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普通高等教育“十一五”国家级规划教材 21世纪高职高专新概念教材计算机导论(第二版)内容提要内容提要 本书旨在突破以往仅介绍计算机软、硬件系统的框架模式，在对计算机系统的软、硬件作基本的介绍之后，按照高职高专学生的能力培养方向进行指导性论述。本书的目标是：学生通过学习，一方面能掌握一定的计算机软、硬件知识，另一方面也知道计算机的能力培养有哪些方向，在某一特定方向应该学习什么课程、掌握哪些软件的应用，为后续学习作一次全面、提纲式的介绍，特别是为自学提供理论指导。内容提要内容提要 本书将能力培养大致分为八个方向：计算机硬件能力、计算机操作能力、用高级语言进行软件开发能力、信息系统开发能力、多媒体应用能力、计算机网络能力、Web应用程序开发能力和游戏程序开发能力培养。本章学习目标 计算机发展阶段的划分标志计算机的主要特点冯诺依曼原理和冯诺依曼结构图计算机的主要技术指标进制及其相互转换方法计算机中数的表示方法ASCII码和汉字编码计算机的应用领域和计算机应用能力培养方向1.1 概述 电子计算机分为两大类：模拟电子计算机（工作电信号：模拟量）数字电子计算机（工作电信号：数字量）通常所说计算机指：数字电子计算机 1.1.1 计算机的发展简史 第一台电子数字计算机：1946年 美国宾夕法尼大学研制 ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机）计算机发展阶段的划分标志：计算机所采用的主要元器件1.1.1 计算机的发展简史计算机发展四个主要阶段：1第一代计算机（19461958年）主要元器件：电子管2第二代计算机（19581964年）主要元器件：晶体管 3第三代计算机（19641974年）主要元器件：中小规模集成电路 4第四代计算机（1974年至今）主要元器件：大规模和超大规模集成电路 1.1.2 计算机的特点 1运算速度快、精度高2具有逻辑判断和记忆能力3高度的自动化和灵活性1.1.3 计算机系统组成 计算机系统由两大部分组成:计算机硬件系统：电子元器件按照一定逻辑关系联接而成 计算机软件系统：包括：操作系统、语言处理系统、软件工具、应用软件 功能：指挥及控制计算机硬件系统按照预定的程序运行和工作 1.计算机硬件系统五大组成部分：输入设备 输出设备 存储器 运算器 控制器 五部分之间连接结构图称为冯诺依曼结构图，以运算器和控制器为中心。1.1.3 计算机系统组成-计算机硬件系统 冯诺依曼原理：程序存储和程序控制由匈牙利数学家冯诺依曼于1945年提出 以运算器和控制器为中心 输入设备程序和原始数据运算器存储器控制器输出设备计算结果1.1.3 计算机系统组成-计算机硬件系统计算机系统主要技术指标：字长 时钟周期和主频 运算速度 内存容量 数据输入输出最高速率 1.1.3 计算机系统组成-计算机软件系统 计算机软件 系统软件 应用软件操作系统 语言处理 数据库管理 软件工具 应用软件包 用户程序 软件分类图 1.2 数制与编码 计算机的硬件基础：数字电路 计算机运行过程中，所有器件只有两种状态：“0”和“1”。计算机也只能识别这两种信号，并对它们进行处理。计算机处理的所有问题，都必须转换成相应的“0”、“1”状态的组合以便与机器的电子元件状态相适应。总之，计算机的运算基础是二进制。1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制 在日常生活中，人们广泛使用的是十进制数，有时也会遇到其他进制的数。例如，钟表用的是六十进制，六十秒钟为一分钟，六十分钟为一小时。在计算机中，最常使用的是：十进制、二进制、八进制和十六进制数。1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制1十进制 十进制计数法有两个特点：（1）它有十个不同的计数符号：0，1，2，、9。每一位数只能用这十个计数符号之一来表示，这些计数符号称为数码。（2）采用逢十进一的原则计数。小数点前面自右向左，分别为个位、十位、百位、千位等，相应地，小数点后面自左向右，分别为十分位、百分位、千分位等。各个数码所在的位置称为数位。