信息处理技术员教程

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1、信息处理技术员教程信息 处理 技术员 教 程 第 1 章 计算 机 硬件基础 计算机硬件基础知识历来都是信息处理技术员考试的一个 重点。从历年考题分数的分布来看，每年的分值都在 10 分左右。主要涉及到数据表示、数据运算、主板的结构、CPU的 组成、存储器以及常用I/O设备等。本章在考纲中涉及到的考点如下（1）数据运算。掌握各种进制之间互相转换，掌握常用的逻辑运算，掌 握补码表示法进行加减运算。（2）数据表示。掌握带符号定点数的原码、反码及补码表示法，理解浮 点数的表示方法，理解常用的二 /十进制编码，理解 ASCII 码表示原理，掌握汉字编码原理。（3）主板的结构。了解主板上的主要电子组件、

2、插座和接口的名称、类型、 位置和基本特性。（4）CPU 的组成。了解冯诺依曼计算机的特点，掌握 CPU 的基本构成及 各部分的功能，理解指令在 CPU 中的执行过程。（5）存储器。了解存储器的分类方法，理解“Cache-主存-辅存“三级存 储系统的原理，了解主存储器基本构成，掌握存储器主要指 标的计算，了解常用 RAID 系统的功能。（6）常用 I/O 设备。了解常用的 I/O 设备分类，重点掌握显示器、打印机、硬 盘、鼠标的原理、构成、分类、性能标准等。1.1 计算机概述 计算机是一种能自动、高速、正确地 完成数值计算、数据处理和实施控制等功能的电子设备。它能接收输入的数字信息，按照内部存储

3、的指令序列去 处理，并将产生的结果输出。1946 年 2 月，世界上第一台计算机 ENIAC 诞生在美国， 经过 60 多年的发展，计算机的运算能力、外形结构及应用 领域等都发生了极大的变化。计算机是 20 世纪人类最重要的科学技术发明之一，它的 诞生、发展和应用彻底改变了人类社会的生产和生活方式。1.1.1 计算机的组成部件 一个完整的计算机系 统由硬件系统和软件系统组成，如图 1-1 所示。图1-1计算机系统组成1.冯诺依曼计算机的特点 60 多年来，尽管计算机性能发生了翻天覆地的变化， 但是其基本体系结构和工作原理并没有太大的改变，仍然遵 循冯诺依曼1946年6月在关于电子计算装置逻辑结

4、构初探 报告中提出的设计思路。主要内容如下。（1）计算机（指硬件）由运算器、存储器、控制 器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。（2）计算机内部采用二进制数来表示程序和数据。（3）将编写好的程序和原始数据预先存入存储器 中，然后再启动计算机工作，使计算机在不需要人工干预的 情况下，自动、高速地从存储器中提取指令并执行，这就是 存储程序的原理。按照上述思路设计的计算机称为冯诺依曼计算机， 随着计算机技术的不断发展，也暴露出这种计算机的一些缺 点，目前已出现了一些突破冯诺依曼结构的计算机，统称为 非冯诺依曼结构计算机，如数据驱动的数据流计算机、需求 驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。

5、2. 计算机的硬件系统 组成计算机的基本部件 有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，它们通 过总线互联，就构成了计算机的硬件系统，如图 1-2所示。图1-2计算机硬件系统中央处理器（CPU）是运算器和控制器的合称，它是硬件系统的核心。存储器包括主存储器和辅助存储器。其中，主存储器与 CPU 称为主机，辅助存储器、输入设 备和输出设备称为外部设备。外部设备种类繁多，它们通过适配器（转换器）与主机 相连接。(1) CPU (中央处理器)。主要工作是执行指令，按照指令的要求对数据进行运算 和处理，这部分工作由运算器和控制器分工合作完成。运算器由算术逻辑部件( ALU )、寄存器组以及一 些控

