计算机工作的原理
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发布时间：2022-04-03 10:07
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时间：2022-04-03 11:36
1、计算机系统的组成
微型计算机由硬件系统和软件系统组成。
硬件系统：指构成计算机的电子线路、电子元器件和机械装置等物理设备，它包括计算机的主机及外部设备。
软件系统：指程序及有关程序的技术文档资料。包括计算机本身运行所需要的系统软件、各种应用程序和用户文件等。软件是用来指挥计算机具体工作的程序和数据，是整个计算机的灵魂。
计算机硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五部分组成。
2、计算机的工作原理
（1）冯•诺依曼原理
“存储程序控制”原理是1946年由美籍匈牙利数学家冯•诺依曼提出的，所以又称为“冯•诺依曼原理”。该原理确立了现代计算机的基本组成的工作方式，直到现在，计算机的设计与制造依然沿着“冯•诺依曼”体系结构。
（2）“存储程序控制”原理的基本内容
①采用二进制形式表示数据和指令。
②将程序（数据和指令序列）预先存放在主存储器中（程序存储），使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令，并加以执行（程序控制）。
③由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机硬件体系结构。
（3）计算机工作过程
第一步：将程序和数据通过输入设备送入存储器。
第二步：启动运行后，计算机从存储器中取出程序指令送到控制器去识别，分析该指令要做什么事。
第三步：控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减法），将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算，再把运算结果送回存储器指定的单元中。
第四步：当运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出。
二、*处理器
*处理器又称CPU（Central Processing Unit），是计算机系统的核心，它由运算器、控制器和寄存器组成。
1、运算器（ALU）
运算器是负责对数据进行算术运算或逻辑运算的部件，由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器和通用寄存器组等组成。算术逻辑单元用于算术运算、逻辑运算及移位、求补等操作；累加器用于暂存被操作数和运算结果；通用寄存器组是一组寄存器，运算时用于暂存操作数和数据地址；状态寄存器也称标志寄存器，它用于存放算术逻辑单元工作中产生的状态信息。
2、控制器
控制器是计算机指令的执行部件，其工作是取指令、解释指令以及完成指令的执行。控制器由指令指针寄存器（IP）、指令寄存器（IR）、控制逻辑电路和时钟控制电路等到组成。指令指针寄存器用于产生及存放下一条待取指令的地址。指令寄存器用于存放正在执行的指令。
三、存储系统
1、存储器的作用及分类
计算机的存储和程序控制两大特点决定了计算机一定要有存储器，存储器的作用是存储计算机工作中需要的程序和数据。
从不同角度可以对存储器进行不同的分类：
（1）按存储器的工作方式分类有：随机读/写存储器、顺序读/写存储器和只读存储器；
（2）按存储介质的材料分类有：半导体存储器、磁表面存储器、光存储器；
（3）按多层次存储系统的概念，计算机的存储系统由高速缓冲存储器（Cache）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器、磁带存储器、优盘存储器等组成。
2、主存储器