1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制例如，666.66这个十进制数 个位的6：本身的数值 十位的6：本身数值的10倍，即610 百位的6：本身数值的100倍，即6100 小数点右边第一位小数位的6：60.1 第二位小数位的6：60.01因此这个十进制数可以用多项式展开写成：666.66 610 2+610 1+610 0+6101+61021.2.1 进制及其相互转换-进位计数制 如果用ai表示某一位的不同数码，对任意一个十进制数A，可用多项式表示为：Aan110 n1+a1101+a 0100+a1101+am10m 在正常书写时，各数码的“权”隐含在数位之中，即：A an1an2 a1 a0.a 1 am 1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制2二进制 （1）它有两不同的计数符号，即数码：0和1。（2）它采用逢二进一的原则计数。也就是说，进位基数是2。数码在不同的数位所代表的值也是不相同的，各数位的“权”是以2为底的幂。1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制例如：(10110.1)2 12 4+02 3+122+12 1+02 0+121 (22.5)10 与十进制数类似，任意一个二进制数B，可以展开成多项式之和：Bbn12n1 +b n22n2+b121+b020+b121+bm 2m 1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制 一般书写时，各数码的“权”隐含在数位之中，即：B bn1 bn2 b1 b0.b1 bm 1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制3八进制 （1）采用八个不同的计数符号，即数码：07。（2）采用逢八进一的进位原则。在不同的数位，数码所表示的值等于数码的值乘上相应数位的“权”。1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制例如：(456.45)8 48 2+58 1+680+481+582 (302.578125)101.2.1 进制及其相互转换-进位计数制一般地，任意一个八进制数可以表示为：C cn18n1+cn28 n2+c181 +c080+c181+cm 8m 在上式中，Ci 只能取07之一的值；八进制的基数是8。1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制4十六进制 （1）采用十六个不同的计数符号，即数码09及A、B、C、D、E、F。其中A表示十进制数10，B表示11，C表示12，D表示13，E表示14，F表示15。用这种表示以示和十进制计数法的区别。（2）采用逢十六进一的进位原则，各位数的“权”是以16为底数的幂。1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制例如：(2AF)16216 2+A16 1+F16 0 216 2+1016+151 (687)101.2.1 进制及其相互转换-进位计数制一个任意的十六进制数可以表示为：D dn116n1+dn216n2+d1161+d0160+d1 161+dm 16m 在上式中，di 可以取0F之一的值；十六进制的基数是16。1.2.1 进制及其相互转换-进位计数制 表1.1 常用的几种进位计数制表十进制01234567二进制00000001001000110100010101100111八进制01234567十六进制012345671.2.1 进制及其相互转换-进位计数制 表1.1 常用的几种进位计数制表十进制89101112131415二进制10001001101010111100110111101111八进制1011121314151617十六进制89ABCDEF1.2.1 进制及其相互转换-十进制与二进制 1二进制数转换成十进制数 将待转换的二进制数按各数位的权展开成一个多项式，求出该多项式的和。例如：(1101.01)2 123+122+02 1+120+021+122 (13.25)101.2.1 进制及其相互转换-十进制与二进制2十进制整数转换成二进制整数逐次除2取余法：用2逐次去除待转换的十进制整数，直至商为0时停止。每次所得的余数即为二进制数码，先得到的余数在低位，后得到的余数排在高位。1.2.1 进制及其相互转换-十进制与二进制例如，将83转换成二进制数，逐次除2取余：2 83 1 2 41 1 2 20 0 2 10 0 2 5 1 2 2 0 2 1 1 0 得到的余数从先至后依次为：1、1、0、0、1、0、1 可得到：(83)10(1010011)21.2.1 进制及其相互转换-十进制与二进制3十进制小数转换成二进制小数乘2取整法：逐次用2去乘待转换的十进制小数，将每次得到的整数部分（0或1）依次记为二进制小数b-1，b-2，b-m。