第2章計算機系統文斌博士、教授0本章學習目標通過本章的學習，了解計算機基本工作原理，掌握計算機軟件系統和硬件系統；了解計算機硬件組成及主要性能指標，掌握數據在計算機中的表示及編碼：掌握常用進制數，了解字符編碼(ASCII碼)、了解漢字(GB碼)編碼。1信息技術基礎本章要點計算機系統；計算機組成及工作原理；計算機軟件系統；

計算機主要技術指標；

信息在計算機中的表示形式；

微型計算機硬件組成。2信息技術基礎目錄2.1計算機系統2.2微型計算機的硬件組成2.3計算機操作系統3信息技術基礎2.1計算機系統2.1.1計算機系統的組成計算機系統是由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。計算機硬件是構成計算機系統各功能部件的集合。是由電子、機械和光電元件組成的各種計算機部件和設備的總稱，是計算機完成各項工作的物質基礎。計算機硬件是看得見、摸得著的，實實在在存在的物理實體。計算機軟件是指與計算機系統操作有關的各種程序以及任何與之相關的文檔和數據的集合。其中程序是用程序設計語言描述的適合計算機執行的語句指令序列。4信息技術基礎2.1.2計算機硬件系統的基本組成及工作原理馮·諾依曼原理基本思想（1946年提出）（1）計算機硬件由五個基本部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。（2）計算機內部采用二進制來表示程序和數據。（3）采用“存儲程序”的方式，將程序和數據放入同一個存儲器中(內存儲器)，計算機能夠自動高速地從存儲器中取出指令加以執行。組成計算機硬件系統的五大硬件（1）運算器（2）控制器（3）存儲器（4）輸入設備（5）輸出設備5信息技術基礎2.1.2計算機硬件系統的基本組成及工作原理1．運算器（ALU）運算器也稱為算術邏輯單元ALU（ArithmeticLogicUnit）。它的功能是完成算術運算和邏輯運算。算術運算是指加、減、乘、除及它們的復合運算。而邏輯運算是指“與”、“或”、“非”等邏輯比較和邏輯判斷等操作。在計算機中，任何復雜運算都轉化為基本的算術與邏輯運算，然后在運算器中完成。2．控制器（CU）控制器CU（ControllerUnit）是計算機的指揮系統，控制器一般由指令寄存器、指令譯碼器、時序電路和控制電路組成。它的基本功能是從內存取指令和執行指令。通常將運算器和控制器統稱為中央處理器，即CPU（CentralProcessingUnit）,它是整個計算機的核心部件，是計算機的“大腦”。它控制了計算機的運算、處理、輸入和輸出等工作。6信息技術基礎2.1.2計算機硬件系統的基本組成及工作原理3．存儲器（Memory）存儲器是計算機的記憶裝置，它的主要功能是存放程序和數據。程序是計算機操作的依據，數據是計算機操作的對象。（1）信息存儲單位（2）存儲器的分類根據存儲器與CPU聯系的密切程度可分為內存儲器（主存儲器）和外存儲器（輔助存儲器）兩大類。（3）存儲器工作原理7信息技術基礎2.1.2計算機硬件系統的基本組成及工作原理4．輸入設備輸入設備是從計算機外部向計算機內部傳送信息的裝置。其功能是將數據、程序及其他信息，從人們熟悉的形式轉換為計算機能夠識別和處理的形式輸入到計算機內部。常用的輸入設備有鍵盤、鼠標、光筆、掃描儀、數字化儀、條形碼閱讀器等。8信息技術基礎2.1.2計算機硬件系統的基本組成及工作原理5．輸出設備輸出設備是將計算機的處理結果傳送到計算機外部供計算機用戶使用的裝置。其功能是將計算機內部二進制形式的數據信息轉換成人們所需要的或其他設備能接受和識別的信息形式。常用的輸出設備有顯示器、打印機、繪圖儀等。通常我們將輸入設備和輸出設備統稱為I/O設備（Input/Output）。它們都屬于計算機的外部設備。9信息技術基礎2.1.3計算機軟件系統計算機軟件系統按其功能劃分，可分為系統軟件和應用軟件兩大類型。（1）系統軟件（SystemSoftware）系統軟件是負責管理計算機系統中各種獨立的硬件，使得它們可以協調工作。系統軟件使得計算機使用者和其他軟件將計算機當作一個整體而不需要顧及到底層每個硬件是如何工作的。系統軟件包括操作系統和一系列基本的工具（比如編譯器，數據庫管理，存儲器格式化，文件系統管理，用戶身份驗證，驅動管理，網絡連接等方面的工具）。10信息技術基礎2.1.3計算機軟件系統（2）應用軟件應用軟件是指在計算機各個應用領域中，為解決各類實際問題而編制的程序，它用來幫助人們完成在特定領域中的各種工作。應用軟件主要包括：為解決各類實際問題而編制的程序，它用來幫肋人們完成在特定領域中的各種工作。如：文字處理程序表格處理軟件輔助設計軟件實時控制軟件用戶應用程序11信息技術基礎2.1.4計算機的主要性能指標1．運算速度計算機的運算速度是指計算機每秒鐘執行的指令數。單位為每秒百萬條指令(簡稱MIPS)或者每秒百萬條浮點指令(簡稱MFPOPS）。2．存儲器的指標

