计算机基础

第二十五章计算机基础第一节计算机组成及基本原理一、计算机硬件系统从第一台计算机问世以来，计算机硬件的制作工艺和体系结构都发生着迅速的变化．使计算机的处理能力不断提高。然而，从计算机的工作原理来看，绝大多数计算机都建立在存储程序原理基础之上，这种计算机称作冯·诺依曼型计算机。冯·诺依曼型计算机主要由中央处理单元(CPU)、存储器等部分组成，各部分之间通过系统总线连接．如图1所示。当输入设备向总线输入指令时，CPU获取该指令并处理。当CPU处理指令时．CPU调用内存储器的数据以便进行控制和计算，最后将计算结果发送给输出设备或者外存储器。当内存储器中的数据需要从外存储器中读取时，外存储器将数据送往总线，在CPU的控制下，内存储器再将该数据存储。（一）总线计算机中各个部件，包括CPU、内存储器、外存储器和输入输出设备的接口之间是通过一条公共信息通路连接起来的，这条信息通路称为总线。总线是多个部件间的公共连线，信号可以从多个源部件中的任何一个通过总线传送到多个目的部件。在微机中，总线一般分为内部总线、系统总线和外部总线。1．总线的分类实际上，总线由许多条并行的电路组成，这些电路分为三组：数据总线：用于在各部件之间传递数据（包括指令、数据等）。数据的传送是双向的，因而数据总线双向总线。地址总线：指示欲传数据的来源地址或目的地址。地址即存储器单元号或输入／输出端口的编号。控制总线：用于在各部件之间传递各种控制信息。有的是微处理器到存储器或外设接口的控制信号，如复位、存储器请求、输入／输出请求、读信号、写信号等，有的是外设到微处理器的信号，如等待信号、中断请求信号等。2．通信方式从广义上说，计算机通信方式分为并行通信和串行通信，相应的通信总线称为并行总线和串行总线。(1)并行传输是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。一个编了码的字符通常是由若干位二进制数表示，如用ASCII码编码的符号是由8位二进制数表示的，则并行传输ASCII编码符号就需要8个传输信道，使表示一个符号的所有数据位能同时沿着各自的信道并排地传输。并行通信速度快、实时性好，但由于占用线多，不适于小型化产品。(2)串行传输是数据在传输中只有1个数据位在设备之间进行的传输。对任何一个由若干位二进制表示的字符，串行传输都是用一个传输信道，按位有序地对字符进行传输。串行传输的速度比并行传输的速度要慢得多，但费用低。并行传输适用距离短的传输，而串行传输适用远距离传输。串行通信速率虽低，但在数据通信吞吐量不是很大的情况下则显得更加简易、方便、灵活。3．总线的宽度数据总线的宽度决定了通过它一次所能传递的二进制位数。显然，数据总线越宽则每次传递的位数越多，因而，数据总线的宽度决定了在内存和CPU之间数据交换的效率。对于CPU来说，最合适的数据总线宽度是与CPU的字长一致。这样，通过一次内存访问就可以传递足够的信息供计算处理使用。过去微机的数据总线宽度不够，影响了微机的处理能力。地址总线的宽度是影响整个计算机系统的另一个重要参数。在计算机里，所有信息都采用二进制编码来表示，地址也不例外。原则上讲，总线宽度是由CPU芯片决定的。CPU能够送出的地址宽度决定了它能直接访问的内存单元的个数。假定地址总线是20位，则能够访问220=1M个内存单元。4．读写操作过程CPU和内存之间的信息交换都是通过数据总线和地址总线进行的。当CPU需要信息时，需要先知道该信息的存放位置，即存放信息的内存起始地址。CPU读取信息时，把这个内存起始地址送入地址总线并通过控制总线发出一个“读”信号。这些信号送到内存，内存中所指定的起始地址及其后的一串单元中所存储的信息经过“读出”被送到数据总线。这样，CPU就可以由数据总线得到所需要的数据了。(二)CPUCPU的基本功能是高速而准确地执行人们预先编排好并存放在存储器中的指令。衡量CPU性能的指标主要有以下几方面。1．主频CPU的标准工作频率就是人们常说的CPU主频。CPU主频以赫兹(Hz)为单位计算。