1.2.1 进制及其相互转换-十进制与二进制例如，将0.8125转换为二进制小数，逐次乘2取整：0.8125 2 1 .625 2 1 .25 2 0 .5 2 1 .0可得：(0.8125)10 (0.1101)21.2.1 进制及其相互转换-十进制与二进制 值得注意的是:并非每一个十进制小数都能转换为有限位的二进制小数，此时可以采用0舍1入的方法进行处理（类似于十进制中的四舍五入的方法）。1.2.1 进制及其相互转换-十进制与二进制例如，将0.335转换为二进制小数，精确到0.001。0.335 2 0 .67 2 1 .34 2 0 .68 2 1 .36可得：(0.335)10(0.0101)2(0.011)21.2.1 进制及其相互转换-十进制与二进制4任意十进制数转换为二进制数 对于任意一个既有整数部分，又有小数部分的十进制数，在转换为二进制数时，只要将其整数部分和小数部分分别按除2取余和乘2取整的法则转换，最后把所得的结果用小数点连接起来即可。1.2.1 进制及其相互转换-十进制与二进制必须注意:逐次除2取余的余数是按从低位到高位的排列顺序与二进制整数数位相对应的；逐次乘2取整的整数是按从高位向低位的排列顺序与二进制小数数位相对应的。其共同特点是以小数点为中心，逐次向左、右两边排列。1.2.1 进制及其相互转换-十、八、十六进制互转1八进制、十六进制数转换成十进制数 同二进制数到十进制数的转换，分别套用公式 1.2.1 进制及其相互转换-十、八、十六进制互转2十进制数转换成八进制、十六进制数 与十进制数转换成二进制数相似，分别采用除8取余法（对小数部分为乘8取整法）、除16取余法（对小数部分为乘16取整法）。1.2.1 进制及其相互转换-十、八、十六进制互转注意:在进行十进制数转换成十六进制数的过程中，对于采用除16取余法得到的余数和采用乘16取整法得到的整数，若为1015之间的数值，最后要分别用字符A，B，C，D，E，F代替。1.2.1 进制及其相互转换-二、八、十六进制互转1二进制数转换成八进制数 238，三位二进制数位相当一个八进制数位三位一并法：从待转换的二进制数的小数点开始，分别向左、右两个方向进行，将每三位合并为一组，不足三位的以0补齐（注意：整数部分在前面补0，小数部分在末尾补0）。然后每三位二进制数用相应的八进制码（07）表示，即完成了转换工作。1.2.1 进制及其相互转换-二、八、十六进制互转【例1】将(101010001.001)2转换成八进制 首先以小数点为中心，分别向左右两个方向每三位划分成一组（以逗号分界）101，010，001.001，然后，每三位用一个相应八进制数码代替，即得：(101010001.001)2 (521.1)81.2.1 进制及其相互转换-二、八、十六进制互转【例2】将(10010001.0011)2转换成八进制数。以小数点为中心，向左右两个方向每三位划分成一组：10，010，001.001，1 小数点的左边，有一组“10”不足三位，应该补一位0，注意补0的位置应在最左边，即应补为“010”；小数点的右边，有一组“1”不足三位，应该补两位0，注意补0的位置应在最右边，即应补为“100”。补0后的分组情况为：010，010，001.001，100然后，每三位用一个相应八进制数码代替，即得：(10010001.0011)2 (221.14)81.2.1 进制及其相互转换-二、八、十六进制互转2八进制数转换为二进制数 此为上述转换的逆过程。将每一位八进制数码用三位二进制数码代替，即“一分为三”法。【例3】将(576.35)8转换成二进制数。将八进制数的每位数码依次用三位二进制数代替，即得：(576.35)8 (101111110.011101)21.2.1 进制及其相互转换-二、八、十六进制互转3二进制数转换为十六进制数 2 416，四位二进制数与一位十六进制数完全对应四位一并法：从待转换的二进制数的小数点开始，分别向左、右两个方向进行，将每四位合并为一组，不足四位的以0补齐。然后每四位二进制数用一个相应的十六进制码（0F）表示，即完成转换工作。1.2.1 进制及其相互转换-二、八、十六进制互转【例4】将(10110001.0011)2转换成十六进制数。以小数点为中心，分别向左右两个方向每四位划分成一组（以逗号分界）：1011，0001.0011 然后，每四位用一个相应十六进制数码代替，即得：(10110001.0011)2 (B1.3)161.2.1 进制及其相互转换-二、八、十六进制互转【例5】将(1001001.001)2转换成十六进制数。