第2章 計算機系統

計算機是能按照人的要求接受和存儲信息、自動進行數據處理和計算并輸出結果的機器系統。

計算機由硬件和軟件兩部分組成，共同協調運行應用程序，處理和解決實際問題。其中：硬件是計算機賴以工作的實體、是各種物理部件的有機結合；軟件是控制計算機運行的靈魂、是由各種程序以及程序所處理的數據組成的。

2.1 計算機硬件系統

盡管各種計算機在性能、用途和規模上有所不同，但其基本結構都遵循馮·諾依曼型體系結構。人們稱符合這種設計的計算機為馮· 諾依曼型計算機，該計算機由輸入、存儲、運算、控制和輸出五個部分組成。

2.1.1 運算器

運算器（Arithmetic Unit）是計算機中執行各種算術和邏輯運算操作的部件。通常情況下，運算器由算術邏輯單元（ALU）、累加器（ACC）、狀態寄存器、通用寄存器組、多路轉換器、數據總線等組成。算術邏輯運算單元（ALU）的基本功能為加、減、乘、除四則運算，與、或、非、異或等邏輯操作，以及移位、求補等操作。計算機運行時，運算器的操作和操作種類由控制器決定。運算器處理的數據來自存儲器；處理后的結果數據通常送回存儲器，或暫時寄存在運算器中。

運算器的處理對象是數據，所以數據長度和計算機數據表示方法，對運算器的性能影響極大。70年代微處理器常以1個、4個、8個、16個二進制位作為處理數據的基本單位。大多數通用計算機則以16、32、64位作為運算器處理數據的長度。能對一個數據的所有位同時進行處理的運算器稱為并行運算器。若一次只處理一位，則稱為串行運算器。有的運算器一次可處理幾位（通常為6或8位），一個完整的數據分成若干段進行計算，稱為串/并行運算器。運算器往往只處理一種長度的數據。有的也能處理幾種不同長度的數據，如半字長運算、雙倍字長運算、四倍字長運算等。有的數據長度可以在運算過程中指定，稱為變字長運算。

按照數據的不同表示方法，可以有二進制運算器、十進制運算器、十六進制運算器、定點整數運算器、定點小數運算器、浮點數運算器等。按照數據的性質，有地址運算器和字符運算器等。

運算器的性能指標是衡量整個計算機性能的重要因素之一，與運算器相關的性能指標包括計算機的字長和運算速度。

2.1.2 控制器

控制器（Control Unit）是計算機的心臟，控制全機各個部件的工作。控制器的基本功能是根據指令計數器中指定的地址從內存取出一條指令，對指令進行譯碼，再由操作控制部件有序地控制各部件完成操作碼規定的功能。

控制器由指令寄存器（Instruction Register）、指令譯碼器（Instruction Decoder）、程序計數器（Program Counter）和操作控制器（Operation Counter）4個部分組成。

控制器的組成方式主要是指微操作控制信號形成部件采用何種組成方式產生微操作控制信號。根據產生微操作控制信號的方式不同，控制器可分為組合邏輯型、存儲邏輯型、組合邏輯與存儲邏輯結合型三種。

2.1.3 存儲器

存儲器（Memory）是計算機系統內最主要的記憶裝置，能夠把大量計算機程序和數據存儲起來，既能接收計算機內的信息（數據和程序），又能保存信息，還可以根據命令讀取已保存的信息。

存儲器按功能可分為內存（主存儲器）和外存（輔助存儲器），按存放位置又可分為內存儲器和外存儲器。內存是主板上的存儲部件，用來存儲當前正在執行的數據、程序和結果；內存容量小、存取速度快、但斷電后信息全部丟失。外存是磁性存儲介質或光盤等部件，用來存放各種數據文件和程序文件等需要長期保存的信息；外存容量大、存取速度慢、但是斷電后內容不丟。

一個存儲器中所包含的字節數稱為該存儲器的容量，簡稱存儲容量。存儲容量通常用KB、MB或GB表示，其中B是字節（Byte），并且1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB。例如，640KB就表示640× 1024=655360個字節。

1．內存儲器

現代的內存儲器多半是半導體存儲器，采用大規模集成電路或超大規模集成電路器件。內存儲器按其工作方式的不同，可以分為隨機存取存儲器（簡稱隨機存儲器或RAM）和只讀存儲器（簡稱ROM）。

隨機存儲器。隨機存儲器允許隨機的按任意指定地址向內存單元存入或從該單元取出信息，對任一地址的存取時間都是相同的。由于信息是通過電信號寫入存儲器的，所以斷電時RAM中的信息就會消失。計算機工作時使用的程序和數據等都存儲在RAM中，如果對程序或數據進行了修改之后，應該將它存儲到外存儲器中，否則關機后信息將丟失。通常所說的內存大小就是指RAM的大小，一般以KB或MB為單位。

