《计算机系统》课件.ppt

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1、1,大学计算机基础教程,云南财经大学信息学院 编著,2,第1章计算机系统,3,本章提要：本章主要介绍了计算机系统的基本组成；主板的功能；CPU的构成部件、各部件功能、CPU主要性能指标；ROM与RAM的功能、内存的主要性能指标、存储容量的表示；显卡、声卡、网卡的主要功能；显示器的种类及主要性能指标；硬盘存储容量的计算及主要性能指标；光盘及U盘的特点；系统软件与应用软件的特点；冯诺依曼机型的主要特征；计算机的存储程序工作原理；访存的局部性原理；采用高速缓冲存储器(Cache)的目的；三级存储体系；数值数据在计算机中的表示；西文字符在计算机中的表示（ASCII码）；汉字在计算机中的表示等；,4,1

2、.1 计算机系统的基本组成,一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。如图1.1所示。,图1.1 计算机系统逻辑结构图,5,1.1.1 计算机硬件系统 计算机硬件系统就是我们所看到的实际物理设备，由主机和外部设备组成。1.主机设备 主机设备是指电脑机箱内所有的设备，它可以分为主机板部分、驱动器部分、接口卡部分。（1）主机板部分 主机板部分是微型计算机机箱内最重要的部分，包括主机电路板（主板）、CPU、内存、机箱和电源。主板：又叫主机电路板、系统板。它安装在机箱内，是微型计算机最基本的也是最重要的部件之一。它是一块印刷电路板，其功能是将中央处理单元（CPU）、只读存储器（ROM）、随

3、机存储器（RAM）、输入输出（I/O）控制电路、扩充插槽、面板控制开关和指示灯等部分有机地联接在一起。主板示例图如图1.2,6,图1.2 微型计算机主板图片,7,主板上一般有3-8个扩展插槽，供微型计算机外围设备的控制卡插接。通过更换这些插卡，可以对微型计算机进行局部升级，使用户在配置机型方面有更大的灵活性。主板在整个微型计算机系统中扮演着非常重要的角色，主板的类型和档次决定着整个微型计算机系统的类型和档次，主板的性能影响着整个微型计算机系统的性能。目前生产主板的企业有多家,各厂家主板的构成又不一致。有的用扩展插槽外接声卡和网卡，有的则将声卡和网卡集成在主板上（图1.2就是将声卡和网卡集成在主

4、板上）。有的主板只能使用特定的CPU，如带有Intel芯片组的主板，只能使用Intel的CPU。带有AMD芯片组的主板，只能使用AMD的CPU等。,8,中央处理器（Central Processing Unit）,简称 CPU。由运算器和控制器组成，分别由运算电路和控制电路实现。是任何计算机系统中必备的核心部件。运算器是对数据进行加工处理的部件，它在控制器的作用下与内存交换数据，负责进行各类基本的算术运算、逻辑运算和其他操作。运算器由算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）、累加器、状态寄存器和通用寄存器等组成。ALU是用于完成加、减、乘、除等算术运算，与、或、非等逻

5、辑运算以及移位、求补等操作的部件。控制器是整个计算机系统的指挥中心，负责对指令进行分析，并根据指令的要求，有序地、有目的地向各个部件发出控制信号，使计算机的各部件协调一致地工作。控制器由指令指针寄存器、指令寄存器、控制逻辑电路和时钟控制电路等组成。寄存器是CPU的一个重要组成部分，是CPU内部的临时存储单元。寄存器既可以存放数据和地址，又可以存放控制信息或CPU工作的状态信息。,9,CPU档次的高低，直接决定了一个计算机系统的档次。反映CPU档次的最重要指标是主频和数据传送的位数（字长）。主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度。主频说明了CPU的工作速度，一般来说，主频越高，

6、CPU的运算速度越快。常用的CPU主频有1.5GHz、2.0GHz、2.4GHz等。CPU传送数据的位数是指计算机在同一时间能同时并行传送的二进制信息位数。人们常说的16位机、32位机和64位机，是指该计算机中的CPU可以同时处理16位、32位和64位的二进制数据。286机是16位机，486机是32位机，Pentium机是64位机。随着型号的不断更新，微型计算机的性能也不断提高。,10,图1.3 CPU图片(正反两面),11,双核处理器 计算机处理性能的提升依赖于处理器主频的提升，随着CPU主频的不断加大和工艺线宽的不断缩小，使得处理器散热等问题日益严重，单纯的主频提升已经遭遇瓶颈，而双核心技

