1、第1章 计算机基础知识电子计算机是20世纪人类最伟大的发明之一。计算机技术的飞速发展加快了人类进入信息时代的步伐，计算机的广泛应用改变了人类时代的面貌，特别是微型计算机的出现及计算机网络的发展，使计算机进入了普通家庭，改变了人们的生活方式。计算机逐渐成为人们生活和工作中不可缺少的工具，掌握计算机的应用也成为人们必不可少的技能。世界上第一台电子数字式计算机于1946年2月15日在美国宾夕法尼亚大学正式投入运行，它的名称叫ENIAC（埃尼阿克），是电子数值积分计算机（the electronic numberical intergrator and computer）的英文简称。它使用了17 46
2、8个真空电子管，耗电174 kW，占地170 m2，重达30吨，每秒钟可进行5 000次加法运算。虽然它的功能远比不上今天最普通的一台微型计算机，但在当时它已是运算速度的绝对冠军，并且其运算的精确度和准确度也是史无前例的。ENIAC奠定了电子计算机的发展基础，开辟了一个计算机科学技术的新纪元。有人将其称为人类第三次产业革命开始的标志。1.1 计算机的发展历史ENIAC诞生后，数学家冯诺依曼提出了重大的改进理论存储程序原理，主要内容有3点：其一是电子计算机应该以二进制为运算基础；其二是电子计算机应采用“存储程序”方式工作；其三是进一步明确指出了整个计算机的结构应由5个部分组成：运算器、控制器、存
3、储器、输入装置和输出装置。冯诺依曼存储程序原理理论的提出，解决了计算机运算自动化和速度配合问题，对后来计算机的发展起到了决定性的作用。直至今天，绝大部分的计算机还是采用冯诺依曼的方式工作。早期按冯诺依曼体系结构设计的计算机有如下一些：1.1 计算机的发展历史（1）电子离散变量计算机（electronic discrete variable automatic computer，EDVAC）。它是第一个按照存储程序原理设计的计算机，该机1952年投入运行，用于核武器理论计算。（2）电子延迟存储自动计算机（electronic delay storage automatic calculator，
4、EDSAC）。它是第一次实现大型存储程序的计算机，1949年投入运行。（3）通用自动计算机（universal automatic computer，UNIVAC）。1951年作为商品计算机投入使用，开创了用于数据处理的计算机新时代。1.1 计算机的发展历史计算机的发展到目前为止共经历了如下4个时代。（1）从1946年到1959年，这段时期称为“电子管计算机时代”。第一代计算机的内部元件使用的是电子管。由于一部计算机需要几千个电子管，每个电子管都会散发大量的热量，因此，如何散热是一个令人头痛的问题。电子管的寿命最长只有3 000小时，计算机运行时常常发生由于电子管被烧坏而使计算机死机的现象。第
5、一代计算机主要用于科学研究和工程计算。（2）从1960年到1964年，由于在计算机中采用了比电子管更先进的晶体管，所以将这段时期称为“晶体管计算机时代”。晶体管比1.1 计算机的发展历史电子管小得多，不需要暖机时间，消耗能量较少，处理更迅速、更可靠。第二代计算机的程序语言从机器语言发展到汇编语言。接着，高级语言FORTRAN和COBOL相继被开发出来并被广泛使用。这时，开始使用磁盘和磁带作为辅助存储器。第二代计算机的体积和价格都下降了，使用的人也多起来了，计算机工业迅速发展。第二代计算机主要用于商业、大学教学和政府机关。（3）从1965年到1970年，集成电路被应用到计算机中，因此这段时期被称
6、为“中小规模集成电路计算机时代”。集成电路（integrated circuit，IC）是集成在晶片上的一个完整的电子电路，1.1 计算机的发展历史这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。第三代计算机的特点是体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。第三代计算机的代表是IBM公司花了50亿美元开发的IBM 360系列。这一阶段最主要的是在第三代计算机中出现了操作系统，代表着计算机系统的形成和完善。（4）从1971年到现在，被称为“大规模集成电路计算机时代”。第四代计算机使用的元件依然是集成电路，不过，这种集成电路已经大大改善，它包含几十万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路（
