第2章计算机系统汇编Word下载.docx
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CPU根据预先编制好的程序,将结果10送出,经过译码,把二进制数10转换成ASCII码。
执行时,CPU可根据此程序指挥计算机的有关部件按要求工作,将10送至输出设备显示器,最后就在显示器上显示结果数10。
图2-3计算机程序执行过程
2.1.1中央处理器
由运算器和控制器构成的中央处理单元(CPU),也称中央处理器,是计算机的核心部件,负责完成计算机的运算和控制功能,CPU的内部结构如图2-4所示。
图2-4CPU内部结构图
1.运算器
运算器主要负责对信息的加工处理,它不断地从存储器中得到要加工的数据,对其进行加、减、乘、除及各种逻辑运算,因此也称算术逻辑部件(ALU)。
并将最后的结果送回存储器中,整个过程在控制器的指挥下有条不紊地进行。
运算器主要由算术逻辑单元、累加器、状态寄存器、通用寄存器等组成,如图2-5所示。
图2-5运算器示意图
2.控制器
控制器是计算机的指挥中枢,主要作用是使计算机能够自动地执行命令,控制器由指令指针寄存器、指令寄存器、控制逻辑电路和时钟控制电路等组成。
其中指令指针寄存器(IP)用于产生及存放一条待取指令的地址;
指令寄存器用于存放指令,指令从内存取出后放入指令寄存器。
指令由CPU通过发出,让计算机识别并执行,如ADDAH,78。
指令分为操作码和地址码两种;
计算机的寻址方式可以分为立即寻址、直接寻址、间接寻址、相对寻址、变址寻址、寄存器直接寻址、寄存器间接寻址等。
3.CPU主要的性能指标
CPU主要性能指标有主频、前端总线频率、字长、缓存、制造工艺等。
主频:
也叫时钟频率,单位是MHz(或GHz),用来表示CPU的运算、处理数据的速度。
主频=外频×
倍频系数。
缓存:
缓存大小也是CPU的重要指标之一,而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大,CPU内缓存的运行频率极高,一般是和处理器同频运作,工作效率远远大于系统内存和硬盘。
实际工作时,CPU往往需要重复读取同样的数据块,而缓存容量的增大,可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率,而不用再到内存或者硬盘上寻找,从而提高系统性能。
制造工艺:
制造工艺主要是指芯片内电路与电路之间的距离。
制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展,密度愈高的芯片电路设计,意味着在同样大小面积的芯片中,可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。
目前主流芯片制造工艺可达到32纳米以内。
4.CPU的发展历程
1971年,世界上第一款微处理器Intel4004芯片诞生,经过四十多年的发展,如今的CPU体积不断变小,而性能却不断增强。
目前CPU的生产厂家主要有Intel、AMD和VIA公司等,其中Intel公司占据全球大部分市场,其奔腾系列CPU的发展历程如表2-1所示。
表2-1Intel公司奔腾CPU发展历程
时间
型号
字长
主频
集成度
(晶体管数量)
1971年
4004
4位机
200KHZ
2300
1974年
8008-8080
8位机
2MHZ
3500
1978年
8086
16位机
4.77MHz
29000
1982年
80286
16MHz
13.4万
1985年
80386
32位机
33MHz
27.5万
1989年
80486
66MHz
120万
1993年
Pentium(80586)
64位机
166MHz
310万
1997年
PentiumⅡ
466MHz
550万
1999年
PentiumⅢ
1GHz
950万
2000年
PentiumⅣ
3GHz
5500万
2005年
PentiumD
3.6GHz
3.76亿
2006年
酷睿双核
双核2GHz
2.91亿
2008年
酷睿i7
2-8核3GHz
11.6亿
2.1.2存储器
存储器由内存储器(主存)和外存储器(辅存)组成,存储器的介质材料主要有半导体存储器、磁表面存储器、光存储器等,存储系统分层结构如图2-6所示。
图2-6存储系统示意图
