计算机基本结构与工作原理
一、微型计算机系统概述
一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两大部分。
（1） 计算机硬件是指组成一台计算机的各种物理装置，由各种器件和电子线路组成。各种物理器件，是计算机进行工作的物质基础。是计算机的“躯壳”。
（2） 计算机软件是指在硬件设备上运行的各种程序以及有关的资料。所谓程序是用于指挥计算机执行各种操作以便完成指定任务的指令集合。计算机程序通常都是由计算机语言来编制，编制程序的工作称为程序设计。它是计算机的“灵魂”。
“裸机”：没有软件的计算机通常称为“裸机”。
理解：它们的区分犹如把一个人分成躯体和思想一样，躯体是硬件，思想则是软件。
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计算机系统的基本组成
（一）计算机硬件系统
计算机硬件的基本功能是接受计算机程序的控制，并实现数据输入、运算、数据输出等一系列根本性的操作。在基本的硬件结构方面，一直沿袭着冯·诺伊曼的传统框架，即计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件构成，如图所示：
1. 控制器：
是计算机的控制部件，它控制其他部件协调统一的工作，并能完成对指令的分析和执行，是计算机的控制中心，实现处理过程的自动化。计算机系统各个部件在控制器的控制下协调地进行工作：
✧ 控制器控制输入设备将数据和程序从输入设备输入到内存储器。
✧ 在控制器指挥下，从存储器取出指令送入控制器。
✧ 控制器分析指令，指挥运算器、存储器执行指令规定的操作。
✧ 运算结果由控制器控制送存储器保存或送输出设备输出。
2. 运算器：
用于加工、处理数据的部件，其功能是在控制器的指挥下，对信息
或数据进行处理和运算，主要完成对数据的算术运算和逻辑运算，其内部有一个算术逻辑运算部件ALU（Arithmetical Logic Unit ）和若干种寄存器。
运算器主要工作是数据处理 （运算）和暂存运算数据。
CPU ：控制器+运算器
● CPU的性能基本决定了计算机的性能，CPU是整个电脑系统的核心。
● CPU的主要性能指标有：
（1）主频：即CPU的时钟频率。
（2）时钟频率：即CPU的外部时钟频率。
（3）内部缓存：即封闭在CPU芯片内部的高速缓存。
（4）外部缓存：即CPU外部的高速缓存。
（5）MMX技术：是“多媒体扩展指令集”的缩写。
（6）制造工艺。
3. 存储器（Memory）：
计算机的记忆装置，主要是存放程序和数据。
分类：内存储器（主存储器/内存）、外存储器（辅助存储器/外存）和缓冲存储器Cache。
（1） 内存储器（Memory）：直接和运算器、控制器、I/O工龄与退休金对照表设备交换信息；
分类：随机（存取）存储器RAM（Random Access Memory）和只读（存取）存储器ROM（Read-Only Memory）两种。
主机：控制器+运算器+内存储器
1 RAM（读写存储器）
特点：可以随时根据需要读出或写入新的信息，一旦关机（断电）后，信息不再保存，即可读、可写、断电信息消失。
分类：静态存储器SRAM和动态存储器DRAM
✧ 静态存储器SRAM
特点：只要存储单元上加有工作电压，它上面存储的信息就将保持。
✧ 动态存储器 DRAM
特点：主存储器一般采用动态存储器DRAM。动态RAM由于是利用MOS 管极间电容保存信息，因此随着电容的漏电，信息会逐渐丢失，为了补偿信息的丢失，要每隔一定时间对存储单元的信息进行刷新。
目前主要用同步动态存储器SDRAM （Synchronous Dynamic RAM）和双速率DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM ）内存储器。RDRAM（Rambus DRAM）是美国Rambus公司研制的另一种性能更高，速度更快的内存，有很大的发展前景。
不论是静态RAM还是动态RAM，当电源电压去掉时，RAM中保存的信息都将全部丢失。
网约车新政2 ROM（只读存储器）
特点：只有在特定条件下才能写入，通常只能读出而不能写入，断电后，ROM中的原有内容保持不变，即可读、不可写、断电信息不消失。ROM一般用来存放自检程序、配置信息等。如计算机启动用的BIOS芯片。
ROM：在制造过程中，将资料以一特制光罩（mask）烧录于线路中，其资料内容在写入后就不能更改；
PROM可编程只读存储器：用一定设备将编好的程序固化在PROM中，仅能写录一次；
EPROM可擦可编程只读存储器：写入其中的内容需用紫外光长时间照射才能擦除；
EEPROM电可擦可编程只读存储器：运作原理类似EPROM，但是抹除的方式是使用高电场来完成，因此不需要透明窗。
在计算机系统里，RAM一般用作内存，ROM用来存放一些硬件的驱动程序，也就是固件。
③ Cache（高速缓冲内存/缓存）：可读、可写、读写速度接近CPU。
作用：高速缓冲存储器Cache 是为了提高DRAM（动态存储器）与CPU之间的传输速率，其基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”。
理解：当CPU处理数据时，它会先到高速缓存中去寻找，如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中，就不需要再从主内存中读取数据——CPU的运算速度要比内存快得多，因此若要经常存取主内存的话，就必须等待数个CPU周期从而造成浪费，为此在此传输过程中放置一存储器，存储CPU经常使用的数据和指令。这样可以提高数据传输速度。可分一级缓存和二级缓存。
