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1、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
2、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 CPUCPU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
3、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
4、度越快，如PⅣ的主频已达到3060MHz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P
5、C486，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的分类主频(MHz)奔腾Pentium60,66,75,90,120,133,16616高能奔腾MMXPentium166,200,233 PentiumPro150,180,200奔腾二代PentiumⅡ233,266,300,333,350,400Celeron(赛扬)266,300Xeon(至强)400,450奔腾三代PentiumⅢ450,500,550,…,1000,1130Celeron(赛扬Ⅱ)533,566
6、,600,…,766,800,奔腾四代Pentium41300,1400,…,1800,2000,30602.1.2 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
7、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，RandomAccessMemory)，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-OnlyMemory)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
8、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
