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1、文档供参考，可复制、编制，期待您的好评与关注！ 计算机的基本组成1.1 概述1.1.1 计算机的组成1计算机硬件系统组成从1946年第一台以电子管为基本元件的计算机诞生到今天，计算机经过了几代的更新换代，已经形成了一个庞大的计算机家族。尽管计算机在应用领域、硬件配置和工作速度上有着很大的差别，然而从组成结构上来看，各种计算机的硬件结构基本上还是相同的。任何一台计算机，其硬件都是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大功能部件组成的，其硬件结构框图如图1-1所示。图1-1 计算机硬件结构框图在硬件系统中，通常把CPU、内存以及连接主要输入输出设备的接口电路统称为主机，其他部分则称为外部设
2、备。现在，生产厂家已能将主机制作在一块印制电路板上，这就是通常所说的主机板，简称主板。2指令和指令系统（1）指令（instruction）指令是指要计算机完成某个操作所发出的指示或命令，且由计算机直接识别执行。一台计算机可以有许多指令，作用也各不相同，所有指令的集合称为计算机的指令系统。指令通常包含操作码（operation code）和操作数（operand）两个部分，操作码指明计算机应该执行的某种操作的性质与功能，即指示计算机执行何种操作；操作数指出参加操作的数据或数据所在单元的地址。用机器指令编写的程序称为机器语言程序。指令按其功能可分为两种类型：一类是命令计算机的各个部件完成基本的算术
3、逻辑运算、数据存取和数据传送等操作，属于操作类指令；另一类则是用来控制程序本身的执行顺序，实现程序的分支、转移等操作，属于控制转移类指令。（2）指令系统指令系统能具体而集中的体现计算机的基本功能。从计算机系统结构的角度看，指令系统是软件和硬件的界面，指令是对计算机进行程序控制的最小单位。指令系统的内核是硬件，当一台机器指令系统确定之后，硬件设计师根据指令系统的约束条件构造硬件组织，由硬件支持指令系统使其功能得以实现。而软件设计师在指令系统的基础上建立程序系统，扩充和发挥机器的功能。对不同种类的机器而言，指令系统的指令数目与种类呈现出比较大的差异。指令系统决定了计算机的能力，也影响着计算机的体系
4、结构。一台计算机的指令种类总是有限的，但在人们的精心设计下，可以编制出各式各样的程序。计算机的能力固然取决于它自身的性能，但更取决于编程人员的聪明才智。3计算机软件概述所谓软件，就是计算机用户把要求计算机执行的各种操作按照一定的格式编写成的命令集。有了软件，计算机就能脱离人的直接干预自动进行运算和处理。计算机在运行时，预先把相应的软件存入计算机的存储器中，这些软件称为用户程序（又称源程序），然后再用编译的方法或解释的方法把源程序翻译成计算机能够认识的机器指令（又称目标程序），并执行该机器指令。（1）机器语言所谓机器语言，是指能为计算机识别的指令代码，它是一组二进制代码，每一种计算机都有一种指令
5、代码集。指令代码的功能越丰富，则计算机的性能越好，能执行操作的种类越多。由于机器语言的形式是以二进制代码出现的，所以对于一般的人员来说，辨认它很不方便，即使是专业人员要认识它并熟练地用它进行编程也不是一件容易的事，因此机器语言被称为低级语言。（2）高级语言为了克服低级语言的不易认识的缺点，人们用英文字符按一定的格式组成命令符号来代替机器语言的二进制代码。由于英文的命令符号的形式可以组合得很接近实际命令的意思，所以这一类的命令容易记忆，也容易理解，因此称为高级语言。显然，要使计算机能够执行用高级语言编写出来的命令程序，计算机在执行该程序之前，就要把高级语言编写的程序翻译成计算机能够辨认的机器语言