● 一级缓存
即L1 Cache。集成在CPU内部中，用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。由于缓存指令和数据与CPU同频工作，L1级高速缓存缓存的容量越大，存储信息越多，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU的运算效率。但因高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在有限的CPU芯片面积上，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。
● 二级缓存
即L2 Cache。由于L1级高速缓存容量的限制，为了再次提高CPU的运算速度，在CPU外部放置一高速存储器，即二级缓存。工作主频比较灵活，可与CPU同频，也可不同。CPU在读取数据时，先在L1中寻找，再从L2寻找，然后是内存，在后是外存储器。所以L2对系统的影响也不容忽视。
凡是位于速度相差较大的两种硬件之间的，用于协调两者数据传输速度差异的结构，均可称之为Cache。现在Cache的概念已经被扩充了：不仅在CPU和主内存之间有Cache，而且在内存和硬盘之间也有Cache（磁盘高速缓存），乃至在硬盘与网络之间也有某种意义上的“Cache”（Internet临时文件夹）。
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三级存储系统
（2）外存储器
外存储器即辅助存储器，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，也是计算机的一种重要的外部设备。微型计算机常用的外存储器有软磁盘存储器、硬磁盘存储器和光盘存储器。
软盘驱动器和硬盘驱动器可分别对软磁盘和硬磁盘进行数据读写，软磁盘(简称软盘)和硬磁盘(简称硬盘)都是磁表面数据存储介质，它们分别由圆形的软质和硬质薄片基质均匀地涂上一层磁性材料而构成。使用时，通过驱动器中的读写磁头在磁盘上进行磁-电转换，完
成数据读写，工作过程类似于常用的磁带录音机的放音和录音。
① 软磁盘（Floppy Disk或FD）
✧ 软磁盘的结构及分类
软磁盘(原称flexible，后称floppy disk或diskette)是人们广泛使用的一种廉价存储介质。它是由聚酯塑料盘涂布一层磁薄膜而制成的。这种磁膜容易磁化并有一定的矫顽力，如氧化铁、渗钴氧化铁、钡铁氧体等。
按盘片的直径来分，软盘有8，5.25(约130 mm，简称木乃伊复活5寸盘)和3.5英寸(约90 mm，简称3寸盘)等几种。其中8英寸软盘和5.25英寸软盘已基本淘汰，目前使用较多的是赖庆松3寸盘。市场上陆续推出的还有2.5英寸盘(简称2寸盘)甚至1.5英寸盘(简称1寸盘)。
按软盘驱动器磁头工作方式，可以分为单面(Single Side，SS)和双面(Double Side，DS)读写；按数据记录方式又有单密度(Single Density，SD)、双密度(Double Density，DD)和高密度(High Density，HD) 3种，单密盘和双密盘统称为低密盘；按扇区划分又有硬分段和软分段之分。目前使用最多的是DSHD 3寸软盘。
当软盘不在驱动器内时，金属滑片自动盖住封套上的开口。软盘背面右下角为写保护手拨开关，当滑片盖住孔时，磁盘能进行读写访问，打开此孔时，即为写保护。
为方便使用、高效操作，在盘片和软磁盘驱动器上设置了反插保护装置，当操作员不慎将盘片插反或弄错方向时，保护装置起作用，使盘片插不进，这样可及早发现错误并及时纠正。
✧ 软盘的存储格式
存储在软盘上的信息是按一定的格式排列存放的，就像在停车场上要给每辆汽车划出停放位置一样，故新磁盘使用之前一般应进行格式化。格式化的主要操作就是划分扇区，指明其大小并写入地址标志。
存储容量按下列公式计算：
存储容量=面数×每面的磁道数×每道扇区数×每扇区字节数。
✧ 软盘驱动器
软盘驱动器(floppy disk drive)简称软驱，由机械转动装置和读写磁头两部分组成。机械部分又由主轴驱动系统和磁头定位系统组成。
软驱的全部机械运动与读写操作，必须在软盘控制适配卡(插在母板的扩展槽中或集成在主板上)的控制下完成。该卡把驱动器与主板联接起来，使磁盘存储系统成为整个计算机系统的一个有机组成部分。
② 硬磁盘
硬盘是计算机系统最主要的外部存储设备，硬盘驱动器主要由磁盘组、读写磁头、定位机构和传动系统部件组成。主要性能指标有容量、读写速度、转速、数据缓存、平均存取时间等，存储容量的分档则很多，从最初的20 MB到现在的数GB甚至几十GB等。目前硬盘采用的有IDE标准接口、ESDI标准接口、SCSI标准接口等。其中，IDE是智能驱动设备(Intelligent Driver Equipment)的缩写，为微型机所采用。ESDI是增强性小型设备接口(Enhanced Small Device Interface)的缩写，为IBM PS/2所采用。SCSI是计算机小系统接口(Small Computer System Interface)的缩写，为Apple的Macintosh所采用。当然，这些接口也不限于只连接硬盘机，还可以连接打印机、光盘机等外部设备。
③ 光盘存储器
利用强激光束把信息存储在光盘上，形成一组组凹坑。
从20习氏家族世纪80年代初CD光盘从音响领域跨入计算机领域之后，CD光盘的技术和应用发展很快，性能有了大幅度提高。目前，用于计算机系统的光盘有3大类：只读型光盘、一次写入型光盘、可抹型光盘。