1.主存储器(内存)
主存储器,简称主存,又称内存,主要用于存放当前工作中正在运行的程序、数据等,它可以分为随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)、只读存储器ROM(Read-OnlyMemory)和高速缓冲存储器(Cache)三种。
(1)随机存储器(RAM),用户可以更改信息,可随机地读出或写入,一旦关机(断电)后,信息不再保存;
RAM又可分为静态随机存储器(SRAM)和动态随机存储器(DRAM)两种,计算机内存条就是DRAM,如图2-7所示;
相对于DRAM,SRAM具有存取速度快、集成度低、功能大、价格高等特点。
图2-7动态随机存储器(DRAM)
(2)只读存储器(ROM),存储内容由厂家事先确定,一般用来存放自检程序、配置信息等;
通常只能读出而不能写入,断电后信息不会丢失,通常主板上CMOS芯片就是ROM,常用的只读存储器有PROM和EPROM等。
可编程程序只读内存(PROM)内部有行列式的镕丝,是需要利用电流将其烧断,写入所需的资料,但仅能写录一次。
PROM在出厂时,存储的内容全为1,用户可以根据需要将其中的某些单元写入数据0,以实现对其“编程”的目的。
可擦除可编程只读内存(EPROM)可利用高电压将资料编程写入,擦除时将线路曝光于紫外线下,资料被清空,并且可重复使用;
通常在封装外壳上会预留一个石英透明窗以方便曝光。
(3)高速缓冲存储器(Cache),即CPU的缓存,一般用SRAM芯片实现,它作为CPU与的RAM之间的缓冲,用于提高CPU“读写”程序、数据的速度,从而提高计算机整体的工作速度;
一般来说,CPU上的缓存(特别是二级缓存或三级缓存)越高,其处理速度就越快,当然体格也更高。
在计算机技术发展过程中,主存储器存取速度一直比CPU操作速度慢得多,使CPU的高速处理能力不能充分发挥,整个计算机系统的工作效率受到影响。
有很多方法可用来缓和中央处理器和主存储器之间速度不匹配的矛盾,如采用多个通用寄存器、多存储体交叉存取等,在存储层次上采用高速缓冲存储器也是常用的方法之一。
高速缓冲存储器的容量一般只有主存储器的几百分之一,但它的存取速度能与中央处理器相匹配。
根据程序局部性原理,正在使用的主存储器某一单元邻近的那些单元将被用到的可能性很大。
因而,当中央处理器存取主存储器某一单元时,计算机硬件就自动地将包括该单元在内的那一组单元内容调入高速缓冲存储器,中央处理器即将存取的主存储器单元很可能就在刚刚调入到高速缓冲存储器的那一组单元内。
于是,中央处理器就可以直接对高速缓冲存储器进行存取。
在整个处理过程中,如果中央处理器绝大多数存取主存储器的操作能为存取高速缓冲存储器所代替,计算机系统处理速度就能显著提高。
2.辅助存储器(外存)
辅助存储器,简称辅存,又称外存,主要用来存储大量暂时不参加运算或处理的数据和程序,是主存的后备和补充,它一般容量大,但存取速度相对较低。
常用的外存主要有硬盘、软盘、光盘、优盘、USB移动硬盘等,如图2-8所示。
图2-8常见外存储器
(1)硬盘
硬盘(HardDisk)是微型计算机上最重要的外部存储设备。
它是由磁盘片、读写控制电路和驱动机构组成。
硬盘具有容量大、存取速度快等优点,操作系统、可运行的程序文件和用户的数据文件一般都保存在硬盘上。
一个硬盘内部包含多个盘片,这些盘片被安装在一个同心轴上,每个盘片有上下两个盘面,每个盘面被划分为磁道和扇区。
磁盘的读写物理单位是按扇区进行读写。
硬盘的每个盘面有一个读写磁头,所有磁头保持同步工作状态,即在任何时刻所有的磁头都保持在不同盘面的同一磁道。
硬盘读写数据时,磁头与磁盘表面始终保持一个很小的间隙,实现非接触式读写。
维持这种微小的间隙,靠的不是驱动器的控制电路,而是硬盘高速旋转时带动的气流,由于磁头很轻,硬盘旋转时,气流使磁头漂浮在磁盘表面。
硬盘内部结构如图2-9所示,它将盘片、磁头、电机驱动部件乃至读/写电路等做成一个不可随意拆卸的整体并密封起来,所以,硬盘的防尘性能好、可靠性高,对环境要求不高。
图2-9硬盘内部结构
硬盘存储容量大,目前常见的硬盘一般可达到250GB、500GB、1TB、2TB左右;
硬盘相对于优盘、光盘等外存储器,“读写”速度快,成本低,因此使用十分广泛,是计算机的标准配置。
决定硬盘性能的关键参数有转速、平均寻道时间等。
转速:
指硬盘电机主轴的旋转速度,转速是决定硬盘内部传输率的关键因素之一,它的快慢在很大程度上影响了硬盘的速度,同时转速的快慢也是区分硬盘档次的重要标志之一。
目前主流硬盘转速一般为7200rpm以上。
平均寻道时间:
指硬盘在盘面上移动读写头至指定磁道寻找相应目标数据所用的时间,它描述硬盘读取数据的能力,单位为毫秒。
当单碟片容量增大时,磁头的寻道动作和移动距离减少,从而使平均寻道时间减少,数据读取速度加快。
最大内部数据传输率:
指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率,一般取决于硬盘的盘片转速和盘片数据线密度(指同一磁道上的数据间隔度)。
(2)优盘
优盘(U盘)是一种新型的移动存储产品,又称为闪速存储器(flash),主要用于存储较小的数据文件,以便在电脑之间方便地交换文件。
优盘不需要物理驱动器,也不需外接电源,可热插拔,使用简单方便。
优盘体积很小,重量轻,可抗震防潮,特别适合随身携带,是移动办公及文件交换理想的存储产品。
优盘通过USB接口与计算机连接,USBl.1接口传输速率可以达到12Mb/s,USB2.0接口达到480Mb/s,目前常用的USB3.O则达到了5.0Gb/s。
随着数码产品的高速普及,近年来与优盘工作原理相同的各类闪存卡也进入了高速发展时期,得到越来越广泛的应用,相机、平板电脑、智能手机上都能使用闪存卡。
闪存卡有很多种类,常见的有CF卡、SD卡、MMC卡、记忆棒、SM卡、MicroSD卡等。
(3)光盘存储器
光盘存储器是利用光学原理进行信息读写的存储器。
。
光盘存储器主要由光盘、光盘驱动器(即CD-ROM驱动器)和光盘控制器组成,如图2-10所示。
图2-10光盘存储器的组成
光盘驱动器是读取光盘的设备,通常固定在主机箱内,常用的光盘驱动器有CD-ROM和DVD-ROM,如图2-11所示:
图2-11光盘驱动器(光驱)
光盘按用途可分为只读型光盘、一次写型和可重写型光盘。
只读型光盘由厂家预先写入数据,用户不能修改,这种光盘主要用于存储文档、视频等不需要修改的信息;
只写一次型光盘的特点是可以由用户写信息,但只能写一次,写后将永久存在盘上不可修改;
可重写型光盘类似于磁盘,可以重复读写,它的材料与只读型光盘有很大的不同,是磁光材料。
光盘的主要特点是:
存储容量大、可靠性高,只要存储介质不发生问题,光盘上的信息就永远存在。
光盘存储信息的光道的结构与磁盘磁道的结构不同,它的光道不是同心环光道,而是螺旋型光道。
DVD是当今应用最广泛的光盘,DVD驱动器是许多微机的标准配置。
DVD有DVD-ROM、DVD-R、DVD-RW等三种基本类型。
最早出现的DVD叫数字视频光盘(DigitalVideoDisk),是一种只读型DVD光盘,必须由专用的影碟机播放。
随着技术的不断发展及革新,IBM、HP、APPLE、SONY、等厂商于1995年12月共同制定统一的DVD规格,并且将原先的DigitalVideoDisk改成现在的"
数字通用光盘"
(DigitalVersatileDisk),以MPEG-2为标准,每张光盘可储存的容量可以达到4.7GB以上。
刻录机是刻录光盘的设备。
在刻录CD-R盘片时,通过大功率激光照射CD-R盘片的染料层,在染料层上形成一个个平面和凹坑,光驱在读取这些平面和凹坑的时候就能够将其转换为0和1。
由于这种变化是一次性的,不能恢复到原来的状态,所以CD-R盘片只能写入一次,不能重复写入。
CD-RW的刻录原理与CD-R大致相同,只不过盘片上镀的是一层200~500埃(1埃=10-8cm)厚的薄膜,这种薄膜的材质多为银、铟、硒或碲的结晶层,这种结晶层能够呈现出结晶和非结晶两种状态,等同于CD-R的平面和凹坑。
通过激光束的照射,可以在这两种状态之间相互转换,所以CD-RW盘片可以重复写入。
平时使用光盘时应该注意不要将不清洁的光盘放入光驱;
不要在光盘上贴标签,即使是在光盘的背面;
不要在光盘工作时强行弹出光盘;
不要曝晒光盘;
不要用手或硬物触摸光盘的底面,接触和碰磨会破坏光盘表面的凹凸结构,造成数据的错误读取和丢失。
2.1.3输入设备
输入设备用来向计算机输入数据和信息,其主要作用是把人们可读的信息(命令、程序、数据、文本、图形、图像、音频和视频等)转换为计算机能识别的二进制代码输入计算机,供计算机处理,是人与计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。
