大学计算机基础第二章讲义

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第二章 计算机硬件及软件系统

计算机系统是一个复杂的工作系统，它由硬件系统和软件系统组成。所谓计算机的硬件系统，通俗地说就是构成计算机的看得见摸得着的部件，即构成计算机的各种物理设备的总称。例如：计算机的主机、显示器、键盘、磁盘驱动器等。软件系统是运行、管理和维护计算机的各类程序和文档的总称。通常把不装备任何软件的计算机称为“裸机”，计算机之所以能够应用到各个领域，是由于计算机装上不同软件后，能够出色地按照人们的意志完成各种不同的任务。本章主要介绍计算机硬件及软件知识。

2-1 计算机硬件系统的组成

计算机硬件的基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据输入、运算、数据输出等一系列根本性的操作。计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本构件组成。图2-1列出了一个计算机系统的基本硬件结构。其中，实线代表数据流，虚线代表指令流。

程序 原始数据 输入设备 存数 存储器 取数 存数 运算器输入命令 输出设备 取数 存取命令控制器器 运算命令 输出命令 图2-1 微型计算机硬件系统的基本结构

2-1-1 主板

1．系统主板

主板又叫主机板、母板、系统板等，是计算机系统的主要组件，包括中央处理器、主存储器、支持电路和总线控制器以及插接件。计算机的质量与主板的设计和工艺有极大的关系。随着计算机技术的发展，高度整合主板成为主板发展的一个必然趋势，现在主板不但可以集成声卡、MODEM、网卡、Raid（独立磁盘冗余阵列），而且还可以集成显卡，以及各种新型接口。图2-2为一个实际的ATX主板的布局结构及外型图。

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串口

并口

PCI插槽

北桥芯片组

硬盘插槽IDE 南桥芯片组 CMOS电池 软盘插槽FDD

图2-2 ATA主板

CPU插槽

内存条插槽 主板电源插槽

(1) CPU插槽。CPU需要通过某个接口与主板连接才能进行工作。CPU采用的接口方式有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。对应到主板上就有相应的插槽类型。目前，在安装形式上主要分为Socket和Slot两大工业标准， 图2-2所示CPU插槽为Socket插槽，目前的Pentium 4 CPU 采用的是Socket 478插槽。

图2-3 Intel 845G南桥芯片组 图2-4 VIA PT880北桥芯片

(2) 芯片组。芯片组(Chipset)是主板的灵魂，它决定了主板所能够支持的功能。目前市面上常见的芯片组有Intel、VIA、SiS、Ali、AMD等几家公司的产品。在图2-2中，近CPU的那一块叫做北桥芯片，主要负责控制CPU、内存和显存间数据交换功能；因为北桥芯片的数据处理量非常大，发热量也越来越大，所以现在的北桥芯片都覆盖着散热片用来加强北桥芯片的散热，有些主板的北桥芯片还会配合风扇进行散热。近PCI插槽的那一块叫做南桥芯片，南桥芯片主要是负责I/O接口等一些外设接口的数据传输和控制、IDE设备的控制及附加功能等等。\南桥\和\北桥\芯片如图2-3、2-4所示。

主板的性能主要由其采用的芯片组决定，当前芯片组基本都来自于Intel，VIA，AMD这几家公司，表2.1是当前几款主流芯片组的技术指标比较表。

表2-1 几款主流芯片组技术指标比较

芯片组 总线频率(MHz) AMD-750 200 VIA Apollo KX133 200 Intel 820 100/133

支持内存频率(MHz) 最大支持内存 支持PC133规范 支持DIMM槽数 支持Ultra DMA66 支持USB接口 支持AGP4X 内置AC97规范的音频/Modem芯片 66/100 768MB 否 3 是 4 否 否 66/100/133 2GB 是 4 是 4 是 是 100/600/700/800 N/A 否 3 是 2 是 是 3