以小数点为中心，分别向左右两个方向每四位划分成一组（以逗号分界）：100，1001.001 小数点的左边，有一组“100”不足四位，应该补一位0，注意补0的位置应在最左边，即应补为“0100”；小数点的右边，有一组“001”不足四位，应该补一位0，注意补0的位置应在最右边，即应补为“0010”。补0后的分组情况为：0100，1001.0010然后，每四位用一个相应十六进制数码代替，即得：(1001001.001)2 (49.2)161.2.1 进制及其相互转换-二、八、十六进制互转4十六进制数转换为二进制数 采用“一分为四”的方法，把每个十六进制数码用四位二进制数代替就完成了转换工作。【例6】将(576.35)16转换成二进制数。将十六进制数的每位数码依次用四位二进制数代替，即得：(576.35)16 (010101110110.00110101)21.2.2 计算机中数的表示-正数与负数 在计算机中数的符号也是用数码来表示的，一般用“0”表示正数的符号，“1”表示负数的符号，并放在数的最高位。例如：(01011)2 (+11)10 (11011)2 (11)101.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码 在计算机中一个数可以采用原码、补码或反码表示，上面讲到的正数与负数表示法即为原码表示法。一个正数的原码、补码与反码是相同的，而负数就不同了。1.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码 假设x为n位小数，用小数点左面一位表示数的符号，则：（1）X原=X （0X1）1-X （-1X0）数的范围为：(1-2n)-(1-2n)零有两种表示：正零为0.00 负零为1.001.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码 原码表示法的优点：比较直观 缺点：加减运算复杂 当两个数求和时，如果符号相同，则数值部分相加；如果符号相异，则数值部分相减。相减时，要先比较两个运算数绝对值的大小，然后做减法，最后给结果确定适当的符号。显然，利用原码作加减法运算是不太方便的。1.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码(2)X补=X （0X1）2+X （-1X0）数的范围为：(1-2n)-1 零的表示是惟一的，即 0.001.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码 采用补码表示法做减法比原码方便得多，不论参加运算的数是正还是负，都可以利用加法实现。但是，根据补码的定义，求负数的补码，要从模中减去负数的绝对值，这就需要做一次减法运算，显然，这样做是不方便的。但可以从反码的表示法中，获得求负数补码的简便方法。1.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码（3）X反=X （0X1）(2-2-n)+X （-1X0）数的范围:(1-2n)-(1-2n)零的表示有两种：正零为0.00 负零为1.111.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码下面举例说明X的原码、补码及反码表示【例1】设X +0.1011 X 原=0.1011 X 补=0.1011 X 反=0.10111.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码【例2】设X -0.1011则:X 原=1-X 1.1011 X 补=2+X (2)10+(-0.1011)2 1.0101 X 反=(22n)+X 2+X-2n =(2)10+(-0.1011)2(24)10 1.0100 从本例可见，将 X 原的符号位保持不变，数值部分按位取反（即01，10），即可得 X 反；而 X 反的最低位+1，即可得 X 补。1.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码 对补码进行运算，可将加、减运算统一成加法运算，降低了对计算机运算器的要求，因此得到广泛的应用。补码的运算结果仍为补码。1.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码【例3】设 X +0.1011 Y 0.0110，求 X-Y解：X-Y X+(-Y)X 补 0.1011 -Y 补 1.1010 X-Y 补 X 补+-Y 补 0.1011+1.1010 1 0.01010.0101运算结果按模2（mod 2）处理，最高位舍去。