7、large scale integrated circuit，LSI）和超大规模集成电路1.1 计算机的发展历史（very large scale integrated circuit，VLSI）。1975年，美国1BM公司推出了个人计算机（personal computer，PC），从此，人们对计算机不再陌生，计算机开始深入人类生活的各个方面。在第四代出现了CPU，使得计算机普及成为现实，计算机开始在各个领域普及应用。1.1 计算机的发展历史（very large scale integrated circuit，VLSI）。1975年，美国1BM公司推出了个人计算机（personal co
8、mputer，PC），从此，人们对计算机不再陌生，计算机开始深入人类生活的各个方面。在第四代出现了CPU，使得计算机普及成为现实，计算机开始在各个领域普及应用。1.1 计算机的发展历史正因为计算机具有诸如运算速度快、精度高、能记忆存储文件等特点，人类才越来越广泛地使用计算机，也更加依赖于计算机。借助于计算机，人们的工作和学习效率有了飞速的提高。针对计算机的众多特点，人们设计了不同种类的计算机，各取所需，以满足人们不同的要求。1.2计算机的特点、分类与应用计算机的特点可以归纳为以下7点，其中前5点为信息技术界共识，属于计算机的基本特点，后两点尚有学者未将其归纳进来。1.支持人机交互计算机具有多种
9、输入输出设备，配上适当的软件后，可支持用户方便地进行人机交互。以广泛使用的鼠标为例，当用户手握鼠标，只需将手指轻轻一点，计算机便可完成某种操作功能，真可谓“得心应手，心想事成”。当这种交互性与声像技术结合形成多媒体用户界面时，更可使用户的操作自然、方便、丰富多彩。2.数据处理速度快1.2.1 计算机的特点计算机由电子器件构成，具有很高的处理速度。目前世界上最快的计算机每秒可运算万亿次，普通PC每秒也可处理上百万条指令。这不仅极大地提高了工作效率，而且使时限性强的复杂处理可在限定的时间内完成。3.数据“记忆”能力强计算机的存储器类似于人的大脑，可以记忆大量的数据和计算机程序，随时提供信息查询、处
10、理等服务。早期的计算机，由于存储容量小，存储器常常成为限制计算机应用的“瓶颈”。今天，一台普通的PC内存可达4 GB以上，能支持运行大多数窗口应用程序。当然，1.2.1 计算机的特点有些数据量特别大的应用，如大型情报检索、卫星图像处理等，仍需要使用具有更大存储容量的计算机，如大型计算机或巨型计算机。4.具有逻辑判断能力逻辑判断是计算机的又一重要特点，是计算机能实现信息处理自动化的重要原因。冯诺依曼型计算机的基本思想，就是将程序预先存储在计算机中。在程序执行过程中，计算机根据上一步的处理结果，能运用逻辑判断能力自动决定下一步应该执行哪一条指令。这样，计算机的计算能力、逻辑判断能力和记忆能力三者相
11、结合，使得计算机的能力远远超过了任何一种工具而成为人类脑力延伸的有力助手。1.2.1 计算机的特点5.很高的计算精度由于计算机采用二进制数字进行计算，因此可以用增加表示数字的设备和运用计算技巧等手段，使数值计算的精度越来越高，可根据需要获得千分之一到几百万分之一的计算精度。6.具有自动控制能力计算机是由程序控制其操作过程的。只要根据应用的需要，事先编制好程序并输入计算机，计算机就能自动、连续地工作，完成预定的处理任务。计算机中可以存储大量的程序和数据。存储程序是计算机工作的一个重要原则，这是计算机能自动处理的基础。1.2.1 计算机的特点7.通用性强计算机能够在各行各业得到广泛的应用，原因之一
12、就是其具有很强的通用性。计算机可以将任何复杂的信息处理任务分解成一系列的基本算术运算和逻辑运算，反映在计算机的指令操作中。按照各种规律要求的先后次序把它们组织成各种不同的程序，存入存储器中。在计算机的工作过程中，这种存储指挥和控制计算机进行自动、快速的信息处理，并且十分灵活、方便、易于变更，这就使计算机具有极大的通用性。1.2.1 计算机的特点计算机的分类方法很多，可从不同角度对其进行分类，如可以按照计算机的体积、速度、处理能力等特性分类，也可根据使用范围、使用方式分类。通常情况下，计算机采用如下3种分类标准：1.按计算机处理对象分类计算机按处理的对象不同可分为电子模拟计算机、电子数字计算机和
13、混合计算机。（1）电子模拟计算机所处理的电信号在时间上是连续的（模拟量），采用的是模拟技术。（2）电子数字计算机所处理的电信号在时间上是离散的（数字1.2.2 计算机的分类量），采用的是数字技术。数字化之后的信息具有易保存、易表示、易计算、方便硬件实现等优点，所以数字计算机已成为信息处理的主流。通常所说的计算机都是指电子数字计算机。（3）混合计算机是将数字技术和模拟技术相结合的计算机。2.按计算机性能规模分类计算机性能规模主要指计算机的体积、速度、处理能力等特性。按性能规模的不同,计算机可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和工作站。（1）巨型机。巨型机的特点是运算速度快、存储容量大，每
