1、第1章 計算機基礎知識電子計算機是20世紀人類最偉大的發明之一。計算機技術的飛速發展加快了人類進入信息時代的步伐，計算機的廣泛應用改變了人類時代的面貌，特別是微型計算機的出現及計算機網絡的發展，使計算機進入了普通家庭，改變了人們的生活方式。計算機逐漸成為人們生活和工作中不可缺少的工具，掌握計算機的應用也成為人們必不可少的技能。世界上第一臺電子數字式計算機于1946年2月15日在美國賓夕法尼亞大學正式投入運行，它的名稱叫ENIAC（埃尼阿克），是電子數值積分計算機（the electronic numberical intergrator and computer）的英文簡稱。它使用了17 46

2、8個真空電子管，耗電174 kW，占地170 m2，重達30噸，每秒鐘可進行5 000次加法運算。雖然它的功能遠比不上今天最普通的一臺微型計算機，但在當時它已是運算速度的絕對冠軍，并且其運算的精確度和準確度也是史無前例的。ENIAC奠定了電子計算機的發展基礎，開辟了一個計算機科學技術的新紀元。有人將其稱為人類第三次產業革命開始的標志。1.1 計算機的發展歷史ENIAC誕生后，數學家馮諾依曼提出了重大的改進理論存儲程序原理，主要內容有3點：其一是電子計算機應該以二進制為運算基礎；其二是電子計算機應采用“存儲程序”方式工作；其三是進一步明確指出了整個計算機的結構應由5個部分組成：運算器、控制器、存

3、儲器、輸入裝置和輸出裝置。馮諾依曼存儲程序原理理論的提出，解決了計算機運算自動化和速度配合問題，對后來計算機的發展起到了決定性的作用。直至今天，絕大部分的計算機還是采用馮諾依曼的方式工作。早期按馮諾依曼體系結構設計的計算機有如下一些：1.1 計算機的發展歷史（1）電子離散變量計算機（electronic discrete variable automatic computer，EDVAC）。它是第一個按照存儲程序原理設計的計算機，該機1952年投入運行，用于核武器理論計算。（2）電子延遲存儲自動計算機（electronic delay storage automatic calculator，

4、EDSAC）。它是第一次實現大型存儲程序的計算機，1949年投入運行。（3）通用自動計算機（universal automatic computer，UNIVAC）。1951年作為商品計算機投入使用，開創了用于數據處理的計算機新時代。1.1 計算機的發展歷史計算機的發展到目前為止共經歷了如下4個時代。（1）從1946年到1959年，這段時期稱為“電子管計算機時代”。第一代計算機的內部元件使用的是電子管。由于一部計算機需要幾千個電子管，每個電子管都會散發大量的熱量，因此，如何散熱是一個令人頭痛的問題。電子管的壽命最長只有3 000小時，計算機運行時常常發生由于電子管被燒壞而使計算機死機的現象。第

5、一代計算機主要用于科學研究和工程計算。（2）從1960年到1964年，由于在計算機中采用了比電子管更先進的晶體管，所以將這段時期稱為“晶體管計算機時代”。晶體管比1.1 計算機的發展歷史電子管小得多，不需要暖機時間，消耗能量較少，處理更迅速、更可靠。第二代計算機的程序語言從機器語言發展到匯編語言。接著，高級語言FORTRAN和COBOL相繼被開發出來并被廣泛使用。這時，開始使用磁盤和磁帶作為輔助存儲器。第二代計算機的體積和價格都下降了，使用的人也多起來了，計算機工業迅速發展。第二代計算機主要用于商業、大學教學和政府機關。（3）從1965年到1970年，集成電路被應用到計算機中，因此這段時期被稱

6、為“中小規模集成電路計算機時代”。集成電路（integrated circuit，IC）是集成在晶片上的一個完整的電子電路，1.1 計算機的發展歷史這個晶片比手指甲還小，卻包含了幾千個晶體管元件。第三代計算機的特點是體積更小、價格更低、可靠性更高、計算速度更快。第三代計算機的代表是IBM公司花了50億美元開發的IBM 360系列。這一階段最主要的是在第三代計算機中出現了操作系統，代表著計算機系統的形成和完善。（4）從1971年到現在，被稱為“大規模集成電路計算機時代”。第四代計算機使用的元件依然是集成電路，不過，這種集成電路已經大大改善，它包含幾十萬到上百萬個晶體管，人們稱之為大規模集成電路（

7、large scale integrated circuit，LSI）和超大規模集成電路1.1 計算機的發展歷史（very large scale integrated circuit，VLSI）。1975年，美國1BM公司推出了個人計算機（personal computer，PC），從此，人們對計算機不再陌生，計算機開始深入人類生活的各個方面。在第四代出現了CPU，使得計算機普及成為現實，計算機開始在各個領域普及應用。1.1 計算機的發展歷史（very large scale integrated circuit，VLSI）。1975年，美國1BM公司推出了個人計算機（personal co

8、mputer，PC），從此，人們對計算機不再陌生，計算機開始深入人類生活的各個方面。在第四代出現了CPU，使得計算機普及成為現實，計算機開始在各個領域普及應用。1.1 計算機的發展歷史正因為計算機具有諸如運算速度快、精度高、能記憶存儲文件等特點，人類才越來越廣泛地使用計算機，也更加依賴于計算機。借助于計算機，人們的工作和學習效率有了飛速的提高。針對計算機的眾多特點，人們設計了不同種類的計算機，各取所需，以滿足人們不同的要求。1.2計算機的特點、分類與應用計算機的特點可以歸納為以下7點，其中前5點為信息技術界共識，屬于計算機的基本特點，后兩點尚有學者未將其歸納進來。1.支持人機交互計算機具有多種

