计算机基础-计算机硬件基础

计算机基础计算机硬件基础由于使用最多的是微机（又称个人计算机，也即是PC机），故除非特别指出，本书介绍的计算机都指微机。计算机的硬件组成可以分为以下几个部分：CPU、内存、外存和各种输入输出设备。一些常用的多媒体设备已经成为计算机的基本配置。2.1.1 C P UCPU是计算机硬件系统的核心，一般由高速电子线路组成。目前的CPU都集成在一块芯片上，称为微处理器。微处理器不等于微机，它只是组成计算机的一个核心器件。由于CPU在计算机中的关键作用，人们往往将CPU的型号作为衡量和购买机器的标准，如586、PH、Pin、P4微处理器都成为计算机的代名词。下面介绍一下与CPU性能相关的几个问题。1.C P U 的速度与主频目前，个人计算机的运算速度已超过若干年前大型机的速度。例如，Intel公司的奔腾微处理器芯片的运算速度已达上亿次每秒。CPU执行指令的速度与系统时钟有着密切的关系。系统时钟是计算机的一个特殊器件，它周期性地发出脉冲式电信号，控制和同步各个器件的工作节拍。系统时钟的频率越高，整个机器的工作速度就越快。时钟频率的上限与器件的性能有关。所谓CPU的主频即CPU能够适应的时钟频率，或者说是CPU产品的标准工作频率,它等于CPU在1秒钟内能够完成的工作周期数。CPU的主频以M Hz（兆赫）为单位。当然，主频越高就表明CPU运算速度越快,如PIV的主频已达到3060 MHz以上。我们以奔腾为例进行介绍（见表2.1）2.C P U 的字长字长是指CPU在一次操作中能处理的最大数据单位，它体现了一条指令所能处理数据的能力。例如，一个CPU的字长为16位，则每执行一条指令可以处理16位二进制数据。如果要处理更多位的数据，则需要几条指令才能完成。显然,字长越长，CPU可同时处理的数据位数就越多，功能就越强，但CPU的结构也就越复杂。CPU的字长与寄存器长度及主数据总线的宽度都有关系。早期的微处理器都是8位 和1 6位，3 2位计算机的代表就是P C 4 8 6,而目前的奔腾C P U已是6 4位。表 2.1 各种奔腾CPU的主频奔腾级C P U 的分类主频（M Hz）奔腾P e n t i u m6 0,6 6,7 5,9 0,1 2 0,1 3 3,1 6 6M M X P e n t i u m1 6 6,2 0 0,2 3 3高能奔腾P e n t i u m P r o1 5 0,1 8 0,2 0 0奔腾二代P e n t i u m I I2 3 3,2 6 6,3 0 0,3 3 3,3 5 0,4 0 0C e l e r o n （赛扬）2 6 6,3 0 0X e o n （至强）4 0 0,4 5 0奔腾三代P e n t i u m I I I4 5 0,5 0 0,5 5 0,1 0 0 0,1 1 3 0C e l e r o n （赛扬 D）5 3 3,5 6 6,6 0 0,，7 6 6,8 0 0,奔腾四代P e n t i u m 41 3 0 0,1 4 0 0,1 8 0 0,2 0 0 0,3 0 6 02.1.2 存储器存储器的主要功能是存放程序和数据。程序是计算机操作的依据，数据是计算机操作的对象。为了实现自动计算，各种信息必须预先存放在存储器中。我们首先从存储器的系统介绍。1.存储器系统计算机的存储器系统是由主存储器（内存）、高速缓冲存储器（C a c h e）、辅助存储器（外存）及管理这些存储器的软件组成。内存用于存放执行的程序和待处理的数据，它直接（或通过缓存）与C P U交换信息；而外存储器是长期保存程序和数据的介质。目前，内存采用随机存取存储器（R A M,R a n d o m A c c e s s M e m o r y）,它是可读写的易失性存储器（断电后信息不能保存），它允许以任意顺序访问其存储单元。而R O M （R e a d-O n l y M e m o r y）是只读存储器的英文缩写。