1.2.2 计算机中数的表示-原码、补码与反码【例4】设 X 0.0110 Y 0.1011 求 X-Y解：X-Y X+（-Y）X 补 0.0110 -Y 补 1.0101 X-Y 补 X 补+Y 补 0.0110+1.0101 1.1011 其结果即为-0.0101 的补码。1.2.2 计算机中数的表示-定点数和浮点数 1定点数表示法 在机器中，小数点位置固定的数称为定点数，一般采用定点小数表示法，即小数点固定在符号位与最高位之间。有时也采用定点整数表示法，此时将小数点固定在数的最低位的后面。定点数的运算规则比较简单，但不适宜对数值范围变化比较大的数据进行运算。1.2.2 计算机中数的表示-定点数和浮点数2浮点数表示法 浮点数可以扩大数的表示范围。浮点数由两部分组成，一部分用以表示数据的有效位，称为尾数；一部分用于表示该数的小数点位置，称为阶码。1.2.2 计算机中数的表示-定点数和浮点数 一般阶码用整数表示，尾数大多用小数表示。一个数N用浮点数表示可以写成：N MRe M表示尾数，e表示指数，R表示基数。基数一般取2，8，16。一旦机器定义好了基数值，就不能再改变了。因此，在浮点数表示中基数不出现，是隐含的。阶码和尾数可以采用不同的码制表示法。一般尾数常采用原码或补码表示法，阶码用补码或移码表示法。移码表示法也叫增码表示法。1.2.2 计算机中数的表示-定点数和浮点数 任意一个整数X若用n位二进制数来表示（含符号位），则其移码为真值X加2n1，即:X 移 2n1+X （-2 n1X2n1）当X0时，X 移 只要将X的最高位加1，符号位为1。当X0时，X 移 将2n1减去X的绝对值，符号位为0。1.2.2 计算机中数的表示-定点数和浮点数【例5】已知X +6，求 X 移。解：X(+6)10 +(0110)2 X 移 23+(0110)2 (1110)2(即最高位加1）1.2.2 计算机中数的表示-定点数和浮点数【例6】已知 X -6，求 X 移。解：X(-6)10 -(0110)2 X 移 23(0110)2 (0010)2 当 X 0时，X 移 10000（表示是惟一的）1.2.3 计算机中的编码 计算机只能识别1和0，因此在计算机内表示的数字、字母及符号等都要以二进制数码的组合来代表，这就是二进制编码。根据不同的用途，有各种各样的编码方案，较常用的有ASCII码、BCD8421码、汉字编码等。1.2.3 计算机中的编码1ASCII码 American Standard Code for Information Interchange，美国标准信息交换码 在计算机界，尤其是在微型计算机中得到了广泛使用 国际标准组织（ISO）确定为国际标准字符编码。为了和国际标准兼容，我国根据它制定了国家标准，即GB1988。其中除了将货币符号转换为人民币符号外，其他相同。1.2.3 计算机中的编码 ASCII码采用7位二进制位编码，共可表示2 7128个字符 计算机中常以8位二进制，即一个字节为单位表示信息，因此将ASCII码的最高位取0。一般用作校验位。当ASCII码的最高位取1时，又可表示128个字符，这种编码称为扩展ASCII码，主要是表示一些制表符。1.2.3 计算机中的编码2BCD码 由于人们日常使用的是十进制，而机器内使用的是二进制，所以，需要把十制数表示成二进制码。一位十进制数字，用4位二进制编码来表示可以有多种方法，但常用的是BCD码。4位二进制数表示24即16种状态。只取前10种状态来表示09，从左到右每位二进制数的权分别为8，4，2，1，因此又叫8421码。1.2.3 计算机中的编码 BCD码有十个不同的码，0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，且它是逢“十”进位的，所以是十进制数，但它的每位是用二进制编码来表示的，因此称为二进制编码的十进制（Binary Coded Decimel，BCD）。BCD码十分直观，可以很容易实现与十进制的转换。1.2.3 计算机中的编码 例如，(0010 1000 0101 1001.0111 0010)BCD可以方便地认出2859.72是其代表的十进制数。通常，先用十进制输入数，通过键盘变成BCD码，再由程序变成真正的二进制参与运算。因此，BCD码是一种过渡码。1.2.3 计算机中的编码3汉字编码 汉字是世界上最庞大的字符集。国家标准GB2312-80提供了中华人民共和国国家标准信息交换用汉字编码，简称国标码。该字符集把常用汉字分成两个字库。