9、輸入輸出設備，配上適當的軟件后，可支持用戶方便地進行人機交互。以廣泛使用的鼠標為例，當用戶手握鼠標，只需將手指輕輕一點，計算機便可完成某種操作功能，真可謂“得心應手，心想事成”。當這種交互性與聲像技術結合形成多媒體用戶界面時，更可使用戶的操作自然、方便、豐富多彩。2.數據處理速度快1.2.1 計算機的特點計算機由電子器件構成，具有很高的處理速度。目前世界上最快的計算機每秒可運算萬億次，普通PC每秒也可處理上百萬條指令。這不僅極大地提高了工作效率，而且使時限性強的復雜處理可在限定的時間內完成。3.數據“記憶”能力強計算機的存儲器類似于人的大腦，可以記憶大量的數據和計算機程序，隨時提供信息查詢、處

10、理等服務。早期的計算機，由于存儲容量小，存儲器常常成為限制計算機應用的“瓶頸”。今天，一臺普通的PC內存可達4 GB以上，能支持運行大多數窗口應用程序。當然，1.2.1 計算機的特點有些數據量特別大的應用，如大型情報檢索、衛星圖像處理等，仍需要使用具有更大存儲容量的計算機，如大型計算機或巨型計算機。4.具有邏輯判斷能力邏輯判斷是計算機的又一重要特點，是計算機能實現信息處理自動化的重要原因。馮諾依曼型計算機的基本思想，就是將程序預先存儲在計算機中。在程序執行過程中，計算機根據上一步的處理結果，能運用邏輯判斷能力自動決定下一步應該執行哪一條指令。這樣，計算機的計算能力、邏輯判斷能力和記憶能力三者相

11、結合，使得計算機的能力遠遠超過了任何一種工具而成為人類腦力延伸的有力助手。1.2.1 計算機的特點5.很高的計算精度由于計算機采用二進制數字進行計算，因此可以用增加表示數字的設備和運用計算技巧等手段，使數值計算的精度越來越高，可根據需要獲得千分之一到幾百萬分之一的計算精度。6.具有自動控制能力計算機是由程序控制其操作過程的。只要根據應用的需要，事先編制好程序并輸入計算機，計算機就能自動、連續地工作，完成預定的處理任務。計算機中可以存儲大量的程序和數據。存儲程序是計算機工作的一個重要原則，這是計算機能自動處理的基礎。1.2.1 計算機的特點7.通用性強計算機能夠在各行各業得到廣泛的應用，原因之一

12、就是其具有很強的通用性。計算機可以將任何復雜的信息處理任務分解成一系列的基本算術運算和邏輯運算，反映在計算機的指令操作中。按照各種規律要求的先后次序把它們組織成各種不同的程序，存入存儲器中。在計算機的工作過程中，這種存儲指揮和控制計算機進行自動、快速的信息處理，并且十分靈活、方便、易于變更，這就使計算機具有極大的通用性。1.2.1 計算機的特點計算機的分類方法很多，可從不同角度對其進行分類，如可以按照計算機的體積、速度、處理能力等特性分類，也可根據使用范圍、使用方式分類。通常情況下，計算機采用如下3種分類標準：1.按計算機處理對象分類計算機按處理的對象不同可分為電子模擬計算機、電子數字計算機和

13、混合計算機。（1）電子模擬計算機所處理的電信號在時間上是連續的（模擬量），采用的是模擬技術。（2）電子數字計算機所處理的電信號在時間上是離散的（數字1.2.2 計算機的分類量），采用的是數字技術。數字化之后的信息具有易保存、易表示、易計算、方便硬件實現等優點，所以數字計算機已成為信息處理的主流。通常所說的計算機都是指電子數字計算機。（3）混合計算機是將數字技術和模擬技術相結合的計算機。2.按計算機性能規模分類計算機性能規模主要指計算機的體積、速度、處理能力等特性。按性能規模的不同,計算機可分為巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機和工作站。（1）巨型機。巨型機的特點是運算速度快、存儲容量大，每

14、秒可1.2.2 計算機的分類執行幾十億條指令，可容納上百個用戶同時使用，可同時完成多項任務。研究巨型機是現代科學技術，尤其是國防尖端技術發展的需要。目前世界上只有少數幾個國家能生產巨型機。我國自主研發的“銀河-”型億次機、“銀河-”型十億次機和“銀河-”型百億次機都是巨型機，主要用于核技術、空間技術、大范圍天氣預報、石油勘探等領域。（2）大型機。大型機的特點表現在通用性強、具有很強的綜合處理能力、性能覆蓋面廣等方面，每秒可執行幾億條指令，主要應用在公司、銀行、政府部門、社會管理機構和制造廠家等，通常稱大型機1.2.2 計算機的分類為企業計算機。大型機在未來將被賦予更多的使命，如大型事務處理、企

15、業內部的信息管理與安全保護、科學計算等。（3）中小型機。中小型機是介于大型機和微型機之間的一種機型，每秒可執行千萬條指令。中小型機規模小、結構簡單、設計周期短，便于及時采用先進工藝。這類機器可靠性高，對運行環境要求低，易于操作且便于維護。中小型機符合部門性的要求，為中小型企事業單位所常用。（4）微型機。微型機又稱為個人計算機，它是日常生活中使用最多、最普遍的計算機，具有價格低廉、性能強、體積小、功耗低等1.2.2 計算機的分類特點，每秒可執行百萬條指令?，F在微型計算機已進入了千家萬戶，成為人們工作、生活的重要工具。微型機可分為臺式機和便攜機兩類，便攜機又分為筆記本電腦和個人數字助理（俗稱掌上電

16、腦）兩種。（5）工作站。工作站是一種高檔的微機系統，它具有較高的運算速度，具有多任務、多用戶功能，且兼具微型機的操作便利性和良好的人機界面，可以連接到多種輸入/輸出設備，具有易于聯網、處理功能強等特點。工作站的應用領域已從最初的計算機輔助設計擴展到商業、金融、辦公領域，并充當著網絡服務器的角色。1.2.2 計算機的分類3.按功能和用途分類計算機按功能和用途可分為通用計算機和專用計算機。通用計算機具有功能強、兼容性強、應用面廣、操作方便等優點，通常使用的計算機都是通用計算機。專用計算機一般功能單一、操作復雜，用于完成特定的工作任務。1.2.2 計算機的分類計算機的應用領域已滲透到社會的各行各業，

