n n ）的注意，他与宾夕法尼亚大学摩尔电机系小组合作发展了“存储程序”的概念，提出了“冯诺依曼原理”，确立了计算机由输入器、存储器、运Learning materials?算器、控制器、输出器等五个基本部件组成的结构，而且将指令也和数据一样地存储和处理。依照此原则制成的第一台存储程序、顺序控制的计算机E D S A C 于 1 9 4 9 年在英国的剑桥大学投入使用。直到今天，我们使用的计算机仍遵循此原则，一般称作冯诺依曼计算机。在电子计算机产生的过程中，英国科学家图灵（A l a
7、 n M a t h i s o n T u r i n g ）在计算机理论方面，做了许多开创性的工作。随着信息技术的突飞猛进，计算机的功能已远远不限于数值计算，“计算”的概念也有了很大的扩展。目前的电子计算机已经发展到可以处理多种类型的信息，并可以进行近、远距离的传输。总之，我们今天所说的计算机，是指具有逻辑运算、算术运算及记忆功能的自动比的高速数据处理装置以及与其相连的记忆装置和通信装置。Learning materials?电脑在目前的应用 计算机应用的领域非常广泛，主要包括数值计算、过程控制、信息处理、计算机辅助设计与制造、人工智能等。数值计算计算机的运算速度极快，可以有效地代替人工进
8、行繁重的数值计算工作，不仅效率高，而且精度高，甚至能够完成人们因计算量太大而无法完成的工作。比如 1 9 4 8 年美国有一项核反应堆控制的计算，预计需要 1 5 0 0 个工程师用一年的时间才能完成，也就是 1 5 0 0 人年的工作量。后来采用了电子计算机（依目前的标准看其功能是相当差的），只用 1 5 0 小时就完成了。再如天气预报，要想预报准确，而且能够进行近期和中期的天气预报，要连续不断地在大气层中探测和采集大量的相关数据，再做极其复杂的运算，需要海量存储器和极高速的运算器，用人工是不可能实现的。目前我国的银河 1 0亿次机已用于国家气象中心进行中期数值天气预报，对于延长预报时效，提
9、高预报精度，增强对台风、暴雨、干旱等严重灾害性天气的监测预报能力，提供趋利避害的决策依据，发挥了重要作用。此外，计算机还广泛用于卫星轨道、导弹弹道的计算，火箭、飞机、汽车等复杂机械结构强度的计算，桥梁、水坝应力的计算等。过程控制生产和其他过程的自动控制，是计算机应用的一个重要领域。通过传感器、模/ 数转换、数/ 模转换和伺服机构等装置，计算机可以感知和控制生产过程中的几何尺寸、时间、温度、压力等各种工艺参数，在机械加工、石油、化工、冶炼等许多领域得到广泛应用，并可形成由计算机控制的自动化流水线，实现优质、高产、低耗、节能，大大提高劳动生产率和产品质量。以轧钢为例，一台年产 2 0 0万吨的标准
10、带钢轧机用人工控制，每周产量不过 5 0 0吨，采用计算机控制，每周可达 5 万吨，工效提高 1 0 0 倍。利用机器人承担危险（例如放射性环境）、单调的工作，可以保证职工的安全，解放劳动力，使其从事更有创造意义的工作。利用数控机床以及由数控机床组成的柔性生产线，可以为产品的升级换代和改型提供极大的方便。它能节约大量的工艺装备，极大地缩短新产品研制的周期，同时保证和提高产品的精度。信息处理信息处理是目前计算机应用最广泛的方面。信息处理泛指非科技、工程方面的数据处理，包括制表、统计、排序、检索、文字编辑等等，广泛应用于企业管理、人事管理、财务管理、物资管理、情报检索等诸多领域。其特点是要处理的原
11、始数据量大，计算相对简单，逻辑运算与判断较多，文字处理及报表的形式较多。计算机信息管理通过计算机信息系统实施，通常分为事务处理系统、管理信息系统和决策支持系统等三个层次。事务处理系统通常指基层部门使用的数据处理系统。它主要处理反映事务流程的数据，比如财务管理系统、库存管理系统、教学管理系统等。它通过使用计算机代替人工处理大量数据，可以大大提高工作效率、工作质量和数据处理的规范性，是进一步开发管理信息系统的基础性工作。管理信息系统是将一个单位或部门的各个事务处理子系统集中起来，组Learning materials?成一个有机的整体。各个子系统之间互相联系，共享信息，从整体出发，进行综合分析和处