1MHz指每秒100万次（脉冲）。显然，在其他因素相同的情况下，主频越快的CPU速度越快。2．CPU的字长CPU的字长即CPU一次所能处理的最大二进制位数。如果一个CPU的字长为8位，则表示它每执行一条指令可以处理8位二进制数据。如果要处理更多位数的数据，就需要执行多条指令。显然，能同时处理的数据位数越多．CPU的档次就越高，功能就越强，工作速度也越快，其内部结构也就越复杂。因此，按CPU字长可将计算机分为8位、16位、32位及64位等类别。3．指令处理能力早期CPU只包含一些功能比较弱的基本指令，比如，算术指令可能只包含基本的整数加减法和乘法指令．对整数的除法运算就要用许多条指令组成的程序来完成；对浮点数的计算需要执行更多基本指令组成的程序。随着制造技术的进步，后来的CPU在基本指令集里提供了很多复杂运算的指令，这样一条指令能够完成的工作增加了，指令的种类增加了，CPU的处理能力也就增强了。这种增加指令功能和种类的做法只是一种提高性能的途径。（三）存赭器存储器包括内存储器和外存储器。存储器的主要功能是存放计算机的程序和数据，并根据微处理器的控制指令将这些程序或数据提供给计算使用。内存储器被分成一个个存储单元，每个单元存放一个8位数的二进制数据，称为一个字节(Byte)，有多少个存储单元就能存储多少个字节。在内存储器中，每一个二进制数据都是一位，称为bit。可见，1字节(Byte)是由8位(bit)组成的。存储器容量一般用KB、MB、GB、TB等来表示。1KB=210B，1MB=220B,lGB=230B,1TB=240B.每个存储单元的编号称为地址。内存单元采用顺序的线性方式组织，所有单元排成一队，排在最前面的单元地址为零。其余单元的地址顺序排列。由于地址的唯一性，它可以作为存储单元的标识，对内存存储单元的使用都通过地址进行。（四）输入设备输入设备是从计算机外部向计算机内部传送信息的装置。输入设备的功能是将数据、程序及其他信息,从人们熟悉的形式转换为计算机能够识别和处理的形式输入到计算机内部。常用的输入设备有键盘、鼠标、光笔和扫描仪等。（五）输出设备输出设备是将计算机的处理结果传送到计算机外部供计算机用户使用的装置。输出设备的功能是将计算机内部二进制形式的数据信息转换成人们所需要的或其他设备能接受和识别的信息形式。常用的输出设备有显示器、打印机和绘图仪等。通常将输入设备和输出设备统称为I/O(Input/Output)设备。二、计算机软件系统软件是计算机系统中使用的各种程序和数据，可分为系统软件和应用软件两部分。系统软件是指控制计算机运行，管理计算机资源，并为应用软件提供服务的一类软件。应用软件是利用各种系统软件编制的解决各种特定问题的程序。（一）系统软件系统软件包括操作系统、标准库程序与服务性程序、语言处理程序、数据库管理系统及计算机网络软件等。（二）应用软件应用软件指计算机用户根据各自的业务需要而开发和使用的各种程序。应用程序通常都是针对某个具体问题编写的软件，服务于某类计算机用户。常用的应用软件主要有办公软件，包括文字处理、排版、电子表格处理、演示软件等，如Office软件包；图形图像处理软件，如Photoshop；多媒体创作工具，如Authorware等。第二节互联网及其应用从用户角度来看，整个互联网在逻辑上是统一的、独立的，在物理上则由不同的网络互联而成。从技术角度看，Internet本身不是某一种具体的物理网络技术，它是能够互相传递信息的众多网络的一个、统称，或者说它是一个网间网，只要人们进入这个互联网，就是在使用Internet。Internet由美国的ARPANET网络发展而来。因此，它沿用了ARPANET使用的TCP/IP协议，由于该协议非常有效且使用方便，许多操作系统都支持它，无论是服务器还是个人计算机都可安装使用。在Internet中，分布着一些覆盖范围很广的大网络，这种网络称为“Internet主干网”，它们一般属于国家级的广域网。例如我国的CHINANET和CERNET等就是中国的Internet主干网。