一级字库有3755个汉字，通常占常用汉字的90左右，按拼音字母顺序排列。二级字库不太常用，有3008个汉字，按部首顺序排列。另外还收录了一些图形符号，汉字和图形符号合计7445个。1.2.3 计算机中的编码 国标码用两个字节（2816位）来表示一个汉字。两个字节的最高位均不用，置0。故汉字编码采用双七位方案，大约可以表示128128种状态。由于每个字节的低七位中不能再用控制字符位，因而双七位能表示94948836种可见字符编码。采用行、列形式，第一字节为行号，其行号叫区号；第二个字节为列号，其列号叫位号。01区至09区为各种符号，16区到55区为一级字库，56区到87区为二级字库，88区到94区为空。国标码有时又称为区位码。1.3 计算机的应用1信息系统及数据处理2过程控制3计算机辅助设计4科学计算5其他1.4 计算机能力培养方向 结合计算机在当前社会中的应用状况和发展方向，将计算机应用能力培养分为如下八个方向：（1）计算机硬件能力培养方向。（2）计算机操作能力培养方向。（3）高级语言软件开发能力培养方向。（4）信息系统开发能力培养方向。（5）多媒体应用能力培养方向。（6）计算机网络能力培养方向。（7）Web应用程序开发能力培养方向。（8）游戏程序开发能力培养方向。本章小结 本章主要讲解了计算机发展简史、计算机的特点、计算机系统组成、数制与编码、计算机的应用和能力培养方向等几个方面的知识。关于计算机的发展简史，主要应该知道计算机的发展阶段是以计算机元器件的变革作为划分的标志，并知道四代计算机采用的元器件分别是什么。理解掌握计算机的主要特点。本章小结 计算机系统由计算机硬件系统和软件系统两部分组成。计算机硬件系统部分应掌握计算机硬件的五大组成部分、冯诺依曼结构图和主要技术指标。计算机软件系统应知道软件的分类，以及各类软件的作用。本章小结 数制与编码部分应掌握进制及其相互转换、数的表示和编码三个方面的知识。数制相互转换方面主要掌握：二、八、十六进制采用公式转换为十进制数的方法，十进制整数转换为二、八、十进制整数的方法（除n取余法），十进制小数转换为二、八、十进制小数的方法（乘n取整法），二进制数与八、十六进制数的转换方法（三位一并法、四位一并法、一分为三法、一分为四法）。习题一 1-1 计算机的主要特点有哪些？计算机的发展主要划分为四个阶段，划分的依据是什么？1-2 冯诺依曼原理是当今计算机工作的基本原理，采用冯诺依曼原理的计算机也叫冯诺依曼计算机，请问冯诺依曼计算机的基本特点是什么？1-3 画出冯诺依曼结构图，并简要说明其工作原理。1-4 衡量计算机性能的主要技术指标是什么？习题一 1-5 操作系统在计算机系统中的地位如何，具有什么特点？1-6 设X=(0.0110)2，Y=(0.1011)2，求X-Y、X+Y。1-7 计算机的出现是人类历史上的一次技术革命，计算机在我们的生活中的各个方面也应用得非常广泛。它具体表现在哪些方面？从学习的方面看，计算机主要有哪些能力培养方向？习题一1-8 完成下列数制转换：(121)10=()2=()8=()16 (0.3175)10=()2=()8=()16 (63.49)10=()2=()8=()16 (FF)16=()8=()2 (B9)16=()8=()2 习题一1-9 完成下列数制转换：(111001111.110110)2=()8=()16 (11111100.11)2=()8=()16 (111001111.110110)2=()8=()16 (BA.FE)16=()8=()2 习题一 1-10 已知二进制数x1=+0.101011，x2=-0.101011，x3=+1010111，x4=-1010111，求x1，x2，x3，x4的原码、补码和反码。本章学习目标 了解计算机主要器件、外部设备的种类和市场情况 掌握计算机主要器件、外部设备的主要性能指标知道如何选购计算机的主要器件和外部设备会组装一台微型计算机系统掌握计算机系统的调试、维护方法 本章目录2.1 中央处理器2.2 存储设备2.3 输入设备2.4 输出设备2.5 调制解调器2.6 系统总线2.7如何组装一台微型计算机系统 2.1 中央处理器 CPU，即中央处理器，其英文全称：Central Processing Unit CPU担负着执行各种命令、完成各种算术和逻辑运算的任务，是计算机系统中的核心部件。计算机的快速发展过程，实质上就是CPU从低级向高级、从简单向复杂的发展过程。2.1.1 CPU的性能指标 1.主频：CPU工作的时钟频率 2.外频：CPU工作时的外部时钟，即系统总线的工作频率 远低于主频3.倍频：CPU工作频率倍频外频 4.地址总线宽度 5.数据总线宽度2.1.1 CPU的性能指标6.