7、术的引入是提高处理器性能另一个行之有效的途径。双核处理器就基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心，就是将两个物理处理器核心整合在一个内核之中。核心之间以芯片速度通信，降低了处理器之间的延迟。双核CPU所具备的两个物理核心是相对独立的，每个核心都可以拥有独立的高速缓存、寄存器、运算单元，可以使两个独立进程互不干扰。这将大大提升处理器的工作效率。双核处理器典型的代表是AMD公司的双核处理器。它是将两个内核做在一个晶元上，通过超传输技术让CPU内核直接跟外部I/O相连的直连架构和集成内存控制器技术，使得每个内核都有自己的高速缓存和专用输入输出通道，没有资源争抢的问题，集成度更高。,

8、12,内部存储器 存储器按功能可分为主存储器（简称主存或内存）和辅助存储器（简称辅存或外存）。主存是相对存取速度快而容量小的一类存储器，辅存则是相对存取速度慢而容量很大的一类存储器。存储器最主要的性能指标有存取时间和存储容量。数据存入存储器的操作叫写操作，从存储器取出数据的操作叫读操作，从存储器接收到读（或写）申请命令到从存储器读出（或写入）数据所需的时间称为存储器的存取时间，时间越短，速度就越快。一个存储器中所包含的字节数称为该存储器的容量，简称存储容量。存储容量通常用KB、MB、GB或TB表示，其中B是字节（Byte），并且1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB，1

9、TB1024GB。例如，640KB就表示6401024=655360个字节。,13,主存储器，也称为内部存储器（简称内存），内存直接与CPU相连接，是计算机中主要的工作存储器，当前运行的程序与数据存放在内存中。内部存储器按其工作方式的不同，可以分为随机存取存储器（简称随机存储器或RAM）和只读存储器（简称ROM）。随机存储器。随机存储器允许随机的按指定内存单元的地址从内存单元中取出或向该内存单元写入数据（简称对内存单元的读写），这一特性使得其对任何地址的存取时间都是相同的。由于信息是通过电信号写入RAM的，所以断电时RAM中的信息就会丢失。,14,图1.4 内存图片,15,计算机工作时使用的程

10、序和数据等都存储在RAM中，所以在完成处理任务时，应将这些工作的程序或数据存储到外存储器中，否则关机后信息就会丢失。我们通常所说的内存大小就是指RAM的大小，一般以MB为单位。只读存储器。只读存储器是只能读出而不能随意写入信息的存储器。在制造ROM的时候，就将一些常规信息存入ROM并永久保存。这些信息只能读出而不能写入。当计算机断电后，ROM中的信息不会丢失。当计算机重新被加电后，其中的信息保持原来的不变，仍可被读出。,16,机箱和电源 机箱是计算机的外壳，从外观上分为卧式和立式两种。机箱一般包括外壳、用于固定软硬驱动器的支架、面板上必要的开关、指示灯和显示数码管等。通常在主机箱的正面都有电源

11、开关Power和Reset按钮，Reset按钮用来重新启动计算机系统（有些机器没有Reset按钮）。电源是微型计算机的供电系统，用来给主机及其他的外部设备提供电源。（2）驱动器部分 驱动器部分是驱动存储介质的电路。是辅助存储器的驱动装置。包括软盘驱动器，硬盘驱动器，光盘驱动器等。除了硬盘驱动器与硬盘装于一体外，其它驱动器都是与存储介质分开的。,17,（3）接口卡部分 包括显卡、声卡、网卡。显卡 显卡又称为视频卡、图形卡、显示适配器等。它是主机与显示器之间连接的部件，其作用是控制计算机的图形输出，将CPU送来的影像数据处理成显示器认识的格式，再送到显示器形成图像。显卡主要由显示主芯片(即图形处理

12、芯片Graphic Processing Unit)、显存、数模转换器(RAMDAC)及其它附属部件组成。显示主芯片是显示卡的核心，它负责了显卡绝大部分的计算工作。在整个显卡中，显示主芯片负责处理由计算机发来的数据，最终将产生的结果显示在显示器上。显示主芯片的处理速度越快，性能就越好。显卡的另一个主要性能指标是显存的大小。显存容量是显卡本身存储的容量数，这是选择显卡的重要参数之一。显存容量的大小决定着显存临时存储数据的能力，在一定程度上也会影响显卡的性能，从而影响显示速度等。显存容量从早期的512KB、1MB、2MB等，发展到8MB、12MB、16MB、32MB、64MB，一直到目前主流的12

13、8MB、256MB和高档显卡的512MB，某些专业显卡甚至已经具有1GB的显存了。,18,图1.5 显示卡图片,19,声卡 声卡(Sound Card)是多媒体技术中最基本的组成部分，是实现声波数字信号相互转换的部件。声卡的基本功能是把来自话筒、光盘等的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器等声响设备，或通过音乐设备数字接口(MIDI)使乐器发出美妙的声音。声卡的工作原理很简单，就是实现声音设备处理的模拟信号与计算机处理的数字信号进行相互转换，完成输入的声音数据存入到计算机内和将计算机处理的声音数据输出到声音设备。从结构上分，声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分,模数转换电路负责将麦克