6、。4微型计算机结构特点计算机通常分成大、中、小和微型计算机。微型计算机（简称微型机，微机）与一般大、中、小型计算机并无本质区别，但微型机有自己的特点，主要表现在两个方面。（1）采用微处理器作为CPU微处理器是采用大规模或超大规模集成电路技术将运算器和控制器集成在一块芯片上，各种类型的微型机均采用微处理器作为CPU。此外，内存储器、接口电路也采用大规模集成电路器件，从而使微型机的主机可由为数不多的几块芯片组装而成，使微型机体积小、重量轻、成本低、工作可靠。（2）采用总线实现系统连接所谓总线（BUS）是指信号线的集合，通过总线可以实现相互的信息或数据交换。在微型机中，各个有联系的部件不是单独地使用
7、导线连接，而是连到总线上，这就使部件间的通信关系变成面向总线的单一关系，所以总线是各部件共用的。采用总线结构，简化了连线，增加了可靠性，并便于部件和设备的扩充，尤其是制定了统一的总线标准后，不同设备之间容易实现互连。根据总线上传送信息的不同，微型机中的总线分为数据总线（data bus，DB）、地址总线（address bus，AB）和控制总线（control bus，CB）。 数据总线一般是双向三态控制，用来实现CPU、存储器和I/O设备之间的数据交换。数据总线的宽度一般与CPU的字长相同。 地址总线一般是单向三态控制。地址信息由CPU发出，通过地址总线传送到存储器或I/O接口，指出相应的存
8、储单元或I/O设备。 控制总线主要用于传送由CPU发出的对存储器和I/O接口进行控制的信号，以及这些接口芯片对CPU的应答、请求等信号。图1-2所示的是以总线形式表示的微型机结构图。（a）总线结构示意图（b）3种总线传送方向示意图图1-2 微型机总线结构图图1-2（a）体现了各部件通过总线相连的情况，图1-2（b）则以3种总线明确指出不同信息及其传送方向。1.1.2 运算器运算器是对数据进行运算的部件，它能够快速地对数据进行加、减、乘、除等基本算术运算以及“与”、“或”、“非”等逻辑运算。在运算过程中，运算器不断得到由存储器提供的数据，运算后把结果（包括中间结果）送回存储器保存起来。整个运算过
9、程是在控制器统一指挥下，按程序中编排的操作次序进行的。运算器主要由算术逻辑单元（arithmetic logic unit，ALU）、寄存器（包括通用寄存器、暂存寄存器、标志寄存器等）以及一些控制数据传送的电路组成。算术逻辑单元是运算器中实现算术和逻辑运算的电路；寄存器是运算器中的数据暂存器，在运算器中往往设置多个寄存器，每个寄存器能够保存一个数据。寄存器可以直接为算术逻辑单元提供参加运算的数据，运算的中间结果也可以保存在寄存器中。这样，一个简单的运算过程就可以在运算器内部完成，避免了频繁地访问存储器，从而提高了运算速度。运算器中还设有标志寄存器，它用来存放运算结果的特征，如进位标志（C）、零
10、标志（Z）、符号标志（S）等。在不同的机器中，标志寄存器的标志位有不同的规定。1.1.3 控制器控制器是计算机的控制中心，计算机的工作就是在控制器的控制下有条不紊地协调进行的。控制器通过地址访问内存储器，逐条取出选中单元的指令，然后分析指令，并根据指令产生相应的控制信号作用于其他部件，控制这些部件完成指令所要求的操作。上述过程周而复始，保证了计算机能自动、连续地工作。控制器主要由程序计数器（program counter，PC）、指令寄存器（instruction register，IR）、指令译码器（instruction decoder，ID）、时序电路及操作控制器等电路组成。当计算机执行
11、程序时，程序计数器中保存的是要执行的下一条指令的地址，控制器根据这个地址，从内存中取出指令并送入指令寄存器。指令译码器对指令寄存器中的指令代码进行分析后，发出各种相应的操作命令，指挥计算机的有关部件进行工作，比如一次内存读写操作，一个算术/逻辑运算操作，或一个输入输出操作等。程序计数器是控制器中的一个重要部件，它的功能是指示程序的执行顺序。在取指令阶段，它保留本条指令的地址；当指令执行完成后，它存放的是下一条将要执行的指令地址。程序计数器的位长一般是能表示内存的最大容量。下一条指令地址的形成有两种可能，一种是顺序执行，下一条指令地址通过指令计数器自动加1完成；另一种是通过转移指令形成下一条指令