主存储器的作用是在计算机工作中存储正在运行的程序和程序所需要的数据。主存储器一般采用半导体存储器，半导体存储器的参数主要有两个：存储容量和工作频率。与辅助存储器相比，其特点有：容量小、读写速度快、价格高等。主存储器可以由高速缓冲存储器（Cache）、随机读写存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等组成。
（1）随机读写存储器（RAM）
特点：断电后RAM中的内容全部丢失，既可以读又可以写，速度比Cache慢，但比辅存（辅助存储器）快。RAM可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种。
（2）高速缓冲存储器（Cache）
由于CPU工作的速度比RAM读写速度快，CPU读写RAM时需要花费时间等待RAM进行读写，造成CPU工作速度下降。为了提高CPU读写程序和数据的速度，在RAM和CPU之间增加了高速缓存（Cache）部件。
（3）只读存储器（ROM）
特点：数据不易丢失，即使计算机断电后ROM存储单元的内容依然保存，计算机运行时其内容只能读出不能写入。只读存储器一般存储计算机系统中固定的程序和数据，如引导程序、监控程序等。
ROM分为不可擦写的只读存储器（PROM）和可擦写的只读存储器（EPROM）。不可擦写的只读存储器的内容是生产中写入或生产后一次性写入；可擦写只读存储器的内容可多次改写，按其擦除的方法对只读存储器分为紫外线擦除的只读存储器（EPROM）和用电擦除的只读存储器（EEPROM）。
3、辅助存储器
辅助存储器的作用是存储当前计算机运行中暂不使用的程序和数据。与主存储器相比，它的特点是存储容量大、成本低、存取速度较慢、可以永久地脱机保存信息。
常用的辅助存储器有磁带存储器、软盘存储器、硬盘存储器和光盘存储器。
（1）磁带存储器
磁带存储器的特点是信息按顺序读写、不能随机读写、存储容量大、访问速度慢、成本低。
（2）软盘存储器
软盘存储器由软盘片和软盘驱动器组成。
软盘目前在使用的主要有3.5英寸盘。
软盘的每一面包含许多同心圆，称为磁道。磁道由外到内顺序编号，最外面是0磁道，最里面是末磁道（3.5英寸软盘为第79磁道，5.25英寸软盘为第39磁道）。磁道被从圆心发射出的若干条线分为若干个扇区（扇区编号从1开始，一般为15或18个扇区）。软盘上的信息就是按磁道和扇区存放的，扇区是软盘的基本存储单位，每当磁盘读或写时，不论其中数据多少，总是读写一个完整的扇区。软盘在使用前必须格式化，其作用是划分磁道和扇区，指明扇区的位置、大小，并写入地址标志。写保护用于对盘片中的内容进行保护，5.25英寸软盘用胶纸贴住写保护口不透光时可禁止写入数据，3.5英寸软盘的写保护方式与5.25英寸软盘相反，当运动滑片使写保护口透光时便禁止写入数据，防止由于意外写操作而破坏原存储的信息。簇则是磁盘分配存储空间的基本单位。一个簇由若干个扇区组成，具体则由磁盘容量和存储格式决定。如FAT32中1簇等于8个扇区。一般1个扇区等于512字节。
每张盘片容量=盘片面数╳磁道数╳每道扇区数╳每扇区字节数
（3）硬盘存储器
硬盘是一种可移动磁头、固定盘片的磁盘存储器。
硬盘存储器容量=磁头数╳磁道数╳每道扇区数╳每扇区字节数
对硬盘分配存储空间时通常用柱面（cylinders）做单位。硬盘是由若干片硬盘片组成的盘片组，人们把一个硬盘中所有面的同一条磁道称为一个柱面。硬盘一般被固定在计算机机箱内，目前大量流行的移动硬盘采用USB接*术，方便携带，容量大（一般在10G到100G之间），深受人们喜爱。
与软盘可比，其特点是：容量大、速度快。在使用前先进行格式化，在使用过程中要避免振动，以免损坏盘片造成整个硬盘报废。
（4）光盘存储器
光盘存储器是指利用光学方式进行读写信息的存储器。光盘可以分为只读光盘（CD-ROM）、一次写入型光盘（WROM）和可擦写光盘。光盘片的直径一般为5.25英寸，光盘信息记录密度比磁盘高。目前一般用户使用的光盘是CD-ROM，单片存储容量约为650MB；CD-ROM驱动器的速度通常以数据传输速率来衡量。数据传输率以每秒150KB/s为一倍速，则四倍速光盘驱动器的数据传输速率为600KB/s。