14、秒可1.2.2 计算机的分类执行几十亿条指令，可容纳上百个用户同时使用，可同时完成多项任务。研究巨型机是现代科学技术，尤其是国防尖端技术发展的需要。目前世界上只有少数几个国家能生产巨型机。我国自主研发的“银河-”型亿次机、“银河-”型十亿次机和“银河-”型百亿次机都是巨型机，主要用于核技术、空间技术、大范围天气预报、石油勘探等领域。（2）大型机。大型机的特点表现在通用性强、具有很强的综合处理能力、性能覆盖面广等方面，每秒可执行几亿条指令，主要应用在公司、银行、政府部门、社会管理机构和制造厂家等，通常称大型机1.2.2 计算机的分类为企业计算机。大型机在未来将被赋予更多的使命，如大型事务处理、企
15、业内部的信息管理与安全保护、科学计算等。（3）中小型机。中小型机是介于大型机和微型机之间的一种机型，每秒可执行千万条指令。中小型机规模小、结构简单、设计周期短，便于及时采用先进工艺。这类机器可靠性高，对运行环境要求低，易于操作且便于维护。中小型机符合部门性的要求，为中小型企事业单位所常用。（4）微型机。微型机又称为个人计算机，它是日常生活中使用最多、最普遍的计算机，具有价格低廉、性能强、体积小、功耗低等1.2.2 计算机的分类特点，每秒可执行百万条指令。现在微型计算机已进入了千家万户，成为人们工作、生活的重要工具。微型机可分为台式机和便携机两类，便携机又分为笔记本电脑和个人数字助理（俗称掌上电
16、脑）两种。（5）工作站。工作站是一种高档的微机系统，它具有较高的运算速度，具有多任务、多用户功能，且兼具微型机的操作便利性和良好的人机界面，可以连接到多种输入/输出设备，具有易于联网、处理功能强等特点。工作站的应用领域已从最初的计算机辅助设计扩展到商业、金融、办公领域，并充当着网络服务器的角色。1.2.2 计算机的分类3.按功能和用途分类计算机按功能和用途可分为通用计算机和专用计算机。通用计算机具有功能强、兼容性强、应用面广、操作方便等优点，通常使用的计算机都是通用计算机。专用计算机一般功能单一、操作复杂，用于完成特定的工作任务。1.2.2 计算机的分类计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，
17、正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。从应用领域角度分析，大多数教科书上的说法都不完全一致，主要是对领域的划分不一致，但一致认可的是数值计算或科学计算、数据处理、辅助设计、实时控制、人工智能等方面。基于共识，计算机的主要应用领域如下。1.科学计算（或数值计算）科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题是大量和复杂的。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以1.2.3 计算机的应用实现人工无法解决的各种科学计算问题。这是计算机应用最早，也是最成熟的领域。2.数据处理（或信息处理）数据处理是指对各种数据进
18、行收集、存储、整理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动的统称。据统计，80以上的计算机主要用于数据处理，这类工作量大、应用面宽，决定了计算机应用的主导方向。数据处理从简单到复杂已经历了如下3个发展阶段。（1）电子数据处理（electronic data processing，EDP），它1.2.3 计算机的应用是以文件系统为手段，实现一个部门内的单项管理。（2）管理信息系统（management information system，MIS），它是以数据库技术为工具，实现一个部门的全面管理，以提高工作效率。（3）决策支持系统（decision support system，DSS），它是
19、以数据库、模型库和方法库为基础，帮助管理决策者提高决策水平，改善运营策略的正确性与有效性。目前，数据处理已广泛应用于办公自动化、企事业计算机辅助管理与决策、情报检索、图书管理、电影电视动画设计、会计电算化等1.2.3 计算机的应用各行各业。信息正在形成独立的产业，多媒体技术使信息展现在人们面前的不仅是数字和文字，也有声情并茂的声音和图像信息。3.辅助技术（或计算机辅助设计与制造）计算机辅助技术包括CAD、CAM和CAI等。（1）计算机辅助设计（computer aided design，CAD）。（2）计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）。（3）计