6、制电路组成。其中 ALU 是主要部件，它的核心是加法器，任何运算都 可以转化为加法运算，寄存器组保存参与运算的数据及结 果。控制器负责对指令进行译码，产生一系列控制信 号，指挥和协调计算机的各个部件有序工作。它一般包括下述部件。 指令寄存器IR.存放正在执行的指令，以便在整 个指令执行过程中，实现一条指令的全部功能控制。 指令译码器ID.又称操作码译码器，它对指令寄 存器 IR 中的指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成 的操作以及寻址方式等，并产生相应的控制信号提供给微操 作信号发生器。 程序计数器 PC. 又称指令计数器或指令指针(IP)，在某些类型的计算机中用来存放正在执行的指令地 址

7、。在大多数机器中则存放将要执行的下一条指令的地址。 微操作信号发生器。它根据指令译码器ID产生的操作信号、时序电路产生的 时序信号，以及各个功能部件反馈的状态信号等，产生执行 指令所需的全部微操作控制信号，形成特定的微操作序列， 从而实现对指令的执行控制。（2）主存储器。简称主存，用于存放当前执行的程序和需要使用的数据， 存取速度快，CPU可直接访问。其基本结构如图 1-3所示，主要包括下述基本部件。图 1-3 主存储器结构示意图 存储体。 是指存放信息的实体，由若干存储单元组成，每个存储 单元存放一串二进制数。存储单元的编号称为存储地址，简称地址。 地址寄存器。接收并保存 CPU 发送的内存

8、地址。 地址译码器。将地址寄存器中的地址转换为使对应单元被选中的信 号。 数据缓冲寄存器。位于CPU和存储器之间，暂存存储器中准备读写的数据。 读写控制电路。接收CPU送来的读/写命令，并把这些命令转换为控制整 个存储器协调工作的时序信号。3）外存储器。也称辅助存储器，其特点是存储容量大、成本低，可脱 机保存信息，但CPU不可以直接访问。常见的外存储器包括软盘存储器、硬盘存储器、光盘存 储器、移动硬盘以及 U 盘等。（4）高速缓冲存储器。简称Cache，它是位于CPU和主存储器之间，规模较小但 速度很高的存储器，用于保存主存储器中一部分内容的拷 贝。当主机读写数据时，首先访问Cache，只有在

9、Cache中不 含所需数据时，CPU才会访问主存，从而很好地解决了 CPU 和主存之间的速度匹配问题。（5）外部设备。 也称外围设备，主要包括输入设备和输出设备。 常用外部设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机、绘图仪及扫描仪等。外部设备与CPU、主存等设备不同，有其自身特点 种类繁多，速度远低于CPU，数据形式多种多样，所以不能和 主机直接相连。连接时除其本身的控制驱动电路外，还需要接口电路（适 配器）。（6）总线。是连接计算机中各部件的数据通路，实现各部件之间的 信息交流，其主要特征是共享传输介质。如图 1-4 所示，总线通常包括数据总线、地址总线和控制 总线，不同总线的根数各不相同，每根线能

10、够传送一位二进 制数。图 1-4 总线结构图 数据总线是系统中各模块传递数据的通道，典型的数据总线包含 8、16、32、64 根线。线的根数称为数据总线的宽度，它反映了处理器的数据 吞吐量。地址总线用于指明数据传送的源地址和目的地址， 其宽度决定了系统能够拥有的最大主存空间。除了访问主存，地址线一般也访问 I/O 端口。 控制总线用于控制数据传送的方式、方向以及定时 或应答等，其线的数目取决于总线的类型及具体的机器配 置。3. 计算机的软件系统 包括 PC 机运行所需要 的各种程序、数据及其有关的文档资料。程序是完成某一任务的指令或语句的有序集合。 数据是程序处理的对象及结果。文档是描述程序操

11、作及使用的相关资料。主要包括下述两大类。（1）系统软件是使用和管理计算机系统的各种程序，包括操作系统、 各种服务性程序、语言处理程序和数据库管理系统等。（2）应用软件。 是计算机用户为了解决各种实际应用问题而编制的程 序，如自动控制程序、科学计算程序和管理信息系统等。1.1.2 计算机的应用 计算机虽然只有仅仅 60 多 年的历史，但已被广泛地应用于工业、农业、国防、科研、 教育、商业、医疗及日常生活的各个领域。其应用可简要归纳为以下几个方面。 （1）科学计算。是计算机应用最早的一个领域，也是应用最广的一个领 域。在这些领域中，问题往往极其复杂，计算量相当庞大， 时间要求又很高。如果没有计算机