（5）优盘存储器
优盘由于其存储容量大（一般为32M，64M，128M），价格低，使用USB（通用串行总线）接口，方便携带、体积小等优点受到人们的喜爱。目前32M优盘不过几十元钱，逐渐成为人们装机必备之物。
四、输入输出系统
1、输入/输出控制方式
CPU控制输入输出设备工作有3种方式：程序查询方式、中断方式、直接存储器访问方式。
（1）程序查询输入/输出方式
程序查询方式在程序控制下与外设之间交换数据。其工作过程是首先应用程序向外设发出进行数据传输的控制信号，然后从外设读取外设状态，检查是否可以进行数据传送，若外设准备就绪，则进行数据传送；否则反复读取并检查外设状态，直到外设准备就绪再进行数据传送。注意：使用程序查询方式，在外设没有准备就绪或外设正在进行其他工作时只能等待，不能进行其他工作。
程序查询方式主要用软件方法来实现，工作效率低。
（2）中断方式
①中断概念
中断是主机在执行程序过程中，遇到突发事件而中断程序的正常执行，转去对突发事件进行处理，待处理完成后返回原程序继续执行。其中突发事件指程序执行中出现的除数为零、外部设备请求、断电等程序执行前不可预知的情况（即中断的条件）。
②中断的类型
中断分为软件中断（简称软中断）和硬件中断（简称硬中断）。硬中断又分为内中断和外中断，外中断可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。
③中断过程
指从外设发出中断请求到CPU对该中断请求处理完毕，返回原程序继续执行的过程。
中断过程是：中断请求→中断响应→中断处理→中断返回。
注意：计算机有多个中断源，有可能在同一时刻有多个中断源向CPU发出中断请求。在这种情况下，CPU不可能同时响应多个中断，CPU按中断的优先级顺序进行中断响应。
（3）直接存储器访问（DMA）方式
DMA方式指高速外设（一般指磁盘存储器）与内存之间直接进行数据交换，不通过CPU并且CPU不参加数据交换的控制。DMA方式下高速外设和内存之间进行数据传输需要使用总线。总线的使用权一般情况下由CPU掌握，但在DMA工作期间总线使用权交给DMA控制器使用，数据交换完成后交还给CPU。
2、输入/输出设备
输入设备是外界向计算机传送信息的装置。在计算机系统中，最常用的输入设备是键盘和鼠标，还有如光笔、数字化仪、数码照相机、图像扫描仪等。
输出设备的作用是将计算机中的数据传送到外部媒介，并转化成某种为人们所识别的形式。在微型计算机中，最常用的输出设备有显示器和打印机，还有如绘图仪等。
（1）显示器
计算机的显示系统由显示器、显示卡及相应软件构成。显示器和显示卡构成计算机显示系统的硬件部分。
①分类
按显示的内容可以分为字符显示器、图形显示器和图像显示器。
按显示的颜色分为单色显示器和彩色显示器。
按分辨率分为高分辩率、中分辩率和低分辩率显示器。
按使用的器件分为液晶显示器（LCD）和阴极射线管显示器（CRT）。
②显示器性能指标
分辩率：显示器的分辩率用屏幕上每列的像素数乘以每行的像素数来表示。如：800╳600、1024╳768等。
点间距：指显示器屏幕上像素间的距离。点间距越小，可使分辩率越高，图像越清晰。目前常用的有).28mm和0.26mm等。
灰度级：指像素的亮暗程度。彩色显示器的灰度级指颜色的种类。灰度级越多，图像层次越*真清晰。
屏幕尺寸：用显示器屏幕对角线长度表示。目前常用的是15英寸、17英寸、21英寸等。
对比度：又称反差，指图像（字符）和背景的浓度差。
帧频：字符（图像）每秒种在屏幕上出现的次数。
行频：是电子扫描束从屏幕左边到右边的扫描速度。
扫描方式：有逐行扫描和隔行扫描两种。采用逐行扫描的图像稳定，使人眼不易疲劳。
（2）打印机
打印机是最常用的输出设备，一般分为针式打印机、喷墨打印机和激光打印机。