12、理，并可为预测和决策提供必要的信息，是一种更全面的具有更强管理功能的信息系统，适用于中层管理部门。决策支持系统是建立在事务处理系统和管理信息系统之上的高层次信息系统。它的着眼点是为整个企业或部门的发展和长远目标提供决策服务。它把数据处理、运筹学、数学模型模拟等技术结合起来，进行优化、计算、分析、判断及推理，为决策者制订最佳方案提供有效的支持，适用于高层管理部门。七五期间，我国已建设经济、银行、铁路、民航、公安、军事、电力、气象、石油等 1 2 个全国性的行业信息管理的计算机信息系统和网络，为各行各业的管理现代化、决策科学化、办公自动化奠定了坚实的基础。计算机辅助设计与制造以往设计一个新产品，不
13、仅要做大量繁琐的计算，还要绘制大量的图纸，设计制造大量的工艺装备，经过许多工序才能生产出样机。有了样机才能检验其外观及性能，对不足之处再进行修改。有时要往返多次上述过程，才能达到预期目标。而利用计算机及其外部设备高速的数值计算能力和强大的图形处理以及模拟、控制功能，利用计算机软件中的大量技术资料，可以对飞机、汽车、船舶、机械、集成电路等机电产品和建筑、桥梁、矿井等工程进行计算机辅助设计（C A D ），直接模拟其外观并随意修改，同时验证其类种技术指标。对机电类产品还可以进行计算机辅助制造（C A M ）乃至实现计算机设计制造一体化，从而大大减轻工程技术人员繁重的脑力劳动、大大加快设计与制造的周
14、期，保证并提高产品及工程的质量。人工智能人工智能是研究使用机器模拟人的智力活动的科学。它将人对外界的感知和人脑进行的演绎推理的思维过程、规则和采取的策略、技巧编制成计算机程序，利用在计算机中存储的理论和规则自动寻求解决方法。人工智能的研究领域包括模式识别（比如语音和图像的识别）、语义理解、知识获取、知识表示、机器翻译、专家系统等，目前已经取得了一些进展并开始应用。比如把国际象棋的对弈规则及著名棋手的经验编制出程序存入计算机，可以与人对弈。据报道，最高级的“计算机棋手”已达到国际特级大师的水平。人工智能是难度很大但又极有发展前途的一个计算机应用领域。Learning materials?电脑的基
15、础原理 电脑使用二进制 电脑与数据要用计算机做任何工作，首先要将有关信息以计算机能够识别的方式存储。现在使用计算机时，不会感觉到这是一个问题。但事实上，计算机内部的信息不是以我们熟悉的十进制，而是以二进制编码的形式表示和存储的。计算机处理的信息通常称为数据。它不仅指数字，还包括文字、符号、声音、图像等。数据是信息的具体表示形式，是信息的载体：信息是数据有意义的表现，是数据的内涵。数据是物理性的，信息是观念性的。它们是一个密不可分的有机的整体，在有些场合难以严格区分它们。在计算机领域，信息和数据这两个名词常常可以通用。比如，信息存储，也可以称为数据存储。本章将向大家介绍计算机中为何要使用二进制以
16、及怎样用二制编码表示和存储信息。什么是数制数制就是记数法、进位制。目前人们通用的数制是十进制，但使用十进制并非是天经地义的，它只不过是来源于远古时代用十指记数的一种约定俗成的习惯。事实上，在我们的生活中也有使用非十进制的实例，比如日期、时间的表示和进位以及英制度量衡等。不同数制之间的区别主要是基数不同，它们的书写规则和运算规律是一致的。为区别非十进位制数与十进制数，非十进制数应使用进位制注脚。下面我们通过二进制（B i n a r y S y s t e m ）与十进制（D e c i m a l S y s t e m ）的对比来初步了解二进制的慨念。1 . 数字的个数等于基数十进制有 0