14、风等声音输入设备采到的模拟声音信号转换为电脑能处理的数字信号；而数模转换电路负责将电脑使用的数字声音信号转换为喇叭等设备能使用的模拟信号。,20,图1.6 内置独立声卡图片,21,网卡 网卡也叫“网络适配器”，英文全称为“Network Interface Card”，简称“NIC”，它是使计算机相互联网的设备。网卡插在计算机主板插槽中，其作用主要有两个：一是将计算机的数据发送到网络上去；二是接收网络上其它设备传过来的数据，发送到所在的计算机中。它的基本功能为：并行与串行的数据转换、包的装配和拆装、网络存取控制、数据缓存等。它的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等。目前主要是16位网卡

15、。网卡具有网卡驱动程序和I/O系统两部分。驱动程序使网卡和网络操作系统兼容，实现计算机与网络的通信。I/O系统可以通过数据总线实现计算机和网卡之间的通信。网卡是计算机网络中最基本的元素。在计算机网络中的每台计算机只有通过网卡才能与其它计算机进行通信。,22,图1.8 内置独立网卡图片,23,2.外部设备 外部设备简称外设，是指计算机所外接的设备，包括输入设备、输出设备和辅助存储器。（1）输入设备 计算机中常用的输入设备是键盘、鼠标。键盘 键盘是目前实现数据输入的主要设备，键盘通过一根五芯电缆连接到主机的键盘插座内，其内部有专门的微处理器和控制电路，当操作者按下任一键时，键盘内部的控制电路产生一

16、个代表这个键的二进制代码，然后将此代码输入主机内部，操作系统就知道用户按下了哪个键，实现了数据的输入过程。现在的键盘通常有101键键盘和104键键盘两种，较常用的是104键键盘。,24,图1.9 键盘图片,25,鼠标 鼠标也是一种常用的输入设备，鼠标可以方便准确地移动光标进行定位，因其外形酷似老鼠而得名。根据结构的不同，鼠标可分为机械式和光电式两种：机械式鼠标：其底部有一个橡胶小球，当鼠标在水平面上滚动时，小球与平面发生相对转动而控制光标移动。光电式鼠标：其对光标进行控制的是鼠标底部的两个平行光源，当鼠标在特殊的光电板上移动时，光源发出的光经反射后转化为移动信号，控制光标移动。,26,图1.1

17、0 鼠标图片,27,（2）输出设备 计算机常用的输出设备为显示器和打印机。显示器 显示器是计算机系统最常用的输出设备，其作用是将计算机处理的结果以显示的方式提供给使用者。它的类型很多，根据显像管的不同可分为三种类型：阴极射线管（CRT）、发光二极管（LED）和液晶（LCD）显示器。阴极射线显示器要用电子枪，在枪和屏幕之间需有一定距离，因此这种显示器外形比大，故常用于台式机；发光二极管显示器常用于单板机；液晶显示器使用液晶在背景屏幕上形成字符和图像，体积相对较小，故常用于笔记本电脑，目前许多台式机也配用液晶显示器。,28,图1.11 左图为CRT显示器图片，右图为液晶显示器图片,29,衡量显示器

18、好坏主要有两个重要指标：一个是分辨率；另一个是像素点距。每平方英寸上的像素数的多少称为分辨率,分辨率越高,图像的清晰度就越好。现在常用的分辨率有：800600、1024768、12801024、16001200等。1024768(786432个像素点)的屏幕就比800600(480000个像素点)的分辨率高。屏幕上相邻像素间的距离称像素点距。像素越密集、点距越小，则图像的清晰度和分辨率越高。一般点距小于等于0.28毫米的屏幕性能较好。,30,打印机 打印机也是计算机系统中常用的输出设备，其作用是将计算机处理的结果以打印的方式提供给使用者。目前我们常用的打印机有点阵式打印机、喷墨打印机和激光打印

19、机三种。点阵打印机：又称为针式打印机，有9钟和24针两种。针数越多，针距越密，打印出来的字就越美观。针打的主要优点是：价格便宜、维护费用低，可复写打印，适合于打印蜡纸。缺点是：打印速度慢、噪声大、打印质量稍差。目前针式打印机主要应用于银行、税务、商店等的票据的复写打印。喷墨打印机：它是通过喷墨管将墨水喷射到普通打印纸上而实现字符或图形的输出，主要优点是：打印精度较高、噪声低、价格便宜；缺点是：打印速度慢，由于墨水消耗量大，使日常维护费用高。,31,激光打印机：激光打印机是近年来发展很快的一种输出设备，由于它具有精度高、打印速度快、噪声低等优点，已越来越成为办公自动化的主流产品。其缺点是价格较高