（1）存取速度（2）存儲容量3．I/O的速度

主機I／O的速度，取決于I/O總線的設計。以上只是一些主要性能指標。除了上述這些主要性能指標外，微型計算機還有其他一些指標，例如，所配置外圍設備的性能指標以及所配置系統軟件的情況等等。12信息技術基礎2.1.5計算機中信息的表示計算機要處理的信息是多種多樣的，如日常的十進制數、文字、符號、圖形、圖像和語言等。但是計算機無法直接“理解”這些信息，所以計算機需要采用數字化編碼的形式對信息進行存儲、加工、和傳送。信息的數字化表示就是采用一定的基本符號，使用一定的組合規則來表示信息。計算機中采用的二進制編碼，其基本符號是“0”和“1”。13信息技術基礎2.1.5計算機中信息的表示1．進制計數的方法有很多種，在日常生活中我們最常見的是國際上通用的計數方法——十進制計數法。計算機中使用的是二進制。這幾種進制采用的都是帶權計數法，它包含兩個基本要素：基數、位權。進制轉換在計算機世界中還涉及到八進制、十進制和十六進制。下面將講述這幾種進制之間的轉換。14信息技術基礎2.1.5計算機中信息的表示2．二進制與十進制的轉換（1）二進制轉十進制方法：“按權展開求和”（2）十進制轉二進制十進制整數轉二進制數：“除以2取余，逆序輸出”十進制小數轉二進制數：“乘以2取整，順序輸出”。3．八進制與二進制的轉換4．十六進制與二進制的轉換15信息技術基礎2.1.5計算機中信息的表示5．二進制的運算：（1）算術運算加法：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10減法：0－0=0，1－0=1，1－1=0，10－1=1乘法：0*0=0，0*1=0，1*0=0，1*1=1（2）位運算與：0and0=0,0and1=0,1and0=0,1and1=1或：0or0=0,0or1=1,1or0=1,1or1=1非：not0=1,not1=0異或：0xor0=0,0xor1=1,1xor0=1,1xor1=0（3）位移運算左移（二進制數k左移n位）：kshln=k*2n右移（二進制數k右移n位）：kshrn=kdiv2n16信息技術基礎2.1.5計算機中信息的表示6．計算機中數的表示在普通數字中，用“+”或“—”符號在數的絕對值之前來區分數的正負。在計算機中有符號數包含三種表示方法：原碼、反碼、補碼。（1）原碼表示法：用機器數的最高位代表符號位，其于各位是數的絕對值。符號位若為0則表示正數，若為1則表示負數。（2）反碼表示法：正數的反碼和原碼相同，負數的反碼是對原碼除符號位外各位取反。（3）補碼表示法：正數的補碼和原碼相同，負數的補碼是該數的反碼加1。17信息技術基礎2.1.5計算機中信息的表示7．計算機中非數值數據的表示（1）字符的表示：在計算機處理信息的過程中，要處理數值數據和字符數據，因此需要將數字、運算符、字母、標點符號等字符用二進制編碼來表示、存儲和處理。目前通用的是美國國家標準學會規定的ASCII碼——美國標準信息交換代碼（ASCII碼）。每個字符用7位二進制數來表示，共有128種狀態。（2）漢字的數字化表示GB2312－80標準包括了6763個漢字，按其使用頻度分為一級漢字3755個和二級漢字3008個。一級漢字按拼音排序，二級漢字按部首排序。此外，該標準還包括標點符號、數種西文字母、圖形、數碼等符號682個。18信息技術基礎（3）字符和漢字的輸出字符和漢字除用"內碼"被表示、存儲和處理外，另一個重要的表示是字符和漢字的"圖形"字符輸出，即顯示和打印出字符和漢字的外部形狀。為此，計算機系統必須維護一個"字庫"，存儲每一個字符或漢字的可視字形。這種可視字形稱為"字模"。字模猶如印刷廠里活字排版用的鉛字；不同的是計算機字庫中對每一個字符或漢字只保存一個字模，而印刷廠卻要保存許多鉛字。字庫有ASCII字符字庫和漢字字庫，分別存儲字符字模和漢字字模。（4）其它信息的數字化①圖像信息的數字化、②聲音信息的數字化、③視頻信息的數字化19信息技術基礎2.2微型計算機的硬件組成微型機的基本構成都是由顯示器、鍵盤和主機構成。在主機箱內有主板、硬盤驅動器、CDROM驅動器、軟盤驅動器、電源、顯示適配器（顯示卡）等。一個完整的微機系統同樣也是由硬件系統和軟件系統組成的。微型機的核心部分是由一片或幾片超大規模集成電路組成的，稱為微處理器。20信息技術基礎2.2.1主板

