理论知识点整理-大学计算机信息技术教程

第1章 信息技术概述

1.1 信息与信息技术

信息

● 信息的含义：从客观事物立场看，信息是事物运动的状态及状态变化的方式；

从认识主体立场看，信息是认识主体所感知或所表述的事物运动及变化方

式的形式、内容和效用。

● 信息与物质和能量同样重要，它是人们认识世界、改造世界的一种基本资源

● 信息有多种表现形式，语言、文字、声音、图片等都是信息的表现形式(也称为信息的载体或媒体)

信息处理

● 信息处理：为获取有效的信息而施加于初始信息的所有操作

● 信息处理包括：

信息的收集( 如信息的感知、测量、获取、输入等)

信息的加工( 如信息的分类、计算、分析、转换等)

信息的存储( 如书写、摄影、录音、录像等)

信息的传递( 如邮寄、电报、电话、广播等 )

信息的施用( 如控制、显示等)

信息技术

● 信息技术（Information Technology，简称IT ）指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效地进行信息处理的一门技术。

● 信息技术包括：

扩展感觉器官功能的感测(获取) 与识别技术

扩展神经系统功能的通信技术

扩展大脑功能的计算(处理) 与存储技术

扩展效应器官功能的控制与显示技术

信息处理系统

● 用于辅助人们进行信息获取、传递、存储、加工处理、控制及显示的综合使用各种信息技术的系统，可以通称为信息处理系统

● 现代信息技术主要特征：

以数字技术（计算机）为基础

以计算机及其软件为核心

采用电子技术（包括激光技术）进行信息的收集、传递、加工、存储、显示与控制

1.2 微电子技术简介

微电子技术与集成电路

● 微电子技术：实现电子电路和电子系统的超小型化及微型化的技术，以集成电路为核心 ● 电子电路中元器件的发展演变：

电子管

晶体管

小规模集成电路

超大规模集成电路

● 集成电路 (Integrated Circuit，简称IC) ： 以半导体单晶片作为基片, 采用平面工艺，将

晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统

● 集成电路的制造材料：现代集成电路使用的半导体材料主要是硅，也可以是化合物半导

体如砷化镓等

● 集成电路的集成度：单个集成电路所含电子原件的数目

小规模集成电路（SSI ）：小于100电子元件

中规模集成电路（MSI ）：100~3000电子元件

大规模集成电路（LSI ）：3000~10万电子元件

超大规模集成电路（VLSI ）：10万~100万电子元件

极大规模集成电路（ULSI ）：超过100万电子元件

● 集成电路的分类

按用途分：通用集成电路和专用集成电路（ASIC ）

按电路的功能分：数字集成电路和模拟集成电路

按晶体管结构、电路和工艺分：双极型（Bipolar ）电路、金属氧化物半导体(MOS)电路、

双极-金属氧化物半导体集成电路等

集成电路的发展趋势

● 集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的晶体管尺寸。晶体管的尺寸越小，其

极限工作频率越高，门电路的开关速度越快。

● Moore 定律：单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番(Gordon E.Moore,1965年) IC 卡

● IC 卡(chip card、smart card)，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基

片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体

● 特点：

存储信息量大

保密性能强

可以防止伪造和窃用

抗干扰能力强

可靠性高

● IC 卡的类型(按芯片分类)

存储器卡：封装的集成电路为存储器，信息可长期保存，也可通过读卡器改写。结构简

单，使用方便。用于安全性要求不高的场合，如电话卡、水电费卡、公交卡、

医疗卡等（带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路）

CPU 卡：封装的集成电路为中央处理器（CPU ）和存储器，还配有芯片操作系统(Chip

Operating System) ，处理能力强，保密性更好，常用作证件和信用卡使用。

手机中使用的SIM 卡就是一种特殊的CPU 卡。

● IC 卡的类型(按使用方式分类)

接触式IC 卡(如电话IC 卡) ：表面有方型镀金接口，共8个或6个镀金触点。使用时必

须将IC 卡插入读卡机，通过金属触点传输数据；用于信息量大、读写操作

比较复杂的场合, 但易磨损、怕脏、寿命短

非接触式IC 卡(射频卡、感应卡) ：采用电磁感应方式无线传输数据，解决了无源（卡中

无电源）和免接触问题；操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，

使用寿命长；用于读写信息较简单的场合，如身份验证等

1.3 通信技术入门

● 通信：各种信息的传递

● 现代通信：使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信（telecommunication ），如电