20、，但随着激光打印机的普及，其价格也将大幅度下降。激光打印机的一个重要指标就是DPI（每英寸点数），即分辨率。分辨率越高，打印机的输出质量就越好。,图1.12 左、中、右图分别为针式、喷墨和激光打印机图片,32,（3）辅助存储器 也称为外存储器（简称外存），内部存储器虽然速度快，但缺点是在断电后存储里面的数据就会丢失。因此，在关闭计算机前，必须将处理的数据存入外部存储器。外部存储器在断电后仍能保持里面存储的数据。另一特点是容量大，缺点是速度慢。计算机执行程序和加工处理数据时，外存中的数据按数据块或数据组先送入内存后才能使用，即计算机通过外存与内存不断交换数据的方式使用外存中的数据。常用的辅助存储

21、器主要有软磁盘、硬磁盘、光盘和微盘。外部存储器既是输入设备，也是输出设备。软盘：目前使用的软盘是3.5英寸盘（简称3寸盘），属于磁介质。存储容量一般为1.44M。一个完整的软盘存储系统是由软盘、软盘驱动器和软驱适配卡组成。软盘只能存储数据，如果要对它进行读出或写入数据的操作，还必须有软盘驱动器。由于软盘容量小，速度慢，且易损坏等，现已较少使用。,33,图1.13 软盘图片,34,硬盘：从数据存储原理和存储格式上看，硬盘与软盘完全相同。但硬盘的磁性材料是涂在金属、陶瓷或玻璃制成的硬盘基片上，而软盘的基片是塑料的。硬盘相对软盘来说，主要是存储空间比较大，现在的硬盘容量已在40GB以上。硬盘大多由多

22、个盘片组成，此时，除了每个盘片要分为若干个磁道和扇区以外，多个盘片表面的相应磁道将在空间上形成多个同心圆柱面。通常情况下，硬盘与硬盘驱动器同为一体，安装在计算机的主机箱中，但现在已出现一种移动硬盘。这种移动硬盘通过USB接口和计算机连接，方便用户携带大容量的数据。,35,图1.14 硬盘（与驱动器合为一体）图片,36,硬盘是由若干个盘片叠加在一起构成的，每个盘片有正反两个存储面，每个存储面有若干个磁道，每个磁道有若干个扇区，如图1.15所示。,图1.15 硬盘的磁道与扇区示意图,37,硬盘的每个存储面对应有一个磁头进行读写。硬盘存储容量计算公式为：硬盘容量磁头数每盘面上的磁道数扇区数512字节

23、。例如，Maxtor6Y080L0硬盘的磁头数为16、每盘面上的磁道数为158816、每磁道上的扇区数为63，则其总容量的计算方法为：1615881663512=81964302336字节。由于lKB=1024B、1MB=1024KB、1GB=1024MB，所以这个硬盘的容量为：81964302336字节/1024/1024/1024=76.33GB。硬盘的主要性能指标有主轴转速、高速缓存、全程访问时间和内部数据传输率等。主轴转速：一般以每分钟多少转来表示（RPM）。硬盘的主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，它在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。其值越大，

24、速度越快。,38,高速缓存：该指标指在硬盘内部的高速存储器。其值越大，速度越快。目前硬盘的高速缓存一般为512KB2MB，SCSI硬盘的更大。全程访问时间：该指标指磁头开始移动直到最后找到所需要的数据块所用的全部时间，单位为毫秒。其值越小，速度越快。内部数据传输率：硬盘数据传输率分为内外部传输率。外部传输率是指从硬盘的缓存中向外输出数据的速度，目前采用SCSI技术的外部传输率已经达到了160MB/s。内部传输率是指硬盘在盘片上读写数据的速度，现在的主流硬盘大多在30MB/s到60MB/s之间。由于硬盘的内部传输率要小于外部传输率，所以只有内部传输率才可以作为衡量硬盘性能的真正标准。其值越大，速

25、度越快。,39,光盘：与磁盘相比，光盘以其单位容量大、成本低、读写无磨损（因光盘的读写是通过光盘驱动器中的光学头用激光束来读写的，所以，从理论上讲是永无磨损读写）等特点，很快受到人们的欢迎，普及相当迅速。目前，用于计算机系统的光盘有三类：只读光盘（CD-ROM）、一次写入光盘（CD-R）和可擦写光盘（CD-RW）。目前还有一种称为DVD（Digital Video Disc）的光盘，其外形与CD光盘相似，但其存储容量可达4.7GB，是CD的7倍左右。不仅如此，DVD的播放质量也比CD好得多，是CD的替代产品。,40,图1.16 光盘图片,41,U盘：U盘是一种新型的随身型移动存储设备，符合US