17、9共十个数字。以此类推，二进制应当只有两个数字，记为 0 、1 。基数不是一个独立的数字。2 . 逢基数进一凡某位运算结果为基数就要进位，本数位的值记为 0 ，进位值为 1 。在十进制中，逢十进一。在二进制中，逢二进一。3 . 每一位的权（数位值）是基数的方幂，指数自右至左递增 1十进制：1 041 031 021 011 001 0- 11 0- 21 0- 3二进制：24232221202- 12- 22- 3需要特别指出的是，为说明方便，此处二进制数是用十进制数的数字表达的。4 . 每一位的数值等于该位上的权与数字的乘积例如：1 9 9 5 1 0 0 0 1 1 0 0 9 1 0 0
18、 9 1 51 0 0 1 . 1 0 1B231 201 2- 11 2- 31同样，为说明方便，此处等号右边的二进制数是用十进制数字表达的。电脑为何采用二进制Learning materials?l . 二进制只需用两种状态表示数字，容易实现计算机是由电子元器件构成的，二进制在电气、电子元器件中最易实现。它只有两个数字，用两种稳定的物理状态即可表达，而且稳定可靠。比如磁化与未磁化，晶体管的载止与导通（表现为电平的高与低）等。而若采用十进制，则需用十种稳定的物理状态分别表示十个数字，不易找到具有这种性能的元器件，即使有，其运算与控制的实现也极复杂。2 . 二进制的运算规则简单加法是最基本的运
19、算。乘法是连加，减法是加法的逆运算（利用补码原理，还可以转化为加法运算，类似钟表拨针时的计算），除法是乘法的逆运算。其余任何复杂的数值计算也都可以分解为基本算术运算复合进行。为提高运算效率，在计算机中除采用加法器外，也直接使用乘法器。众所周知，十进制的加法和乘法运算规则的口诀各有 1 0 0 条，根据交换率去掉重复项，也各有 5 5 条。用计算机的电路实现这么多运算规则是很复杂的。相比之下，二进制的算术运算规则非常简单，加法、乘法各仅四条：0 0 00 0 0O 1 10 1 01 0 ll O 0l 1 1 01 1 l根据交换率去掉重复项，实际各仅 3 条。用计算机的脉冲数字电路是很容易实
20、现的。3 . 用二进制容易实现逻辑运算计算机不仅需要算术运算功能，还应具备逻辑运算功能，二进制的 0 和1 分别可用来表示假（f a l s e ）和真（t r u e ），用布尔代数的运算法则很容易实现逻辑运算。4 . 二进制的弱点可以克服二进制主要的弱点是表示同样大小的数值时，其位数比十进制或其他数制多得多，难写难记，因而在日常生活和工作中是不便使用的。但这个弱点对计算机而言，并不构成困难。在计算机中每个存储记忆元件（比如由晶体管组成的触发器）可以代表一位数字，“记忆”是它们本身的属性，不存在“记不住”或“忘记”的问题。至于位数多，只要多排列一些记忆元件就解决了，鉴于集成电路芯片上元件的集
21、成度极高，在体积上不存在问题。对于电子元器件，0 和 1 两种状态的转换速度极快，因而运算速度是很高的。二进制运算1 . 算术运算前面已经讲过，二进制算术运算规则非常简单，现举二例加以说明。即 1 1 1 0B1 0 1 1B1 1 0 0 1BLearning materials?即 1 1 1 0B1 0 l lB1 0 0 1 1 0 1 0B2 . 逻辑运算在计算机中还经常用二进制数进行逻辑运算。逻辑运算在二进制数位之间进行，不存在进位或借位。在逻辑运算中，二进制数中的 “1 ”表示“真”，“0 ”表示“假”。（1 ）或（O R ）运算或运算又称逻辑加，运算符为“”或者“”。运算规则是
22、：0 0 0O 1 l1 O l1 1 l也就是说，参加运算的逻辑值只要有一个为 1 ，运算结果即为 1 ，否则为 0 。（2 ）与（A N D ）运算与运算又称逻辑乘，运算符为“”或者“”。运算规则是：0 0 00 1 O1 O 01 1 1也就是说，当参加运算的逻辑值均为 1 时，运算结果才为 1 ，否则为 0 。（3 ）非（N O T ）运算非运算即对每个二进制位的逻辑值取反，运算符为在二进制数字上方加一横线。运算规则是：0 11 0（4 ）异或（X O R ）运算异或运算即按位相加（不进位），运算符常记为。运算规则是：0 0 00 l 1l 0 ll l 0可以看出，如果参加运算的两个
