二、计算机系统

（一）计算机硬件的组成

【考点1】运算器

运算器（Arithmetic and Logic Unit,ALU）是计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称为算术逻辑部件。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常被送回存储器，或暂时寄存在运算器中。

运算器包括寄存器、执行部件和控制电路3部分。

在典型的运算器中有3个寄存器：接收并保存一个操作数的接收寄存器；保存另一个操作数和运算结果的累加寄存器；在进行乘、除运算时保存乘数或商数的乘商寄存器。执行部件包括一个加法器和各种类型的输入/输出门电路。控制电路按照一定的时间顺序发出不同的控制信号，使数据经过相应的门电路进入寄存器或加法器，完成规定的操作。

【考点2】控制器

控制器（Control Unit,CU）根据事先给定的命令发出控制信息，使整个计算机指令执行过程一步一步地进行，是计算机的神经中枢。控制器是计算机的指挥中心，负责决定程序的执行顺序，给出机器各部件需要的操作控制命令。

1.机器指令

计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；而机器指令则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作，一台计算机支持（或称使用）的全部指令构成该机的指令系统，指令系统直接与计算机系统的性能和硬件结构的复杂程度等密切相关，它是设计一台计算机的起始点和基本依据。

指令就是用二进制代码表示的一条指令的结构形式，通常由操作码和地址码两种字段组成。一条指令的指令格式为：

（1）操作码用来指明该指令所要完成的操作，如加法、减法、传送、移位、转移等。通常其位数反映了机器的操作种类，即机器允许的指令条数，如操作码占7位，则该机器最多包含27=128条指令。操作码的长度可以是固定的，也可以是变化的。操作码长度不固定，会增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计变复杂。通常采用扩展操作码技术，使操作码的长度随地址数的减少而增加，不同地址数的指令可以具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长。

（2）地址码用来指出该指令的源操作数的地址（一个或两个）、结果的地址以及下一条指令的地址。这里的地址可以是主存的地址，也可以是寄存器的地址，甚至可以是I/O设备的地址。

2.指令的执行过程

程序是由指令序列组成的，计算机的工作过程就是自动执行指令的过程。计算机每执行一条指令都可分为3个阶段进行，即取指令、分析指令、执行指令。

【考点3】中央处理器

中央处理器（Central Processing Unit,CPU）又称微处理器（Microprocessor），主要包括运算器（ALU）和控制器（CU）两大部分，是计算机的核心部件。它的品质直接影响计算机系统的性能。它和内存构成了计算机的主机，是计算机的主体。

CPU的性能指标主要有字长和时钟主频两个。

随着CPU主频的不断提高，它对内存的存取速度更快了。为了协调CPU和内存之间的速度差异问题，在CPU 芯片中又集成了高速缓冲存储器（Cache），一般它的存储容量是2048KB。

【考点4】存储器

存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序、数据与结果。所以存储器应该具有存数和取数的功能。

计算机的存储器分为两大类：一类是设在主机中的内部存储器，也叫主存储器，用于存放当前运行的程序和程序所用的数据，属于临时存储器；另一类是属于计算机外部设备的存储器，叫外部存储器，简称外存，也叫辅助存储器（简称辅存）。外存中存放暂时不用的数据和程序，属于永久性存储器，当需要时应先调入内存。衡量存储器的指标有存储容量、存储速度和价格。

中央处理器（CPU）只能直接访问存储于内存的数据。外存中的数据先调入内存，才能被CPU访问和处理。

1.内存

计算机的记忆功能是通过内存储器来实现的。

（1）存储容量。

存储器可容纳的二进制信息量称为存储容量。度量存储容量的基本单位是字节（Byte,B）。此外，常用的存储容量单位还有KB（千字节）、MB（兆字节）和GB（吉字节）。它们之间的关系为：

1KB=1024B;1MB=1024KB;1GB=1024MB;1TG=1024GB

（2）存取时间。

存储器的存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。

（3）内存储器的分类。

内存储器分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两类。

随机存储器也叫读写存储器。其特点是：既可以读出存储的信息，又可以向内写入信息，断电后信息全部丢失。

随机存储器又可以分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）。静态RAM的特点是只要不断电，信息就可长时间保存，速度快，不需要刷新，工作状态稳定。动态RAM的存取速度较慢且需要刷新，并且要及时充电，以保证存储内容的正确性。

只读存储器的特点是：存储的信息只能读出，不能写入，断电后信息也不丢失。只读存储器大致可分成3类：掩膜型只读存储器（MROM）、可编程只读存储器（PROM）和可擦写的可编程只读存储器（EPROM）。表1.3列出了几种存储器特点的比较。

2.外存

外存主要是存储内存储器难以容纳、又为程序执行所需要的大量文件信息。它的特点是存储容量大，存储成本低，但存取速度较慢。它不能与内存储器交换信息，不能直接与中央处理器交换信息。这类存储器常见的有以下3种。