各种类型的只读存储器也具有随机访问的能力，只是不能写入数据。R O M一般在计算机中用来保存某些专用的程序（如B I O S基本输入输出系统）o在计算机的发展过程中，内存速度的提高赶不上逻辑电路速度的提高，C P U执行指令的速度远远高于内存的读写速度。由于C P U每执行一条指令都要访问内存一次乃至几次，所以内存制约了 C P U执行指令的效率。为了解决这个矛盾，在计算机中引入了高速缓存技术。高速缓存介于内存和C P U之间，它存取速度比内存快，但容量不大，主要是用来存放当前内存中使用最多的程序块和数据块，并以接近C P U的速度向C P U提供程序指令和数据。一般来说，程序的执行在一段时间内总是集中于程序代码的一个小范围内。如果一次性地将这段代码从内存调入缓存，缓存便可以满足CPU执行若干条指令的要求。只要程序执行不出这段代码，CPU对内存的访问就演变成对高速缓存的访问。所以，缓存可以进一步加快CPU访问内存的速度，从而也就加快了指令的执行速度。在我们购买的计算机中，一般都带有高速缓存（例如带有512 KB缓存）。当然缓存愈大愈好，但价格也随之上升，且它们大都与CPU封装在一块芯片上，不能随意选择。一些低档的机器就是因为没有缓存或缓存较小而价格便宜。我们知道，任何一个程序都要调入内存才能执行。为了能够运行更大的程序，为了同时运行多道程序，就需要配置较大容量的内存，或对已有的机器扩充内存。随着存储器芯片集成度的不断提高和价格的下降，今天计算机的内存容量不但超过了前些年大型机的内存容量，而且还超过了一些小型机的外存容量。例如，当前计算机的内存配置已在百兆数量级上。当然，内存的扩充终归有限，有没有可能让较小的内存运行更大的程序呢？目前广泛采用的“虚拟存储技术”可以通过软件方法，将主存和一部分外存空间构成一个整体，为用户提供一个比实际物理存储器大得多的存储器，这称之为“虚拟存储器”。虚拟存储器的原理同样是基于这样一个现实：即程序的运行在一段时间内不会涉及到它的全部指令，而仅仅是局限在一段程序代码之内。当一个程序需要执行时，只要将其调入虚拟存储器就可以了，而不必全部调入内存。程序进入虚存后，就完全由操作系统进行管理和调度。系统会根据一定的算法，将实际执行到的那段程序代码调入物理内存（称为页进）。如果内存已满，系统会将目前暂不执行的代码送回作为虚存的外存区域（称为页出），再将当前要执行的代码调入内存。这样,操作系统会通过页进、页出，保证要执行的程序段都在内存。而一次页进就可以解决若干条指令的执行。虚拟存储器技术有效地解决了物理存储器不足的问题。但是，程序执行过程中的页进、页出实际上是内外存的交换，而访问外存的时间比访问内存要慢得多。也就是说，从用户的使用角度讲，虚拟存储器如同物理存储器的作用，但比物理存储器要慢一些。虚存技术实际上是用时间（变慢）换取了空间（增大）。图 2.1 给出了存储系统的层次结构。外存（辅助存储器）可用来长期存放程序和数据。外存上的信息主要由操作系统进行管理，它一般只和内存进行信息交换。表枚存储器斗度送 存-储摘这爆福 _一cp-u1/0（扬人姑也）图2.1存储系统的层次结构常见的外存储器有磁盘、磁带和光盘等，下面分别加以介绍。2.磁盘存储器磁盘存储器是当前各种机型的主要外存设备，它以铝合金或塑料为基体，两面涂有一层磁性胶体材料。通过电子方法可以控制磁盘表面的磁化，以达到记录信息（0和1）的目的。磁盘的读写是通过磁盘驱动器完成的。磁盘驱动器是一个电子机械设备，它的主要部件包括：一个安装磁盘片的转轴，一个旋转磁盘的驱动电机，一个或多个读写头，一个定位读写头在磁盘位置的电机，以及控制读写操作并与主机进行数据传输的控制电路。常见的磁盘驱动器有两种：硬盘驱动器和软盘驱动器。软盘驱动器设计能接收可移动式软盘，目前常用的就是容量为1.44 MB的3.5英寸软盘。软盘存取速度慢，容量也小，但可装可卸、携带方便。硬盘驱动器（包括硬盘片本身）完全密封在一个保护箱体内。