23、逻辑值相同，运算结果为 0 ，否则为 l 。下面举例说明二进制数的逻辑运算。设 X 1 0 1 1 0 1 0 1BY l l 0 1 0 1 1 0B则 X Y 1 1 1 1 0 1 1 1BX Y 1 0 0 1 0 1 0 0BXY01001010 00101001BBX Y 0 1 1 0 0 0 1 1B十进制数与二进制数的转换Learning materials?我们在日常生活和工作中使用十进制数，在计算机中使用二进制数，因此在计算机输入时要将十进制数转换为二进制数，在计算机输出时要将二进制数转换为十进制数。这种转换过程，是曲计算机自动完成的。为简便起见，这里我们只介绍整数间的转
24、换。1 . 十进制数转换为二进制数整数的转换，通常采用除 2取余法。即将十进制数依次除以 2 ，再把每次得到的余数从后向前依次排列就得到相应的二进制数。例如：即 7 5 1 0 0 1 0 1 1B实际上，直接将十进制数用 2 的 n 次幂展开更为方便。例如：7 5 6 4 8 2 1261 25O 24O 231 220 211 2011 0 0 1 0 1 1B2 . 二进制数转换为十进制数将二进制数每一位的数值用十进制表达并相加即得到相应的十进制数。例如：1 1 0 1 0 0 1 0B271 261 250 241 230 22O 211 2011 2 8 6 4 1 6 22 1 0
25、Learning materials?电脑中的信息编码 我们已经知道，计算机中的数值是以二进制的形式存储的。事实上，计算机中其他各类数据也都以二进制的形式存储，或者说，是以“0 ”和“1 ”编成二进制数码实现的。存储单位计算机存储信息的最小单位是一个二进制数位（B i n a r y d i g i t ），简称b i t （比特，位）。最基本的存储单元由 8 个二进制位组成，称为 B y t e （拜特，字节）。一个字节可存放一个字符。在计算机中，字节是一个不可分割的基本存储单元。在实际应用中，还经常使用 K B （K i l o B y t e s ，千字节）， M B（M e g a B
26、 y t e s兆字节）， G B （G i g a B y t e s ，吉字节）作为存储信息容量的单位。其中 K B表示 21 0，即 1 0 2 4 字节， M B 表示 22 0字节，即约 1 百万字节，G B 表示 23 0字节，即约 1 O 亿字节。A S C I I码计算机中的字符，比如英文字母，阿拉伯数字和许多符号，国际上广泛使用 A S C I I 码（A m e r i c a n S t a n d a r d C o d e f o r I n f o r m a t i o n I n t e r c h a n g e ，即美国标准信息交换码）表示。它已被国际标准化
27、组织接收为国际标准，称为 I S O 6 4 6 。 目前常用的是 7 位 A S C I I 码版本。 它用一个字节表示一个字符，每个字节的最高位为标识位，恒定为 0 ，其余 7位编成 271 2 8个代码，表示 1 2 8 个字符。其中包括大、小写英文字母、阿拉伯数字和一些运算符号、标点符号和控制字符。附录一中字符的排列顺序用十进制和十六进制两种形式的序号给出，其中用十六进制数所表示的二进制数码是 A S C I I 码的实际存储方式。表中序号为 3 2 的字符为 S P （S p a c e C h a r a c t e r ），表示一个空格。序号由 0 3 1的前 3 2个字符和最后
28、一个字符为控制字符，它们不代表可显示和打印的字符，是对计算机及其外部设备起控制作用的字符。比如 C R（C a r r i a g e R e t u r n C h a r a c t e r ）称为回车字符，是使显示和打印装置换行的字符；B S （B a c k S p a c e c h a r a c t e r ）称为退格字符，是使显示和打印装置倒退一个位置的控制字符； B E L （B e l l C h a r a c t e r ）称为报警字符，它使发声装置发出报警信号。其他信息编码1 . 汉字英语是拼音文字，大、小写字母总共 5 2个，都包括在 A S C I I码中。而汉字