（1）硬盘。

（2）移动存储设备。

（3）光盘。

（4）U盘。

【考点5】输入/输出设备

1.输入设备

输入设备（Input Devices）用于向计算机输入命令、程序、数据、文本、图形、图像、音频和视频等信息。其主要作用是把人们可读的信息转换为计算机能识别的二进制代码输入计算机。输入设备的主要功能是把准备好的数据、程序等信息转变为计算机能接收的电信号送入计算机。

（1）键盘（Key Board）。

键盘是常用的输入设备，由一组开关矩阵组成，包括数字键、字母键、符号键、功能键及控制键等。

（2）鼠标（Mouse）。

鼠标是一种手持式屏幕坐标定位设备。

（3）其他输入设备。

①图形扫描仪：捕获图像并将之转换成计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字化输入设备。

②条形码阅读器：一种能够识别条形码的扫描装置。

③光学字符阅读器：指电子设备（如扫描仪或数码相机）检查纸上打印的字符，通过检测暗、亮的模式确定其形状，然后用字符识别方法将形状翻译成计算机文字的过程。

④触摸屏：当手指或其他物体触摸安装在显示器前面的触摸屏时，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，并通过接口送到主机。

2.输出设备

输出设备（Output Devices）是人与计算机交互的一种部件，用于数据的输出。它把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表现出来。常见的有显示器、打印机等。

（1）显示器。

显示器（Display）也称监视器，是计算机必备的输出设备。它主要用于微机或终端，所显示的信息不再是单一的文本和数字，可以显示图形、图像和视频等多种不同的信息。

①显示器的分类。

用于计算机的显示设备有很多种，常用的有阴极射线管显示器（简称CRT）和液晶显示器（简称LCD）。

②显示器的主要性能。

●像素（Pixel）与点距（Picth）。像素是用来计算数码影像的一种单位，如同摄影的相片一样，数码影像也具有连续性的浓淡阶调，我们若把影像放大数倍，会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成，这些小方点就是构成影像的最小单位“像素”。屏幕上两个像素之间的距离叫做点距，它直接影响显示效果。像素越小，在同一个字符面积下，像素数就越多，则显示的字符就越清晰。点距越小，分辨率越高，显示器的清晰度就越高。

●分辨率。分辨率就是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素的多少。

●显存。显存的作用与系统内存类似，显存越大，可以存储的图像数据就越多，支持的分辨率与色彩数也就越高。以下是计算显存容量与分辨率关系的公式。

所需显存=图形分辨率×色彩精度÷8

③显示卡。

显示卡又称显示器适配卡。它是连接主机与显示器的接口卡。其作用是将主机的输出信息转换成字符、图形和颜色等信息，传送到显示器上显示。

（2）打印机。

①点阵式打印机。

点阵式打印机是在脉冲电流信号的控制下，打印针打击的点形成字符或汉字的点阵。这类打印机的优点是耗材（色带和打印纸）便宜，缺点是打印速度慢、噪声大、打印质量差。

②喷墨打印机。

喷墨打印机属于非击打式打印机。喷墨打印机的优点是设备价格低廉，打印质量高于点阵打印机，还能进行彩色打印，无噪声；缺点是打印速度慢、耗材（主要是墨盒）贵。

③激光打印机。

激光打印机属于非击打式打印机，常用于打印正式的公文及图表。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，其打印成本是3种打印机中最贵的。

（3）其他输出设备。

在计算机上使用的其他输出设备有绘图仪、声音输出设备（音箱或耳机）、视频投影仪等。绘图仪有平板绘图仪和滚动绘图仪两种，通常采用“增量法”在x和y方向上产生位移来绘制图形。视频投影仪是微型机输出视频的重要设备。目前有CRT投影仪和使用 LCD投影仪技术的液晶板投影仪。液晶板投影仪具有体积小、重量轻、价格低且色彩丰富的特点。

输入/输出设备简称I/O设备，有时也称为外部设备，是计算机不可缺少的组成部分。

【考点6】计算机的结构

计算机结构反映的是计算机各个组成部件之间的连接方式。

1.直接连接

直接连接是指存储器、运算器、控制器和外部设备4个组成部件之间的任意两个组成部件，相互之间基本上都有独立的连接线，这样可以获得最高的连接速度，但不宜扩展，如图1.3所示。

2.总线结构

现代计算机普遍采用总线结构，总线是一组连接各个部件的公共通信线。

总线可分为如下3类。

（1）数据总线：用来在存储器、运算器、控制器和I/O设备之间传送数据信号的公共通道。

（2）地址总线：用来在存储器、运算器、控制器和I/O设备之间传送地址信息的公共通道。

（3）控制总线：用来在存储器、运算器、控制器和I/O设备之间传送控制信号的公共通道。

【考点7】总线和主板

1.总线

在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线（Bus）。微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。

总线是一种内部结构，它是CPU、内存、输入/输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。图1.4是一个基于总线结构的计算机结构示意图。

