信息处理技术员教程信息 处理 技术员 教 程 第 1 章 计算 机 硬件基础 计算机硬件基础知识历来都是信息处理技术员考试的一个 重点。从历年考题分数的分布来看，每年的分值都在 10 分左右。主要涉及到数据表示、数据运算、主板的结构、CPU的 组成、存储器以及常用I/O设备等。本章在考纲中涉及到的考点如下（1）数据运算。掌握各种进制之间互相转换，掌握常用的逻辑运算，掌 握补码表示法进行加减运算。（2）数据表示。掌握带符号定点数的原码、反码及补码表示法，理解浮 点数的表示方法，理解常用的二 /十进制编码，理解 ASCII 码表示原理，掌握汉字编码原理。（3）主板的结构。了解主板上的主要电子组件、插座和接口的名称、类型、 位置和基本特性。（4）CPU 的组成。了解冯诺依曼计算机的特点，掌握 CPU 的基本构成及 各部分的功能，理解指令在 CPU 中的执行过程。（5）存储器。了解存储器的分类方法，理解“Cache-主存-辅存“三级存 储系统的原理，了解主存储器基本构成，掌握存储器主要指 标的计算，了解常用 RAID 系统的功能。（6）常用 I/O 设备。了解常用的 I/O 设备分类，重点掌握显示器、打印机、硬 盘、鼠标的原理、构成、分类、性能标准等。1.1 计算机概述 计算机是一种能自动、高速、正确地 完成数值计算、数据处理和实施控制等功能的电子设备。它能接收输入的数字信息，按照内部存储的指令序列去 处理，并将产生的结果输出。1946 年 2 月，世界上第一台计算机 ENIAC 诞生在美国， 经过 60 多年的发展，计算机的运算能力、外形结构及应用 领域等都发生了极大的变化。计算机是 20 世纪人类最重要的科学技术发明之一，它的 诞生、发展和应用彻底改变了人类社会的生产和生活方式。1.1.1 计算机的组成部件 一个完整的计算机系 统由硬件系统和软件系统组成，如图 1-1 所示。图1-1计算机系统组成1.冯诺依曼计算机的特点 60 多年来，尽管计算机性能发生了翻天覆地的变化， 但是其基本体系结构和工作原理并没有太大的改变，仍然遵 循冯诺依曼1946年6月在关于电子计算装置逻辑结构初探 报告中提出的设计思路。主要内容如下。（1）计算机（指硬件）由运算器、存储器、控制 器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。（2）计算机内部采用二进制数来表示程序和数据。（3）将编写好的程序和原始数据预先存入存储器 中，然后再启动计算机工作，使计算机在不需要人工干预的 情况下，自动、高速地从存储器中提取指令并执行，这就是 存储程序的原理。按照上述思路设计的计算机称为冯诺依曼计算机， 随着计算机技术的不断发展，也暴露出这种计算机的一些缺 点，目前已出现了一些突破冯诺依曼结构的计算机，统称为 非冯诺依曼结构计算机，如数据驱动的数据流计算机、需求 驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。2. 计算机的硬件系统 组成计算机的基本部件 有运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，它们通 过总线互联，就构成了计算机的硬件系统，如图 1-2所示。图1-2计算机硬件系统中央处理器（CPU）是运算器和控制器的合称，它是硬件系统的核心。存储器包括主存储器和辅助存储器。其中，主存储器与 CPU 称为主机，辅助存储器、输入设 备和输出设备称为外部设备。外部设备种类繁多，它们通过适配器（转换器）与主机 相连接。(1) CPU (中央处理器)。主要工作是执行指令，按照指令的要求对数据进行运算 和处理，这部分工作由运算器和控制器分工合作完成。运算器由算术逻辑部件( ALU )、寄存器组以及一 些控制电路组成。