29、是象形文字，是以字为单位的，总共有数万个，仅常用的字就有几千个。要区别这么多的汉字， 用一个字节编码就不行了。 因此， 我国国家标准 G B 2 3 1 28 0 “信息交换用汉字编码字符集”规定用两个字节对汉字进行编码。两个字节的最高位均为 0 ，转换为相应的机内码后，最高位均为 1 ，以便与 A S C I I码相区别。这样，每个字节的其余 7位共可表示 27271 6 3 8 4个不同的二制代码，字符集使用其中一部分代码表示较常用的汉字及其他字符。2 . 指令指令（I n s t r u c t i o n ）是指控制计算机操作的命令，每一条指令对应计Learning materials
30、?算机的一种基本操作。某种型号计算机所能执行的全部指令，称为该型计算机的指令系统。因为计算机只能识别二进制数码，所以计算机中的所有指令，与数据一样，也都是以二进制编码的形式表示的。一个机器指令的二进制位数，决定于该型计算机的字长。可见字长越长，可容纳的指令就越多，计算机指令系统中的指令就越丰富，功能就越强。此外，计算机中的其他信息，比如声音、图像，也都是用二进制数码的形式表示出来的。Learning materials?电脑系统的构成 计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。广义地说，还可以包括它所存储和处理的数据，技术人员和管理人员，操作和管理规程。硬件（H a r d w a r
31、e ）是由多种元器件组成的计算机实体，包括主机及其外部设备。软件（S o f t w a r e ）是能指挥计算机自动运行的程序系统、相关数据及其文档。它是关于使用方法的技术，解决如何管理和使用机器的问题，起到充分发挥硬件功能的作用。这里说的程序系统，是指能完成一种相对完整的功能的一系列程序。所谓程序（P r o g r a m ）是用计算机语言编写的能实现某种功能的有序指令集合。而文档，则是指与程序系统配套的结构图、流程图、说明书等。Learning materials?电脑的主要指标 衡量一种计算机的性能，主要使用下面一些技术指标。运算速度运算速度是指单位时间计算机所能执行指令的数目，单位
32、是 M I P S （百万条指令/ 秒）。由于执行不同的指令所需时间不同，过去通常是以加法定点运算为标准推算的。现在则是根据计算机在一些典型题目运算中出现的多种指令及其使用频度综合推算出它的平均运算速度。 比如 1 0 亿次巨型机就是指其运算速度为 1 0 0 0 M I P S ，即每秒平均能执行 1 0亿条指令。目前微型计算机的运算速度一般在 2 2 0 0 M I P S 。主频主频是指计算机的时钟频率，是由计算机内的石英晶体振荡器产生的，单位为 M H z （兆赫）。时钟频率的倒数为时钟周期，计算机指令都是按照时钟周期的节拍运行的。一般来说，时钟频率越高，运算速度越快。但时钟频率不是影
33、响速度的唯一因素，因此，不能以时钟周期衡量运算速度。目前，微型机的时钟频率一般为 1 6 1 0 0 M H z 。字长在计算机中，作为一个整体进行传输和参加运算的二进制串，称为计算机“字”。一个字所包含的二进制位数，称为字长，它总是 8 位（l 个字节）的倍数。不同字长的计算机可分别称为 8位机、1 6位机、3 2位机、6 4位机等。有的计算机外部数据总线与内部数据总线使用的位数不同，例如使用8 0 3 8 6 S X 芯片的微机，它的内部数据总线是 3 2 位，而外部数据总线是 1 6 位，则称为准 3 2 位机。字长是很重要的技术指标。字长越长，计算机可达到的运算精度就越高；字长越长，同