报、电话、传真、电子邮件、BBS 、QQ 等

● 通信系统：实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒体的总和

通信的基本原理

● 通信系统的简单模型：至少须有三个要素组成，即信息的发送者（信源）、信息的接收

者（信宿）、信息的传输通道（信道）

● 通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号) 才能进行传输

● 电（或光）信号强度的变化有两种形式：

连续形式的信号——也叫模拟信号

离散形式的信号——也叫数字信号

● 如何远距离传输信号：高频震荡的信号在长距离通信中能比其它信号传送得更远，可以

把这种高频正弦波信号作为携带信息的载波

调制：利用信源信号去调整（改变）载波的某个参数的过程

解调：接收方把载波所携带的信号检测出来恢复为原始信号形式的过程

模拟信号的调制方式：调频、调幅、调相

数字信号的调制方式：幅移键控、频移键控、相移键控

● 怎样减低成本传输信号：让多路信号同时共用一条传输线进行传输，即多路复用技术

频分多路复用(Frequency Division Multiplexing, FDM)：将每个通信终端发送

的信号调制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器(MUX)将它们

复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。抵达接收端

之后，借助分路器(DEMUX)把不同频率的载波分离出来，送到不同的

接收设备

时分多路复用(Time Division Multiplexing, TDM) ：各通信终端（计算机、电话）

以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输；时分多

路复用技术又可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用

模拟通信与数字通信

● 模拟通信：直接传输信源产生的模拟信号或通过用模拟信号对载波调制后进行传输的通

信技术

应用：传统的有线载波电话、无线电广播、电视（卫星电视、数字有线电视除外） 优点：历史长，技术成熟，结构简单，成本低

缺点：在信号的调制和传输过程中易受噪声干扰，传输质量不够稳定

趋势：已经越来越多地被数字通信所取代

● 数字通信：将信源产生的模拟信号转换为数字信号（或信源直接产生数字信号）之后，

直接进行传输或通过用数字信号对载波进行数字调制来传输信息的技术称为数字通信

● 数字通信技术的优点：

抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高

灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输

传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理

数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高

数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备的小型化、微型化，也降低了功耗

● 数字通信系统的主要性能指标

信道带宽(也称为信道容量, bandwidth) ：一个信道允许的最大(高) 数据传输速率 数据传输速率(简称数据速率, data rate)：实际进行数据传输时单位时间内传送

的二进位数目，计量单位：位/秒(bps)、千位/秒(kbps)、兆位/秒(Mbps)

或千兆位/秒(Gbps)等

误码率(error rate)：数据传输中规定时间内出错数据占被传输数据总数的比例 端－端延迟(end-end delay)：数据从信源传送到信宿所花费的时间。

光纤通信和无线通信

● 通信分为有线通信和无线通信两类：

有线通信使用的传输介质有金属导体和光导纤维，金属导体利用电流传输介质，

如双绞线、同轴电缆；光导纤维通过光波传输信息，如光缆；

无线通信是使用电磁波来传输信息，如无线电波、微波、红外线和激光等

● 传输介质的类型与特点：

金属导体：利用电流(电压) 传输信息，常见的有双绞线和同轴电缆

双绞线分类：3类线(10 Mb/s)；5类线(100Mb/s)；6类线(200Mb/s)

无屏蔽双绞线 (UTP)；屏蔽双绞线 (STP)

同轴电缆分类:基带同轴电缆；宽带同轴电缆

光导纤维：光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播

光纤分类：单模（传输距离远，速率高）；多模（传输距离近，速率低）

无线通信传输介质：无线电波；微波；红外线；激光

● 光纤通信原理：光纤主要用于传输数字信号，在发信端，由需要传输的数字信号（电信

号）去驱动一个光源（半导体激光器或发光二极管），并对发出的光信号进行调制。调制后的光信号通过光纤传输到接收端，信号经放大后由光检测器（半导体光电管）进行检测、解调，转换成电信号之后输出。为了补偿光纤线路的损耗，消除信号失真和噪声干扰，每隔一定的距离要接入中继器。

● 波分多路复用(Wave Division Multiplexing, WDM)：在一根光纤中同时传输几种不同

波长的光波，以达到增大信道容量的目的。

● 无线通信：模拟信号或数字信号使用电磁波调制后进行传输

● 无线电波按频率分成中波、短波、超短波和微波

中波：沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信

短波：具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信

微波：300MHz ～300GHz 范围内的电磁波，波长为1 m～1mm

● 微波通信的三种形式：地面微波接力通信；卫星通信；对流层散射通信

● 卫星通信：利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电信号所实现的通信

移动通信

● 移动通信：处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等 ● 优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息

● 蜂窝移动通信原理：每10km ～20km 的区域称为单元（形似蜂窝），单元的中央建有一个

基站，该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号；所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，连成整个移动通信服务网；所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信