20、算机辅助教学（computer aided instruction，CAI）。（4）计算机辅助测试（computer aided testing，CAT）。1.2.3 计算机的应用（5）计算机集成制造系统（computer integreted manufacturing system，CIMS）。4.过程控制（或实时控制）过程控制是利用计算机及时采集检测数据，按最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。采用计算机进行过程控制，不仅可以大大提高控制的自动化水平，而且可以提高控制的及时性和准确性，从而改善劳动条件、提高产品质量及合格率。因此，计算机过程控制已在机械、冶金、石油、化工、纺织、水
21、电、航天等部门得到广泛的应用。1.2.3 计算机的应用5.人工智能（或智能模拟）人工智能（artificial intelligence，AI）是计算机模拟人类的智能活动，诸如感知、判断、理解、学习、问题求解和图像识别等。现在人工智能的研究已取得了不少成果，有些已开始走向实用阶段。例如，能模拟高水平医学专家进行疾病诊疗的专家系统和具有一定思维能力的智能机器人等。6.网络应用计算机技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，不仅解决了一个单位、一个地区、一个国家中计算机与计算机之间的通信，各种软、硬件资源的共享，也大大促进了国际间的文字、图像、视频和声音等各类数据的传输与处理。1
22、.2.3 计算机的应用在介绍了计算机的诞生、发展及特点之后，相信读者已经对计算机有了一个初步和感性的认识。计算机系统是一个庞大且纷繁复杂的组织结构，但也有其规律可循，下面逐一详细介绍，以使读者对计算机有一个全面和深入的认识。1.3 计算机的系统组成如今的计算机已发展成为一个庞大的家族，其中的每个成员，尽管在规模、性能、结构和应用等方面存在着很大的差别，但它们的基本结构是相同的。计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分：硬件系统由中央处理器、内存储器、外存储器和输入/输出设备等组成；软件系统分为两大类，即计算机系统软件和应用软件。计算机通过执行程序而运行，在其运行时软硬件协同工作，二者缺一不可。
23、计算机系统的组成框架如图1-1所示。如果将计算机看作一个人，那么硬件系统就是其物质组成，软件系统则是其灵魂，二者有机结合，使计算机稳定地发挥其功能，帮助人们解决各种难题。下面按照图1-1所示的计算机系统组成分类进行介绍。1.3.1 计算机系统概述如今的计算机已发展成为一个庞大的家族，其中的每个成员，尽管在规模、性能、结构和应用等方面存在着很大的差别，但它们的基本结构是相同的。计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分：硬件系统由中央处理器、内存储器、外存储器和输入/输出设备等组成；软件系统分为两大类，即计算机系统软件和应用软件。计算机通过执行程序而运行，在其运行时软硬件协同工作，二者缺一不可。计
24、算机系统的组成框架如图1-1所示。如果将计算机看作一个人，那么硬件系统就是其物质组成，软件系统则是其灵魂，二者有机结合，使计算机稳定地发挥其功能，帮助人们解决各种难题。下面按照图1-1所示的计算机系统组成分类进行介绍。1.3.1 计算机系统概述1.计算机硬件系统硬件系统是构成计算机的物理装置，是指在计算机中看得见、摸得着的有形实体。1945年，在计算机的发展史上做出杰出贡献的著名应用数学家冯诺依曼与其他专家为改进ENIAC，提出了一个全新的存储程序的通用电子计算机方案，规定了新机器由5个部分组成：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入设备和输出设备，并描述了这5个部分的职能和相互关系。新的计算机与
25、ENIAC相比有两个重大改进：一是采用二进制；二是提出了“存储程序”的设计思想，即用存储数据的同一装置存储执行运算的命令，使程序的执行可自动地从一条指令进入下一条指令。（1）计算机的指令系统。指令是能被计算机识别并执行的二进制1.计算机硬件系统，它规定了计算机能完成的某一种操作。一条指令通常由操作码和操作数两部分组成。操作码指明该指令要完成的操作，如存数、取数等。操作码的位数决定了一个机器指令的条数。当使用定长度操作码格式时，若操作码位数为n，则指令可有2n条。操作数是指操作对象的内容或者所在的单元格地址。操作数在大多数情况下是03位的地址码，从地址码得到的仅是数据所在的地址，可以是源操作数的