(3) 内存条插槽。内存条是插在主板上的内存插槽中的，图2-5为常见内存条，主板上内存插槽的数量和类型对系统主存的扩展能力及工作方式有一定影响，一般插槽的线数越多接纳的内存条容量越大，数据传输速度就越快。其插槽的线数常见有30线、72线、168线和184线。目前主板上大多采用184线插槽。

(4) 串/并接口及其它类型接口。目前大多数主板都提供了两个串行接口，分别为COM1和COM2，作用是连接串行鼠标和外置Modem等设备。并行接口插座LPT接口，一般用来连接打印机或扫描仪。另外配置PS/2、USB接口，PS/2接口的功能比较单一，仅能用于连接键盘和鼠标。一般情况下，鼠标的接口为绿色、键盘的接口为紫色。PS/2接口的传输速率比COM接口稍快一些，是目前应用最为广泛的接口之一。USB接口是现在最为流行的接口，最大可以支持127个外设，并且可以独立供电，其应用非常广泛。USB接口可以从主板上获得500mA的电流，支持热拔插，真正做到了即插即用，一个USB接口可同时支持高速和低速USB

图2-5 内存条 外设的访问，如图2-6所示。

(5) 总线扩展插槽。主板上的总线扩展插槽是CPU通过系统总线与外部设备联系的通道，是主板上用于固定扩展卡并将其连接到系统总线上的插槽。系

统的各种扩展接口卡都插在扩展插槽上，如显卡、声图2-6 主板背面接口 卡、网卡及内置Modem卡等。

(6) AGP(Accelerated-Graphics-Port：加速图形端口)

插槽。专用的图形显示扩展插槽，用于安置AGP接口的显示卡。它是一种为缓解视频带宽紧张而制定的总线结构。它将显示卡与主板的芯片组直接相连，进行点对点传输。但是它并不是正规总线，因它只能和AGP显卡相连，故不具通用和扩展性。其工作的频率为66MHz，

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是PCI总线的一倍，并且可为视频设备提供528MB/S的数据传输率。所以实际上就是PCI的超集。

(7) CMOS电池。Pentium级主板多数用的是锂电池，只有少数用全封闭结构式电池。它是用来保持主板CMOS数据的。

2．主板新技术

(1) 跳线技术。所谓跳线，就是一组通断开关，通过对通、断的不同组合，来达到调整CPU频率或者实现一些其他功能(如调整电压)的目的。以前的跳线一般是由一组金属针脚或拨指开关组成。自从升技公司的经典软跳线技术Softmenu出现以后，有不少的厂商也加入这项功能，即可以在BIOS中直接设定CPU频率和电压等。

(2) 新的BIOS升级技术。以前的BIOS升级被视为―高手‖的专利。因此其有一定的风险，所以普通用户不敢轻易涉足。但是一些厂商开发了一些特殊的BIOS升级功能，使得BIOS升级再不会像以前那样危险和神秘了。 比如微星新的815主板就可以在Internet上直接升级，只要你连上网络，系统将自动检测你的BIOS版本，如果发现你所使用的产品有新的BIOS文件，将会自动下载并更新，大大减少了用户的操作。使BIOS更加简单。

(3) 节能功能。目前的节能功能主要有STD和STR两种。STD(Suspend to Disk)，挂起到硬盘，是指系统在深度休眠时，将目前的资料保存在硬盘上，当再次开机时可以省去重启的时间，目前STD技术已属于淘汰的类型，更新的是STR技术。STR(Suspend to Ram)，挂起到内存，即当系统深度休眠时将资料保存在内存中，重启到原来的状态只需要3秒左右。目前的较新的主板(如815主板)都支持此技术。

(4) 异步内存调整技术。在VIA的芯片组VIA Apollo Pro 133/133A和KT 133等中，有一项内存和外频异步运行的功能。就是在标准外频下(如66MHz或100MHz等)，可以将内存运行的频率比外频低33MHz或高33MHz。这项技术极大地方便了一些老用户，这样就可以使用将比较新的内存和比较老的CPU(或比较老的内存和比较新的CPU)进行合理搭配，充分发挥其功能。但要注意的是，如果在非标准外频下(如83MHz)，那么内存运行的频率将不会按照这个规律增加，具体的增加值会因具体情况有所不同。

