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第2章 计算机硬件与软件基础

教学提示：一个完整的计算机由硬件和软件两大部分组成。硬件是构成计算机的各种物理设备的总称，软件是为了运行、管理和维护计算机而编制的程序和各种文档的总和，两者缺一不可。

教学目标：本章主要介绍计算机硬件和软件的基础知识，包括CPU、存储器、输入输出设备等，以及系统、应用软件和计算机程序设计。通过本章的学习，要求掌握计算机软、硬件的基本概念、计算机硬件组成等知识。

2.1 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 CPU

CPU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、PⅡ、PⅢ、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. CPU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MHz(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. CPU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16位，32位计算机的代表就是PC 486，而目前的奔腾CPU已是64位。

表2.1 各种奔腾CPU的主频

奔腾级CPU的分类 奔腾

Pentium 主频(MHz)

60,66,75,90,120,133,166 高能奔腾 奔腾二代

MMX Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Celeron(赛扬) Xeon(至强)

166,200,233 150,180,200

233,266,300,333,350,400 266,300 400,450

450,500,550,…,1000,1130 533,566,600,…,766,800, 1300,1400,…,1800,2000,3060

奔腾三代 奔腾四代

Pentium Ⅲ Celeron(赛扬Ⅱ) Pentium 4

2.1.2 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(Cache)、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CPU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(RAM，Random Access Memory)，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ROM(Read-Only Memory)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。ROM一般在计算机中用来保存某些专用的程序(如BIOS基本输入输出系统)。

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，CPU执行指令的速度远远高于内存的读写速度。由于CPU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CPU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CPU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CPU的速度向CPU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。

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MB、几百MB，发展到目前的几个GB (1 GB=1024 MB)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0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 B×l8×80×2＝1.44 MB。

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