26、存放地址，也可以是操作结果的存放地址。（2）计算机的工作原理。计算机的工作过程实际上是快速执行指令的过程。在此过程中，有两种信息在流动：一种是数据流，另一种1.计算机硬件系统是控制流。数据流指原始数据、中间结果、结果数据、源程序等。控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令，用于指挥各部件的协调工作。计算机的指令执行过程分为如下几个步骤：取指令。从内存储器中取出指令送到指令寄存器。分析指令。对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电信号，并由地址码确定操作数的地址。执行指令。由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，
27、以完成该指令规定的各种操作。1.计算机硬件系统下一步准备。形成下一条指令的地址，指令计数器指向存放下一条指令的地址，最后控制单元将执行结果写入内存，为执行下一条指令做准备。完成上述一条指令的执行过程称为一个“机器周期”，如图1-2所示。1.计算机硬件系统计算机在运行时，CPU从内存读取一条指令到CPU内执行，执行完毕后，再从内存读取下一条指令到CPU内执行。CPU就这样不断地取指令、分析指令、执行指令及取下一条指令。计算机的工作就是执行程序，即自动、连续地执行一系列指令，而程序开发人员的工作就是编制程序，使计算机不断地工作。2.计算机软件系统软件系统是计算机所运行的全部程序的总称。软件是计算机
28、的灵魂，是发挥计算机功能的关键。可以说软件是用户与计算机的接口，正是有了内容丰富、种类繁多的软件，人们才不必过多地了解机器本身的结构与原理，才可以方便、灵活地使用计算机，从而使计算机有效地为人类服务。计算机系统的软件分为系统软件和应用软件两类。系统软件一般包括操作系统、语言编译程序、数据库管理系统等；应用软件是为某一特定应用而开发的软件，如文字处理软件、表格处理软件、绘图软件、财务软件、过程控制软件等。硬件是计算机运行的物质基础，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精度和可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。在上一节概述中了解到计算机采用了存储程序和程序控制原理冯诺依曼原理，这个概念被誉为
29、计算机史上的一个里程碑。按照冯诺依曼原理设计制造的计算机称为冯诺依曼机。概括来讲，冯诺依曼结构有3条重要的设计思想：计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成，每个部分均有一定的功能；以二进制的形式表示数据和指令；程序预先存入存储器中，使计算机在工作中能自动地从存储器中取出程序指令并加以执行。现在使用的计算机的硬件系统一直沿用冯诺依曼结构。各种信息通过1.3.2 计算机硬件系统的组成输入设备进入计算机存储器，再通过各种线路、电路传送到运算器，运算器运算完毕后把结果送到存储器存储，最后信息通过输出设备显示出来，整个过程由控制器进行全程控制。计算机的整个工作过程和基本硬件结构
30、如图1-3所示。计算机的硬件由主机和外部设备组成：主机由CPU、内存储器、总线系统构成；外部设备由输入设备、外存储器、输出设备组成。现今广泛应用的微型计算机把运算器和控制器集成在一片芯片上，称为CPU。输入/输出设备简称I/O设备。1.3.2 计算机硬件系统的组成1.3.2 计算机硬件系统的组成1.CPUCPU是计算机的核心部件，它完成计算机的运算和控制功能，包括运算器和控制器两个部分。运算器又称算术逻辑单元（arithmetic and logic unit，ALU），其主要功能是完成对数据的算术运算、逻辑运算和逻辑判断等操作。控制单元（control unit，CU）是整个计算机的指挥中心
31、，其根据事先给定的命令，发出各种控制信号，指挥计算机各部分工作。控制器的工作是从内存储器中取出指令并进行分析与判断，根据指令发出控制信号，使计算机的有关设备有条不紊地协调工作，在程序的作用下，保证计算机能自动、连续地工作。图1-4所示为一款CPU的外形。1.CPUCPU主要性能指标如下：（1）主频。主频又称时钟频率，用来表示CPU运算、处理数据的速度，单位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz）。如今CPU的主频已经达到4.0 GHz甚至更高。CPU的主频外频倍频系数，主频和实际的运算速度存在一定的关系，但并不是一个简单的线性关系，所以CPU的主频与CPU实际的运算能力是没有直接关系的，主频表示在C