硬盘以其容量大、存取速度快而成为各种机型的主要外存设备。一般的计算机可配置不同数量的硬盘，且都有扩充硬盘的余地。目前一块硬盘的容量已从过去的几十M B、几百M B,发展到目前的几个G B（1 GB=1024 M B）到几十个GB。磁盘存储器有如下几个常用术语：磁道：每个盘片的每一面都要划分成若干形如同心圆的磁道，这些磁道就是磁头读写数据的路径。磁盘的最外层是第。道，最内层是第n道。柱面：一个硬盘由几个盘片组成，每个盘片又有两个盘面，每个盘面都有相同数目的磁道。所有盘面上相同半径的磁道组合在一起，叫做一个柱面。扇区：为了存取数据的方便，每个磁道又分为许多称之为扇区的小区段。每个磁道（不管是里圈还是外圈）上的扇区数是一样的，每个磁道记录的数据也是一样多。所以内圈磁道上的记录密度要大于外圈磁道上的记录密度。例如，3.5英寸软盘有80个磁道，每 道 分18个扇区，每扇区可存512个字节，且磁盘正反面都可以存储数据。所以，软盘的容量是512 BX 18X80X2=1.44M B。为了存取磁盘上的数据，系统最终要给出如下的地址格式：驱动器号.盘面号.柱面号.扇区号3.磁带存储器磁带的工作原理如同录音带、录像带一样。磁带存储器由磁带机和磁带两部分组成。磁带分为开盘式磁带和盒式磁带两种，前者多用于大中型机，后者多用于微型机。磁带存储容量大，装卸方便。磁带读写速度比磁盘慢得多，且是顺序读写方式，故经常用来作为磁盘上数据的后备介质，或用来存放不经常使用的数据。磁带也可作为某些专用程序的数据带（存放要处理的数据，这些数据经常是用其他设备记录下来的）。4.光盘存储器多媒体信息，尤其是图形信息，其计算量是非常庞大的。以全活动视频图像来说，如放映一部电影，要求以每秒30帧以上的速度播放“胶片”，那么意味着计算机就要以每秒9 MB的速率传输数据。其他声音、图形等信息虽然比图像信息要少，但是也很庞大。例如播放1分钟的立体声数字音乐文件，其数据量需要占用10 MB的磁盘空间。各种多媒体文件即使经过压缩也是非常庞大的，所 以，一种新的大容量可装卸存储介质光 盘 应 运 而 生。CD是英文compact disc的缩写，意思是高密度盘，即光盘。它是通过光学方式读取和记录信息的，写入和读出都是使用激光束来实现的。光盘是在20世 纪70年代末从胶木密纹唱片发展而来的。目前一张光盘的容量在500 MB左右，光盘的存取速度要慢于硬盘。光盘存储器有3种类型：只读型、一次性写入型和可擦写型。只读光盘（CD-ROM）CD-ROM中的内容在光盘生产时就已经确定，盘片一旦制成，其内容不可改变，只能读取。在计算机领域，CD-ROM主要用于视频盘和数字化唱盘以及各种多媒体出版物。目前，各种软件也都是以此种光盘为介质来提供。一次写入型光盘这种光盘买来时为空白盘，可以分一次或几次对它写入数据，但写入的内容不可以修改而只能读，一般可用于资料的永久性保存，也可用于自制多媒体光盘或光盘复制。可擦写型光盘这种光盘允许重复读写，故兼有磁盘的大容量和软盘的可装卸等优点，是一种新型的光盘。注意：一般机器上配置的光驱只能读取光盘（只读光驱）。而我们称之为刻录机的光盘驱动器才具有对光盘的写入功能，但只能对特定光盘进行写操作，而且一次性写入和可擦写光盘是两种不同类型的盘片，后者的价格是前者的10倍。光盘上印有照片或文字的那一面事实上并没有储存数据，数据是存放在光滑明亮的另一面上。下面介绍数据是如何存放在这光滑的光盘表面上的。图2.2显示了光盘的数据存放方式。光盘的中心是导入区(L e a d i n),显示了数据开始记录的位置。接下来是目录表(T a b l e o f C o n t e n t s),它记载了文档目录以及结构的信息。光盘的主体数据紧接着目录表区域，由中心向外以螺旋状方式放置。一旦数据记录完毕，光盘压制器就会在其数据圈外加上一个导出区(L e a d o u t)数据轨，结束数据的读写动作。-导出区曲第区-导,、-目录我图2.2光盘数据存放方式当要读取数据时，激光读取头会