公基计算机基础知识汇总(15)

2）计算机的工作原理计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。当计算机在工作时，有两种信息在流动，一种是数据流，另一种是控制流。数据流是指原始数据、中间结果、结果数据、源程序等。控制流是由控制器对指令进行分析、解释后向各部件发出的控制命令，用于指挥各部件协调地工作。下面，以指令的执行过程来认识计算机的基本工作原理。计算机的指令执行过程分为如下几个步骤：（1）取指令。从内存储器中取出指令送到指令寄存器。（2）分析指令。对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电信号，并由地址码确定操作数的地址。（3）执行指令。它是由操作控制线路发出的完成该操作所需要的一系列控制信息，以完成该指令所需要的操作。（4）为执行下一条指令作准备。形成下一条指令的地址，指令计数器指向存放下一条指令的地址，最后控制单元将执行结果写入内存。上述完成一条指令的执行过程叫做一个“机器周期”。指令的执行过程如图1-2 所示。计算机在运行时，CPU从内存读取一条指令到CPU内执行，指令执行完，再从内存读取下一条指令到CPU执行。CPU不断地取指令，分析指令，执行指令，再取下一条指令，这就是程序的执行过程。总之，计算机的工作就是执行程序，即自动连续地执行一系列指令，而程序开发人员的工作就是编制程序，使计算机不断地工作。图1-2 指令的执行过程3软件系统概述软件系统是指使用计算机所运行的全部程序的总称。软件是计算机的灵魂，是发挥计算机功能的关键。有了软件，人们可以不必过多地去了解机器本身的结构与原理，可以方便灵活地使用计算机，从而使计算机有效地为人类工作、服务。随着计算机应用的不断发展，计算机软件在不断积累和完善的过程中，形成了极为宝贵的软件资源。它在用户和计算机之间架起了桥梁，给用户的操作带来极大的方便。在计算机的应用过程中，软件开发是个艰苦的脑力劳动过程，软件生产的自动化水平还很低。所以，许多国家投入大量人力从事软件开发工作。正是有了内容丰富、种类繁多的软件，使用户面对的不仅是一部实实在在的计算机，而且还包含许多软件的抽象的逻辑计算机（称之为虚拟机），这样，人们可以采用更加灵活、方便、有效的手段使用计算机。从这个意义上说，软件是用户与计算机的接口。在计算机系统中，硬件和软件之间并没有一条明确的分界线。一般来说，任何一个由软件完成的操作也可以直接由硬件来实现，而任何一个由硬件执行的指令也能够用软件来完成。硬件和软件有一定的等价性，例如，如图像的解压，以前低档微机是用硬件解压，现在高档微机则用软件来实现。软件和硬件之间的界线是经常变化的。要从价格、速度、可靠性等多种因素综合考虑，来确定哪些功能用硬件实现合适，哪些功能由软件实现合适。 硬件系统的组成计算机的硬件由主机和外设组成，主机由CPU、内存储器、主板（总线系统）构成，外部设备由输入设备（如键盘、鼠标等）、外存储器（如光盘、硬盘、U盘等）、输出设备（如显示器、打印机等）组成。计算机硬件结构如图1-3所示。图1-3 计算机硬件的组成微机与传统的计算机没有本质的区别，它也是由运算机、控制器、存储器、输入和输出设备等部件组成。不同之处是微机把运算器和控制器集成在一片芯片上，称之为CPU。下面以微机为例说明计算机各部分的作用。1CPUCPU是计算机的核心部件，它完成计算机的运算和控制功能。运算器又称算术逻辑部件（Arithmetical Logic Unit，ALU），主要功能是完成对数据的算术运算、逻辑运算和逻辑判断等操作。控制器（Control Unit，CU）是整个计算机的指挥中心，根据事先给定的命令，发出各种控制信号，指挥计算机各部分工作。它的工作过程是负责从内存储器中取出指令并对指令进行分析与判断，并根据指令发出控制信号，使计算机的有关设备有条不紊地协调工作，在程序的作用下，保证计算机能自动、连续地工作。CPU外形如图1-4所示。2存储器存储器（Memory）是计算机存储信息的“仓库”。所谓“信息”是指计算机系统所要处理的数据和程序。程序是一组指令的集合。存储器是有记忆能力的部件，用来存储程序和数据，存储器可分为两大类：内存储器和外存储器。内存储器简称内存，也叫随机存储器（RAM），这种存储器允许按任意指定地址的存储单元进行随机地读出或写入数据。