32、PU内数字脉冲信号振荡的速度。CPU的运算速度还取决于CPU的流水线、总线等各方面的性能指标，因此主频只是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。（2）外频。外频是CPU的基准频率，单位是MHz。1.CPUCPU的外频决定着整块主板的运行速度。（3）前端总线频率。前端总线（FSB）频率（即总线频率）直接影响CPU与内存数据交换的速度。数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率，即数据带宽(总线频率数据位宽)8。例如，一款数据位宽为64位、前端总线频率是800 MHz的CPU，按照公式，它的数据传输最大带宽是6.4 GB/s。（4）CPU的位和字长。位。在数字电路和计算
33、机技术中采用二进制，代码只有“0”和“1”，其中无论是“0”还是“1”，在CPU中都是 1“位”。字长。计算机技术中将CPU在单位时间内(同一时间)能一次性1.CPU处理的二进制数的位数称为字长。例如，能处理字长为8位数据的CPU通常就称为8位CPU，同理32位的CPU能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。（5）缓存。缓存是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再
34、到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于考虑到CPU芯片面积和成本的因素，因此一般缓存都很小。CPU的缓存目前分为三级，分别是L1 cache(一级缓存)（即CPU）、L2 cache(二级缓存)和L3 cache(三级缓存)。2.存储器存储器（memory）是计算机存储信息的“仓库”，分为两大类：内存储器和外存储器。存储器是具有记忆能力的部件，用来存储程序和数据。（1）内存储器。计算机内存储器简称内存，是直接与CPU相联系的存储设备，是微型计算机工作的基础。为了便于对存储器内存放的信息进行管理，整个内存被划分成许多存储单元，每个存储单元都有一个编号，此编号称为地址（address）。
35、地址与存储单元为一对一的关系，是存储单元的唯一标志。存储单元的地址、存储单元和存储单元的内容是3个不同的概念，地址相当于旅馆的房间编号，存储单元相当于旅馆的房间，存储单元的内容相当于房间中的旅客。在2.存储器存储器中，CPU对存储器的读写操作都是通过地址来进行的。通常内存储器分为只读存储器、随机存储器和高速缓冲存储器3类，下面分别予以介绍。只读存储器。只读存储器（read only memory，ROM）是指只能从该设备中读数据，而不能向里面写数据的存储器。ROM中的数据是由设计者和制造商事先编制好固化在里面的一些程序，使用者不能随意更改。ROM主要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基本的输
36、入/输出（I/O）控制程序，如存储BIOS参数的CMOS芯片。ROM的特点是计算机断电后存储器中的数据仍然存在。随机存储器。随机存储器（random access memory,RAM）2.存储器允许按任意指定地址的存储单元随机地读出或写入数据。一切要执行的程序和数据都要先装入该存储器内。CPU在工作时直接从RAM中读数据，而RAM中的数据来自外存，并随着计算机的工作随时变化。RAM主要有两个特点：一是存储器中的数据可以反复使用，只有向存储器写入新数据时其中的内容才被更新；二是RAM中的信息随着计算机的断电而自然消失，所以RAM是计算机处理数据的临时存储区，要想使数据长期保存起来，必须将数据保
37、存在外存中。微型计算机中的RAM大多采用半导体存储器，基本上是以内存条的形式进行组织，其优点是扩展方便，用户可根据需要随时增加内存。2.存储器目前常见的内存条容量有2 GB、4 GB、8 GB等，外形如图1-5所示。其按用途分为两种，即分别用于笔记本式计算机和台式机的内存条，使用时只要将其插在主板的内存插槽上即可。高速缓冲存储器。随着微型计算机CPU速度的不断提高，RAM的速度越来越难以满足高速CPU的要求，一般情况下，读/写系统内存均要加入等待时间，这对高速CPU来讲是一种极大的浪费，解决的办法就是采用高速缓冲存储器（cache）技术。2.存储器cache是指在CPU与内存之间设置的一级或两