17、正在改變著傳統的工作、學習和生活方式，推動著社會的發展。從應用領域角度分析，大多數教科書上的說法都不完全一致，主要是對領域的劃分不一致，但一致認可的是數值計算或科學計算、數據處理、輔助設計、實時控制、人工智能等方面。基于共識，計算機的主要應用領域如下。1.科學計算（或數值計算）科學計算是指利用計算機來完成科學研究和工程技術中提出的數學問題的計算。在現代科學技術工作中，科學計算問題是大量和復雜的。利用計算機的高速計算、大存儲容量和連續運算的能力，可以1.2.3 計算機的應用實現人工無法解決的各種科學計算問題。這是計算機應用最早，也是最成熟的領域。2.數據處理（或信息處理）數據處理是指對各種數據進

18、行收集、存儲、整理、分類、統計、加工、利用、傳播等一系列活動的統稱。據統計，80以上的計算機主要用于數據處理，這類工作量大、應用面寬，決定了計算機應用的主導方向。數據處理從簡單到復雜已經歷了如下3個發展階段。（1）電子數據處理（electronic data processing，EDP），它1.2.3 計算機的應用是以文件系統為手段，實現一個部門內的單項管理。（2）管理信息系統（management information system，MIS），它是以數據庫技術為工具，實現一個部門的全面管理，以提高工作效率。（3）決策支持系統（decision support system，DSS），它是

19、以數據庫、模型庫和方法庫為基礎，幫助管理決策者提高決策水平，改善運營策略的正確性與有效性。目前，數據處理已廣泛應用于辦公自動化、企事業計算機輔助管理與決策、情報檢索、圖書管理、電影電視動畫設計、會計電算化等1.2.3 計算機的應用各行各業。信息正在形成獨立的產業，多媒體技術使信息展現在人們面前的不僅是數字和文字，也有聲情并茂的聲音和圖像信息。3.輔助技術（或計算機輔助設計與制造）計算機輔助技術包括CAD、CAM和CAI等。（1）計算機輔助設計（computer aided design，CAD）。（2）計算機輔助制造（computer aided manufacturing，CAM）。（3）計

20、算機輔助教學（computer aided instruction，CAI）。（4）計算機輔助測試（computer aided testing，CAT）。1.2.3 計算機的應用（5）計算機集成制造系統（computer integreted manufacturing system，CIMS）。4.過程控制（或實時控制）過程控制是利用計算機及時采集檢測數據，按最優值迅速地對控制對象進行自動調節或自動控制。采用計算機進行過程控制，不僅可以大大提高控制的自動化水平，而且可以提高控制的及時性和準確性，從而改善勞動條件、提高產品質量及合格率。因此，計算機過程控制已在機械、冶金、石油、化工、紡織、水

21、電、航天等部門得到廣泛的應用。1.2.3 計算機的應用5.人工智能（或智能模擬）人工智能（artificial intelligence，AI）是計算機模擬人類的智能活動，諸如感知、判斷、理解、學習、問題求解和圖像識別等。現在人工智能的研究已取得了不少成果，有些已開始走向實用階段。例如，能模擬高水平醫學專家進行疾病診療的專家系統和具有一定思維能力的智能機器人等。6.網絡應用計算機技術與現代通信技術的結合構成了計算機網絡。計算機網絡的建立，不僅解決了一個單位、一個地區、一個國家中計算機與計算機之間的通信，各種軟、硬件資源的共享，也大大促進了國際間的文字、圖像、視頻和聲音等各類數據的傳輸與處理。1

22、.2.3 計算機的應用在介紹了計算機的誕生、發展及特點之后，相信讀者已經對計算機有了一個初步和感性的認識。計算機系統是一個龐大且紛繁復雜的組織結構，但也有其規律可循，下面逐一詳細介紹，以使讀者對計算機有一個全面和深入的認識。1.3 計算機的系統組成如今的計算機已發展成為一個龐大的家族，其中的每個成員，盡管在規模、性能、結構和應用等方面存在著很大的差別，但它們的基本結構是相同的。計算機系統包括硬件系統和軟件系統兩大部分：硬件系統由中央處理器、內存儲器、外存儲器和輸入/輸出設備等組成；軟件系統分為兩大類，即計算機系統軟件和應用軟件。計算機通過執行程序而運行，在其運行時軟硬件協同工作，二者缺一不可。

23、計算機系統的組成框架如圖1-1所示。如果將計算機看作一個人，那么硬件系統就是其物質組成，軟件系統則是其靈魂，二者有機結合，使計算機穩定地發揮其功能，幫助人們解決各種難題。下面按照圖1-1所示的計算機系統組成分類進行介紹。1.3.1 計算機系統概述如今的計算機已發展成為一個龐大的家族，其中的每個成員，盡管在規模、性能、結構和應用等方面存在著很大的差別，但它們的基本結構是相同的。計算機系統包括硬件系統和軟件系統兩大部分：硬件系統由中央處理器、內存儲器、外存儲器和輸入/輸出設備等組成；軟件系統分為兩大類，即計算機系統軟件和應用軟件。計算機通過執行程序而運行，在其運行時軟硬件協同工作，二者缺一不可。計

24、算機系統的組成框架如圖1-1所示。如果將計算機看作一個人，那么硬件系統就是其物質組成，軟件系統則是其靈魂，二者有機結合，使計算機穩定地發揮其功能，幫助人們解決各種難題。下面按照圖1-1所示的計算機系統組成分類進行介紹。1.3.1 計算機系統概述1.計算機硬件系統硬件系統是構成計算機的物理裝置，是指在計算機中看得見、摸得著的有形實體。1945年，在計算機的發展史上做出杰出貢獻的著名應用數學家馮諾依曼與其他專家為改進ENIAC，提出了一個全新的存儲程序的通用電子計算機方案，規定了新機器由5個部分組成：運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入設備和輸出設備，并描述了這5個部分的職能和相互關系。新的計算機與