(5) 扩展槽分频技术。每一个类型的总线都有自己额定的运行频率，如果超过太多，就可能使设备运行不正常。比如PCI设备的额定频率是33MHz，AGP设备的额定频率是66MHz。当外频运行在100MHz时，PCI设备就需要工作在外频的三分之一才能保证设备正常运行(如声卡等设备)，这就是通常所说的三分频；如果一旦外频在133MHz上，PCI设备就需要四分频了。如果外频再往上升，即使是四分频，也会比标准频率高出不少，而且AGP设备通常只支持二分频，所以在高外频下(如150MHz)，如果PCI设备(声卡)或AGP设备(显卡)质量不好，将严整影响整个系统的超频性能。目前PCI总线只支持四分频，而AGP总线只支持二分频。

(6) 安全保护技术。由于目前病毒的危害很大，因此一些安全保护技术也必不可少。比如在对BIOS的保护上，就采取了多种形式。最简单的就是在BIOS旁加上写保护跳线，以避免病毒侵害；还有就是使用双BIOS，即使一个被破坏了也有另一个可以工作，如技嘉就采用了这种技术；再有即使一些厂商自己开发的集成几种技术的产品，如联想的―无敌锁‖，―宙斯盾‖等，其原理也是避免病毒侵害BIOS。 主板诊断技术也是一项比较实用的技术。如微星的D-LED技术，就是将故障用四个灯亮的颜色来表示。如显卡故障用两个红灯表示，而内存故障用三个红灯表示等。这样可以帮助一些初学者判断故障的所在，以便对症下药。而硕泰

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克开发的语音提示技术将语音芯片固化在主板上，可以将故障直接―说‖出来(用机箱小喇叭发声)，更是满足一些追新族的喜好。

(7) ACPI电源接口。Pentium以上主板特有的一种新功能。作用是在管理电脑内部各种部件时尽量做到节省能源。

2-1-2 CPU

中央处理器简称CPU(Central Processing Unit)，它是计算机系统的核心，包括运算器和处理器两部分。计算机所发生的全部动作都受CPU的控制。其中，运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算，是对信息加工和处理的部件，由进行运算的运算器件和用来暂时寄存数据的寄存器、累加器等组成。控制器是对计算机发布命令的“决策机构”，用来协调和指挥整个计算机系统的操作，它本身不具有运算功能，而是通过读取各种指令，并对其进行翻译、分析，而后对各部件作出相应控制。它主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。能够处理数据位数是CPU的一个最重要的品质标志，人们通常所说的8位机、16位机、32位机、64位机即指CPU可同时处理8位、16位、32位、64位的二进制数据。

在市场分布方面，仍然是Intel跟AMD公司在两雄争霸，它们分别推出了Pentium4、Tualatin核心Pentium Ⅱ和Celeron、Tunderbird核心Athlon、AthlonXP和Duron等处理器。CPU外观如图2-7、2-8所示，intel系列CPU性能指标如表2.2所示。

图2-7 intel Pentium4 图2-8 Athlon XP 1800+

世界上第一款微处理器——4004的诞生到现在已有三十多年了。在这三十多年里，它一直按照业界无人不知的―摩尔定律‖发展。摩尔定律指出：芯片上晶体管的数量每18个月就会提高一倍，性能提高一倍。英特尔最新的安腾处理器芯片容纳了17亿个硅晶体管。如果照目前的速度发展下去，那么到2005年，CPU的运算速度有望超过10GHz 。从理论上来看，硅晶管将能继续收缩，到2023年左右达到4纳米制作工艺。(目前的芯片采用90纳米工艺，而实验阶段的已经有约6纳米的器件生产出来。)而这时，用来分隔信息及管道的晶体管壁等将接近到极值，而电子将自动漂移。如果这样的话，那么晶体管的稳定性将消失，也就不可能控制电子流产生0，1信号了，这时摩尔定律将会失效。