38、级高速、小容量存储器，称为高速缓冲存储器，固化在主板上。在计算机工作时，系统先将数据由外存读入RAM中，再由RAM读入cache中，然后CPU直接从cache 中取数据进行操作。通常，cache的容量为32256 KB，存取速度为15 35 ns（纳秒），而RAM的存取速度一般要大于80 ns。（2）外存储器。外存储器（简称外存）,又称辅助存储器，主要用于保存暂时不用但又需长期保留的程序或数据。存放在外存中的程序必须调入内存才能运行，外存的存取速度相对来说较慢，但价格比较便宜，可保存的信息量大。常用的外存有硬盘、光盘、U盘等。硬盘。硬盘存储器简称硬盘（hard disk），由电动机和硬盘2.存
39、储器组成，一般置于主机箱内,其外形及结构如图1-6所示。硬盘具有磁盘容量大、存取速度快、可靠性高等优点，是目前最重要的外存储器。硬盘是由涂有磁性材料的磁盘片组成的，用于存放数据。硬盘是一个非常精密的机械装置，磁道间只有百万分之几厘米的间隙，磁头传动装置必须把磁头快速而准确地移到指定的磁道上。除了安装在计算机内的硬盘，现在也流行将硬盘封装在硬盘盒内，用USB接口与计算机连接，即插即用，称为移动硬盘。2.存储器硬盘的基本参数包括容量、转速、尺寸、接口类型和传输速率等。容量是硬盘最主要的参数。硬盘的容量以兆字节（MB）或吉字节（GB）为单位，1 GB=1 024 MB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常
40、取1 GB=1 000 MB，因此在BIOS中或在格式化硬盘时看到的容量会比厂家的标称值小。近两年主流的硬盘容量是500 GB、1 TB和2 TB。转速是硬盘内电动机主轴的旋转速度，也就是硬盘盘片在一分钟内所能完成的最大转数。转速是决定硬盘内部传输率的关键因素之一，在很大程度上直接影响着硬盘的速度。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快，相应地硬盘的传输速度也就得到了提高。硬盘2.存储器转速以每分钟多少转（r/min）来表示。家用普通硬盘的转速一般有5 400 r/min和7 200 r/min等；服务器用户对硬盘性能要求最高，服务器中使用的SCSI硬盘转速基本都采用10 000 r/mi
41、n，甚至还有15 000 r/min的，性能要超出家用产品很多。硬盘的数据传输率是指硬盘读写数据的速度，单位为兆字节每秒（MB/s）。硬盘数据传输率又包括了内部数据传输率和外部数据传输率。内部数据传输率也称持续传输率，它反映了硬盘缓冲区未用时的性能，主要依赖于硬盘的旋转速度。外部数据传输率也称接口传输率，它标称的是系统总线与硬盘缓冲区之间的数据传输率，外部数据传输率与硬盘接口类型和硬盘缓存的大小有关。2.存储器硬盘接口是指硬盘连接计算机设备的接口，从整体的角度上，硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道4种。IDE接口硬盘多用于家用产品中，部分应用于服务器，SCSI接口硬盘则主要应用于
42、服务器市场，而光纤通道硬盘只用在高端服务器上，价格昂贵。使用SATA（serial ATA）口的硬盘又称串口硬盘，是未来PC硬盘的趋势。ATA采用串行连接方式，串行ATA总线使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比，其最大的区别在于能对传输指令进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。在IDE和SCSI的大类别下，又可以分出多种具体的接口类型，又各自拥有不同的技术规范，2.存储器具备不同的传输速度。（2）光盘、光盘驱动器与刻录机。光盘是以光信息作为存储物的载体，用来存储数据的一种外存类型，分为不可擦写光盘（如C
43、DROM、DVDROM等）和可擦写光盘（如CDRW、DVDRAM等）。不可擦写光盘可以由用户写信息，但只能写一次，之后将永久存在盘上不可修改。可擦写型光盘类似于磁盘，可以重复读写，它的材料是磁光材料，与只读型光盘有很大不同。目前微型计算机中常用的是DVDROM。光盘的主要特点是存储容量大、可靠性高。一张CDROM的容量可达600 MB，而DVDROM的容量可达4.7 GB。只要存储介质不发生问题，光盘上的信息就永远存在。2.存储器光盘驱动器即光驱，是利用光学方式进行读写信息的存储设备，是台式机里比较常见的大容量的数据存储设备和高品质的音源设备，分为内置光驱和外置光驱两种。刻录机则是可以对光盘进
44、行写入，将用户希望保存的数据写入光盘介质的设备，分为内置刻录机和外置刻录机两种。早期的光驱只能读取光盘的信息，随着多媒体技术的发展，现在大部分光驱都已和刻录机整合，具有了光盘读写功能，光驱在台式机诸多配件中已经成为标准配置。（3）U盘。U盘又称优盘，全称“USB闪存盘”。它是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，可以通过USB接口与计算机连接，实现即插即用。2.存储器U盘的组成很简单：外壳、机芯和闪存。U盘最大的优点是：小巧便于携带、存储容量大、价格便宜、性能可靠、读写时断开而不会损坏硬件。U盘体积很小、重量极轻，特别适合随身携带，可以把它挂在胸前、吊在钥匙串上，甚至放进钱包