26、B 1.0（Universal Serial Bus，统一串行总线）标准，通过USB接口与计算机交换数据，支持即插即用，在Windows Me/Windows2000及以后版本的操作系统下无须安装任何驱动程序，使用非常方便。U盘的另外一个优点是它的读写速度非常快，其读出速度大于1MB/S，写入速度大于600KB/S，大大快于软盘的速度；另外，U盘采用Flash（Flash芯片是一种电子器件，类似于EPROM和EEPROM）作为存储介质，无机械读写部件，所以不仅数据保持能力非常强，抗电磁干扰，而且抗震能力也非常强。U盘采用世界上最先进的存储和移动传输技术，加上为方便使用而用心设计的造，是移动办公

27、及文件交换的最佳选择.,42,图1.17 U盘图片,43,1.1.2 计算机软件系统 在计算机系统中，硬件是物质基础，软件是指挥硬件工作的灵魂。软件的功能与质量在很大程度上决定了整个计算机的性能，故软件和硬件一样，是计算机工作必不可少的组成部分。所谓软件，是指为解决问题而编制的程序及其文档。计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。计算机是依靠硬件系统和软件系统的协同工作来执行给定任务的。计算机的软件系统由系统软件和应用软件组成。,44,1.系统软件 系统软件是负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作的程序和相关数据。系统软件使得计算机使用者和

28、其他软件将计算机当作一个整体而不需要顾及到底层每个硬件是如何工作的。一般来讲，系统软件包括操作系统、语言处理程序和工具软件等。（1）操作系统 操作系统是最重要的系统软件，它直接与硬件接触，管理和控制硬件资源，同时为上层软件提供支持，也为用户使用计算机提供了一个友好的界面。操作系统是用户和计算机之间的接口，提供了软件开发环境和运行环境。目前，常用的操作系统主要有Windows、Linux、UNIX、XENIX、0S2等。,45,（2）语言处理程序 语言处理程序主要有汇编程序、编译程序、连接程序和解释程序等。计算机只能接受0 和1组成的代码，即机器语言程序。用高级语言编写的程序必须经过“翻译”形成

29、机器语言 程序，计算机才能执行。语言处理程序就是完成这种翻译的软件。如C语言、Java语言处理程序等。（3）工具软件 是一些工具性的服务程序，便于用户对计算机的使用和维护。主要有测试程序、诊断程序、调试程序和监控程序等。如SpeedFan硬件监控软件、PCBooster计算机性能的诊断与调整软件等。,46,2.应用软件 应用软件是针对某个应用领域的具体问题而开发和研制的程序。应用软件一般包括用户程序及其说明性文件资料。应用软件必须在系统软件的支持下才能工作。它具有很强的实用性和专业性，正是由于应用软件的开发和使用，才使得计算机的应用日益渗透到社会的各行各业。由于计算机软件的迅速发展，软件逐步标

30、准化、模块化，一般把解决各类特别问题的应用程序的组合称为软件包。（1）文字处理 文字处理是对字、词、文稿处理的总称，文字编辑是文稿处理的基本内容。用计算机编辑文稿，具有方便、快捷、灵活和可重用的优点。常见的中文字处理软件有WPS、中文Word等，它们都采用全屏幕编辑，并提供联机帮助及丰富的图文处理能力。,47,（2）表格处理 表格处理指对文字数据的表格进行编辑计算、存储、打印等处理。表格处理软件可以在表格单元中填入字符、数字或公式，可进行排序、统计、计算。常见的表格处理软件有Lotus-1-2-3、Excel、CCED等。（3）图形处理 图形处理指对各类图形进行修补、填色、投影、编辑等。可以把

31、一幅照片美化，改变其背景、前景、光线而得到另外的效果，常见的有Photoshop、Paintshop等。（4）计算机辅助软件 计算机可以用于任何领域，代替人们做重复性的、繁重的工作，或者辅助人们以便更好、更快地完成任务。这种辅助人们完成某项任务的软件称为计算机辅助软件。计算机辅助软件种类很多，有用于教育的，有用于生产的，有用于设计的，也有用于日常生活的。各种计算机辅助设计软件（CAD）、计算机辅助制造软件（CAM）、计算机辅助测试（CAT）等。,48,1.2 计算机基本工作原理及工作过程 冯诺依曼机型的主要特征 冯诺依曼机型主要有以下三个特征：第一，采用二进制代码表示数据和指令 计算机中被处理