高速缓存：分L1、L2两级 L1：片内缓存，容量不大，速度高 L2：主板片内,比L1容量大,速度稍低7.工作电压：工作电压低，CPU功耗小 8.支持的扩展指令集：x86及扩展指令 Intel：MMX（多媒体扩展指令集）和SSE（互联网数据流单指令扩展）AMD：3D Now!和增强版3D Now!2.1.2 CPU的封装方式 两大类型：1Socket与Super 7 2Slot 1，Slot 2与Slot A1Socket与Super 7 图2.1 采用Socket结构封装的CPU与Socket插座1Socket与Super 7 PC机从386时代普遍使用Socket插座安装CPU，从Socket4，Socket 5，Socket 7，Socket 370到现在的Socket 423，Socket 478。这种结构的插座是方形多针角零插入力插座。插座上有一根拉杆，在安装和更换CPU时只要将拉杆向上拉出，就可以轻易地插进或取出CPU芯片了。1Socket与Super 7Socket 7插座适用范围很广，可以安装Intel Pentium、Intel Pentium MMX，AMD K5，K6，K6-2，K6-，Cyrix M等处理器。Pentium 4处理器是采用的Socket 423和Socket 478插座。Super 7标准在Socket 7基础上发展而来，增加了对处理器100MHz外频、AGP的支持，主要支持AMD K6-2、K6-处理器。2Slot 1，Slot 2与Slot A 图2.2 采用Slot结构封装的CPU与Slot插座2Slot 1，Slot 2与Slot ASlot 1：由Intel提出，一个狭长的242引脚的插槽，支持采用SEC（单边接触）封装技术的Pentium，Pentium 和Celeron处理器。除了接囗方式不同外，Slot 1所支持的特性与Super 7系统没有什么太大的区别。Slot 2：与Slot 1类似，面向高端服务器市场，与Xeon（至强）CPU配合使用。Slot A：由AMD提出，支持AMD K7处理器。从外观上看Slot A与Slot 1十分相似，但是电气性能不同，并不兼容。2.1.3 CPU两大阵营主流产品 1Inte1公司产品 2AMD公司产品2.1.4 CPU多媒体指令集1MMX指令集 MMX（Multi Media eXtension）指令集是Intel开发的多媒体延伸指令集，共57条指令，负责音效、影像、动画等处理，玩多媒体或浏览多媒体网页时有较佳的效果。2Enhanced 3D NOW！指令集 AMD于1998年发布了3D NOW！指令集。它内含21条指令，负责3D图形绘制，并运用在AMD K6-2及K6-处理器中。后来AMD推出Athlon及Duron时再增加Enhanced 3D NOW！，其指令增加到45条。其中增加的部分主要用于处理视频资料、语音识别技术、整数运算、数码信号处理、MP3等方面。2.1.4 CPU多媒体指令集3SSE指令集 SSE：（Streaming SIMD Extension，资料流SIMD延伸指令集），在Pentium 中加入全新70条指令 在互联网上应用的多媒体和图形程序有更好的效果。4SSE2指令集 为了改良SSE指令集而产生的新技术，应用于Pentium 4的CPU中。内含144条全新的指令，并包括有SIMD倍精确浮点、SIMD128bit整数运算以及全新的Cache和内存管理指令集。SSE2指令集可加快互联网程序运算，并使视频、语音、加密、影像及非线程工作站的运用提高速度。2.2 存储设备 2.2.1 存储设备概述 2.2.2 半导体存储器 2.2.3 磁记录存储器 2.2.4 光盘存储器 2.2.1 存储设备概述-基本概念 存储器是由一些能表示二进制数0和1的物理器件组成的，这种器件称为记忆元件或存储介质。常用的存储介质有半导体器件和磁性材料。例如，一个双稳态半导体电路、磁性材料中的存储元等都可以存储一位二进制代码信息。位是存储器中存储信息的最小单位，称为存储位。由若干个存储位组成一个存储单元。一个存储单元可以存放一个字，称为字存储单元；也可以存放一个字节，称为字节存储单元。许多存储单元的集合形成一个存储体。2.2.1 存储设备概述-基本概念 如何区分、识别存储体中各个存储单元？方法：给每个存储单元编上号，这个编号就称为该单元的地址。若一个单元存放一个字节，则相应的地址称为字节地址；若一个单元存放一个机器字，那么，相应的地址称为字地址。有的计算机可编址的最小单位是字节，这种计算机称为按字节编址的计算机；有的计算机可编址的最小单位是字；还有的计算机既可按字编址，又可按字节编址，如PDP-11系列计算机。