计算机软硬件基础知识

第1章 计算机系统概述

§1.1 计算机系统的组成

一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，如图1.1所示。硬件系统是构成计算机系统的各种物理设备的总称。硬件是机器的实体，软件是它的灵魂。计算机的功能不仅仅取决于硬件，更大程度上是由安装的软件系统所决定。硬件与软件密切相关，相互依存。在计算机系统中，硬件与软件的功能分担，在硬件基础上逐层地扩充软件是形成强大的计算机系统的有效途径。

§1.1 计算机硬件系统的基本组成

从硬件体系结构上看,它们的基本结构都基于冯·诺依曼存储程序原理的设计思想，即由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

微型计算机(简称为微机)的各部件之间是用总线相连接的，系统总线成为计算机内部传输各种信息的通道。

1.1.1 运算器、控制器和中央处理器

1．运算器

运算器也称为算术逻辑单元。它的功能就是在控制器的控制下，对取自内存或内部寄存器的数据进行算术运算或逻辑运算。离开了运算器，计算机的各种运算都不能实现。

2．控制器

控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。控制器对计算机系统的其他各部分进行协调与控制，并对输入输出设备的运行进行监控，使计算机有条不紊地自动地执行程序。没有控制器，计算机各组成部件将是分散独立的，不能成为一个功能完善的计算机系统。

3．中央处理器CPU(Central Processing Unit)

在决定计算机的总体性能方面，没有任何其他的单一部件比CPU更重要了，CPU由控制器和运算器组成。

关于CPU，我们应了解以下几点：

⑴必须按照CPU的特殊要求编写软件，因此，为某个处理器编写的程序可能在不同型号的处理器上不兼容；

⑵某些CPU比其他CPU处理数据的速度快得多，这是由于它们的数据总线宽度和系统时钟的速度不同影响了计算机的性能；

⑶CPU地址总线的宽度决定了其可能使用内存的最大数目。

下面就以上内容说明有关术语。

⑴兼容性

由于各种处理器都有特定的指令集，为某种计算机设计的程序在另一种计算机上可能无法运行。可在给定计算机上运行的程序即与该计算机的处理器兼容。

⑵数据总线

决定CPU速度的一个重要因素是数据总线宽度，它是用位(8，16，32或64)来衡量的。当人们说“这是16位计算机”或“那是32位计算机”时，他们指的就是总线宽度。总线的位数决定了计算机可同时处理的位数，这一数目也就是计算机中“字”的长度。16位计算机中“字”长16位，而32位计算机中“字”长32位。

数据总线将CPU与内存相连，并提供计算机外部设备的通道。

⑶地址总线

内存由许多存储单元组成，每一个单元可以存放若干位数据代码，该代码可以是指令，也可以是数据。为区分不同的存储单元，所有存储单元均按一定顺序编号，该编号称为地址编码，简称地址。

⑷控制总线

控制总线是传送计算机系统中控制信号的一组线，用于发布控制命令和实现对设备的控制和监视功能。

⑸系统时钟频率

总线不是影响计算机速度的唯一因素。计算机系统内有一个时钟发生器定时地发出脉冲，管理CPU的处理功能。每秒系统时钟产生脉冲的次数叫时钟频率，也称主频，单位为赫兹(Hz)。100万周称为1兆赫兹(MHz)。时钟频率越高，就意味着处理速度越快。当然，时钟频率只是影响计算机性能的一个重要因素，它本身不足以充当微处理器性能的衡量尺度。即使时频率度相同，32位芯片处理数据的速度也会比16位芯片快得多。CPU的控制总线速度、地址总线速度、数据总线速度、CPU是否有浮点处理器等因素也对计算机的性能有影响。

⑹指令周期

指令周期是指计算机执行一条指令所用的时间，一个完整的指令周期包括：取指令、解释指令、执行指令几个操作步骤。

1.1.2内存

计算机存储器分为内存储器(简称为内存或主存)和外存储器(简称外存或辅助存储器)两种。存储器是用来存放数据和程序的记忆装置。

计算机将内存当作“便笺”，保存正被CPU使用的程序和数据。大多数计算机的内存由RAM、高速缓存和ROM组成。下面我们对这些术语进行解释。

1．RAM(随机存取存储器)

RAM是既可从里面读取数据，也可以存入数据的存储器。处理器将正在使用的程序和数据保存在RAM中。没有RAM，处理器就无法工作。它是用户程序运行的工作间，是仅次于CPU的宝贵系统资源。RAM的大小直接关系到计算机系统的工作能力。一般来说，内存越大越好。

随机存储器的速度快，但也有一个缺点：它具有易失性——RAM中存放的所有数据当计算机断电后都会立即消失。

2．ROM(只读存储器)

ROM的特点是用普通计算机只能读出内容，不能写入。其内容一般由制造商在制造时写入，并且其内容在断电后依然保存，不会因断电而丢失。ROM主要用于存放各种系统软件(如ROM BIOS、监控程序等)。ROM BIOS芯片保存着一个小