中国第一个拥有自主知识产权、通用高性能的“龙芯2号”即将于2005年3月29日在北京发布，该芯片是由中国科学研究院计算技术研究所研制。龙芯2号将采用0.18微米的工艺，实现主频500MHz，是2002年9月28日发布的龙芯1号实测性能的10到15倍。

表2-2 Intel CPU主要性能指标 芯片 集成度 (万/片) 主频 (MHz) 寻址范围 对应AMD 产品 CPU型号 推出时间 字长(位) 性能说明

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的打印速度，这一点对商业用户来说可能更为重要一些。打印机的打印速度是用每分钟打印多少页纸(PPM)来衡量的。厂商在标注产品的技术指标时，通常都会用黑白和彩色两种打印速度进行标注。

③ 内存。打印机内存是影响打印速度的一个关键性因素，特别是网络打印机，内存大，缓冲区大，打印速度也就快，不过一般家庭使用感觉不到内存大的好处。在激光打印机中，打印内存往往被大家提到，如HP 6L为1MB内存，联想的2110P为2MB内存。

④ 最大打印尺寸。最大幅面就是指打印机所能打印的最大纸张的大小。现在多数打印机的打印幅面都为A4，这已足够满足多数用户的要求，至于A2、A3幅面打印机都是一些商用或专业级打印机，价格非常昂贵。

⑤ 色彩数目。打印机总体上分为黑白和彩色两种，黑白打印机是最常见的，彩色打印机用的也越来越广泛，特别是喷墨打印机。不过早期的针式打印机也有彩色的，只是颜色非常单调。彩色激光打印机是一种发展前景非常看好的打印机，它的打印效果可与印刷质量相媲美。早期的彩色打印机大都是3色或4色，现在的专业级打印机一般都为6色或9色了。 2.1.6 微型计算机的主要性能指标

1．时钟主频

时钟主频是指CPU在单位时间内(秒)发出的脉冲数。通常以兆赫(MHz)为单元，如PentiumⅢ 800是指其主频为800MHz，主频越高，计算机的运算速度越快(运算速度是指每秒钟所能执行的指令条数，一般用百万次/s(MIPS)来描述)。

2．字长

字长是指CPU能够同时处理数据的二进制数位数。它直接关系到计算机的运算速度、精度 和功能。有8位、16位、32位、64位之分，当前主流产品为32位。

3．内存容量

内存容量反映内存存储数据的能力，内存容量越大，其运算速度也快，一些操作系统和大型应用软件常对内存容量有要求，如Windows 98最低内存配置为32MB，建议内存配置64MB，Windows 2000最低内存配置为64MB，建议内存配置为128MB。

4．绿色环保电脑

在计算机使用过程中，很多时候计算机设备是空闲的，可是却全功率运行着，既耗电也加快了系统的老化。绿色环保电脑增强了电脑的电源管理功能，使其在没有人使用或无程序运行时自动减少各部件的功耗，达到节省能源和保护机器的目的。

5．外部设备配置

微型计算机作为一个系统，外部设备的性能也对其有直接影响。例如磁盘驱动器的配置、硬盘的接口类型与容量、显示器的分辨率、打印机的型号与速度等。

2-2 计算机软件系统的组成

软件是指挥计算机工作的程序、与程序运行时所需的数据以及与这些程序和数据的有关说明的文档资料。软件分为系统软件和应用软件两类。软件系统是计算机上可运行的全部程序的总和。只有通过软件系统的支持，计算机硬件系统才向用户呈现出强大的功能和友好的使用界面。

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2-2-1 系统软件

软件是计算机程序及相关文档的总称，如在系统中运行的程序、数据等。软件就其逻辑功能而言，主要是描述实现数据处理的规则和流程。软件又分为系统软件和应用软件两大类，而系统软件通常包含操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和各种工具程序。