例如,用键盘输入,敲击键盘上的每个键都能产生相应的电信号,再由电路板转换成相应的二进制代码送入计算机。
目前常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、手写输入板等,如图2-12所示。
图2-12常见输入设备
1.键盘
键盘最常用、最普通的输入设备,它是人与计算机之间进行联系和对话的工具,主要用于输入字符信息。
键盘的种类繁多,目前常见的键盘有多媒体键盘、手写键盘、人体工程学键盘、红外线遥感键盘和无线键盘等。
目前键盘接口规格主要有PS/2和USB两种。
键盘上的字符分布是根据字符的使用频度确定的,灵活一点的手指分管使用频率较高的键位,反之,不太灵活的手指分管使用频率较低的键位;
左右手分管两边,分别先按在基本键上,键位的指法分布如图2-13所示。
图2-13键盘指法示意图
2.鼠标
鼠标器(Mouse)简称鼠标,通常有两个按键和一个滚轮,当它在平板上滑动时,屏幕上的鼠标指针也跟着移动,它不仅可用于光标定位,还可用来选择菜单、命令和文件,是多窗口环境下必不可少的输入设备。
鼠标按其工作原理的不同分为机械鼠标和光电鼠标。
机械鼠标主要由滚球、辊柱和光栅信号传感器组成,当拖动鼠标时,带动滚球转动,滚球又带动辊柱转动,装在辊柱端部的光栅信号传感器采集光栅信号;
光电鼠标器是通过检测鼠标器的位移,将位移信号转换为电脉冲信号,再通过程序的处理和转换来控制屏幕上的光标箭头的移动。
鼠标按接口类型可分为串行鼠标、PS/2鼠标、总线鼠标、USB鼠标四种。
串行鼠标是通过串行口与计算机相连,有9针接口和25针接口两种。
PS/2鼠标通过一个六针微型DIN接口与计算机相连,它与键盘的接口非常相似,使用时注意区分;
总线鼠标的接口在总线接口卡上;
USB鼠标通过一个USB接口,直接插在计算机的USB口上。
3.其他输入设备
输入设备除了最常用的键盘、鼠标外,还有扫描仪、条形码阅读器、光学字符阅读器、触摸屏、手写笔、语音输入设备(麦克风)和图像输入设备(数码相机、数码摄像机)等。
图形扫描仪是一种图形、图像输入设备,它可以直接将图形、图像或文本输入计算机中。
如果是文本文件,扫描后经文字识别软件进行识别,还可以保存成文字。
利用扫描仪输入图片在多媒体计算机中广泛使用,现已进入家庭。
扫描仪通常采用USB接口,支持热插拔,使用便利。
条形码阅读器是一种能够识别条形码的扫描装置,连接在计算机上使用。
当阅读器从左向右扫描条形码时,就把不同宽窄的黑白条纹翻译成相应的编码供计算机使用。
许多商场和图书馆里都用它来帮助管理商品和图书。
触摸屏由安装在显示器屏幕前面的检测部件和触摸屏控制器组成。
当手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时,所触摸的位置由触摸屏控制器检测,并通过接口送到主机。
触摸屏将输入和输出集中到一个设备上,简化了交互过程。
与传统键盘和鼠标输入方式相比,触摸屏输入更直观。
配合识别软件,触摸屏还可以实现手写输入。
它在公共场所或展示、查询等等场合应用比较广泛。
触摸屏有很多种类,按安装方式可分为外挂式、内置式、整体式、投影仪式;
按结构和技术分类可分为红外技术触摸屏、电容技术触摸屏、电阻技术触摸屏、表面声波触摸屏、压感触摸屏、电磁感应触摸屏等。
将数字处理和摄影、摄像技术结合的数码相机、数码摄像机能够将所拍摄的照片、视频图像以数字文件的形式传送给计算机,通过专门的处理软件进行编辑、保存、浏览和输出。
2.1.4输出设备
输出设备把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来,其主要功能是将计算机处理后的各种内部格式的信息转换为人们能识别的形式(如文字、图形、图像和声音等)表达出来。
常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出、语音输出、磁记录设备等,如图2-14所示。
图2-14常用输出设备
1.显示器
显示器也称监视器,是微型计算机中最重要的输出设备之一,也是人机交互必不可少的设备。
显示器用于显示的信息不再是单一的文本和数字,可显示图形、图像和视频等多种不同类型的信息。