主干网一般只延伸到一些大城市或重要的地方，在那里设立主干网节点。每一个主干网节点都可以通过路由器将广域网与局域网连接起来，一个节点还可以通过另外的路由器与其他局域网互联，由此形成一种网状结构。一、Internet协议TCP/IP(传输控制协议／网际协议)是为了使接入互联网的各种网络、不同设备之间能够进行正常的数据通信，而预先指定的一簇大家共同遵守的格式和约定。TCP/IP协议簇是美国国防部高级研究计划署为建立ARPANET开发的，包括了TCP、IP、UDP、ICMP、RIP、TELNET、FTP、SMTP、ARP等许多协议，对互联网中主机寻址方式、主机的命名机制、信息的传输规则，以及各种各样的服务功能做了详细约定。(一)TCP/IP的体系结构TCP/IP协议是一个分层结构。协议的分层使得各层的任务和目的十分明确，这样有利于软件编写和通信控制。TCP/IP模型分为四层，由下至上分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。图2是TCP/IP模型与OSI模型的对比。最上层是应用层，用户在应用层上进行操作，如收发电子邮件，文件传输等。简单网络管理协议SNMP就是一个典型的应用层协议。传输层的主要功能是对应用层传递来的用户信息进行分段处理，然后在各段信息中加入一些附加的说明，如说明各段的顺序等，保证对方收到可靠的信息。该层有两个协议：一个是传输控制协议(TransferControlProtocol，TCP)；另一个是用户数据包协议(UserDatagramProtocol，UDP)。SNMP是基于UDP的一个应用协议。网络层将传输层形成的一段一段的信息打成IP数据包，在报头中填入地址信息，然后选择发送的路径。本层的网际协议(InternetProtocol，IP)和传输层TCP是TCP/IP体系中两个最重要的协议。与IP配套使用的还有三个协议：地址解析协议(AddressResolutionPtotocol，ARP)；逆向地址解析协议(ReverseAddressResolutionProtocol，RARP)；Internet控制报文协议(InternetControlMessagePtotocol，ICMP)。在这一层中，ARP和RARP在最下面，因为IP经常要使用这两个协议。ICMP在这一层的上部，因为它要使用IP。由于IP可以使互联起来的许多计算机网络能够进行通信，因此，TCP/IP体系中的网络层常常称为网际层(InternetLayer)。最底层是网络接口层，也称数据链路层，其功能是接收和发送IP数据包，负责与网络中的传输介质打交道。TCPfIP规范了网络上的所有的通信．尤其是一个主机与另一个主机之间的数据往来格式以及传送方式。(二)TCP/IP的特性1．逻辑编址在Internet中，为每台连入因特网的计算机分配一个逻辑地址，这个逻辑地址被称为IP地址。一个IP地址可以包括：一个网络ID号，用来标识网络；一个子网络ID号，用来标识网络上的一个子网；另外，还有一个主机ID号，用来标识子网络上的一台计算机。这样，通过这个分配给某台计算机的IP地址，就可以很快找到相应的计算机。2．路由选择在TCP/IP中包含了专门用于定义路由器如何选择网络路径的协议，即IP数据包的路由选择。3．域名解析虽然TCP/IP采用的是32位的IP地址，但考虑用户的记忆方便，专门设计了一种方便的字母式地址结构，称为域名或DNS(域名服务)名字。将域名映射为IP地址的操作称为域名解析。域名具有较稳定的特点，而IP地址则较易发生变化。4．错误检测和流量控制TCP/IP具有分组交换确保数据信息在网络上可靠传递的特性，这些特性包括检测数据信息的传输错误（保证到达目的地的数据信息没有发生变化）、确认已传递的数据信息被成功的接收、监测网络系统中的信息流量、防止出现网络拥塞。二、Internet地址Internet地址唯一确定Internet上每一台计算机、每个用户的位置