其中 ALU 是主要部件，它的核心是加法器，任何运算都 可以转化为加法运算，寄存器组保存参与运算的数据及结 果。控制器负责对指令进行译码，产生一系列控制信 号，指挥和协调计算机的各个部件有序工作。它一般包括下述部件。 指令寄存器IR.存放正在执行的指令，以便在整 个指令执行过程中，实现一条指令的全部功能控制。 指令译码器ID.又称操作码译码器，它对指令寄 存器 IR 中的指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成 的操作以及寻址方式等，并产生相应的控制信号提供给微操 作信号发生器。 程序计数器 PC. 又称指令计数器或指令指针(IP)，在某些类型的计算机中用来存放正在执行的指令地 址。在大多数机器中则存放将要执行的下一条指令的地址。 微操作信号发生器。它根据指令译码器ID产生的操作信号、时序电路产生的 时序信号，以及各个功能部件反馈的状态信号等，产生执行 指令所需的全部微操作控制信号，形成特定的微操作序列， 从而实现对指令的执行控制。（2）主存储器。简称主存，用于存放当前执行的程序和需要使用的数据， 存取速度快，CPU可直接访问。其基本结构如图 1-3所示，主要包括下述基本部件。图 1-3 主存储器结构示意图 存储体。 是指存放信息的实体，由若干存储单元组成，每个存储 单元存放一串二进制数。存储单元的编号称为存储地址，简称地址。 地址寄存器。接收并保存 CPU 发送的内存地址。 地址译码器。将地址寄存器中的地址转换为使对应单元被选中的信 号。 数据缓冲寄存器。位于CPU和存储器之间，暂存存储器中准备读写的数据。 读写控制电路。接收CPU送来的读/写命令，并把这些命令转换为控制整 个存储器协调工作的时序信号。3）外存储器。也称辅助存储器，其特点是存储容量大、成本低，可脱 机保存信息，但CPU不可以直接访问。常见的外存储器包括软盘存储器、硬盘存储器、光盘存 储器、移动硬盘以及 U 盘等。（4）高速缓冲存储器。简称Cache，它是位于CPU和主存储器之间，规模较小但 速度很高的存储器，用于保存主存储器中一部分内容的拷 贝。当主机读写数据时，首先访问Cache，只有在Cache中不 含所需数据时，CPU才会访问主存，从而很好地解决了 CPU 和主存之间的速度匹配问题。（5）外部设备。 也称外围设备，主要包括输入设备和输出设备。 常用外部设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机、绘图仪及扫描仪等。外部设备与CPU、主存等设备不同，有其自身特点 种类繁多，速度远低于CPU，数据形式多种多样，所以不能和 主机直接相连。连接时除其本身的控制驱动电路外，还需要接口电路（适 配器）。（6）总线。是连接计算机中各部件的数据通路，实现各部件之间的 信息交流，其主要特征是共享传输介质。如图 1-4 所示，总线通常包括数据总线、地址总线和控制 总线，不同总线的根数各不相同，每根线能够传送一位二进 制数。图 1-4 总线结构图 数据总线是系统中各模块传递数据的通道，典型的数据总线包含 8、16、32、64 根线。线的根数称为数据总线的宽度，它反映了处理器的数据 吞吐量。地址总线用于指明数据传送的源地址和目的地址， 其宽度决定了系统能够拥有的最大主存空间。除了访问主存，地址线一般也访问 I/O 端口。 控制总线用于控制数据传送的方式、方向以及定时 或应答等，其线的数目取决于总线的类型及具体的机器配 置。3. 计算机的软件系统 包括 PC 机运行所需要 的各种程序、数据及其有关的文档资料。程序是完成某一任务的指令或语句的有序集合。 数据是程序处理的对象及结果。文档是描述程序操作及使用的相关资料。主要包括下述两大类。（1）系统软件是使用和管理计算机系统的各种程序，包括操作系统、 各种服务性程序、语言处理程序和数据库管理系统等。（2）应用软件。 