1．操作系统

操作系统(Operating System，简称OS)是控制和管理计算机全部软、硬件资源为用户提供便捷使用计算机资源的接口或界面。是直接运行在“裸机”上的最基本的系统软件，对硬件功能的扩充，配上操作系统的“裸机”被称为“虚拟机”，其功能更强大。其它软件只有操作系统的支持下才能运行。操作系统有五大功能——进程处理及管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理。常用的操作系统有DOS、Windows、Unix、Netware等。

2．程序设计语言和语言处理程序

计算机是在程序控制下工作，而程序需要计算机程序设计语言来编写。对程序设计语言可以从不同角度进行分类，如面向对象的程序设计语言、结构化程序设计语言、面向机器的程序设计语言。也可根据程序设计语言与机器的联系程度将其分为机器语言、汇编语言、高级语言三类。前两者依赖于机算机硬件，有时统称为低级语言，而高级语言与计算机硬件关系较小。因此可以说程序设计语言的演变经历了由低级向高级发展的过程。

(1) 机器语言。机器语言是以二进制代码（‘0’和‘1’序列）表示的指令集合，是计算机唯一能直接识别和执行的语言。用机器语言编写的程序称为机器语言程序，其优点是占用内存少、执行速度快，缺点是难编写、难阅读、难修改、难移植。

(2) 汇编语言。为了克服机器语言的缺点人们采用了助记码与符号地址来代替机器指令中的操作码与操作数。与用ADD代替‘1011’表示叫法操作，用SUB代替‘0011’表示减法操作。所以汇编语言又称为符号语言，是将机器语言的每条二进制代码指令用便于记忆的符号形式表示出来的一种语言。用汇编语言编制的程序称为汇编语言程序，其特点相对于机器语言程序而言易阅读、易修改。

机器语言和汇编语言都是面向机器的语言，比其他语言执行效率高，许多系统软件的核心软件由他们编写。其特点是对机器依赖性很大，程序通用性差，用户较难掌握。

(3) 高级语言。高级语言是比较接近于自然语言和数学表达式的程序设计语言。它是面向应用的计算机语言，其优点是符合人类叙述问题的习惯，而且简单易学。用高级语言编写的程序由于便于阅读、修改、调试而已成为目前普遍使用的语言。从结构化程序设计语言到当今广泛使用的面向对象的程序设计语言有上百种之多。列以下为几种高级语言及其应用领域(表2.5)。

表2.5常用高级语言

语言名称 BASIC FORTRAN PASCAL C COBOL VISUAL C++ 应用领域 数学、科学计算 科学及工程计算 专业数学、科学计算 科学计算、数据处理、系统开发 商业管理 面向对象程序开发 18

JAVA

网络编程 用汇编语言和高级语言编写的程序称为“源程序”，不能被计算机直接执行，必须把它们翻译成机器语言程序，机器才能识别及执行。这种翻译也是由程序实现的，不同的语言有不同的语言翻译程序，我们把这些翻译称为语言处理程序。因此，计算机上能提供的各种语言，必须配备相应的语言处理程序。

通常的翻译有两种方式：编译方式和解释方式。编译方式是用相应语言的编译程序将源程序翻译成目标程序，再用连接程序将目标程序与函数库等连接，最终生成可执行程序，才可在机器上执行。解释方式是通过相应语言解释程序对源程序逐条翻译成机器指令，每译完一句立即执行一句，直至执行完整个程序，如BASIC语言。其特点是便于查错，但效率较低。图2-19(a)，(b)分别为解释方式和编译方式的示意图。

解释程序 编译程序 连接程序 源程序 执行结果 源程序 目标程序 可执行程序 执行结果 （a） （b）

图2-19 翻译的两种形式

3．数据库管理系统

数据库是按一定方式组织起来的相关数据的集合。所谓数据是用来记录信息的可识别符号，是信息的具体表现形式。同一条信息可以有多种不同的数据表现形式，例如可表现为文字、数值、图像、声音等。20世纪60年代开发出的数据库系统(Data Base System,简称DBS)，使得数据处理成为计算机应用的一个重要领域。数据处理是一系列活动的总过程，包括收集、存储、加工、检索和发布，并在此过程中过滤掉无关数据，抽取最有价值的相关数据。