45、里。另外，U盘还具有防潮防磁、耐高低温等特性，安全可靠性很好。这些优点使得U盘非常适合用来从某地把个人数据或是工作文件携带到另一地。3.主板计算机主板又称主机板(mainboard)、系统板(system board)或母板(motherboard)，它安装在机箱内，是计算机最基本的也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有CPU插座、内存插槽、总线扩展槽、芯片组、I/O控制芯片、电源插槽和其他扩展插槽等元件。图17所示为主板的外形和其上相应的硬件和插槽。3.主板3.主板主板采用开放式结构，通过各种扩展插槽可以更换其插卡，对计算机硬件进行局部升级，使
46、厂家和用户在配置机型方面有更大的灵活性。总之，主板在整个微机系统中扮演着举足轻重的角色。可以说，主板的类型和档次决定着整个微机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个微机系统的性能。主板上的元件大都采用表面安装工艺（surface mounted technology，SMT）焊接，大大提高了主板的可靠性。下面主要介绍主板上较重要的几个部分。（1）芯片组。主板上除了安装CPU外还安装有各种芯片，包括BIOS芯片、南北桥芯片和RAID控制芯片。BIOS芯片是可以写入的，方便用户更新BIOS的版本，以获取更好的性能及对计算机最新硬件3.主板的支持。南北桥芯片则主要负责处理CPU、内存、显卡三者间的通
47、信和硬盘等存储设备和PCI之间的数据流通。芯片组在很大程度上决定了主板的功能和性能。RAID控制芯片可支持由多个硬盘组成各种RAID模式。（2）总线。目前计算机系统普遍采用总线结构作为计算机各部件之间的通信线。各类外部设备和存储器都是通过各自的接口电路连接到计算机系统总线上的。计算机系统总线大致可分为地址总线、数据总线和控制总线3种。地址总线是计算机用来传送地址的信号线，其数目决定了计算机直接寻址的范围。例如，16根地址线，可以构成216=65 536个3.主板地址，可直接寻址64 KB地址空间。数据总线是计算机用来传送数据和代码的总线，一般为双向信号线，可以进行两个方向的数据传送。通常数据总
48、线的位数与微机的字长相等。如32位的CPU芯片其数据总线也是32位。控制总线用来传送控制器发出的各种控制信号和时序信号，其中控制信号包括用来实现命令、状态传送、中断请求、直接对存储器存取的控制，时序信号提供系统使用的时钟和复位信号等。（3）扩展槽部分。内存插槽：内存插槽一般位于CPU插座下方，用于安装内存条。IDE插槽：用于连接硬盘和光驱等数据设备。3.主板AGP插槽：颜色多为深棕色，位于北桥芯片和PCI插槽之间，主要用于安装AGP显卡。PCI插槽：多为乳白色，是现在主板必备的主流插槽，可以安装modem、声卡、网卡等设备。（4）主板接口。计算机主板除提供扩展槽外，还提供其他接口，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：又称COM接口，目前大多数主板都提供了两个COM接口，分别为COM1和COM2，作用是连接串行鼠标和外置modem等设备。并行接口：又称LPT接口，一般用来连接打印机或扫描仪等外设。3.主板并行接口具有传输速度快、效率高等优点，适合于对数据传输率要求较高而传输距离较近的场合。USB接口：又称通用串行总线，是一种新型接口标准，是现在最为流行的接口。USB可以实现计算机只通过一个USB接口即可串接多种外设的作用，最多可以支持127个外设，并且可以独立供电。一个USB接口可同时支持高速和低速USB外设的访问，由一条四芯电缆连接，其中两条是正负电源，
50、另外两条是数据传输线。PS/2接口：PS/2接口的功能比较单一，仅能用于连接键盘和鼠标。PS/2接口的传输速率比COM接口稍快一些，但目前逐渐被USB接口取代。3.主板并行接口具有传输速度快、效率高等优点，适合于对数据传输率要求较高而传输距离较近的场合。USB接口：又称通用串行总线，是一种新型接口标准，是现在最为流行的接口。USB可以实现计算机只通过一个USB接口即可串接多种外设的作用，最多可以支持127个外设，并且可以独立供电。一个USB接口可同时支持高速和低速USB外设的访问，由一条四芯电缆连接，其中两条是正负电源，另外两条是数据传输线。PS/2接口：PS/2接口的功能比较单一，仅能用于连