34、样时间内传送的信息就越多，计算机的速度就越快；字长越长，可设置的指令就越丰富，这种计算机指令系统的功能就越强；字长越长，可直接寻址的内存空间就越多，可配置的内存容量就越大。内存容量内存容虽指计算机内存储器存储信息可占用的总字节数，单位是 K B或M B 。计算机程序调入内存储器方能运行，因此内存容量影响计算机运行程序的能力。内存容量小，则一些大型软件就无法装入内存储器使用。目前，微型计算机的内存容量一般为 6 4 0 K B 1 6 M B （指 R A M ）。除此以外，计算机还有其他一些性能指标，比如存取周期、兼容性、可靠性、可维护性等，在购机时，还要考虑性能价格比。Learning ma
35、terials?电脑的分类 根据计算机的功能和技术指标，通常将其分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机以及工作站。工作站的性能介于小型机与微型机之间，主要用于工程设计，有较强的图形处理功能。由于计算机技术发展迅速，其性能和集成度越来越高，分类也是相对的。目前的微型机性能已经超过了以前的小型机甚至中、大型机，计算机分类的界限已不太分明了。我们现在常说的电脑一般可以理解为微型计算机。Learning materials?电脑的组成部分 电脑硬件有哪几部分 计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部件组成。在微型计算机中，运算器和控制器做在一块芯片上，称为微处理器（C P
36、 U ）。存储器分为内存储器和外存储器。输入设备、输出设备统称I / O 设备。C P U 和内存储器组成主机，I / O 设备和外存储器合称外部设备，简称外设。图 1 . 1 微机硬件各部分的关系在微型计算机中，C P U 、存储器和 I / O 设备之间是采用总线结构连接的。总线分为三组：数据总线 D B （D a t a B u s ）、地址总线 A B （A d d r e s s B u s ）和控制总线 C B （C o n t r o l B u s ）。总线不是单纯的多股平行导线，它还包含有相应的控制与驱动电路。数据总线是 C P U 与内存储器及 C P U 与 I / O
37、设备之间传送数据的线路，分别称为内部总线及外部总线， 它们都是双向传输的。 数据总线的位数反映 C P U每次接收和传输数据的能力，直接影响计算机的运算速度。地址总线是传送存储单元或 I / O 设备接口地址信息的线路。地址总线的根数反映 C P U 的寻址能力。设根数为 n ，则可表示 2n个不同的二进制数，即可以访问 2n个不同地址的内存单元。n 越大，可配置的内存容量就越大。控制总线是用于传送各种控制信号的线路。控制信号可以分为两类：一类是 C P U 中的控制器向存储器或 I / O 设备发出的控制信号；一类是由存储器或 I / O 设备向 C P U 发出的应答信号或中断请求等信号。
38、由于微型计算机普遍采用工业标准结构 I S A （I n d u s t r y S t a n d a r dA r c h i t e c t r u e ）总线以及在此基准上改进的其他总线结构，使其与外设接口电路的连接十分方便。只要在主机箱的母板上留出若干插槽，根据需要插入各种接口卡或适配器卡，即可连接外部设备，扩展其功能。如果在微机插槽上装入网卡，按照一定的网络拓朴结构，通过双绞线、同轴电缆或光纤等介质连接起来，配置一台管理网络和存放大量共享文件的服务器，就构成简单的局域网。网上的微机称为工作站。如果利用电话线路联网，则每台微机还要配备一个调制解调器（M o d e m ），实现数字信
39、号与模拟信号的相互转换。Learning materials?微处理器 微处理就是中央处理单元，即 C P U （C e n t r a l P r o c e s s i n g U n i t ）。是微机硬件系统的核心部件。C P U由运算器、控制器和一些寄存器组成，并采用超大规模集成电路工艺将它们集成在一块芯片（c h i p ）上，又称为微处理器（M i c r o p r o c e s s o r ）。每一种微处理器都有自己的指令系统，从而决定了使用该种微处理器芯片的微型计算机的基本功能。下面分别介绍一下组成 C P U的运算器、控制器和一些寄存器。运算器运算器由算术逻辑单元 A