12、的快速和精确计算能力，解决这些问题 几乎不可能。（2）自动控制。 主要应用于国防、工业、农业以及人们日常生活的各个 领域，据统计，目前国内外大约 20 的微机用于该领域。（3）信息处理。主要指处理大量文字、图像、声音等非数值信息，其处 理范围随着计算机的发展也逐渐扩大。计算机在这方面的应用，不仅节省了大量的人力物力， 在某些方面还为科学决策提供了准确的依据。（4）辅助设计和辅助制造。简称为CAD/CAM，它是借助计算机进行自动化或半自动 化设计/制造的一项实用技术，它可以大大缩短设计 /制造周 期，加速产品更新换代，降低生产成本。节省人力物力，而且对于保证产品的质量具有重要的作 用。（5）辅助

13、教学和医疗。计算机广泛应用于教育，被称为“教育史上的第四次革命“. 计算机辅助教学（CAI）软件可以把以前学生难以理解的知 识，通过图像、动画和声音的配合，给学生更直观、更感性 的形象，大大提高学习效率。网络自主学习不受时空限制，可以按照自身情况制订学 习的计划和进度，可以实现终身学习。在医疗卫生方面，借助计算机的各种医疗设备，如 CT 图 像处理设备，心、脑电图分析仪等，为早期疾病诊断提供了 强有力的手段。（ 6 ）人工智能。指的是计算机具有模仿人的高级思维活动（如感知、思 维、推理、学习、理解等）的能力，这类计算机主要应用于 专家系统、模式识别、问题求解、定理证明、机器翻译及自 然语言理解

14、等。计算机在社会经济与发展中的作用已在 60 多年的 历史中得到了充分的肯定。计算机应用的不断扩展推动着计算机技术快速发展，计 算机技术的不断进步，又大大推动着计算机应用的迅猛发 展。1.1.3 计算机的分类 目前计算机种类非常多，按 照功能可以分为通用机和专用机。按照运算速度可分为巨型机、大型机、小型机、工作站 和微型计算机。按照所处理的数据类型可分为模拟计算机、数字计算机 和混合型计算机等。（1）巨型机。运算速度超过 1 亿次/秒，存储容量大，主存容量超过几 千兆字节。其结构复杂，价格昂贵，研制这类巨型机是现代科学技 术，尤其是国防尖端技术发展的需要。（2）大型机。运算速度一般在 100

15、万次/秒至几千万次/秒，字长 32 位 64 位，主存容量在几百兆字节以上。具有比较完善的指令系统、丰富的外部设备和功能齐全 的软件系统。其特点是通用性好，有极强的综合处理能力，主要应用 于银行、政府部门和大型制造厂家等。（3）小型机。小型机规模小、结构简单，所以研制周期短，便于及时 采用先进工艺，生产量大，硬件成本低。同时，由于小型机软件比大型机简单，所以软件成本也 低。小型机打开了在控制领域应用计算机的局面，适用于数 据的采集、整理、分析和计算等方面。（4）微型机。微型机采用微处理器、半导体存储器和输入/输出接口等 芯片组装而成，使得微型机具有设计先进、软件丰富、功能 齐全、价格便宜、可靠性高和使用方便等特点。（5）工作站。20 世纪 80 年代兴起的面向工程技术人员的计算机系统， 其性能介于小型计算机和微型计算机之间。一般具有高分辨率的显示器、交互式的用户界面和功能 齐全的图形软件等。（6）网络计算机。应用于网络上的计算机，这种计算机简化了普通个人计 算机中支持计算机独立工作的外部存储器等部件，设计目标 是依赖网络服务器提供的各种能力支持，以尽可能地降低制 造成本。这类计算机简称为“NC“. 1.2 数据运算 二进制是计算 机