25、ENIAC相比有兩個重大改進：一是采用二進制；二是提出了“存儲程序”的設計思想，即用存儲數據的同一裝置存儲執行運算的命令，使程序的執行可自動地從一條指令進入下一條指令。（1）計算機的指令系統。指令是能被計算機識別并執行的二進制1.計算機硬件系統，它規定了計算機能完成的某一種操作。一條指令通常由操作碼和操作數兩部分組成。操作碼指明該指令要完成的操作，如存數、取數等。操作碼的位數決定了一個機器指令的條數。當使用定長度操作碼格式時，若操作碼位數為n，則指令可有2n條。操作數是指操作對象的內容或者所在的單元格地址。操作數在大多數情況下是03位的地址碼，從地址碼得到的僅是數據所在的地址，可以是源操作數的

26、存放地址，也可以是操作結果的存放地址。（2）計算機的工作原理。計算機的工作過程實際上是快速執行指令的過程。在此過程中，有兩種信息在流動：一種是數據流，另一種1.計算機硬件系統是控制流。數據流指原始數據、中間結果、結果數據、源程序等?？刂屏魇怯煽刂破鲗χ噶钸M行分析、解釋后向各部件發出的控制命令，用于指揮各部件的協調工作。計算機的指令執行過程分為如下幾個步驟：取指令。從內存儲器中取出指令送到指令寄存器。分析指令。對指令寄存器中存放的指令進行分析，由譯碼器對操作碼進行譯碼，將指令的操作碼轉換成相應的控制電信號，并由地址碼確定操作數的地址。執行指令。由操作控制線路發出完成該操作所需要的一系列控制信息，

27、以完成該指令規定的各種操作。1.計算機硬件系統下一步準備。形成下一條指令的地址，指令計數器指向存放下一條指令的地址，最后控制單元將執行結果寫入內存，為執行下一條指令做準備。完成上述一條指令的執行過程稱為一個“機器周期”，如圖1-2所示。1.計算機硬件系統計算機在運行時，CPU從內存讀取一條指令到CPU內執行，執行完畢后，再從內存讀取下一條指令到CPU內執行。CPU就這樣不斷地取指令、分析指令、執行指令及取下一條指令。計算機的工作就是執行程序，即自動、連續地執行一系列指令，而程序開發人員的工作就是編制程序，使計算機不斷地工作。2.計算機軟件系統軟件系統是計算機所運行的全部程序的總稱。軟件是計算機

28、的靈魂，是發揮計算機功能的關鍵。可以說軟件是用戶與計算機的接口，正是有了內容豐富、種類繁多的軟件，人們才不必過多地了解機器本身的結構與原理，才可以方便、靈活地使用計算機，從而使計算機有效地為人類服務。計算機系統的軟件分為系統軟件和應用軟件兩類。系統軟件一般包括操作系統、語言編譯程序、數據庫管理系統等；應用軟件是為某一特定應用而開發的軟件，如文字處理軟件、表格處理軟件、繪圖軟件、財務軟件、過程控制軟件等。硬件是計算機運行的物質基礎，計算機的性能，如運算速度、存儲容量、計算精度和可靠性等，很大程度上取決于硬件的配置。在上一節概述中了解到計算機采用了存儲程序和程序控制原理馮諾依曼原理，這個概念被譽為

29、計算機史上的一個里程碑。按照馮諾依曼原理設計制造的計算機稱為馮諾依曼機。概括來講，馮諾依曼結構有3條重要的設計思想：計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成，每個部分均有一定的功能；以二進制的形式表示數據和指令；程序預先存入存儲器中，使計算機在工作中能自動地從存儲器中取出程序指令并加以執行。現在使用的計算機的硬件系統一直沿用馮諾依曼結構。各種信息通過1.3.2 計算機硬件系統的組成輸入設備進入計算機存儲器，再通過各種線路、電路傳送到運算器，運算器運算完畢后把結果送到存儲器存儲，最后信息通過輸出設備顯示出來，整個過程由控制器進行全程控制。計算機的整個工作過程和基本硬件結構

30、如圖1-3所示。計算機的硬件由主機和外部設備組成：主機由CPU、內存儲器、總線系統構成；外部設備由輸入設備、外存儲器、輸出設備組成?，F今廣泛應用的微型計算機把運算器和控制器集成在一片芯片上，稱為CPU。輸入/輸出設備簡稱I/O設備。1.3.2 計算機硬件系統的組成1.3.2 計算機硬件系統的組成1.CPUCPU是計算機的核心部件，它完成計算機的運算和控制功能，包括運算器和控制器兩個部分。運算器又稱算術邏輯單元（arithmetic and logic unit，ALU），其主要功能是完成對數據的算術運算、邏輯運算和邏輯判斷等操作?？刂茊卧╟ontrol unit，CU）是整個計算機的指揮中心

31、，其根據事先給定的命令，發出各種控制信號，指揮計算機各部分工作?？刂破鞯墓ぷ魇菑膬却鎯ζ髦腥〕鲋噶畈⑦M行分析與判斷，根據指令發出控制信號，使計算機的有關設備有條不紊地協調工作，在程序的作用下，保證計算機能自動、連續地工作。圖1-4所示為一款CPU的外形。1.CPUCPU主要性能指標如下：（1）主頻。主頻又稱時鐘頻率，用來表示CPU運算、處理數據的速度，單位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz）。如今CPU的主頻已經達到4.0 GHz甚至更高。CPU的主頻外頻倍頻系數，主頻和實際的運算速度存在一定的關系，但并不是一個簡單的線性關系，所以CPU的主頻與CPU實際的運算能力是沒有直接關系的，主頻表示在C