● 移动通信的发展过程：

第一代模拟移动通信系统：使用频段——800MHz/900MHz

第二代移动通信系统：传输的是数字化的语音/文字信号；使用频段——900MHz/1800MHz 我国使用的2种标准：GSM （欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统) ；

CDMA (码分多址接入，Code Division Multiple Access)

第三代数字移动通信系统：使用频段——1885 MHz ~2025MHz，2110MHz~2200MHz 标准：WCDMA 、CDMA2000和TD-SCDMA(时分-同步码分多址接入)

● 第3代移动通信技术（简称3G ）的目标：

（1）全球漫游

（2）适应多种环境，地面移动通信与卫星移动通信相结合

（3）提供高质量的话音通信、数据通信和高分辨率图像通信

（4）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务

1.4数字技术基础

信息的基本单位——比特(bit)

● 比特：bit ，binary digit 的缩写，中文翻译为“二进位数字”、“二进位”或简称为“位”

比特只有 2 种取值0和1，一般无大小之分

比特是组成数字信息的最小单位

数值、文字、符号、图像、声音、命令都可以使用比特来表示

● 比特的运算使用逻辑代数，它有3种基本逻辑运算：

逻辑加（也称“或”运算，用符号“OR”、“∨”或“＋”表示）

逻辑乘（也称“与”运算，用符号“AND”、 “∧”或“ • ”表示，也可省略） 取反（也称“非”运算，用符号“NOT”或上横杠“¯”表示）

● 存储容量的计量单位：在计算器的存储器中存储比特时，以字节为基本单位。一个字节

包含8个比特，字节简记为B 。

外存储器容量的计量单位

KB: 1 KB=210字节=1024 B （千字节）

MB: 1 MB=220字节=1024 KB（兆字节）

GB: 1 GB=230字节=1024 MB（吉字节、千兆字节）

TB: 1 TB=240字节=1024 GB（太字节、兆兆字节）

外存储器容量经常使用10的幂次来计算：

1MB ＝103 KB ＝1 000 KB

1GB ＝106 KB ＝1 000 000 KB

1TB ＝ 109 KB = 1 000 000 000 KB

● 在数据通信和计算机网络中传输二进制信息时，是一位一位串行传输的，传输速率的单

位是每秒多少比特，且kilo 、mega 、giga 等也作为10的幂次计算。常用的传输速率单位如下

比特/秒（b/s）：也称bps

千比特/秒(Kb/s)：1Kb/s=10b/s

兆比特/秒(Mb/s)：1Mb/s=10Kb/s=10b/s

吉比特/秒(Gb/s)：1Gb/s=10Mb/s=10Kb/s=10b/s

太比特/秒(Tb/s)：1Gb/s=10Gb/s=10Mb/s=10Kb/s=10b/s

比特与二进制数

● 不同进位制数的表示和含义

十进制数：

每一位可使用十个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）

低位与高位的关系是：逢10进1

各位的权值是10的整数次幂（基数是10 ）

标志： 尾部加“D”或缺省

二进制数 [1**********]

每一位使用两个不同数字表示（0、1），即每一位使用 1 个“比特”表示

低位与高位的关系是：逢2进1

各位的权值是2的整数次幂（基数是2 ）

标志： 尾部加B

八进制数

每一位使用八个不同数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7）

低位与高位的关系是：逢8进1

各位的权值是8的整数次幂（基数是8 ）

标志：尾部加Q

十六进制数

每一位使用十六个数字和符号表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A 、B 、C 、

D 、E 、F ）

低位与高位的关系是：逢16进1, 基数为16

各位的权值是16的整数次幂（基数是16 ）

标志：尾部加H

● 不同进制数的相互转换

◆ 十进制数→二进制数：整数和小数分开转换

整数部分：除以2逆序取余

小数部分：乘以2顺序取整

◆ 二进制数→十进制数：二进制数的每一位乘以其相应的权值，然后累加可得十

进制数值

◆ 八进制→二进制：把每个八进制数字改写成等值的3位二进制数，且保持高低

位的次序不变

◆ 二进制→八进制：整数部分从低位向高位每3位用一个等值的八进制数来替

换，不足3位时在高位补0凑满3位；小数部分从高位向低位每3位用一个等

值八进制数来替换，不足3位时在低位补0凑满三位

◆ 十六进制数与二进制数的互换：与八、二进制互换的方法类似

● 二进制数的运算有2类：

逻辑运算：∨、∧、NOT ，按位进行，不考虑进位

算术运算:+、-、*、/，从低位到高位逐位进行，需考虑低位的进位(借位)