12、地址。通常将运算器和控制器合在一起称为中央处理单元（central processing unit，CPU），CPU是计算机的核心部件，在生产制作时将其集成在一块芯片里。1.1.4 存储器1内存和外存存储器是用来存放信息的部件。计算机的存储器可分为内存储器（简称内存，也称主存储器）和外存储器（简称外存，也称辅助存储器）。内存直接与CPU相连，可由CPU直接读写信息，是CPU能根据地址线直接寻址的存储空间。它一般用来存放正在执行的程序或正在处理的数据。由于内存的数据交换非常频繁，因此内存的速度会直接影响整机的性能。目前的内存大都是由半导体存储器芯片组成的，其特点是体积小、耗电低、存取速度快、可靠
13、性好，并且集成度越来越高，而成本越来越低，因此，即使是个人微机也可配置较大的内存（如64MB或256MB）。外存储器不能与CPU直接交换信息，CPU需按输入输出方式访问这部分存储空间。外存一般用来存放暂时不用但又需长期保留的程序或数据。存放在外存的程序必须调入内存后才能运行。外存一般是由磁性介质材料（如磁盘、磁带）或光盘制成的，其中存放的信息不会因断电而丢失。与内存相比，外存的存储容量较大，价格也相对便宜，但存取速度较慢。常用的外存有软盘、硬盘、磁带及光盘等。2半导体存储器的分类目前各类计算机的内存普遍采用半导体存储器，从不同的角度可以对半导体存储器进行不同的分类。（1）按读写功能来划分，半导
14、体存储器可分为只读存储器和随机存储器。只读存储器简称ROM（read only memory），它需要预先写入程序或数据，写入的程序称为固化程序，具有很高的可靠性。ROM的特点是在计算机正常工作时，其内容可以反复被读出，但不能改写，掉电后片内信息不会丢失。只读存储器适用于数据写入后不变或极少需要改变的应用场合，如存放字库、固定的数据和程序等。只读存储器又分为掩模、可编程、可擦写可编程等多种类型。随机存储器简称RAM（random access memory），其特点是在计算机正常工作时，可随时对存储器写入或读出信息，读写信息的时间和地址都是任意的、无关的。但RAM中存储的信息在掉电后会丢失。随
15、机存储器常用于存放频繁访问或频繁更新的程序或数据，计算机的内存就是由随机存储器构成的。（2）按半导体制造工艺来划分，半导体存储器可分为双极型和MOS型存储器。双极型存储器是用晶体管-晶体管逻辑电路（TTL）做成的，一般为随机存储器。其特点是工作速度快，但功耗大、集成度低，且工艺较复杂，主要用作高速缓存、超高速计算机的主存等。MOS型（metal oxide semiconductor）存储器是用金属氧化物半导体管制成的，其特点是功耗小、集成度高，但速度略低于双极型存储器，是当前计算机内存的主要芯片。（3）按信息保存方式来划分，半导体存储器可分为静态随机存储器与动态随机存储器。静态随机存储器（S
16、RAM）不需要刷新，即在通电状态下，只要不写入新的信息，信息始终保持不变。静态随机存储器的电路设计简单，但其集成度要低于动态随机存储器，且成本较高。常用于小容量或高速的存储系统，如高速缓存、视频存储器等。动态随机存储器（DRAM）所存放的信息将随时间而衰减，所以必须定时刷新。由于动态随机存储器必须设计相应的刷新电路，因此其结构和实现上均比静态随机存储器复杂，并且刷新时，存储器处于占用状态，不能读写，因此对总体性能有一定的影响。不过由于动态随机存储器具有容量大、集成度高、价格低等优点，它仍是当前计算机内存采用的主要芯片。综上所述，半导体存储器的类型可归纳为如图1-3所示。图1-3 半导体存储器的分类现代微型计算机为追求更大容量的内存空间，RAM主要采用动态MOS