32、PU內數字脈沖信號振蕩的速度。CPU的運算速度還取決于CPU的流水線、總線等各方面的性能指標，因此主頻只是CPU性能表現的一個方面，而不代表CPU的整體性能。（2）外頻。外頻是CPU的基準頻率，單位是MHz。1.CPUCPU的外頻決定著整塊主板的運行速度。（3）前端總線頻率。前端總線（FSB）頻率（即總線頻率）直接影響CPU與內存數據交換的速度。數據傳輸最大帶寬取決于所有同時傳輸的數據的寬度和傳輸頻率，即數據帶寬(總線頻率數據位寬)8。例如，一款數據位寬為64位、前端總線頻率是800 MHz的CPU，按照公式，它的數據傳輸最大帶寬是6.4 GB/s。（4）CPU的位和字長。位。在數字電路和計算

33、機技術中采用二進制，代碼只有“0”和“1”，其中無論是“0”還是“1”，在CPU中都是 1“位”。字長。計算機技術中將CPU在單位時間內(同一時間)能一次性1.CPU處理的二進制數的位數稱為字長。例如，能處理字長為8位數據的CPU通常就稱為8位CPU，同理32位的CPU能在單位時間內處理字長為32位的二進制數據。（5）緩存。緩存是CPU的重要指標之一，而且緩存的結構和大小對CPU速度的影響非常大，CPU內緩存的運行頻率極高，一般是和處理器同頻運作，工作效率遠遠大于系統內存和硬盤。實際工作時，CPU往往需要重復讀取同樣的數據塊，而緩存容量的增大，可以大幅度提升CPU內部讀取數據的命中率，而不用再

34、到內存或者硬盤上尋找，以此提高系統性能。但是由于考慮到CPU芯片面積和成本的因素，因此一般緩存都很小。CPU的緩存目前分為三級，分別是L1 cache(一級緩存)（即CPU）、L2 cache(二級緩存)和L3 cache(三級緩存)。2.存儲器存儲器（memory）是計算機存儲信息的“倉庫”，分為兩大類：內存儲器和外存儲器。存儲器是具有記憶能力的部件，用來存儲程序和數據。（1）內存儲器。計算機內存儲器簡稱內存，是直接與CPU相聯系的存儲設備，是微型計算機工作的基礎。為了便于對存儲器內存放的信息進行管理，整個內存被劃分成許多存儲單元，每個存儲單元都有一個編號，此編號稱為地址（address）。

35、地址與存儲單元為一對一的關系，是存儲單元的唯一標志。存儲單元的地址、存儲單元和存儲單元的內容是3個不同的概念，地址相當于旅館的房間編號，存儲單元相當于旅館的房間，存儲單元的內容相當于房間中的旅客。在2.存儲器存儲器中，CPU對存儲器的讀寫操作都是通過地址來進行的。通常內存儲器分為只讀存儲器、隨機存儲器和高速緩沖存儲器3類，下面分別予以介紹。只讀存儲器。只讀存儲器（read only memory，ROM）是指只能從該設備中讀數據，而不能向里面寫數據的存儲器。ROM中的數據是由設計者和制造商事先編制好固化在里面的一些程序，使用者不能隨意更改。ROM主要用于檢查計算機系統的配置情況并提供最基本的輸

36、入/輸出（I/O）控制程序，如存儲BIOS參數的CMOS芯片。ROM的特點是計算機斷電后存儲器中的數據仍然存在。隨機存儲器。隨機存儲器（random access memory,RAM）2.存儲器允許按任意指定地址的存儲單元隨機地讀出或寫入數據。一切要執行的程序和數據都要先裝入該存儲器內。CPU在工作時直接從RAM中讀數據，而RAM中的數據來自外存，并隨著計算機的工作隨時變化。RAM主要有兩個特點：一是存儲器中的數據可以反復使用，只有向存儲器寫入新數據時其中的內容才被更新；二是RAM中的信息隨著計算機的斷電而自然消失，所以RAM是計算機處理數據的臨時存儲區，要想使數據長期保存起來，必須將數據保

37、存在外存中。微型計算機中的RAM大多采用半導體存儲器，基本上是以內存條的形式進行組織，其優點是擴展方便，用戶可根據需要隨時增加內存。2.存儲器目前常見的內存條容量有2 GB、4 GB、8 GB等，外形如圖1-5所示。其按用途分為兩種，即分別用于筆記本式計算機和臺式機的內存條，使用時只要將其插在主板的內存插槽上即可。高速緩沖存儲器。隨著微型計算機CPU速度的不斷提高，RAM的速度越來越難以滿足高速CPU的要求，一般情況下，讀/寫系統內存均要加入等待時間，這對高速CPU來講是一種極大的浪費，解決的辦法就是采用高速緩沖存儲器（cache）技術。2.存儲器cache是指在CPU與內存之間設置的一級或兩

38、級高速、小容量存儲器，稱為高速緩沖存儲器，固化在主板上。在計算機工作時，系統先將數據由外存讀入RAM中，再由RAM讀入cache中，然后CPU直接從cache 中取數據進行操作。通常，cache的容量為32256 KB，存取速度為15 35 ns（納秒），而RAM的存取速度一般要大于80 ns。（2）外存儲器。外存儲器（簡稱外存）,又稱輔助存儲器，主要用于保存暫時不用但又需長期保留的程序或數據。存放在外存中的程序必須調入內存才能運行，外存的存取速度相對來說較慢，但價格比較便宜，可保存的信息量大。常用的外存有硬盤、光盤、U盤等。硬盤。硬盤存儲器簡稱硬盤（hard disk），由電動機和硬盤2.存

39、儲器組成，一般置于主機箱內,其外形及結構如圖1-6所示。硬盤具有磁盤容量大、存取速度快、可靠性高等優點，是目前最重要的外存儲器。硬盤是由涂有磁性材料的磁盤片組成的，用于存放數據。硬盤是一個非常精密的機械裝置，磁道間只有百萬分之幾厘米的間隙，磁頭傳動裝置必須把磁頭快速而準確地移到指定的磁道上。除了安裝在計算機內的硬盤，現在也流行將硬盤封裝在硬盤盒內，用USB接口與計算機連接，即插即用，稱為移動硬盤。2.存儲器硬盤的基本參數包括容量、轉速、尺寸、接口類型和傳輸速率等。容量是硬盤最主要的參數。硬盤的容量以兆字節（MB）或吉字節（GB）為單位，1 GB=1 024 MB。但硬盤廠商在標稱硬盤容量時通常