是计算机用户为了解决各种实际应用问题而编制的程 序，如自动控制程序、科学计算程序和管理信息系统等。1.1.2 计算机的应用 计算机虽然只有仅仅 60 多 年的历史，但已被广泛地应用于工业、农业、国防、科研、 教育、商业、医疗及日常生活的各个领域。其应用可简要归纳为以下几个方面。 （1）科学计算。是计算机应用最早的一个领域，也是应用最广的一个领 域。在这些领域中，问题往往极其复杂，计算量相当庞大， 时间要求又很高。如果没有计算机的快速和精确计算能力，解决这些问题 几乎不可能。（2）自动控制。 主要应用于国防、工业、农业以及人们日常生活的各个 领域，据统计，目前国内外大约 20 的微机用于该领域。（3）信息处理。主要指处理大量文字、图像、声音等非数值信息，其处 理范围随着计算机的发展也逐渐扩大。计算机在这方面的应用，不仅节省了大量的人力物力， 在某些方面还为科学决策提供了准确的依据。（4）辅助设计和辅助制造。简称为CAD/CAM，它是借助计算机进行自动化或半自动 化设计/制造的一项实用技术，它可以大大缩短设计 /制造周 期，加速产品更新换代，降低生产成本。节省人力物力，而且对于保证产品的质量具有重要的作 用。（5）辅助教学和医疗。计算机广泛应用于教育，被称为“教育史上的第四次革命“. 计算机辅助教学（CAI）软件可以把以前学生难以理解的知 识，通过图像、动画和声音的配合，给学生更直观、更感性 的形象，大大提高学习效率。网络自主学习不受时空限制，可以按照自身情况制订学 习的计划和进度，可以实现终身学习。在医疗卫生方面，借助计算机的各种医疗设备，如 CT 图 像处理设备，心、脑电图分析仪等，为早期疾病诊断提供了 强有力的手段。（ 6 ）人工智能。指的是计算机具有模仿人的高级思维活动（如感知、思 维、推理、学习、理解等）的能力，这类计算机主要应用于 专家系统、模式识别、问题求解、定理证明、机器翻译及自 然语言理解等。计算机在社会经济与发展中的作用已在 60 多年的 历史中得到了充分的肯定。计算机应用的不断扩展推动着计算机技术快速发展，计 算机技术的不断进步，又大大推动着计算机应用的迅猛发 展。1.1.3 计算机的分类 目前计算机种类非常多，按 照功能可以分为通用机和专用机。按照运算速度可分为巨型机、大型机、小型机、工作站 和微型计算机。按照所处理的数据类型可分为模拟计算机、数字计算机 和混合型计算机等。（1）巨型机。运算速度超过 1 亿次/秒，存储容量大，主存容量超过几 千兆字节。其结构复杂，价格昂贵，研制这类巨型机是现代科学技 术，尤其是国防尖端技术发展的需要。（2）大型机。运算速度一般在 100 万次/秒至几千万次/秒，字长 32 位 64 位，主存容量在几百兆字节以上。具有比较完善的指令系统、丰富的外部设备和功能齐全 的软件系统。其特点是通用性好，有极强的综合处理能力，主要应用 于银行、政府部门和大型制造厂家等。（3）小型机。小型机规模小、结构简单，所以研制周期短，便于及时 采用先进工艺，生产量大，硬件成本低。同时，由于小型机软件比大型机简单，所以软件成本也 低。小型机打开了在控制领域应用计算机的局面，适用于数 据的采集、整理、分析和计算等方面。（4）微型机。微型机采用微处理器、半导体存储器和输入/输出接口等 芯片组装而成，使得微型机具有设计先进、软件丰富、功能 齐全、价格便宜、可靠性高和使用方便等特点。（5）工作站。20 世纪 80 年代兴起的面向工程技术人员的计算机系统， 其性能介于小型计算机和微型计算机之间。一般具有高分辨率的显示器、交互式的用户界面和功能 齐全的图形软件等。（6）网络计算机。应用于网络上的计算机，这种计算机简化了普通个人计 算机中支持计算机独立工作的外部存储器等部件，设计目标 是依赖网络服务器提供的各种能力支持，以尽可能地降低制 造成本。这类计算机简称为“NC“. 1.2 数据运算 二进制是计算 机