32、的信息统称为数据。计算机的具体工作表现为执行程序（指令的有序集合）。在计算机中数据和指令都采用二进制代码表示，虽然它们在外形上并无差别，但它们各自约定的含义不同。第二，采用存储程序的工作方式 冯诺依曼提出了将程序中的指令与指令所处理的数据一起存入存储器中的思想。这个著名的存储程序的工作模式成为现代计算机工作基本机理。第三，计算机的硬件系统由五大部分组成，即由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成。,49,计算机工作原理（存储程序工作原理）存储程序工作原理：(1)事先编写程序。为了用计算机求解问题，需要事先编写程序，由它告诉计算机需要做那些事，按什么步骤去做，并提供加工处理的数据。一个任

33、务往往要通过许多步骤去完成，每一步骤要求由计算机执行操作的命令来完成。计算机执行的程序就是由这些指令序列和有关的原始数据组成的。(2)将程序存入计算机的内存中。(3)计算机在运行程序时自动地、连续地从存储器中依次取出指令加以执行。这是计算机中有两股信息在流动：数据流和控制流。传统的冯诺依曼机在执行程序时，始终是控制流驱动数据流。为了控制指令的执行次序，设置了一个程序计数器PC。用PC指定指令在存储器中的位置。,50,计算机的工作过程 计算机的工作过程如图1.18所示：,图1.18 计算机工作过程示意图,51,图1.18中实线为程序和数据，虚线为控制命令。计算步骤的程序和计算中需要的原始数据，在

34、控制命令的作用下通过输入设备送入计算机的存储器。当计算开始的时候，在取指令的作用下把程序指令逐条送入控制器。控制器向存储器和运算器发出取数命令和运算命令，运算器进行计算，然后控制器发出存数命令，计算结果存放回存储器，最后在输出命令的作用下通过输出设备输出结果。,52,1.3 计算机的存储体系 访存的局部性原理 从大量的统计中得到的一个规律是，程序中对于存储空间90%的访问局限于存储空间的10%的区域中，而另外10%的访问则分布在存储空间的其余90%的区域中。这就是通常说的访存的局部性原理。访存的局部性规律包括两个方面：一是时间局部性，如果一个存储项被访问，则可能该项会很快被再次访问；二是空间局

35、部性，如果一个存储项被访问，则该项及其邻近的项也可能很快被访问。,53,高速缓冲存储器（Cache）高速缓存是位于CPU和主存之间的高层存储子系统，其访问速度与CPU的速度接近。采用高速缓存是基于访存的局部性原理，其主要目的是提高存储器的平均访问速度，从而使存储器的速度也CPU的速度相匹配。Cache的基本工作原理是：处理机按主存地址访问存储器，存储器地址的高段通过主存-Cache地址映象机构借助查表判定该地址的存储单元是否在Cache中，如果在，则Cache命中，按Cache地址访问Cache。否则Cache不命中，则需要访问主存，并从主存中调入相应数据块到Cache中，若Cache中已写满

36、，则要按某种算法将Cache中的某一块替换出去，并修改有关的地址映象关系。目前，Cache通常被集成到CPU内以提高访问速度。,54,三级存储体系 人们为了解决存储器速度、价格和容量的矛盾，应用了访问局部性原理，把存储体系设计成为层次化的结构以满足使用要求。在这个层次化存储系统中，一般由寄存器、高速缓存(Cache)、主存(内存)、外存(硬盘等)组成。由于寄存器是在CPU内部，因此，通常将高速缓存、主存、外存称为三级存储体系。计算机对存储器的要求是高速度、大容量、低价格。存取速度由快到慢的顺序是CPU内部的寄存器、一级缓存和二级缓存、内存、外存。单位存储器价格也按此顺序由高到低。容量也按此顺序

37、由小到大。,55,1.4 计算机中数据的表示 基本概念1.编码 计算机要处理的数据除了数值数据以外，还有各类符号、图形、图像和声音等非数值数据。而计算机只能识别0和1两个数码。要使计算机能处理这些信息，首先必须将各类信息转换成“0”和“1”表示的代码，这一过程成为编码。2.数据 能被计算机接受和处理的符号的集合都称为数据。3.比特 比特（Bit：Binary Digit 二进制数位）是指1位二进制的数码（即0或1）。比特是计算机中表示信息的数据编码中的最小单位。,56,4.字节 字节表示被处理的一组连续的二进制数字。通常用8位二进制数字表示一个字节，即一个字节由8个比特组成。字节是存储器系统的

38、最小存取单位。数值数据的表示 数值数据有大小和正负之分。通常在微型计算机中，用两个字节表示一个整数，用四个字节表示一个实数。在二进制数的最前面规定一个符号位：“0”表示正数，“1”表示负数。数据表示方法通常有定点数表示和浮点数表示两种。1.定点数的表示 定点整数：小数点的位置在最低数值位的后面，用于表示整数,如下所示。,57,定点小数：小数点的位置约定在最高数值位的前面，用于表示小于1的纯小数，如下所示。2.浮点数的表示 浮点数的表示来源于数学中的指数形式：式中R表示进制数的基数。N可以用下面两个部分表示。尾数M。尾数为小于1的小数。阶码c。阶码相当于数学中的指数。如下所示给出了浮点数的表示方