40、取1 GB=1 000 MB，因此在BIOS中或在格式化硬盤時看到的容量會比廠家的標稱值小。近兩年主流的硬盤容量是500 GB、1 TB和2 TB。轉速是硬盤內電動機主軸的旋轉速度，也就是硬盤盤片在一分鐘內所能完成的最大轉數。轉速是決定硬盤內部傳輸率的關鍵因素之一，在很大程度上直接影響著硬盤的速度。硬盤的轉速越快，硬盤尋找文件的速度也就越快，相應地硬盤的傳輸速度也就得到了提高。硬盤2.存儲器轉速以每分鐘多少轉（r/min）來表示。家用普通硬盤的轉速一般有5 400 r/min和7 200 r/min等；服務器用戶對硬盤性能要求最高，服務器中使用的SCSI硬盤轉速基本都采用10 000 r/mi

41、n，甚至還有15 000 r/min的，性能要超出家用產品很多。硬盤的數據傳輸率是指硬盤讀寫數據的速度，單位為兆字節每秒（MB/s）。硬盤數據傳輸率又包括了內部數據傳輸率和外部數據傳輸率。內部數據傳輸率也稱持續傳輸率，它反映了硬盤緩沖區未用時的性能，主要依賴于硬盤的旋轉速度。外部數據傳輸率也稱接口傳輸率，它標稱的是系統總線與硬盤緩沖區之間的數據傳輸率，外部數據傳輸率與硬盤接口類型和硬盤緩存的大小有關。2.存儲器硬盤接口是指硬盤連接計算機設備的接口，從整體的角度上，硬盤接口分為IDE、SATA、SCSI和光纖通道4種。IDE接口硬盤多用于家用產品中，部分應用于服務器，SCSI接口硬盤則主要應用于

42、服務器市場，而光纖通道硬盤只用在高端服務器上，價格昂貴。使用SATA（serial ATA）口的硬盤又稱串口硬盤，是未來PC硬盤的趨勢。ATA采用串行連接方式，串行ATA總線使用嵌入式時鐘信號，具備了更強的糾錯能力，與以往相比，其最大的區別在于能對傳輸指令進行檢查，如果發現錯誤會自動矯正，這在很大程度上提高了數據傳輸的可靠性。串行接口還具有結構簡單、支持熱插拔的優點。在IDE和SCSI的大類別下，又可以分出多種具體的接口類型，又各自擁有不同的技術規范，2.存儲器具備不同的傳輸速度。（2）光盤、光盤驅動器與刻錄機。光盤是以光信息作為存儲物的載體，用來存儲數據的一種外存類型，分為不可擦寫光盤（如C

43、DROM、DVDROM等）和可擦寫光盤（如CDRW、DVDRAM等）。不可擦寫光盤可以由用戶寫信息，但只能寫一次，之后將永久存在盤上不可修改?？刹翆懶凸獗P類似于磁盤，可以重復讀寫，它的材料是磁光材料，與只讀型光盤有很大不同。目前微型計算機中常用的是DVDROM。光盤的主要特點是存儲容量大、可靠性高。一張CDROM的容量可達600 MB，而DVDROM的容量可達4.7 GB。只要存儲介質不發生問題，光盤上的信息就永遠存在。2.存儲器光盤驅動器即光驅，是利用光學方式進行讀寫信息的存儲設備，是臺式機里比較常見的大容量的數據存儲設備和高品質的音源設備，分為內置光驅和外置光驅兩種?？啼洐C則是可以對光盤進

44、行寫入，將用戶希望保存的數據寫入光盤介質的設備，分為內置刻錄機和外置刻錄機兩種。早期的光驅只能讀取光盤的信息，隨著多媒體技術的發展，現在大部分光驅都已和刻錄機整合，具有了光盤讀寫功能，光驅在臺式機諸多配件中已經成為標準配置。（3）U盤。U盤又稱優盤，全稱“USB閃存盤”。它是一個USB接口的無需物理驅動器的微型高容量移動存儲產品，可以通過USB接口與計算機連接，實現即插即用。2.存儲器U盤的組成很簡單：外殼、機芯和閃存。U盤最大的優點是：小巧便于攜帶、存儲容量大、價格便宜、性能可靠、讀寫時斷開而不會損壞硬件。U盤體積很小、重量極輕，特別適合隨身攜帶，可以把它掛在胸前、吊在鑰匙串上，甚至放進錢包

45、里。另外，U盤還具有防潮防磁、耐高低溫等特性，安全可靠性很好。這些優點使得U盤非常適合用來從某地把個人數據或是工作文件攜帶到另一地。3.主板計算機主板又稱主機板(mainboard)、系統板(system board)或母板(motherboard)，它安裝在機箱內，是計算機最基本的也是最重要的部件之一。主板一般為矩形電路板，上面安裝了組成計算機的主要電路系統，一般有CPU插座、內存插槽、總線擴展槽、芯片組、I/O控制芯片、電源插槽和其他擴展插槽等元件。圖17所示為主板的外形和其上相應的硬件和插槽。3.主板3.主板主板采用開放式結構，通過各種擴展插槽可以更換其插卡，對計算機硬件進行局部升級，使

46、廠家和用戶在配置機型方面有更大的靈活性。總之，主板在整個微機系統中扮演著舉足輕重的角色。可以說，主板的類型和檔次決定著整個微機系統的類型和檔次，主板的性能影響著整個微機系統的性能。主板上的元件大都采用表面安裝工藝（surface mounted technology，SMT）焊接，大大提高了主板的可靠性。下面主要介紹主板上較重要的幾個部分。（1）芯片組。主板上除了安裝CPU外還安裝有各種芯片，包括BIOS芯片、南北橋芯片和RAID控制芯片。BIOS芯片是可以寫入的，方便用戶更新BIOS的版本，以獲取更好的性能及對計算機最新硬件3.主板的支持。南北橋芯片則主要負責處理CPU、內存、顯卡三者間的通

