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第二章 计算机组成原理
2.1 计算机的发展与作用
1）计算机在逻辑上是由哪些部分组成的？各部分的主要功能是什么？ 答：从逻辑上（功能上）来讲，计算机硬件主要包括中央处理器（CPU）、内存储器、外 存储器、输入设备和输出设备，它们通过系统总线互相连接。CPU、主存储器、总线等构 成了计算机的“主机”，输入/输出设备和外存储器通常称为计算机的“外围设备”，简称 “外设”。 输入设备：“输入”（imput）是把信息送入计算机的过程。 中央处理器（CPU）：负责对输入信息进行各种处理的部件。
内存储器和外存储器：能够把程序和数据（包括原始数据、中间运算结果与最终结果等）存储起来。
输出设备：“输出”（output）表示把信息送出计算机。
系统总线与I/O端口：系统总线（system bus）是用来连接CPU、内存、外存和各种输入输出设施并协调它们工作的一个控制部件，其主要组成部分是用于在各部件间运载信息的一组（或多组）公用的传输线。
2）使用计算机进行信息处理有哪些特点？计算机的重要作用体现在哪些方面？
答：信息处理具有如下一些特点：通用性强、速度高；提供友善的使用方式和多种多样的信息输出形式；具有庞大的信息存储能力和极快的信息存取速度；计算机网络使得距离已不再是限制信息传播与交流的障碍；计算机在辅助开发新的信息处理应用方面能提供有力的支持。
计算机的巨大作用：开拓了人类认识自然、改造自然的新资源；增添了人类发展科学技术的新手段；提供了人类创造文化的新工具；引起了人类的工作与生活方式的变化。 3）从性能和用途来说，计算机分成哪些类型？分别适用于哪些部门和领域？ 答：按计算机的性能、用途分为：巨型计算机（Supercomputer）、大型计算机（Mainframe）、小型计算机（Minicomputer）、个人计算机（Personal Computer）。 巨型计算机也称超级计算机，它采用大规模并行处理的体系结构，CPU由数以百计、千计、万计的处理器组成，有极强的运算处理能力，速度达到每秒万亿次以上，大多使用在军事、科研、气象、石油勘探等领域。
大型计算机运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机，为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作为主服务器（企业级服务器），在信息系统中起着核心作用。 小型计算机是供部门使用的计算机。小型机的典型应用是帮助中小企业（或大型企业的一个部门）完成信息处理任务，如库存管理、销售管理、文档管理等。 个人计算机中的台式机：一般在办公室或家庭中使用。便携机：用于移动计算。
4）个人计算机（PC）的特点是什么？有哪些品种？你估计它们的发展趋势如何？
答：个人计算机的特点：以微处理器为中心的一个独立完整的计算机系统。价格便宜，使用方便，软件丰富，性能不断提高，适合办公或家庭使用。通常只用来处理一个用户的任务，可独立使用，也可与其他计算机互连。
品种有：台式机：一般在办公室或家庭中使用。
便携机：用于移动计算。
个人计算机的发展非常的快，性能会变得更好，处理速度会更快，存储容量会更大。 5）什么是微处理器？它与CPU是什么关系？与PC机是什么关系？ 答：微处理器通常指的是使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的部件。 它就是我们平常所的CPU。它是PC机的核心部件，用于进行算术和逻辑运算的部件，并发出
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全机的控制信号。
6）目前流行的PC机产品使用的CPU是什么？你知道它们的主要性能和技术参数吗？ 答：目前流行的CPU是INTEL公司生产的Pentium 4处理器 频率为2.6GHz。 它的处理频率为2.6GHz ，二级Cache的容量为1Mb。
2.2 CPU的结构与原理
1） CPU在原理上由哪三部分组成？它们的功能是什么？与内存是什么关系？
答：CPU主要由三个部分组成。运算器用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算，它也称为执行单元。控制器是CPU的指挥中心，它能解释指令的含义，控制运算器的操作，记录内部状态。此外，处理器中还包含一组“寄存器”，用来临时存放参加运算的数据和得到的中间结果。
存储程序与程序控制：程序和数据预先存放在存储器内。计算机工作时，CPU依次从存储器中取出一个程序中的各条指令（取指令），对指令的功能进行分析（指令译码），按指令的功能从内存取出数据（取数），对数据进行运算处理（运算）并保存运算结果，直到取到并执行了停机指令为止。至此完成程序的一次运行。这就是CPU与内存的关系。 2） 什么是指令？什么是指令系统？