它们所采用的材料分别为色带、墨水和硒鼓。打印机按数据传输方式分为串行打印机和并行打印机。打印机按打印原理分为击打式和非击打式。非击打式打印机有热敏打印机、喷墨打印机、激光打印机等。
①热敏打印机：是利用打印头加热，在纸上形成字符或图形。这种打印机一般用于笔记本计算机。
②激光打印机：是利用激光扫描把打印的字符或图像在硒豉上形成静电潜象，然后转成磁信号，使磁粉吸附在纸上，经定影后输出。激光打印机的特点是：分辩率高，一般是300DPI（每英寸300个点）、600DPI、速度快（以页为单位印刷），噪音小，但价格高。
③喷墨打印机：是在打印头上有喷墨孔，打印时在需要打印的位置从喷墨孔喷出墨汁到纸上，形成字符或图形。这种打印机的特点：分辩率可达240DPI或更高，噪音小。
（3）调制解调器
调制解调器（Modem）既是输入设备又是输出设备。调制就是把数字信号转换成模拟信号。解调就是把模拟信号转换成数字信号。一般个人用户常通过Modem连接Internet，其传输速率的单位b/s，每秒的二进制位数即bps。
四、系统总线的组成与类型
系统总线是用于连接计算机中各部件（CPU、内存、外设接口等）的一组公共信号线。系统总线由数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）等3组信号线组成。数据总线用于传输数据，地址总线用于传输地址，控制总线用于传输控制信号。常用的总线有4种，分别为ISA总线、VESA局部总线、PCI局部总线和MCA总线。
五、计算机接口
接口电路的作用是完成主机和外设之间信息形式的转换和信息传输，包括以下几部分：
1、显示卡（即显示适配器）
显示卡是主机和显示器之间的接口电路，它的作用是把主机要显示的字符、图形、图像经过显示卡电路的转换，用显示器可以接受的方式传送给显示器显示。
目前显示卡的两种显示方式为：字符显示方式和图形显示方式。
显示卡的显示标准主要有MDA（单色字符）、CGA（彩色图形）、EGA（增强图形）、VGA（视频图形阵列）、SVGA（超级视频图形阵列）。
2、硬盘接口
目前随着计算机技术的发展，硬盘正向智能化发展，使得硬盘与主机之间的接口走向标准化。常用的硬盘接口有：IDE接口、EIDE接口、Ultra DMA接口和SCSI接口等。
3、串行接口
串行接口由串行接口电路和串行接口信号线两部分组成。用串行接口进行数据传输时，数据是按二进制位进行传输的。目前计算机常用的串行接口标准是RS-232C。
4、并行接口
用并行接口进行数据传输时若干个二进制位同时传输。常用并行接口为打印机并行接口。
5、USB接口
USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义为“通用串行总线”，它是目前广泛应用的新型接*术。USB使用一个4针插头作为标准插头，通过这个标准插头，采用菊花链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。USB需要主机硬件、操作系统和外设三方面支持才能工作。目前主板一般都采用支持USB功能的控制芯片组，而且安装了USB接口插槽。Windows98及以上版本都支持USB接口。目前已经有数码相机、数字音箱、扫描仪、键盘、鼠标等很多USB外设问世。
典型例题：
1、CPU的主要功能是进行（ ）。
A、算术运算 B、逻辑运算
C、算术逻辑运算 D、算术逻辑运算与全机的控制
答案：D
分析：*处理器（CPU），它包括运算器和控制器，其中运算器完成各种运算任务（包括算术运算与逻辑运算两大类），控制器根据指令的内容产生指挥其他硬件部件直辖市工作的控制信号。所以正确答案D。
2、CPU能直接访问的存储部件是（ ）。
A、软盘 B、硬盘 C、内存 D、光盘
答案：C