只讀存儲器。只讀存儲器是只能讀出而不能隨意寫入信息的存儲器。ROM中的內容是由廠家制造時用特殊方法寫入的，或者要利用特殊的寫入器才能寫入。當計算機斷電后，ROM中的信息不會丟失。當計算機重新被加電后，其中的信息保持原來的不變，仍可被讀出。ROM適宜存放計算機啟動的引導程序、啟動后的檢測程序、系統最基本的輸入/輸出程序、時鐘控制程序以及計算機的系統配置和磁盤參數等重要信息。

2．外存儲器

PC常用的外存是軟磁盤（簡稱軟盤）和硬磁盤（簡稱硬盤），目前，光盤的使用也越來越普及。下面介紹常用的三種外存：

軟盤：目前計算機常用的軟盤按尺寸劃分有5.25英寸盤（簡稱5寸盤）和3.5英寸盤（簡稱3寸盤）。

二者之間的主要區別是：3.5英寸盤的尺寸比5.25英寸盤小，由硬塑料制成，不易彎曲和損壞；3.5英寸盤的邊緣有一個可移動的金屬滑片，對盤片起保護作用，讀/寫槽位于金屬滑片下，平時被蓋住：3.5英寸盤無索引孔；3.5英寸盤的寫保護裝置是盤角上的一個正方形的孔和一個滑塊，當滑塊封住小孔時，可以對盤片進行讀/寫操作，當小孔打開時，則處于寫保護狀態。

軟盤記錄信息的格式是：將盤片分成許多同心圓，稱為磁道，磁道由外向內順序編號，信息記錄在磁道上。另外，從同心圓放射出來的若干條線將每條磁道分割成若干個扇區，順序編號。這樣，就可以通過磁道號和扇區號查找到信息在軟盤上存儲的位置，一個完整的軟盤存儲系統是由軟盤、軟盤驅動器和軟驅適配卡組成的。

軟盤只能存儲數據，如果要對它進行讀出或寫入數據的操作，還必須有軟盤驅動器。軟盤驅動器位于主機箱內，由磁頭和驅動裝置兩部分組成。磁頭用來定位磁道，驅動裝置的作用是使磁盤高速旋轉，以便對磁盤進行讀寫操作。軟驅適配卡是連接軟盤驅動器與主板的專用接口板，通過34芯扁平電纜與軟盤驅動器連接。

硬盤：從數據存儲原理和存儲格式上看，硬盤與軟盤完全相同。但硬盤的磁性材料是涂在金屬、陶瓷或玻璃制成的硬盤基片上，而軟盤的基片是塑料的。硬盤相對軟盤來說，主要是存儲空間比較大，現在的硬盤容量已在160GB以上。硬盤大多由多個盤片組成，此時，除了每個盤片要分為若干個磁道和扇區以外，多個盤片表面的相應磁道將在空間上形成多個同心圓柱面。

通常情況下，硬盤安裝在計算機的主機箱中，但現在已出現多種移動硬盤。這種移動硬盤通過USB接口和計算機連接，方便用戶攜帶大容量的數據。

光盤：隨著多媒體技術的推廣，光盤以其容量大、壽命長、成本低的特點，很快受到人們的歡迎，普及相當迅速。與磁盤相比，光盤的讀/寫是通過光盤驅動器中的光學頭用激光束來讀寫的。目前，用于計算機系統的光盤有三類：只讀光盤（CD-ROM）、一次寫入光盤（CD-R）和可擦寫光盤（CD-RW）。

3．存儲器的性能指標

（1）存儲器容量

存儲器容量是指存儲器可以容納的二進制信息總量，即存儲信息的總位（Bit）數。設微機的地址線和數據線位數分別是p和q，則該存儲器芯片的地址單元總數為2p，該存儲器芯片的位容量為2p × q。存儲器容量越大，則存儲的信息越多。目前存儲器芯片的容量越來越大，價格在不斷降低，這主要得益于大規模集成電路的發展。

（2）存取速度

存儲器的速度直接影響計算機的速度。存取速度可用存取時間和存儲周期這兩個時間參數來衡量。存取時間是指CPU發出有效存儲器地址從而啟動一次存儲器讀/寫操作，到該讀寫操作完成所經歷的時間，這個時間越小，則存取速度越快。目前，高速緩沖存儲器的存取時間已小于5ns。存儲周期是連續啟動兩次獨立的存儲器操作所需要的最小時間間隔，這個時間一般略大于存取時間。