答：指令是一种使用二进制表示的命令语言（称为计算机的“机器语言”），它用来规定计算机执行什么操作以及操作对象所在的位置。
一个CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统或指令组。 3） 计算机是怎么样执行一条指令的？指令流水线的作用什么？ 答：指令的执行过程大体如下：
（1）指令预取部件向指令快存提取一条指令，若快存中没有，则向总线接口部件发出请求，要求访问存储器取得一条指令。
（2）总线接口部件在总线空闲时，通过总线从存储器中取出一条指令，放入快存和指令预取部件。
（3）指令译码部件从指令预取部件中取得该指令，对指令中的操作码进行译码。 （4）地址转换与管理部件计算出该指令所使用的操作数的地址，需要时请求总线接口部件，通过总线从存储器取得该操作数。
（5）运算器按照指令操作码的要求，对操作数完成规定的运算处理，并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志。
（6）修改指令地址，供指令预取部件预取下一条指令时使用。 指令流水线的作用：提高了处理器执行指令的速度。 4） Pentium 4处理器的逻辑结构是怎么样的？为了提高处理速度，采取了哪些措施？ 答：采用了所谓“NetBurst”的微体系结构，除了寄存器组、ALU之外，它还包括总线接口部件，cache存储器、指令动态分支预测器等。 为了提高处理速度而采取的措施主要有：
运算器由2个处理整数的算术逻辑运算部件（ALU）和1个处理实数的浮点运算器组成，它们可以同时进行整数和实数的运算。
为了提高效率，处理器中包含了几十个数据寄存器，用来临时存放中间结果。 由于CPU的工作速度比内存要快得多，为了匹配两者的工作速度，CPU中增加了指令快存（cache）和数据快存（cache）两个高速存储器。
为加快指令处理速度，CPU在执行当前指令的同时，可以使用指令预取部件提前向主存或快存去取出一些准备要执行的指令。
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5） CPU的处理器速度与哪些因素有关？
答：CPU的性能主要体现为它的运算速度。测量CPU运算速度的传统方法是看它每秒钟能执行多少条指令。如：可以以单字长定点指令的平均执行时间来计算，单位是MIPS，也可以以单字长浮点指令的平均执行速度来衡量，单位是MFLOPS。
CPU速度与它的工作频率和cache容量的关系。工作频率：CPU的工作频率也称为CPU的主频，它决定着CPU内部数据传输和指令执行的每一步的频率。 cache容量：Cache也称为高速缓冲存储器，简称快存。Cache存储器的有无和容量大小是影响CPU性能的另一个重要因素。通常，cache容量越大，访问cache的命中率就越高，CPU的速度就越快。
2.3 PC的组成
1）台式PC机的机箱内安装了哪些部件？主板上安装了哪些部件和器件？ 答：机箱内包含：主板、硬盘、软驱、光驱、电源、风扇等。
主板上安装：CPU、芯片组、内存条、总线插槽、I/O控制器、I/O端口、扩充卡等部件 2）什么是芯片组？它与CPU、内存、显示器、各种外部设备和关系是怎样的？
答：芯片组是PC机各组成部分枢纽，主板上的所有控制功能几乎都集成在芯片组内，它既实现了PC机系统总线的功能，有提供了各种I/O接口及相关的控制。
芯片组作用：集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内，是构成主板电路的核心。一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。 3）什么是BIOS？它有哪些功能？
答：BIOS(Basic Input/Output System)的中文名叫做基本输入/输出系统，它是存放在主板上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序，具有启运计算机工作、诊断计算机故障及控制低级输入输出操作的功能。
执行过程为：系统首先执行POST程序，目的是测试系统各部件的工作状态是否正常，从而决定计算机的下一步操作。POST程序通过读取主板上的CMOS中的内容来识别硬件的配置，并根据配置信息对系统中各部件进行测试和初始化。POST程序完成后，若系统无致命错误，计算机继续执行BIOS中的自举程序。自举程序按照CMOS中预先设定的启动顺序，引导程序并装入内存，然后将控制权交给引导程序，由引导程序继续装入操作系统。操作系统装入成功后，整个计算机就处于操作系统的控制之下，用户就可以正常地使用计算机了。 4）主板上的CMOS芯片有什么作用？你知道怎样修改它的设置吗？ 答：CMOS存储芯片，其中存放着用户对计算机硬件所设置的一些参数（称为“配置信息”），包括当前的日期和时间、已安装的软区和硬盘的个数及类型等。这些数据非常重要，一旦丢失就会使系统无法正常运行，甚至不能启动。 在启动过程中，若按下Del键（或其他键），进入CMOS设置程序，允许用户修改系统硬件的部分配置信息。