39、法。,58,字符的表示 字符是人与计算机交互过程中不可缺少的重要信息。要使计算机能处理、存储字符信息，首先也必须用二进制“0”和“1”代码对字符进行编码。1.西文字符的表示 西文字符用ASCII码表示。ASCII编码是由美国国家标准委员会制定的一种包括数字、字母、通用符号和控制符号在内的字符编码集，全称叫美国国家信息交换标准代码（American Standard Code for Information Interchange）。ASCII码是一种7位二进制编码，能表示27128种国际上最通用的西文字符，是目前计算机中，特别是微型计算机中使用最普遍的字符编码集。,59,2.汉字字符的表示（1

40、）汉字交换码 国家标准信息交换用汉字编码字符集基本集（GB2312-80），简称国标码，是为了在不同的汉字系统之间交换信息而制定的编码。该国家标准汉字编码集共收集和定义了7445个基本汉字。其中，使用频度较高的3755个汉字定义为一级汉字。使用频率较低的3008个汉字定义为二级汉字，共有6763个汉字。另外还定义了拉丁字母、俄文字母、汉语拼音字母、数字和常用符号等682个。GB231280规定每个汉字用2个字节的二进制编码，每个字节最高位为0，其余7位用于表示汉字信息。例如，汉字“啊”的国标码的2个字节的二进制编码00110000B和00100001B，对应的十六进制数为30H和21H。,60

41、,（2）汉字输入码 汉字输入方法很多，如区位、拼音、五笔字型等。不同输入法有自己的编码方案，所采用的编码方案统称为输入码。输入码进入机器后必须转换为机内码进行存储和处理。如，以全拼输入方案键入“tong”，或以五笔字型输入方案“xycq”，都能得到“统”这个汉字所对应的机内码。这个工作由汉字代码转换程序依靠事先编制好的输入码对照表完成转换。（3）汉字机内码 汉字输入到计算机后，计算机系统要把各种不同的汉字输入码在机内转换成唯一的机内码。是计算机内存储及处理汉字所用的汉字代码。,61,汉字机内码的标准方案是将汉字国标码的2个字节二进制代码的最高位置为1，从而得到对应的汉字机内码。如汉字“啊”的机

42、内码为10110000B、10100001B（即B0H、A1H）。计算机处理字符数据时，当遇到最高位为1的字节，便可将该字节连同其后续最高位也为1的另一个字节看作1个汉字机内码；当遇到最高位为0的字节，则可看作一个ASCII码西文字符，这样就实现了汉字、西文字符的共存与区分。（4）汉字字形码 汉字字形码是一种用点阵表示字形的码，是汉字的输出形式。它把汉字排成点阵。常用的点阵由1616、2424、3232、4848或更高。一个1616点阵的汉字字形要占32个字节，2424点阵要占72个字节等等。所有不同的汉字字体的字形构成汉字库，一般存储在硬盘上，当要显示输出时，才调入内存，检索到要输出的字形送

43、到显示器输出。,62,图形与图像的表示 在计算机中的图形数据有两种常用的表示形式，一种称为几何图形或矢量图形，简称图形；另一种称为点阵图像或位图图像，简称图像。1.图形 图形的元素是一些点、线、矩形、多边形、圆和弧线等等，它们都是通过数学公式计算获得的。其实质上是用数学的方式来描述一幅图形，在处理图形图像时根据图元对应的数学表达式进行编辑和处理。在屏幕上显示一幅图形图像时，首先要解释这些指令，然后将描述图形图像的指令转换成屏幕上显示的形状和颜色。矢量图形文件一般较小。矢量图形的优点是无论放大、缩小或旋转等都不会失真；缺点是难以表现色彩层次丰富的逼真图像效果，而且显示时间较长。常见的文件格式有A

44、I、WMF、EMF等。,63,2.图像 图像是指用像素点来描述的图。图像一般是用摄像机、照相机或扫描仪等输入设备捕捉实际场景画面，离散化为空间、亮度、颜色（灰度）的序列值，把一幅彩色图或灰度图分成若干个像素点，每个像素点用若干个二进制位来指定该像素的颜色、亮度和属性。图像在计算机内存中由一组二进制位组成，这些位定义图像中每个像素点的颜色和亮度。屏幕上一个点也称为一个像素，显示一幅图像时，屏幕上的一个像素也就对应于图像中的某一个点。图像分为二值图（黑白图）和彩色图两大类，彩色图还可以分为真彩色图、伪彩色图等。图像适合于表现比较细腻、色彩较丰富的画面。图像占用存储空间较大。常见的文件格式有BMP、

