第4章 认识计算机文档格式.docx

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事实上，对这些概念和操作所蕴涵的物理意义的深入理解，有助于我们巩固对这些概念和操作的掌握，特别是可以认识到各种概念和操作之间基于计算机硬件结构的思维共性。

因此，我们必须深入计算机内部，认识和理解计算机硬件系统的基本构成和工作原理。

在此基础上，更好地理解软件系统中的各种概念，以及各种操作要求的必然性。

从而，深刻认识计算机及其操作使用。

硬件（Hardware）系统是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。

硬件是整个系统运行的物理平台，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。

图4.1是计算机硬件系统的基本结构。

图4.1计算机硬件系统的基本组成

现代电子计算机的奠基人是英国科学家艾兰·

图灵（AlanMathisonTuring）和美籍匈牙利科学家冯·

诺依曼（VonNeumann）。

早在1936年，图灵为了解决纯数学的一个理论问题，发表了著名的“理想计算机”论文，在该文中提出了现代通用数字计算机的数学模型，后人把它称之为“图灵机（TuringMachine，TM）”。

这是一个描述计算步骤的数学模型，使用这种抽象计算机可以把复杂的计算过程还原为十分简单的操作。

图灵机的概念是现代可计算性理论的基础。

图灵证明，只有TM能解决的计算问题，实际计算机才能解决；

而TM不能解决的计算问题，实际计算机也无法解决。

1950年，图灵在哲学期刊《Mind》上又发表了一篇著名论文“ComputingMachineryandIntelligence”（计算机器与智能）。

他在文中指出，如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别，则该机器就具有智能。

人们将这个论断称为图灵测试（TuringTest），它奠定了人工智能的理论基础。

冯·

诺依曼为现代计算机的发展作出了重要贡献。

他在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，可以归纳为如下几点：

（1）计算机硬件设备由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并对其基本功能做了规定。

（2）计算机内部采用二进制数码来表示指令和数据，每条指令由一个操作码和一个地址码组成，其中操作码表示所做的操作性质，地址码则指出被操作数在存储器中的存放地址。

（3）采用存储程序的概念，即将编制好的程序（由计算机指令组成的序列）和原始数据存入计算机的主存储器中，使计算机在工作时能够连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令执行。

诺依曼设计思想确立了现代计算机的基本结构，并第一次提出了“存储程序”的概念。

时至今日，尽管计算机科学以及硬件与软件技术得到了极大的发展，计算机的性能指标、工作方式等都发生了翻天覆地的变化，但就计算机本身的体系结构而言仍没有明显的突破，当今的计算机仍然属于冯·

诺依曼架构，其结构如图4.2所示。

表示数据流表示控制流

图4.2冯·

诺依曼计算机结构示意图

1）运算器

运算器又称算术逻辑部件（ALU——ArithmeticalLogicUnit），是进行算术运算和逻辑运算的部件。

它在控制器的控制下，对取自内存储器的数据进行算术和逻辑运算。

算术运算指按照算术规则进行的运算，如加、减、乘、除、求绝对值等；

逻辑运算泛指非算术性质的运算，如比较大小、移位、逻辑加等。

在计算机中，各种复杂的运算被分解为一系列算术运算和逻辑运算，由ALU执行。

运算器每次执行什么操作是由当前指令的操作码来确定的。

2）控制器

控制器（Controller）是计算机的控制指挥中心，计算机的神经中枢。

它的基本功能是从内存储器中取出指令并对指令进行分析、判断，并根据指令发出相应的各种控制信号，使计算机的有关设备或电子器件有条不紊地协调工作，保证计算机能自动、连续地工作。