47、信和硬盤等存儲設備和PCI之間的數據流通。芯片組在很大程度上決定了主板的功能和性能。RAID控制芯片可支持由多個硬盤組成各種RAID模式。（2）總線。目前計算機系統普遍采用總線結構作為計算機各部件之間的通信線。各類外部設備和存儲器都是通過各自的接口電路連接到計算機系統總線上的。計算機系統總線大致可分為地址總線、數據總線和控制總線3種。地址總線是計算機用來傳送地址的信號線，其數目決定了計算機直接尋址的范圍。例如，16根地址線，可以構成216=65 536個3.主板地址，可直接尋址64 KB地址空間。數據總線是計算機用來傳送數據和代碼的總線，一般為雙向信號線，可以進行兩個方向的數據傳送。通常數據總

48、線的位數與微機的字長相等。如32位的CPU芯片其數據總線也是32位?？刂瓶偩€用來傳送控制器發出的各種控制信號和時序信號，其中控制信號包括用來實現命令、狀態傳送、中斷請求、直接對存儲器存取的控制，時序信號提供系統使用的時鐘和復位信號等。（3）擴展槽部分。內存插槽：內存插槽一般位于CPU插座下方，用于安裝內存條。IDE插槽：用于連接硬盤和光驅等數據設備。3.主板AGP插槽：顏色多為深棕色，位于北橋芯片和PCI插槽之間，主要用于安裝AGP顯卡。PCI插槽：多為乳白色，是現在主板必備的主流插槽，可以安裝modem、聲卡、網卡等設備。（4）主板接口。計算機主板除提供擴展槽外，還提供其他接口，一般有串行接

49、口、并行接口、PS/2接口和USB接口等。串行接口：又稱COM接口，目前大多數主板都提供了兩個COM接口，分別為COM1和COM2，作用是連接串行鼠標和外置modem等設備。并行接口：又稱LPT接口，一般用來連接打印機或掃描儀等外設。3.主板并行接口具有傳輸速度快、效率高等優點，適合于對數據傳輸率要求較高而傳輸距離較近的場合。USB接口：又稱通用串行總線，是一種新型接口標準，是現在最為流行的接口。USB可以實現計算機只通過一個USB接口即可串接多種外設的作用，最多可以支持127個外設，并且可以獨立供電。一個USB接口可同時支持高速和低速USB外設的訪問，由一條四芯電纜連接，其中兩條是正負電源，

50、另外兩條是數據傳輸線。PS/2接口：PS/2接口的功能比較單一，僅能用于連接鍵盤和鼠標。PS/2接口的傳輸速率比COM接口稍快一些，但目前逐漸被USB接口取代。3.主板并行接口具有傳輸速度快、效率高等優點，適合于對數據傳輸率要求較高而傳輸距離較近的場合。USB接口：又稱通用串行總線，是一種新型接口標準，是現在最為流行的接口。USB可以實現計算機只通過一個USB接口即可串接多種外設的作用，最多可以支持127個外設，并且可以獨立供電。一個USB接口可同時支持高速和低速USB外設的訪問，由一條四芯電纜連接，其中兩條是正負電源，另外兩條是數據傳輸線。PS/2接口：PS/2接口的功能比較單一，僅能用于連

51、接鍵盤和鼠標。PS/2接口的傳輸速率比COM接口稍快一些，但目前逐漸被USB接口取代。4.輸入設備輸入設備是將外界的各種信息（如程序、數據、命令等）送入計算機內部的設備。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀等，下面逐一介紹。（1）鍵盤。鍵盤是計算機最常用的輸入設備之一，其作用是向計算機輸入命令、數據和程序。它由一組按陣列方式排列在一起的按鍵開關組成，按下一個鍵，相當于接通一個開關電路，鍵盤接口把該鍵的位置碼送入計算機，并將按鍵字符顯示在顯示器上。鍵盤根據按鍵的觸點結構分為機械觸點式鍵盤和電容式鍵盤。機械觸點式鍵盤信號穩定、不受干擾，但觸點容易磨損；電容式鍵盤觸感好、使用靈活、操作省力，目前較流行

52、。標準的計算機鍵盤分為44.輸入設備個區：功能鍵區、標準鍵區、數字鍵區和編輯鍵區，具體介紹如下。功能鍵區。F1F12一共12個鍵，在不同系統環境下定義的作用不同，用戶也可自行定義。標準鍵區。標準鍵區又稱字符鍵區，具有標準的英文打字機鍵盤格式，還包括數字、標點、特定功能符號鍵等。大部分鍵面上均標有上下兩個字符，這兩個字符分別稱為該鍵的上檔符和下檔符，由Shift鍵控制它們的輸入。數字鍵區。數字鍵區又稱副鍵盤區或者小鍵盤區，其中NumLock鍵為數字鎖定鍵，用于鎖定和釋放數字鍵的功能。如果4.輸入設備取消NumLock鍵（燈不亮），則無法使用小鍵盤上的數字；NumLock按鍵啟用（燈亮），可以使用

53、小鍵盤上的數字。編輯鍵區。編輯鍵區包括上、下、左、右4個鍵和其上方的9個鍵，用來控制光標的移動、插入和刪除等操作，便于編輯操作。（2）鼠標。鼠標是另一種常用的輸入設備，由于其使用方便，幾乎取得了和鍵盤同等重要的地位。鼠標的主要功能用于移動顯示器上的光標并通過菜單或按鈕向主機發出各種操作命令，但不能輸入字符和數據。鼠標按其工作原理的不同可以分為機械鼠標、光電鼠標、光學機械鼠標、軌跡球和無線鼠標等。光電式鼠標的底部裝有光電管，當手4.輸入設備持鼠標在特定的反射板上移動時，光源發出的光經反射板反射后被鼠標接收為移動信號，并送入計算機，從而控制屏幕光標的移動。（3）掃描儀。掃描儀是計算機的圖像輸入設備