分析：内存与外存有一个重要区别：内存能够被CPU直接访问，而外存的信息只能由CPU通过输入输出操作来存取，不能与CPU直接交换信息。所以，当前CPU正在执行的程序、正在处理的数据都存在内存里，外存上保存的程序、数据只有先调入内存，才能再被CPU访问。换句话说，内存是工作存储器，外存是后备性的存储器，是内存的扩充与备份。内、外存组成这样一种层次结构，在存取速度、容量、价格几方面实现了合理的配合。本题正确答案是C。
3、如果一个存储单元存放一个字节，那么一个64KB的存储单元共有（ ）个存储单元，用十六进制的地址码则编号为0000~（ ）。
A、64000 B、65536 C、10000H D、0FFFFH
答案：依次为B和D
分析：存储器的容量是指它能存放多少个字节的二进制信息，1KB代表1024个字节，64KB就是65536个字节。内存储器是由若个存储单元组成的，每个单元有一个唯一的序号以便识别，这个序号称为地址。通常一个存储单元存放一个字节，那么总共就有65536个存储单元。要有65536个地址，从0号编起，最末一个地址号为65536-1=65535，即十六进制FFFF。所以本题的两个正确答案依次为B和D。注意地址的编号都从0开始，因此最高地址等于总个数减1。
4、计算机中访问速度最快的存储器是（ ）。
A、RAM B、Cache C、光盘 D、硬盘
答案：B
分析：在微机存储器的层次结构里，内存、外存是两大层次，而内存又可分为高速缓冲存储器（Cache）和主存。主存是内存的主体，Cache也用半导体电路构成，访问速度很高，但容量很小，有的甚至就做在CPU芯片内，所以严格地说，Cache只起一个缓冲器的作用，其中保存着最近一段时间内刚刚从内存读来的信息。每当CPU要访问内存时，将先到Cache中查找，如果没有再到主存中去做实际的访问操作。所以，存取速度最高的是Cache，其次是主存（如果没有Cache则最高的就是主存）。所以本题的正确答案是B。
5、通常所说的CPU芯片包括（ ）。
A、控制器、运算器和寄存器组 B、控制器、运算器和内存储器
C、内存储器和运算器 D、控制器和内存储器
答案：A
分析：CPU芯片是微机硬件系统的核心，又称微处理器芯片，其中包括控制器、运算器和寄存器组。注意：CPU不仅包括控制器和运算器，而且包括寄存器组。寄存器组是CPU内部的一些存储单元，例如，存储程序运行状态的状态寄存器，存储正在运行指令的指令寄存器，存储将要执行的下一条指令地址的程序计数器，存储参与运算的数据及运算结果的累加器、寄存器等。所以正确答案是A。
6、在内存中，每个基本单位都被赋予一个惟一的序号，这个序号称为（ ）。
A、字节 B、编号 C、地址 D、容量
答案：C
分析：在内存中，通常是以字节为基本单位，所赋予的序号称为地址，在读写过程中都必须给出地址，才能进行读写。所以正确答案为C。
7、在微机的性能指标中，用户可用的内存储器容量是指（ ）。
A、ROM的容量 B、RAM的容量
C、ROM和RAM的容量总和 D、CD-ROM的容量
答案：B
分析：ROM是只读存储器的英文简称，它对用户来说是只读而不能写的。只能有计算机生产厂商用特殊方式写入一些重要的软件和数据，如引导程序、监控程序等，断电后，其内容不会丢失。RAM是随机存储器的英文简称，由用户随时对其进行读写操作。CPU需要的数据只能从外存储器调入RAM，CPU根据程序来处理数据，处理完成的结果数据暂时存入RAM中。人们常说的可用的内存容量就是指RAM的容量。断电后，RAM中的数据将丢失。CD-ROM是只读光盘的英文简称。其特点也是一次性写入，写入的数据将永久保存在光盘上。CD-ROM属于外存，不属于内存。
8、5.25英寸软盘片外框上有一个矩形缺口，其作用是（ ）。
A、机械定位 B、“0”磁道定位
C、写保护作用 D、磁道的起点定位
答案：C
分析：5.25英寸软盘片的矩形缺口是写保护口，用于对盘片中的内容写保护，5.25英寸软盘用胶纸贴住此缺口不透光时即禁止写入，防止由于意外写操作而破坏原存储信息。
9、DRAM存储器的中文含义是（ ）。
A、静态随机存储器 B、静态只读存储器
C、动态随机存储器 D、动态只读存储器