2.2.1 存储设备概述-基本概念字地址高字节低字节字地址010013222字节地址544按字编址 低字节用偶地址高字节用奇地址 2.2.1 存储设备概述-基本概念 按字编址，每个存储单元存放一个字。字长视计算机不同而异。有的字长为16bit或32bit，而有的字长只有8bit。当字长为8bit时，按字编址，实际上也就是按字节编址。存储单元的总数称为该存储器的存储容量。表示存储容量的单位一般用字或字节。如，32KB表示32K字节，128KW表示128K字，其中1K1024。目前，一般PC机的主存储器容量在128MB1GB之间或更大。2.2.1 存储设备概述-基本概念 存储器的两个基本操作：写入、读出 读出时间（亦称取数时间）：存储器从接到读出命令，到指定地址的信息被读出，并稳定在存储器数据寄存器或数据总线上为止的时间。写入时间：将数据寄存器或数据总线上的信息写入存储器的时间。存储周期：在连续两次访问存储器时，从第一次开始访问到下一次开始访问所需的最短时间，它表示存储器的工作速度。存储周期和取数时间有所不同，即存储周期略大于取数时间。其差别与存储器所采用的物理器件有关。2.2.1 存储设备概述-存储器分类按存取方式分类按存取方式分类1.随机存储器（RAM）和顺序存储器（SAM）随机存储器：通过指令可以随机地存取任一单元的内容，且存取时间基本固定，即与存储信息的地址无关的存储器。顺序存储器：只能按某种顺序来存取信息，也就是说存取时间与存储单元的物理位置有关，如磁带存储器和磁盘存储器。2.读写存储器和只读存储器（ROM）读写存储器：存储器中的内容既能读出，又能改写。只读存储器：存储器中的内容只能读出，不能改写2.2.1 存储设备概述-存储器分类按存储介质分类按存储介质分类1.磁性材料存储器 以磁性材料作为存储介质，如磁芯存储器、磁盘存储器、磁带存储器等。缺点：存储器体积大、存取速度不高等，现已基本上被半导体存储器所取代。2.半导体存储器 以半导体器件作为存储介质3.激光存储器 存储方式：信息以刻痕的形式保存在盘面上，用激光束照射盘面，靠盘面的不同反射来读出信息。人们常称这类存储器为光盘。光盘可分为只读型光盘（CD-ROM）、追记型光盘（WORM）和可改写型光盘（MOD）3种。2.2.1 存储设备概述-存储器分类按功能和存取速度分类按功能和存取速度分类1.寄存器型存储器。由多个寄存器组成，如CPU内部的寄存器组。主要用来存放地址、数据及运算的中间结果，速度可与CPU匹配，但容量很小。2.高速缓冲存储器。高速小容量存储器，存放CPU近期要执行的指令和数据。一般采用双极型半导体存储器作为高速缓冲存储器。存取速度高，用来提高系统的处理速度。2.2.1 存储设备概述-存储器分类3.主存储器 计算机系统中的主要存储器，简称主存、内存。主存一般由半导体MOS存储器组成。用来存储计算机运行期间较常用的大量的程序和数据。4.外存储器 主机外部的存储器，也叫辅助存储器，简称外存、辅存。容量很大，存取速度较低，主要由磁表面存储器组成，目前广泛使用磁盘存储器和光盘存储器。2.2.1 存储设备概述-存储器分类 图2.4 各类存储器之间的关系 高速缓冲存储器CPUCache主机寄存器组主存外存2.2.1 存储设备概述-存储器分类 计算机主要包括CPU、主存和高速缓存。高速缓存处于CPU和主存之间，主存介于高速缓存和外存之间。越靠近CPU的存储器，其存取速度越快，容量相对就越小。没有高速缓存时，CPU直接访问主存。有高速缓存时，CPU当前要使用的指令和数据都是先通过访问高速缓存获取，如果缓存中没有，才会访问内存。CPU不能直接访问外存，当需要用到外存上的程序和数据时，先要将它们从外存调入主存，再从主存调入高速缓存后为CPU所利用。2.2.1 存储设备概述-存储器的性能指标 1存储容量（capacity）2存取速度（access time）3数据传输率（data transfer rate）4位存储价格（cost per bit）2.2.2 半导体存储器一般可分为三大类：随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）特殊存储器。本课着重介绍前两类 2.2.2 半导体存储器-随机存储器 1RAM 读写随机存取存储器 Read Write Random Access MemoryRAM通常有三个特点：（1）可以读出、写入。读出时不损坏所存储的内容，写入时修改原来所存储的内容（2）所谓随机存取，意味着存取任一单元所需的时间相同。通过行地址和列地址来存取一个单元。（3）当断电后，存储内容立即消失，称为易失