40、L U 、累加器和其他一些寄存器组成。它的功能是在控制器的指挥下，进行算术运算和逻辑运算，从而实现对数据的加工和处理。控制器控制器由指令寄存器、译码器、程序计数器和操作控制器组成。它的功能是指挥计算机的各个部件协调一致地自动运行。控制器不断地从存储器中取出指令，分析各个指令的类型并进行译码，产生一系列的控制信号，指挥各部件的操作，保证按计算机程序的编排进行工作。寄存器寄存器是 C P U 内部的临时存储单元。一个 C P U 内部可以有几个乃至几十个内部寄存器。在运算器中的寄存器用于暂存参与运算的数据和中间结果。在控制器中的寄存器有用于保持程序运行状态的状态寄存器，用于存储当前指令的指令寄存器
41、，用于存储下一条指令的地址的程序计数器等。Learning materials?存储器 什么是存储器存储器是计算机的记忆部件。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的地址码由 2 0 位二进制数（即 5 位十六进制数）组成，则可表示 22 0，即 1 M 个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容
42、量为 1 K B 。如图 1 . 2 所示。地址存储单元0 0 0 0 0H0 0 1 1 0 1 0 00 0 0 0 1H0 1 0 1 1 1 0 10 0 0 0 2H0 1 1 1 0 1 1 00 0 0 0 3H0 0 1 0 1 0 1 1F F F F DHF F F F EHF F F F FH图 1 . 2 存储单元地址与存储内容示意图 C P U根据地址访问存储单元，读出或写入数据。从一个存储单元读出或写入数据的时间称为读写时间，两次读/ 写操作之间的间隔称为存取周期。这两项是衡量存储器存取速度的指标。有储器层次结构按照与 C P U 的接近程度，存储器分为内存储器与外
43、存储器，简称内存与外存。内存储器又常称为主存储器（简称主存），属于主机的组成部分；外存储器又常称为辅助存储器（简称辅存），属于外部设备。C P U不能像访问内存那样，直接访问外存，外存要与 C P U 或 I / O 设备进行数据传输，必须通过内存进行。在 8 0 3 8 6以上的高档微机中，还配置了高速缓冲存储器（c h a c h e ），这时内存包括主存与高速缓存两部分。对于低档微机，主存即为内存。存储器的层次结构如图 l . 3 所示。Learning materials?图 1 . 3 存储器层次结构把存储器分为几个层次主要基于下述原因：（1 ）合理解决速度与成本的矛盾，以得到较高的
44、性能价格比。半导体存储器速度快，但价格高，容量不宜做得很大， 因此仅用作与 C P U频繁交流信息的内存储器。磁盘存储器价格较便宜，可以把容量做得很大，但存取速度较慢，因此用作存取次数较少，且需存放大量程序、原始数据 （许多程序和数据是暂时不参加运算的）和运行结果的外存储器。计算机在执行某项任务时，仅将与此有关的程序和原始数据从磁盘上调入容量较小的内存，通过 C P U 与内存进行高速的数据处理，然后将最终结果通过内存再写入磁盘。这样的配置价格适中，综合存取速度则较快。为解决高速的 C P U与速度相对较慢的主存的矛盾，还可使用高速缓存。它采用速度很快、价格更高的半导体静态存储器，甚至与微处理