45、GIF、TIFF、JPEG等。,64,声音的表示 声音是一种连续的波，称为声波。要把声音信号存储到计算机之中去，必须把连续变化的波形信号（称为模拟信号）转换成为数字信号，因为计算机中只能存储数字信号。把模拟信号转换为数字信号（A/D）一般由对声音信号的采样和转换两步来完成。所谓采样就是采集声音模拟信号的样本，然后再转换成数字信号。计算机对声音采样能力的大小也用两个参数来衡量：采样频率和声音采样信号的位数。它们不仅影响到声音的播放质量，还与存储声音信号所需要的存储空间有直接的关系。,65,1.采样频率 是指计算机每秒钟采集多少个声音样本，是描述声音文件的音质、音调的重要指标，也是衡量声卡、声音文

46、件的质量标准。采样频率越高，即采样的间隔时间越短，则在单位时间内计算机得到的声音样本数据就越多，对声音波形的表示也越精确。当前声卡常用的采样频率一般为11KHz(每秒采集声音样本11千次)、22KHz、44.1KHz和48KHz。11KHz的采样率获得的声音称为电话音质，基本上能让你分辨出通话人的声音；22KHz称为广播音质；44.1KHz称为CD音质。采样频率越高，获得的声音文件质量越好，占用磁(光)盘的空间也就越大。一首CD音质的歌曲会占去40M左右的盘空间。,66,2.声音样本的位数 也称为采样值的编码位数，这个参数表示了计算机度量声音波形幅度（音量）的精度，就是通常所说的声卡的位数,目

47、前多为16位声卡，专业级的高档声卡有32位的。位数越多，度量的单位越小，计算机对声音波形描述的精度越高，声音的质量越高。采样到计算机内的声音信号经过模数转换后生成数字信号就可以保存在计算机的存储介质中，这样的文件称为声音文件。常见的声音文件的格式有WAV、MIDI、CD等。,67,本章小结：本章共分4节。第1节介绍了计算机系统的构成。是本章的重点。本节主要阐述了下列主要知识点：一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件系统就是我们所看到的实际物理设备，由主机和外部设备组成。主板是一块印刷电路板，其功能是将中央处理单元、只读存储器、随机存储器、输入输出控制电路、扩充插槽、面板控制

48、开关和指示灯等部分有机地联接在一起。中央处理器由运算器和控制器组成。运算器是对数据进行加工处理的部件；控制器是整个计算机系统的指挥中心，负责对指令进行分析，并根据指令的要求，有序地、有目的地向各个部件发出控制信号，使计算机的各部件协调一致地工作。反映CPU档次的最重要指标是主频和字长。,68,存储器按功能可分为主存储器（简称主存）和辅助存储器（简称辅存）。主存是相对存取速度快而容量小的一类存储器，辅存则是相对存取速度慢而容量很大的一类存储器。存储器最主要的性能指标有存取时间和存储容量。存储容量通常用KB、MB、GB或TB表示，其中B是字节（Byte），并且1KB=1024B，1MB=1024K

49、B，1GB=1024MB，1TB1024GB。显卡又称为视频卡，它是主机与显示器之间连接的部件，其作用是控制计算机的图形输出，将CPU送来的影像数据处理成显示器认识的格式，再送到显示器形成图像。声卡是实现声波数字信号相互转换的部件。声卡的基本功能是把来自话筒、光盘等的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器等声响设备，或通过音乐设备数字接口使乐器发出声音。,69,网卡也叫“网络适配器”，它是使计算机相互联网的设备。计算机中常用的输入设备是键盘、鼠标。计算机常用的输出设备为显示器和打印机。常用的辅助存储器主要有软磁盘、硬磁盘、光盘和微盘。外部存储器既是输入设备，也是输出设备。硬盘存储容量计算公式

50、为：硬盘容量磁头数每盘面上的磁道数扇区数512字节。硬盘的主要性能指标有主轴转速、高速缓存、全程访问时间和内部数据传输率等。计算机的软件系统由系统软件和应用软件组成。系统软件是负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作的程序和相关数据；应用软件是针对某个应用领域的具体问题而开发和研制的程序。,70,第2节介绍了计算机基本工作原理及工作过程，是本章的重点。本节主要阐述了下列主要知识点：冯诺依曼机型主要有以下三个特征：第一，采用二进制代码表示数据和指令；第二，采用存储程序的工作方式；冯诺依曼提出了将程序中的指令与指令所处理的数据一起存入存储器中的思想；第三，计算机的硬件系统由五大部分