控制器和运算器合起来称为中央处理器即CPU（ControlProcessingUnit），CPU是计算机的核心部件。

CPU中还包括若干寄存器，用来存放运算过程中的各种数据、地址或其他信息。

寄存器的种类很多，主要的有：

（1）通用寄存器向ALU提供运算数据，或保留运算结果。

一般CPU有多个通用寄存器。

（2）累加器A这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器，有重复累加数据的功能。

（3）程序计数器PC存放将要执行的指令的地址。

（4）指令寄存器IR存放根据PC的内容从内存储器中取出的指令。

3）存储器

存储器（Memory）是有记忆能力的部件，用来保存程序和数据。

在计算机运算过程中，由存储器把预先编制和存储的程序快速提交给计算机的CPU进行处理。

存储器分为内存储器和外存储器两类。

内存储器（也称主存储器，简称内存或主存）可以和CPU直接相连，用来存放当前要执行的程序和数据，以便快速向CPU提供信息。

内存储器一般采用半导体材料制造。

外存储器（也称辅助存储器，简称外存），一般需要通过特殊接口与CPU连接。

外存储器用来存放当前暂不参加运行而又需要长期保留的程序和数据。

存放在外存的程序必须调入内存才能运行。

软盘、硬盘和光盘都属于外存储器。

外存储器存储容量大，价格便宜，但需要机械设备的驱动，速度较慢。

相对外存而言，内存容量小，价格较贵，但由于内存采用电子器件，故速度较快。

存储器的操作有写入操作和读出操作两种。

将信息存入存储器谓之“写入”（Write）；

从存储器取出信息称为“读出”（Read）。

存储器有一个公共特性就是“取不尽、挤得掉”，也就是存储器读出信息时，原来内容保持不变；

向存储器写入信息时，则原来保存的内容被新内容代替。

为了便于对存储器中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）。

地址与存储单元之间为一对一的关系，地址是存储单元的惟一标志。

CPU对存储器的读写操作都是通过地址来进行的。

正如某栋学生宿舍楼中每个房间都有一个唯一的房间号，通过房间号才能找到住在该房间内的学生。

所以，存储单元的地址和该单元中所存放的内容是两个不同的概念。

存储单元的地址以二进制数表示，称为地址码。

地址码的宽度（位数）表明了可以访问的存储单元的数目。

在计算机中，信息的存储单位常采用位、字节、字等几种量纲。

（1）位（bit，缩写为b）：

二进制的每一位（“0”或“1”）是二进制信息的最小单位。

有关二进制的概念将在4.3中介绍。

（2）字节（Byte,缩写为B）：

一个字节由8位二进制代码组成，它们从左到右排列为：

b7b6b5b4b3b2b1b0

其中b7是最高位，b0是最低位。

字节是信息存储的基本单位，存储单元的地址也通常按字节编排。

（3）字（Word）：

又称计算机字，是可作为独立的信息单位进行处理的若干位的组合，其包含的二进位个数称为字长。

字长一般是字节的整数倍。

存储器的容量指它能存放的二进制位或字节数，常用的计量单位有KB（千字节，K为210），MB（兆字节，B为220），GB（千兆字节，G为230）等。

4）输入设备

输入设备就是将程序、命令或数据等信息输入到计算机的装置。

输入设备把它们转换成计算机能够识别的形式，存放在内存中。

常用的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪等。

5）输出设备

输出设备是将计算机处理后的结果（通常在内存）进行输出的设备。

输出结果要转换成人们能够接受的形式，例如数据、文字、图形、表格等。

常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

6）总线

为了使构成计算机的各功能部件成为一个可工作的系统，必须把它们按某种方式有组织地连接在一起，总线（BUS）就是计算机各部件之间传送信息的公共通道。

图4.3示意了总线与各功能部件的连接。

总线就像“高速公路”，总线上传输的信号则被视为高速公路上的车辆。

在单位时间内公路上通过的车辆数直接依赖于公路的宽度、质量。

所以，总线技术成为计算机系统结构的一个重要方面。

图4.3总线与各功能部件连接的示意图

4．1．2微型计算机的组成

微型计算机是计算机领域中发展最快、应用最广泛的一类计算机。

微型计算机的硬件也是由冯·

诺依曼提出的五个基本部分组成，并通过总线连接。

微型计算机采用了模块化结构，将各种外部设备（除外存储设备）尽可能独立出来，将CPU、内存储器、总线以及各种接口等集成在一起，以系统主板的形式提供。

并将系统主板与外部存储器的驱动设备封装在一个机箱中。

这种结构便于各种设备的连接、扩展与替换。

图4.4是典型微型计算机的示意图。

图4.4微型计算机

1）CPU

20世纪70年代出现的微型计算机在计算机的发展过程中有着不可估量的作用。

1971年11月，美国Intel公司把运算器和逻辑控制功能集成在一起，成功地用一片芯片实现了中央处理器的功能，制成了世界上第一片微处理器（MPU——MicroProcessingUnit）Intel4004。

它再加上存储器组成了4位微型电子计算机MCS-4，从此揭开了微型计算机发展的帷幕。

随后，许多公司竞相研制微处理器，相继推出了8位、16位、32位微处理器，芯片的主频和集成度不断提高，由它们构成的微型机在功能上也不断完善。

微型计算机发展非常迅速，以2～3年的速率更新换代。

如今的微型机在某些方面已经可以和以往的大型机相媲美。

微型计算机体积小、功耗低、成本低，其性能价格比优于其他类型的计算机，因而得到了广泛应用和迅速普及。

同时，为适应不同需要，许多厂家开发和生产了各种各样的微型计算机，如个人计算机、单片机、单板机、专用机等，其中，个人计算机特别引人注意。

个人计算机是以供“个人使用”为特点，具有小巧、省电、价廉、功能强、可靠性高、适应面广、使用方便等显著优势，使得它迅速深入到社会生活的各个领域并进入家庭。

1977年美国APPLE公司的个人计算机问世。

1981年美国IBM公司推出采用Intel微处理器芯片的IBMPC（personalcomputer）个人计算机，随后又相继推出IBMPCXT、PC286、386、486、Pentium和PentiumPro等一系列微型计算机。

许多厂家向IBM靠拢，纷纷推出了与IBMPC相兼容的个人计算机。

由于PC机设计先进，功能齐全，软件丰富，价格便宜，很快便占领了微型计算机市场的主导地位。

Apple公司一直坚持开发自己的PC机系列，如AppleⅠ和AppleⅡ等8位PC机以及包括多种机型的Macintosh（简称Mac）系列，以其独特的界面风格，在16位和32位PC机市场上也占有一席之地。

随着集成电路技术的飞速发展，微处理器的技术水平也飞速提高，在速度、体积、功耗、性能价格比方面平均每18个月就有一个数量级的提高。

目前，几家著名的微处理器芯片制造厂商已开发和制造出64位结构的微处理器芯片，如DEC公司推出的Alpha211，IBM、Motorola、Apple三家公司联合推出的Power-PC体系结构均为64为微处理器芯片，I