答案：C
分析：RAM是随机存储器。随机存储器分为静态随机存储器和动态随机存储器。DRAM为动态随机存储器。半导体动态存储器DRAM的存储容量大，价格比静态存储器便宜。目前市场上多为动态随机存储器DRAM。
10、在不同的计算机中，字节的长度是固定不变的。设计算机的字长是4B，那么意味着（ ）。
A、该机最长可使用4B的字符串
B、该机在CPU中一次可以处理32位
C、CPU可以处理的最大数是24
D、该机以4个字节为1个单位将信息存放在软盘上
答案：B
分析：字节是计算机系统存储信息的基本单位，不同计算机中字节的长度是不变的，都占8位二进制位。字长是CPU一次处理的信息长度，不同计算机系统的字长是不同的。若计算机字长是4个字节，则意味着该机在CPU一次可以处理的信息长度为32位。
11、计算机的I/O设备和主机之间的数据传送可通过（ ）或（ ）实现，其中远距离的数据通信一般通过（ ）来实现。
A、串行接口 B、并行接口 C、双向接口 D、单向接口
答案：串行接口 并行接口 串行接口
分析：I/O设备和主机之间的数据传送可通过并行接口和串行接口实现。其中串行接口由串行接口电路和串行接口信号线两部分组成。目前计算机常用的串行接口是RS-232C接口。用并行接口进行数据传输时若干位二进制位同时传输，这种接口的传输距离比较短，所以一般要进行远距离数据通信，通过串行接口来实现。
12、高性能的多媒体计算机中，多采用（ ）。
A、PCI B、EISA C、ISA D、MCA
答案：A
分析：一般性能的多媒体计算机可以采用ISA总线结构；较高性能的多媒体计算机可采用EISA总线结构，PCI是总线的新技术，可满足许多多媒体应用程序对数据传输速率的要求，PCI为32/64位总线，它的数据传输速率也从132MB/S发展到了2676MB/S，可以满足高清晰度电视信号与实时的三维目标实体化过程的要求。因此，高性能的多媒体计算机中，多采用PCI总线结构。
13、下列叙述正确的是（ ）。
A、指令中操作数规定准备招待的功能
B、断开电源后，DRAM中的内容便会丢失
C、在16位计算机中，一个字节由16位组成
D、软盘驱动器属于主机，软盘属于外设
答案：B
分析：指令由操作码和操作数（或者操作数的地址码）构成，其中操作码规定该条指令将要招待的功能，操作数只是操作的对象。一个字节总是由8个二进制位组成，16位计算机通常指的是其数据总线为16位。软盘驱动器和软盘片都属于I/O设备。主存中的RAM分为动态RAM（DRAM）和静态RAM（SRAM），RAM只要一断电，其内容便会全部丢失，故选B。
14、存储的内容在被读出后并不被破坏，这是（ ）的特性。
A、随机存储器 B、内存 C、磁盘 D、存储器共同
答案：D
分析：目前所使用的存储器一般都具有“非破坏性读出”的存取特性，即读出时并不破坏原来存储的内容，只有在写入新内容时才使原有的内容丢失。理解这个特性可以用录音磁带来做形象的类比：把录音带放入录音机内放送多遍，录音带上的内容依然如旧；只有当录入新内容时，原有的节目才被“洗掉”。对于用半导体电路构成的内存（包括随机存储器和只读存储器）、磁盘、磁带等外存，都有这样的特性。
15、激光打印机属于（ ）。
A、点阵式打印机 B、击打式打印机
C、非击打式打印机 D、热敏式打印机
答案：C
分析：打印机是另一种常用输出设备，从工作原理上可分为两大类：击打式与非击找式。击打式打印机（包括点阵式的、链式的等），通过“机头”向纸上打击而印出字符。其缺点是工作时噪声大，其优点是点阵式的比较便宜。非击打式的印字机（如激光式、喷墨式、热敏式等），工作时没有机件与纸面发生撞击，所以严格地说不应叫“打”印机，而应叫“印字机”。不过，人们习惯上还是称呼“激光打印”、“喷墨打印”等等。激光打印机印刷质量高、速度高、工作时噪声很小，但价格偏高。虽然它在工作时也有一道对纸张加热的工序，但那只是为 了固定印在纸上的墨粉，并不是通过加热才显出字符来，所以不属于“热敏式打印机”。