由于数据是通过电信号写入存储器的，因此在计算机断电后，RAM中的信息就会随之丢失。内存条外形如图1-5所示，它的特点是存取速度快，可与CPU处理速度相匹配，但价格较贵，能存储的信息量较少。外存储器（简称外存）又称辅助存储器，主要用于保存暂时不用但又需长期保留的程序或数据。如软盘、硬盘、光盘等都叫外存储器。存放在外存中的程序必须调入内存才能运行，外存的存取速度相对来说较慢，但外存价格比较便宜，可保存的信息量大。常用的外存有磁盘、磁带、光盘等。CPU和内存储器构成计算机主机。外存储器通过专门的输入/输出接口与主机相连。外存与其他的输入输出设备统称外部设备。如硬盘驱动器、软盘驱动器、打印机、键盘都属外部设备。现代计算机中内存普遍采取半导体器件，按其工作方式不同，可分为动态随机存取器（DRAM）、静态随机存储器（SRAM）、只读存储器（ROM）。对存储器存入信息的操作称为写入（Write），从存储器取出信息的操作称为读出（Read）。执行读出操作后，原来存放的信息并不改变，只有执行了写入操作，写入的信息才会取代原先存入的内容。所以RAM中存放的信息可随机地读出或写入，通常用来存入用户输入的程序和数据等。计算机断电后，RAM中的内容随之丢失。DRAM和SRAM两者都叫随机存储器，断电后信息会丢失，不同的是，DRAM存储的信息要不断刷新，而SRAM存储的信息不需要刷新。ROM中的信息只可读出而不能写入，通常用来存放一些固定不变的程序。计算机断电后，ROM中的内容保持不变，当计算机重新接通电源后，ROM中的内容仍可被读出。为了便于对存储器内存放的信息进行管理，整个内存被划分成许多存储单元，每个存储单元都有一个编号，此编号称为地址（Address）。通常计算机按字节编址。地址与存储单元为一对一的关系，是存储单元的惟一标志。存储单元的地址、存储单元和存储单元的内容是3个不同的概念。地址相当于旅馆的房间编号，存储单元相当于旅馆的房间，存储单元的内容相当于房间中的旅客。在存储器中，CPU对存储器的读写操作都是通过地址来进行的。外存储器目前使用得最多的是磁表面存储器和光存储器两大类。磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片基体上形成记录介质，并在磁头与记录介质的相对运动中存取信息。现代计算机系统中使用的磁表面仪器有磁盘和磁带两种。硬盘结构如图1-6所示。用于计算机系统的光存储器主要是光盘（Optical Disk），现在通常称为CD（Compact Disk）。光盘用光学方式读写信息，存储的信息量比磁盘存储器存储的信息量大得多，因此受到广大用户的青睐。所有外存的存储介质（盘片或磁带）都必须通过机电装置才能存取信息，这些机电装置称之为“驱动器”，如常用的软盘驱动器、硬盘驱动器和光盘驱动器等。目前外存储器的容量不断增大，从MB级到GB级，还有海量存储器等。图1-6 硬盘内部结构图3输入设备输入设备是将外界的各种信息（如程序、数据、命令等）送入到计算机内部的设备。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、条形码读入器等。4输出设备输出设备是将计算机处理后的信息以人们能够识别的形式（如文字、图形、数值、声音等）进行显示和输出的设备。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。由于输入/输出设备大多是机电装置，有机械传动或物理移位等动作过程，相对而言，输入/输出设备是计算机系统中运转速度最慢的部件。 软件系统的组成计算机软件由程序和有关的文档组成。程序由一系列的指令按一定的结构组成。文档是软件开发过程中建立的技术资料。程序是软件的主体，一般保存在存储介质中，如软盘、硬盘或光盘中，以便在计算机上使用。现在人们使用的计算机都配备了各式各样的软件，软件的功能越强，使用起来越方便。软件可分为两大类：一类是系统软件，另一类是应用软件，软件系统组成如图1-7所示。1系统软件系统软件是管理、监控和维护计算机资源的软件，是用来扩大计算机的功能，提高计算机的工作效率，方便用户使用计算机的软件。系统软件是计算机正常运转所不可缺少的，是硬件与软件的接口。一般情况下系统软件分为4类：操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和服务程序。图1-7 软件系统的组成