（3）可靠性

存儲器的可靠性用MTBF（Mean Time Between Failures）平均故障間隔時間來衡量，MTBF越長，可靠性越高，內存儲器常采用糾錯編碼技術來延長MTBF以提高可靠性。

（4）性能/價格比

這是一個綜合性指標，性能主要包括上述三項指標——存儲容量、存儲速度和可靠性。對不同用途的存儲器有不同的要求。例如，有的存儲器要求存儲容量，則就以存儲容量為主；有的存儲器如高速緩沖器，則以存儲速度為主。

2.1.4 輸入設備

輸入設備（Input Devices）用來向計算機輸入數據和信息。其主要功能是把可讀信息轉換為計算機能識別的二進制代碼輸入計算機，供計算機處理，是人與計算機系統之間進行信息交換的主要裝置之一。

目前常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、攝像頭、掃描儀、光筆、手寫輸入板、語音輸入裝置等。

1．鍵盤

鍵盤（Key Board）是目前最常用、最普遍的輸入設備，主要用于輸入字符信息。鍵盤的種類比較多，有101鍵、102鍵、104鍵、手寫鍵盤、人體工程學鍵盤等，其接口規格有兩種：PS/2和USB。

鍵盤上的字符分布是根據字符的使用頻度確定的。人的十個手指的靈活程度是不一樣的，靈活一點的手指分管使用頻度較高的鍵位，反之，不太靈活的手指分管使用頻度較低的鍵位。將鍵盤一分為二，左右手分管兩邊，分別按在基本鍵上。

2．鼠標

鼠標（Mouse）通常有兩個按鍵和一個滾輪，當它在平板上滑動時，屏幕上的鼠標指針也跟著移動。它不僅可以用于光標定位，還可以用來選擇菜單、命令和文件，是多窗口環境下必不可少的輸入設備。

常見的鼠標有機械鼠標、光學鼠標、光學機械鼠標、無線鼠標。

3．其他輸入設備

除了鍵盤、鼠標外，輸入設備還有掃描儀、條型碼閱讀器、光學字符閱讀器、觸摸屏、手寫筆、語言輸入設備和圖像輸入設備等。

2.1.5 輸出設備

輸出設備（Output Devices）把各種計算結果數據或信息以數字、字符、圖像、聲音等形式表示出來，其主要功能是將計算處理后的各種內部格式的信息轉換為人們能識別的形式表達出來。除了常用的輸出設備（顯示器、打印機）外，還有繪圖儀、影像輸出、語音輸出、磁記錄設備等。

1．顯示器

顯示器（又稱監視器）是微型計算機中最重要的輸出設備之一，也是人機交互必不可少的設備，其主要功能是將圖形、圖像和視頻等信息顯示出來。

（1）顯示器的分類

顯示器按工作原理可分為：CRT（陰極射線管顯示器）、LCD（液晶顯示器）、PDP（等離子體顯示器）、VFD（真空熒光顯示器）等，目前市場主流的顯示器是CRT和LCD顯示器。

（2）顯示器的主要技術指標

像素與點距：屏幕上圖像的分辨率或清晰度取決于能在屏幕上獨立顯示點的直徑，這種獨立顯示的點稱為像素。而屏幕上兩個像素之間的距離稱為點距，該指數直接影響顯示效果。

像素越小，在同一個字符面積下像素數就越多，則顯示的字符就越清晰。

分辨率：每幀的線數和每線的點數的乘積。通常情況下，該值是衡量顯示器性能的重要指標。

顯示器的尺寸：指顯像管對角線長度，一般用英寸為單位。

2．打印機

打印機是把文字或圖形在紙上輸出的計算機外部設備。一般微型計算機常用的打印機有點陣式打印機、噴墨式打印機和激光打印機三種類型。

（1）點陣式打印機

點陣式打印機主要由打印頭、運載打印頭的小車機構、色帶機構、輸紙機構和控制電路等幾部分組成。其中：打印頭是點陣式打印機的核心構成部件。通常，點陣式打印機有9針、24針兩種，針的數目可以影響打印文字的質量。

（2）噴墨打印機

噴墨打印機屬于非擊打式打印機。其優點是價格低廉，打印質量高于點陣式打印機；而且可以支持彩色打印，無噪聲。缺點是打印速度慢、耗材貴。

（3）激光打印機

激光打印機也是非擊打式打印機。其優點是無噪聲、打印速度快、打印質量好，常用來打印正式公文及圖表。缺點是價格高、耗材貴。

3．其他輸出設備

計算機使用的其他輸出設備還有繪圖儀、音頻輸出設備、視頻投影儀等。