常用的显示器主要有阴极射线管显示器(简称CRT)和液晶显示器(简称LCD)两类。
其中CRT显示器又有球面和纯平之分,由于它体积大、耗电高,目前已经基本上被淘汰;
液晶显示器一般为平板式,体积小、重量轻、功耗少、辐射少,目前在台机式、笔记本电脑和平板电脑等产品中广泛使用。
显示器的主要性能指标有像素、分辨率、屏幕、点间距等。
像素:
显示器屏幕显示出来的图像是由一个一个的发光点(荧光点)组成的,我们称这些发光点为像素,每一个像素包含一个红色、绿色、蓝色的磷光体。
分辨率:
定义显示器画面解析度的标准,由可以在屏幕中显示的像素数目决定。
一般表示为水平分辨率(一个扫描行中像素的数目)和垂直分辨率(扫描行的数目)的乘积。
如1024×
768,表示水平方向最多可以包含1024个像素,垂直方向有768条扫描线。
屏幕总像素的个数是它们的乘积。
分辨率越高,画面包含的像素越多,图像就越细腻清晰。
屏幕尺寸:
指显示器屏幕对角线的长度,单位为英寸。
目前常用的是17英寸、19英寸、22英寸、23.5英寸等。
点间距:
指显示器屏幕上像素间的距离。
点间距越小,可使分辨率越高,图像越清晰。
灰度级:
指像素的亮暗程度。
彩色显示器的灰度级指颜色的种类。
灰度级越多,图像层次越逼真清晰。
微型计算机的显示系统由显示器和显示卡组成,显示卡简称显卡或显示配器。
显示器是通过显示卡与主机连接的,所以显示器必须与显示卡匹配。
不同类型的显示器要配置用不同的显示卡。
显示卡主要由显示控制器、显示存储器和接口电路组成。
显示卡的作用是在显示驱动程序的控制下,负责接收CPU输出的显示数据、按照显示格式进行变换并存储在显存中,再把显存中的数据以显示器所要求的方式输出到显示器。
2.打印机
打印机是把文字或图形在纸上输出以供阅读和保存的计算机外部设备,如图2-15所示。
一般个人计算机使用的打印机有点阵式、喷墨式和激光打印机三种。
图2-15打印机
(1)点阵式打印机
点阵式打印机主要由打印头、运载打印头的小车机构、色带机构、输纸机构和控制电路等几部分组成。
打印头是点阵式打印机的核心部分。
点阵式打印机有9针、24针之分,24针打印机以打印出质量较高的汉字,是使用较多的点阵式打印机。
(2)喷墨打印机
喷墨打印机属非击打式打印机。
其工作原理是,喷嘴朝着打印纸不断喷出极细小的带电的水雾点,当它们穿过两个带电的偏转板时接受控制,然后落在打印纸的指定位置上,形成正确的字符。
喷墨打印机的优点是设备价格低廉,打印质量高于点阵式打印机,支持彩色打印,无噪声;
缺点是打印速度慢,耗材(主要是墨盒)较贵。
(3)激光打印机
激光打印机也属于非击打式打印机,它将来自计算机的数据转换成光,射向一个充有正电的旋转的鼓上。
鼓上被照射的部分便带上负电,并能吸引带色粉末。
鼓与纸接触,再把粉末印在纸上,接着在一定压力和温度的作用下熔结在纸的表面。
激光打印机的优点是无噪声,打印速度快,打印质量好;
缺点是设备价格高、耗材贵。
3.其他输出设备
个人计算机上可以使用的其他输出设备主要有绘图仪、音频输出设备、视频投影仪等。
其中绘图仪有平板绘图仪和滚动绘图仪两类,通常采用“增量法”在x和y方向产生位移来绘制图形;
视频投影仪是微型计算机输出视频的重要设备,目前主要有CRT和LCD两种,LCD投影仪具有体积小重量轻、价格低、色彩丰富等特点。
2.1.5计算机的结构
计算机硬件系统的五大部件并不是孤立存在的,它们在处理信息的过程中需要相互连接和传输,计算机的结构反映了计算机各个组成部件之间的连接方式。
早期计算机主要采用直接连接的方式,运算器、存储器、控制器和外部设备等组成部件之间都有单独的连接线路。
这样的结构可以获得最高的连接速度,但不易扩展,1952年研制成功的计算机IAS基本上就采用了直接连接的结构,如图2-16所示。
图2-16直接连接的计算机结构示意图
现代计算机普遍采用总线结构。
总线(Bus)是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线,它是由导线组成的传输线束,按照计算机所传输的信息种类,计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线,分别用来传输数据、数据地址和控制信号。
总线是一种内部结构,它
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