随着计算机应用领域的不断拓展和多媒体技术的发展, 数据库已是计算机科学技术中发展最快、应用最广泛的重要分支之一，数据库技术的研究也取得了重大突破，他已成为计算机信息系统和计算机应用系统的重要的技术基础和支柱。从20世纪60年代末开始, 数据库系统已从第一代层次数据库、网状数据库，第二代的关系数据库系统，发展到第三代以面向对象模型为主要特征的数据库系统。关系数据库理论和技术在70～80年代得到长足的发展和广泛而有效地应用，80年代, 关系数据库成为应用的主流, 几乎所有新推出的数据库管理系统（DataBase Management System，DBMS）产品都是关系型的，他在计算机数据管理的发展史上是一个重要的里程碑，这种数据库具有数据结构化、最低冗余度、较高的程序与数据独立性、易于扩充、易于编制应用程序等优点，目前较大的信息系统都是建立在关系数据库系统理论设计之上的。但是，这些数据库系统包括层次数据库、网状数据库和关系数据库，不论其模型和技术上有何差别，却主要是面向和支持商业和事务处理应用领域的数据管理。然而，随着用户应用需求的提高、硬件技术的发展和Internet/Intranet提供的丰富多彩的多媒体交流方式,促进了数据库技术与网络通信技术、人工智能技术、面向对象程序设计技术、并行计算技术等相互渗透，互相结合，成为当前数据库技术发展的主要特征，形成了数据库新技术。

数据库系统主要由数据库和数据库管理系统组成。数据库管理系统是对数据库进行有效

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管理和操作的系统，是用户与数据库之间的接口，数据库管理系统是建立信息管理系统(如人事管理、财务管理、档案管理、图书资料管理、仓库管理等)的主要系统软件工具。常见的数据库管理系统有FoxBASE、FoxPro、ORACLE、SQL Serve、SYBASE、INFORMIX等。

4．工具程序

服务程序是指一些公用的工具类程序，以方便用户对计算机的使用及维护管理。主要的服务程序有编辑程序、打印管理程序、测试程序、诊断程序等。

5．设备驱动程序

设备驱动程序是对连接到计算机系统上的设备进行控制驱动，使其正常工作的软件。在系统中可能已安装了某种设备，但只有安装并配置了适当的驱动程序以后计算机才能使用该设备。例如，没有打印机驱动程序，就不能使用一些软件的打印功能。不仅打印机需要驱动程序，还有声卡、显示卡、网卡、Modem以及前面提到的优盘和移动硬盘都需要驱动程序。对于键盘、鼠标软驱、硬盘等设备接口规范已标准化，其驱动程序以被固化在BIOS中作为标准的驱动程序供操作系统或应用程序使用（也就是说它们在计算机生产过程中已被预安装到了系统中）。在Windows98/2000等操作系统中，设备驱动程序都被认为是最核心的一类部件，处于操作系统的最深层，故对于一般的程序员来说，编写驱动程序是很难的。如果某种设备列在“硬件兼容性列表(HCL)”中，则该设备的驱动程序通常已经包含在系统中了。当计算机启动时对于所有启动的设备，设备驱动程序会自动加载，然后在后台运行。

2-2-2 应用软件

应用软件是提供某种特定功能的软件，针对某个应用领域的具体问题而开发和研制的程序。它们一般都运行在操作系统(如Windows 2000)之上，具有很强的实用性、专业性，正是由于应用软件的特点，才使得计算机的应用渗透社会的各行各业。常见的应用软件有以下几类：

1．文字处理软件。如Word 2000、WPS等。 2．电子表格软件。如Excel、lotus等。 3．信息管理软件。如各种信息管理系统。

4．图像处理软件。如Photoshop、CorelDraw、3DMAX等。

5．其他应用系统。如辅助设计软件(CAD)、辅助教学软件(CAI )、游戏软件、上网软件等等。

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