计算机系统简介

计算机系统由硬件和软件组成，所谓硬件即指计算机的实体部分，是指构成计算机的所有物理部件，包括各种元器件、电路板卡、机械装置以及各种连接件，是看得见、摸得着的硬设备，故称为硬件。

所谓软件是看得见摸不着的，比如我们常用的浏览器、微信和 QQ、PPT 等。是管理和控制计算机执行各种操作的所有程序、数据、文档资料的总称。

计算机系统组成

计算机硬件又称为冯·诺依曼结构。由五个部分组成：输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器。其中计算机中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成；输入、输出设备（I/O设备）又被人们称为外围（部）设备。

运算器+控制器=CPU：中央处理器（Central Processing Unit）

• CPU 由运算器、控制器和一些寄存器组成，是计算机系统的核心。
• 运算器是对数据进行运算和加工，完成算术和逻辑运算的部件
• 控制器是计算机的指挥中心，控制各部分协调工作，完成对指令的解释和执行。
• CPU 的主要性能指标是主频和字长。
  • 主频：指计算机主时钟在一秒钟内发出的脉冲数，在很大程度上决定了计算机的运算速度。主频的单位一般是GHz。
  • 比如：Intel Core i5 2300 四核处理器 (2.8GHz/6 MB高速缓存)，Intel（英特尔）是CPU的品牌，Core（酷睿）代表产品系列，i5 2300是CPU的型号，四核处理器是指 CPU 内集成了 4 个处理核心，2.8GHz 表示 CPU 的主频，6 MB高速缓存代表 CPU 内置了 6MB 的高速缓存。
  • 字长：指计算机能够直接处理的二进制数据的位数。单位为位（bit）。计算机的字长直接影响计算机的精度、功能和速度。
  • 平常我们说的 32 位机，64 位机，说的就是 32 字长，64 字长 。

存储器

• 存储器是记忆部件，用于存放程序和数据。

• 存储器可分为主存储器和辅助存储器两类。

  • 主存储器又称内存或主存，它直接与 CPU交换 信息，是计算机的工作存储器，即当前正在运行的数据和程序都必须存放在主存内，它的存取速度快但容量较小（当然价格也比较贵）。所谓存储器容量指存储器中所包含的字节数，是标志计算机处理信息能力强弱的一项技术指标。
  • 在计算机内部，信息都是用二进制的形式进行存储、运算、处理和传送的。信息存储单位有位（bit）、字节（Byte简称B）等。

• 位（bit）：信息的最小单元称为位（bit）。每一个位是二进制中的一个数位，代表两个状态，就是 0 和 1，也就是说计算机其实只认识 0 和 1 这两种状态。

• 字节（Byte）：计算机存储的基本单位。所有的存储器内部结构，都被划分为许许多多的基本单元，每个基本单元的存储量为 1 个字节（Byte），可以存储 8 位二进制信息。

• Byte 作为数据信息的计量单位仍然太小，为了方便计算，引入一些更大的单位，包括 KB、MB、GB、TB 等。

  • 1Byte=8bit
  • 1KB=$2^{10}$B=1024B
  • 1MB=1024KB
  • 1GB=1024MB
  • 1TB=1024GB

机器字（word）：字是位的组合，并作为一个独立的信息单位处理。字又称为计算机字，它取决于机器的类型、字长以及使用者的要求。常用的固定字长有 8 位、16 位、32 位等。

• 内存主要由随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和高速缓冲存储器(Cache)构成 。

  • RAM 是一种读写存储器，其内容可以随时根据需要读出，也可以随时重新写放新的信息。当电源关闭时，RAM 不能保留数据。比如常见的内存条。
  • ROM 是一种内容只能读出而不能写入和修改的存储器，其存储的信息在制作该存储器时就被写入。当电源关闭时，ROM 信息不会丢失。比如 BIOS。
  • Cache 是指在 CPU 与内存之间设置的一级或二级高速小容量存储器，称之为高速缓冲存储器。在计算机工作时，系统把将系统由外存读入 RAM 中，再由 RAM 读入 Cache 中，然后 CPU 直接从 Cache 中取数据进行操作。Cache 一般直接整合到 CPU 里。