54、。隨著性能的不斷提升和價格的大幅度降低，掃描儀越來越多地應用于廣告設計、出版印刷、網頁設計等領域。掃描儀按感光模式可分為滾筒式掃描儀和平板掃描儀。掃描儀利用光學掃描原理從紙介質上“讀出”照片、文字或圖形，把信息送入計算機進行分析處理。平板掃描儀的工作原理是：將原圖放置在一塊干凈的有機玻璃平板上，原圖不動，而光源系統通過一個傳動機構水平移動，發射出的光線照射在原圖上，經反射或透射后，由接收系統接收并生成4.輸入設備模擬信號，然后通過模數轉換器轉換成數字信號后，直接傳送至計算機，由后者進行相應的處理，完成掃描過程。（4）其他數碼設備。數碼相機是一種能夠進行拍攝，并通過內部處理把拍攝到的光學影像轉換

55、成以數字格式存放的圖像的特殊照相機，可以直接連接到計算機、電視機或者打印機上。5.輸出設備輸出設備用于將計算機處理的結果、用戶文檔、程序及數據等信息進行輸出。這些信息可以通過打印機打印在紙上，或顯示在顯示器屏幕上，也可以輸出到磁盤上保存起來。輸出設備是將計算機處理后的信息以人們能夠識別的形式（如文字、圖形、數值、聲音等）進行顯示和輸出的設備。常用的輸出設備有顯示器、打印機等，如下逐一介紹。（1）顯示器。顯示器是計算機的主要輸出設備，用于將系統信息、計算機處理結果、用戶程序及文檔等信息顯示在屏幕上。顯示器與主機相連必須配置適當的顯示適配器，即顯示卡，簡稱顯卡。顯卡的主要功能是主機與顯示器數據格式

56、的轉換，是體現計算機顯示效果的5.輸出設備必備設備，它不僅把顯示器與主機連接起來，而且還起到處理圖形數據、加速圖形顯示等作用。顯卡插在主板的擴展槽上，為了適應不同類型的顯示器，并使其顯示出各種效果，顯卡也有多種類型。顯示器的主要技術指標包括屏幕尺寸、點距、可視角度、分辨率、刷新頻率及響應時間等。屏幕尺寸，也稱可視面積，指顯示器實際可以使用的屏幕范圍，以in（英寸）為單位,一般有19 in、21 in、24 in等。點距用于衡量圖像的清晰程度，點距越小，單位面積容納的像素點越多，則圖像越清晰。分辨率是指單位面積顯示像素的數量，分辨率越高，屏幕上顯示5.輸出設備的像素越多，則圖像越細膩。刷新頻率是

57、指顯示器每秒刷新屏幕的次數，單位為Hz，刷新頻率的范圍越大越好，一般為6090 Hz。響應時間是指液晶顯示器各像素點對輸入信號反應的速度，該值越小越好。如果響應時間太長，就有可能使液晶顯示器在顯示動態圖像時，有尾影拖曳的感覺。（2）打印機。打印機是各種計算機的主要輸出設備之一，可以使用戶保存計算機處理的結果。它能將計算機的信息以單色和彩色字符、漢字、表格、圖像等形式打印在紙上。按照打印機工作原理的不同，分為針式打印機、噴墨打印機和激光打印機3種類型。5.輸出設備針式打印機又稱點陣式打印機，打印的字符和圖形是以點陣的形式構成的。針式打印機的主要特點是價格便宜、使用方便，但打印速度較慢、噪聲大,目

58、前多用于票據的打印。噴墨打印機通過向打印機的相應位置噴射墨水點來實現圖像和文字的輸出，其特點是噪聲小、速度快、價格低廉、打印效果好，較受用戶歡迎，但噴墨式打印機使用的紙張要求較高，墨盒消耗較快。激光打印機是激光技術和電子照相技術的復合產物，利用電子成像技術進行打印。激光打印機能輸出分辨率很高的、色彩好的圖形。它的特點是速度快、無噪聲、分辨率高，但價格稍高。6.其他多媒體設備（1）聲卡。聲卡是處理聲音信息的設備，也是多媒體計算機的核心設備。聲卡具有把聲音轉換成相應數字信號，以及再將數字信號轉換成聲音的功能，可以把數字信號記錄到硬盤上及從硬盤上讀取重放。聲卡還具有用來增加播放復合音樂的合成器和外接

59、電子樂器的MIDI接口，這樣就使得多媒體計算機不僅能播放來自光盤的音樂，而且還具有編輯樂曲及混響的功能，并能提供優質的數字音響。（2）麥克風。麥克風，學名為傳聲器，由microphone翻譯而來，也稱話筒、微音器，是將聲音信號轉換為電信號的能量轉換器件。（3）網卡。計算機與外界局域網的連接是通過主機箱內插入的一塊網絡接口板（或者是在筆記本電腦中插入一塊PCMCIA卡）來實現6.其他多媒體設備的。網絡接口板又稱為通信適配器、網絡適配器或網絡接口卡。網卡和局域網之間的通信是通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式進行的。而網卡和計算機之間的通信則是通過計算機主板上的I/O總線以并行傳輸方式進行的。因此網卡的

60、一個重要功能就是進行串行/并行轉換。（4）調制解調器。調制解調器是調制器與解調器的簡稱，用于進行數字信號與模擬信號間的轉換，有人根據modem的諧音親昵地稱其為“貓”。當通過電話聯網時，在計算機和電話之間需要連接一臺調制解調器。通過調制解調器的數模轉換功能可以將計算機輸出的數字信號轉換為適合電話線傳輸的模擬信號，而在接收端再將接收到的模擬信號轉換為數字信號由計算機進行處理。計算機軟件由程序和有關的文檔組成：程序由一系列的指令按一定的結構組成，文檔是軟件開發過程中建立的技術資料。程序是軟件的主體，一般保存在存儲介質中，如硬盤或光盤中，以便在計算機上使用?，F在人們使用的計算機都配備了各式各樣的軟件