5）PC机中有哪些存储器？内存储器使用的半导体存储芯片有哪些主要类型？各有什么特性？
答：有寄存器、CACHE存储器、主存储器、外存储器和后备存储器。
内存储器由称国存储器芯片的半导体集成电路组成。分为随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read Only Memory，ROM）两大类。RAM目前多采用MOS型半导体集成电路芯片制成，断电后数据丢失。ROM是一种能够永久或半永久地保存数据的存储器，即使掉电（或关机）后，存放在ROM中的数据也不会丢失，所以也叫做非易失性存储器。
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6）主存储器的主要性能指标是什么？
答：主要性能指标有：存储容量和存取时间。存储容量的含义是指存储器所包含的存储单元的总数。存取时间的含义是指在存储器地址被选定后，存储器读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入存储器）所需要的时间
7）什么是内存条？目前常用的内存条有哪些品种？ 答：内存条是把8~9片DRAM芯片焊在一小条印制电路板上做成的部件。 常见的内存条主要有以下三种：单列直插式内存条模块、双列直插式内存条模块和Rambus内存条模块 8）I/O设备、I/O控制器与CPU、存储器相互之间是怎样的关系？I/O操作的大体过程是怎样的？ 答：多数I/O设备在操作过程中包含机械动作，其工作速度比CPU慢得多。为了提高系统的效率，通过I/O控制器对其进行控制，并把数据放入内存中，I/O操作与CPU的数据处理操作往往是并行进行的
CPU执行I/O指令，向I/O控制器发出启动命令。I/O控制器接受命令，负责对 I/O设备进行全程控制。当需要传输数据时，I/O 控制 器发出请求。I/O控制器获得授权后，直接向(从)存储器传输数据。所有数据传输完毕后，I/O控制器向CPU报告I/O操作完成
9）什么是I/O总线？目前台式PC机采用的I/O总线标准是什么？ 答：I/O总线（主板总线）：是各类I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的一组公用信号线，物理上与主板上扩充插槽中的各扩充板卡（I/O控制器）直接连接。
标准有：PC总线、ISA、MCA、EISA、VESA和PCI。
10）什么是I/O接口？目前PC机常用的I/O接口有哪些？性能如何？分别可以连接哪些外部设备？
答：I/O接口：计算机中用于连接输入/输出设备的各种插头/插座以及相应的通信规程及电器特性。
常用的I/O接口有：串行口（鼠标器，MODEM）、并行口（打印机，扫描仪）、USB接口（数码相机）、FireWire（数字视频设备）、IDE（硬盘、光驱）、显示器输出接口（显示器）、PS/2接口（键盘、鼠标）、红外线接口（鼠标、键盘、打印机）。 串行口的传输速率为50~19200b/s、并行口的传输速率为1.5MB/s、USB接口的传输速率为60MB/s、FireWire的传输速率为400MB/s、IDE的传输速率为100MB/s、显示器输出接口的 传输速率为200~500MB/s、PS/2接口的传输速率为低速、红外线接口4MB/s。
2.4常用输入设备
1）列举PC机键盘上常用的控制键和他们在windows环境下的功能。 答：Shift：换档键。也是一个状态键。
Alt：Alternate的缩写，当它与另一个(些)键一起按下时，将发出一个命令，其含义由应用程序决定。
Break：与另一个键一起按下时，经常用于终止或暂停一个程序的执行。
Ctrl：Control的缩写，当它与另一个(些)键一起按下时，将发出一个命令，其含义由应用程序决定。
Delete：删除光标右面的一个字符，或者删除一个(些)已选择的对象。
End：一般是把光标移动到行末。 Esc：Escape的缩写，经常用于退出一个程序或操作。 F1～F12：共12个功能键，它们的功能由操作系统及运行的应用程序来决定。 Home：通常用于把光标移动到开始位置，如一个文档的起始位置或一行的开始处。 Insert：在输入字符时可以有覆盖方式和插入方式两种，Insert键用于在两者方式之间进
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