总线的特点是简单清晰、易于扩展。常见的总线标准有ISA总线、PCI总线、AGP总线、EISA总线等。

2.主板

主板（Main Board）又叫主机板，被安装在机箱内，是计算机最基本的也是最重要的部件之一。主板即是总线在硬件上的体现。它一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘、面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、主板及插卡的直流电源供电接插件等元件。主板的另一特点是采用了开放式结构。

【考点8】计算机的主要性能指标

1.字长

字长是指一次能并行处理的二进制位数。作为存储数据，字长越长，则计算机的运算精度就越高；作为存储指令，字长越长，则计算机的处理能力就越强。字长总是8的整数倍，如16位、32位、64位等。

2.时钟主频

时钟主频是指CPU 的时钟频率，它的高低在一定程度上决定了计算机速度的高低。主频以吉赫兹（GHz）为单位。目前CPU的主频已达到1～3GHz。

3.运算速度

计算机每秒所能执行加法指令的数目。运算速度的单位是百万次/秒（MIPS）。这个指标更直观地反映了机器的速度。

4.存储容量

存储容量包括内存容量和外存容量，这里主要是指内存储器所能存储信息的字节数。内存容量越大，计算机所能运行的程序就越大，处理能力就越强。

5.存储周期

存储器进行一次完整的存取操作所需的时间。一般内存的存取周期为7～70ns。此外，计算机的可靠性、可维护性、平均无故障时间和性价比也都是计算机的主要技术指标。

真题演练

（1）下列说法正确的是（）。

A.运算器只能进行算数运算

B.运算器处理的数据来自存储器

C.运算器处理后的结果数据只能送回存储器

D.运算器即CPU

（2）运算器的组成部分不包括（）。

A.译码器

B.控制线路

C.加法器

D.寄存器

（3）一条指令必须包括（）。

A.操作码和地址码

B.信息和数据

C.时间和信息

D.以上都不是

（4）下列说法中错误的是（）。

A.简单来说，指令就是给计算机下达的一道命令

B.指令系统有一个统一的标准，所有的计算机指令系统相同

C.指令是一组二进制代码，规定由计算机执行程序的操作

D.为解决某一问题而设计的一系列指令就是程序

（5）计算机中用于控制和协调计算机各部件自动、连续地执行各条指令的部件，通常称为（）。

A.运算器

B.控制器

C.显示器

D.存储器

（6）下列说法不正确的是（）。

A.高速缓冲存储器集成在CPU芯片上

B.中央处理器主要包括运算器和控制器两部分

C.高速缓冲存储器是为了协调CPU 和内存之间速度不一致的问题

D.CPU的性能指标是内存

（7）CPU中控制器的功能是（）。

A.进行逻辑运算

B.进行算术运算

C.分析指令并发出相应的控制信号

D.只控制CPU的工作

（8）下列说法正确的是（）。

A.CPU可以直接访问外存上的数据

B.存储器分为内存储器和外存储器两类

C.存储器只能存储运算结果

D.外存储器能存储数据，而内存不能

（9）RAM具有的特点是（）。

A.存储海量

B.存储的信息可以永久保存

C.存储在其中的数据不能改写

D.一旦断电，存储在其上的信息将全部消失无法恢复

（10）在微机的性能指标中，内存储器容量指的是（）。

A.ROM的容量

B.RAM的容量

C.ROM和RAM容量的总和

D.CD-ROM的容量

（11）下列有关外存储器的描述不正确的是（）。

A.外存储器不能为CPU 直接访问，必须通过内存才能为CPU所使用

B.外存储器既是输入设备，又是输出设备

C.外存储器中所存储的信息，断电后信息也会随之丢失

D.扇区是磁盘存储信息的最小单位

（12）下列属于计算机输入设备的是（）。

A.UPS

B.服务器

C.触摸屏

D.绘图仪

（13）下列选项中不属于输入设备的是（）。

A.扫描仪

B.投影仪

C.条形码阅读器

D.键盘

（14）下列不属于计算机输出设备的是（）。

A.音箱

B.打印机

C.触摸屏

D.绘图仪

（15）一台显示器的分辨率是640×480，则它可以显示的像素为（）。

A.640

B.307200

C.8

D.480

（16）下列说法不正确的是（）。

A.直接连接可以获得最高的连接速度

B.总线可分为数据总线、地址总线和控制总线

C.计算机结构反映的是计算机各个组成部件之间的访问方式

D.控制总线是用来在存储器、运算器、控制器和I/O设备之间传送控制信号的公共通道

（17）下列说法不正确的是（）。

A.总线是连接其他硬件的公用通道

B.总线的特点是简单清晰、易于扩展

C.主板一旦成型就不能更改或扩充

D.主板即总线在硬件上的体现

（18）下列有关总线的描述，正确的是（）。

A.总线分为内部总线和外部总线

B.内部总线分为数据总线、地址总线和控制总线

C.总线的英文表示就是Main Board

D.总线体现在硬件上就是计算机主板

（19）下列不属于计算机主要性能指标的是（）。

A.字长

B.内存容量

C.软件数量

D.主频