• 辅助存储器又称为外存储器，用于长期保存数据。由于安装在主机外部，所以属于计算机的外部设备。它的容量一般比较大，而且大部分可以移动，便于在不计算机之间进行信息交流。常见的外存有硬盘、闪存、光盘等等。
• 硬盘是由若干个硬盘片组成的盘片组，上面覆盖着磁性氧化物。硬盘一般被固定在计算机箱内。
  • 比如：1TB SATA2.0 7200 转 单碟容量：500GB 32MB硬盘。1TB 代表总存储容量，SATA2.0 代表接口标准，7200转 代表硬盘每分钟的转速。单碟容量：500GB 意味着这款硬盘每张碟片的容量是 500GB，32MB 代表缓存容量。

固态硬盘 SSD

光盘具有容量大、存取速度快、不易受干扰等特点。光盘根据其制造材料和记录信息方式的不同一般分为三类：只读光盘(CD-ROM)、一次性写入光盘(CD-R)和可擦写光盘 (CD-RW)。

U盘

移动硬盘

输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风

输出设备：显示器、扬声器

总线

总线是一组导线、是公共通路，微型计算机中各个组成部件之间的信息传输都是通过总线来实现的 。

按照总线上传输信息的不同，总线分为三类，数据总线（DB），地址总线（AB）和控制总线（CB）。

分别传送地址信号、数据信号和控制信号。

1．数据总线

数据总线用于传递数据信息。数据总线是双向的，CPU 既可以向其他部件发送数据，也可以接收来自其他部件的数据。

2．地址总线

地址总线用于传输地址的信息，如要访问外设的内存地址、某个外设的地址等。由于地址通常由 CPU 提供的，所以地址总线一般是单向传输的。

由于地址总线传输内存的地址，所以，地址总线的位数决定了 CPU 可以直接寻址的内存范围。例如 32 位 CPU 的地址总线通常也是 32 位，可以表示出 $2^{32}$ 个不同的内存地址，即可访问的内存容量为 4GB。

3．控制总线

顾名思义，控制总线用于传送控制信号。例如 CPU 向内存或输入输出接口电路发出的读写信号；又如，输入输出接口电路向 CPU 发送的用于同步工作的联络信号等。

随堂检测

单项选择题

1.一个 32 位整型变量占用（ ）个字节。

{{ select(1) }}

• 32
• 128
• 4
• 8

2.中央处理器（CPU）能访问的最大存储器容量取决于（ ）。

{{ select(2) }}

• 地址总线
• 数据总线
• 控制总线
• 实际内存容量

3.计算机系统总线上传送的信号有（ ）。

{{ select(3) }}

• 地址信号与控制信号
• 数据信号、控制信号与地址信号
• 控制信号与数据信号
• 数据信号与地址信号

4.以下哪一种设备属于输出设备（ ）。

{{ select(4) }}

• 扫描仪
• 键盘
• 鼠标
• 打印机

5.分辨率为 1600×900、16 位色的位图，存储图像信息所需要的空间为（ ）。

{{ select(5) }}

• 2812.5KB
• 4218.75KB
• 4320KB
• 2880KB

6.计算机存储数据的基本单位是（ ）。

{{ select(6) }}

• bit
• Byte
• GB
• KB

7.以下不是 CPU 生产厂商的是（ ）。

{{ select(7) }}

• Intel
• AMD
• Microsoft
• IBM

8.以下不是存储设备的是（ ）。

{{ select(8) }}

• 光盘
• 磁盘
• 固态硬盘
• 鼠标

9.在计算机内部用来传送、存贮、加工处理的数据或指令都是以（ ）形式进行的。

{{ select(9) }}

• 二进制码
• 八进制码
• 十进制码
• 智能拼音码

10.1MB 等于（ ）。

{{ select(10) }}

• 1000宇节
• 1024字节
• 1000 X 1000字节
• 1024 X 1024字节

11.在 PC 机中， PENTIUM （奔腾）、 酷睿、 赛扬等是指（ ）。

{{ select(11) }}

• 生产厂家名称
• 硬盘的型号
• CPU的型号
• 显示器的型号

12.微型计算机中，（ ）的存取速度最快。

{{ select(12) }}

• 高速缓存
• 外存储器
• 寄存器
• 内存储器

不定项选择题

13.CPU 访问内存的速度比访问下列哪个（些）存储设备要慢（ ）。

{{ multiselect(13) }}

• 寄存器
• 硬盘
• 软盘
• 高速缓存
• 光盘

14.以下哪个（些）不是计算机的输出设备（ ）。

{{ multiselect(14) }}

• 鼠标
• 显示器
• 键盘
• 扫描仪
• 绘图仪

15.以下断电之后将不能保存数据的有（ ）。

{{ multiselect(15) }}

• 硬盘
• 寄存器
• 显存
• 内存
• 高速缓存