45、器做在一起，存放当前使用最频繁的指令和数据。当 C P U 从内存中读取指令与数据时，将同时访问高速缓存与主存。如果所需内容在高速缓存中，就能立即获取；如没有，再从主存中读取。高速缓存中的内容是根据实际情况及时更换的。这样，通过增加少量成本即可获得很高的速度。（2 ）使用磁盘作为外存，不仅价格便宜，可以把存储容量做得很大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存，且复制、携带都很方便。Learning materials?内存储器 内存是 C P U 直接访问的存储器，它存放当前使用的程序和数据以及运算的中间结果。内存通常采用由大规模集成电路工艺制成的半导体存储器。按其读写功能，可以分
46、为 R A M 和 R O M 两类。随机存储器R A M 是随机存取存储器（R a n d o m A c c e s s M e m o r y ）的简称。其特点是：（1 ）可读可写。读出时不改变原有内容，写入时才修改原有内容。（2 ）随机存取。与顺序存取不同，写入或读出数据时都可以不考虑原有数据写入时的顺序和当前的位置排列。取数据时可直接找到要读的数据，存数据时可直接找到要写入的位置。（3 ）断电时，存储的内容全部消失，且不能恢复。这里所说的读或写，取或存，都是站在 C P U 的角度而言。R A M 又可分为 D R A M （D y n a m i c R A M ，动态随机存储器）
47、和 S R A M （S t a t i cR A M ，静态随机存储器）。D R A M 需定时给其电容充电以维持存储内容的正确，一般每隔 2 m s 。刷新一次。它的集成密度非常高，主要用于主存。S R A M 则只要正常供电即能保持存储数据的正确，不存在刷新问题。它的存取速度非常快，主要用于高速缓存。只读存储器R O M是只读存储器（R e a d O n l y M e m o r y ）的简称，它的特点是只能读出不能写入。R O M通常用于存放固定不变、不需修改而且经常使用的程序，比如 I B M P C 系列微机及其兼容机中的 B I O S（基本输入输出系统） 就存储在 R O
48、M中。R O M 中的信息是由生产厂家在制造时生成的。在断电时，R O M 中的信息不会丢失。Learning materials?外存储器 外存储器是 C P U不能直接访问的存储器，它需要经过内存与 C P U及 I / O设备交换信息，用于长久地存放大量的包括暂不使用的程序和数据。外存储器有磁带、磁盘和光盘筹，其中最常用的是磁盘。磁盘又分为软磁盘和硬磁盘。软盘存储器软盘存储器主要由软磁盘、软盘驱动器和软盘控制器等三部分组成。1 . 软盘软磁盘又称软盘（F l o p p y d i s k ），是一种存储信息的介质，它是在聚酯塑料圆盘上涂一层磁薄膜而制成的。涂一面的称为单面盘，涂两面的称
49、为双面盘。软盘外面罩一个方形的保护套。目前微机上常用的软盘有535351412和的两种，俗称 英寸盘和 英寸盘。下面以 英寸盘为例说明软盘的结构。目前常用的 5 英寸盘有容量为 3 6 0 K B 的双面双密度盘（普通盘）和容量为 l . 2 M B 的高密盘。它们都有 0 和 1 两个面，每面有若干个同心圆轨道，称为磁道。普通盘有 4 0 个磁道，高密盘有 8 0 个磁道。每个磁道又分为若干扇区。扇区是软件的基本存储单位。每次读盘或写盘，总是读/ 写一个完整的扇区，不管其中数据多少。所谓读或写，是站在主机的角度而言的。微机常用软件的规格如表 1 . 2 所示。表 1 . 2 微机常用软盘规格
50、直径（英寸）标志存储容量磁道数每道扇区数每扇区字节数514D S D D3 6 0 K B4 095 1 2514D S H D1 . 2 M B8 01 55 1 2312D S D D7 3 0 K B8 095 1 2312D S H D1 . 4 4 M B8 01 85 1 25 英寸盘的保护外套上共有 4 个孔槽或缺口：（1 ）驱动器轴孔 它是保护套和软盘中心的大圆孔，软盘驱动器通过它带动软盘在保护套中高速旋转。（2 ）磁头读写槽 它是一个长形槽孔，软盘驱动器的读写磁头沿着该槽对软盘作径向移动，可以在不同磁道上读写信息。通过磁头沿软盘径向的移动及软盘的旋转，就使得磁头可以在软盘的任