主板位于機箱的內部。主板是一塊矩形的印刷電路板，上面分布著南橋、北橋芯片、各種插槽、跳線、外設的接口以及許多的元器件等。主板是整個計算機的中樞，所有部件及外設都是通過主板與處理器連接在一起，并進行通信，然后由處理器發出相應的操作指令，執行相應的操作。21信息技術基礎2.2.2微處理器CPU（CentralProcessingUnit），中央處理器或微處理器，主要用于運算和控制操作，是整個微機系統的核心。CPU常用的技術指標1.主頻、外頻和倍頻（1）主頻也叫做時鐘頻率，是CPU的核心工作頻率。（2）外頻是CPU與主板之間同步運行的速度，目前大部分計算機系統中外頻也是內存與主板之間同步運行的速度。（3）倍頻就是CPU的核心工作頻率與外頻之間的倍數，在相同的外頻下，倍頻越高，CPU的工作頻率也越高。22信息技術基礎2.前端總線FSB3.內存總線速度內存總線速度(Memory-BusSpeed)也就是系統總線速度，一般等同于CPU的外頻。4.緩存緩存又稱為高速緩存，就是指可以進行高速數據交換的存儲器。5.工作電壓工作電壓指CPU正常工作所需的電壓。6.制造工藝更精細的工藝使得原有的晶體管電路大限度地縮小了，能耗越來越低，CPU也就更省電。可以極大地提高CPU的集成度和工作頻率。23信息技術基礎2.2.3內存內存的定義內存是存儲器的一種，存儲器是計算機的重要組成部分。存儲器按其用途可分為主存儲器(MainMemory，簡稱主存)和輔助存儲器(AuxiliaryMemory，簡稱輔存)，主存儲器又稱內存儲器(簡稱內存)，輔助存儲器又稱外存儲器(簡稱外存)。24信息技術基礎2.2.4顯示卡顯示卡的基本結構25信息技術基礎2.2.4外部存儲器1.硬盤硬盤作為微機系統的外存儲器成為微機的主要配置，它由硬盤片、硬盤驅動電機和讀寫磁頭等組裝并封裝在一起成為溫徹斯特驅動器。硬盤使用前要經過低級格式化、分區及高級格式化后即可使用。硬盤的低級格式化出廠前已完成。描述硬盤性能參數的技術術語很多，如：容量、磁頭數、柱面數、扇區數、盤片數、轉速、緩沖區大小、S．M．A．R．T支持、平均尋道時間、最大尋道時間、最大外部數據傳輸率等等。26信息技術基礎2.2.4外部存儲器2.光盤光盤是利用激光原理進行讀寫的設備，目前微機上配備CDROM（只讀型光盤）驅動器。CDROM容量為680MB。最近DVD驅動器也開始流行，它的存儲容量更大。3.U盤U盤即USB盤的簡稱，而優盤只是U盤的諧音稱呼。U盤是閃存的一種，因此也叫閃盤。閃存盤，是中國在計算機存儲領域二十年來唯一屬于中國人的原創性發明專利成果。最大的特點就是：小巧便與攜帶、存儲容量大、價格便宜。是移動存儲設備之一。27信息技術基礎2.2.4外部存儲器4.移動微盤存儲設備移動硬盤顧名思義是以硬盤為存儲介質，強調便攜性的存儲產品。因為采用硬盤為存儲介質，因此移動硬盤在數據的讀寫模式與標準IDE硬盤是相同的。移動硬盤多采用USB、IEEE1394等傳輸速度較快的接口，可以較高的速度與系統進行數據傳輸。28信息技術基礎2.2.5輸入/輸出設備1.輸入設備輸入設備：向計算機輸入數據和信息的設備。是計算機與用戶或其他設備通信的橋梁。輸入設備是用戶和計算機系統之間進行信息交換的主要裝置之一。鍵盤，鼠標，攝像頭，掃描儀，光筆，手寫輸入板，游戲桿，語音輸入裝置等都屬于輸入設備。輸入設備（InputDevice）是人或外部與計算機進行交互的一種裝置，用于把原始數據和處理這些數的程序輸入到計算機中。29信息技術基礎2.2.5輸入/輸出設備2.輸出設備輸出設備（OutputDevice）是人與計算機交互的一種部件，用于數據的輸出。它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。輸出設備的功能是將計算機內部二進制形式的信息轉換成人們所需要的或其他設備能接受和識別的信息形式。常見的輸出設備有打印機、顯示器