● 二进制数的加法和减法运算规则

● 逻辑运算可以用门电路（与门、或门、非门等）实现，算术运算可以表达为逻辑运算，

因此二进制数的四则运算同样也可以使用门电路来实现

整数(定点数) 的表示

● 计算机中的数值信息分成整数和实数两大类，整数又分成带符号的整数和无符号整数两

类。所有的数值都采用二进制表示。

● 无符号整数的表示：采用“自然码”表示，取值范围由位数决定：

8位：可表示0～255 (28-1)范围内的所有正整数

16位：可表示0～65535(216-1)范围内的所有正整数

n 位：可表示 0～2n-1范围内的所有正整数。

● 带符号整数的表示：

原码表示法：最高位作为符号位，“0”表示正数，“1”表示负数，其余位表示数值部分

优点：与日常使用的十进制表示方法一致，简单直观

缺点：加法与减法运算规则不统一，增加了成本；整数0 有“00000000”

和“10000000”两种表示形式，不方便

补码表示法：正数的补码与原码表示方式一样，负数的补码先表示为原码，将每一位取

反后在最低位加“1”

优点：加法与减法运算规则统一， 没有“-0”,可表示的数比原码多一个

缺点：不直观，人使用不方便

● 带符号整数在计算机内不采用“原码”而采用“补码”的形式表示！

第2章 计算机组成原理

2.1 计算机的组成与分类

计算机的发展与作用

● 计算机：又称电脑，是一种能够接收信息，并按照存储在其内部的程序（程序表达了某

种规则）对输入信息进行处理，并产生输出结果的高度自动化的数字电子设备。是一种通用的信息处理工具

● 计算机的特性：速度快；存储容量大；通用性好

● 1946年研制成功第1台数字电子计算机ENIAC （电子数字积分机与计算机）： ● 计算机的分代(按使用的元器件)

第1代：电子管＋磁鼓

第2代：晶体管＋磁芯

第3代：中、小规模集成电路

第4代：大、超大规模集成电路

● 计算机应用模式的演变

20世纪50年代～7年代：大型计算机的“集中计算模式”

20世纪80年代：个人计算机的“分散计算模式”

20世纪9年代后：“网络计算模式”

计算机的组成

● 计算机系统由硬件和软件两部分组成。计算机的硬件是计算机系统中所有实际物理装置

的总称。计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档。 ● 从逻辑（功能）上讲，计算机硬件包括中央处理器（CPU ）、内存储器、外存储器、输入

设备和输出设备等，它们之间通过总线相互连接。

输入设备：用来向计算机输入信息的设备，如：键盘、鼠标、扫描仪和麦克风等

输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用

二进位来表示

中央处理器(运算控制器)

处理器(processor)：对各种信息进行处理（例如计算、排序、分类、检索）

的部件，能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数

据传送等操作，由数字电路组成，结构复杂

微处理器：将处理器的所有组成部分制作在仅为几个平方厘米的半导体集成电

路芯片上

中央处理器(CPU)：计算机中通常有多个不同的处理器，用于执行系统软件和

应用软件的处理器称为CPU

多数个人计算机只有1个CPU ，但有一些计算机包含有2个、4个、8个甚至

成百上千个CPU

存储器：储存以二进位形式表示的程序和数据的部件，包括：

内存储器：存取速度快，容量相对小，直接与CPU 连接，用来临时存放

已经启动运行的程序和需要立即处理的数据

外存储器：存取速度较慢，容量相对很大，能长期存放计算机系统中几

乎所有的信息，外存中的数据必须先传送到内存，才能被CPU

使用

输出设备：完成输出功能的设备，如:显示器、打印机和扬声器等

(多数) 输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式(文

字、符号、图形、声音等)

总线(bus)：用于连接CPU 、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传输信息的

一组共享的传输线及其控制电路

分类：CPU 总线（或前端总线）：用于连接CPU 和内存的总线

I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线

计算机的分类

● 按内部逻辑结构分类：8位/16位/32位/64位

● 按性能和价格分类：

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)

● 个人计算机可以分成：

台式PC(deskbook)

笔记本(notebook,Laptop)

工作站 (workstation)

超级便携机UMPC(Ultra-Mobile PC)

微处理器和嵌入式计算机

● 微处理器(μP) ：使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的电子部件。

微处理器是各类计算机的核心组成部分，中央处理器几乎都采用微处理组成

● 嵌入式计算机：把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全都集成在一

块芯片上，这样的超大规模集成电路称为单片计算机或嵌入式计算机

2.2 CPU的逻辑结构与工作原理

CPU 的结构

● 迄今为止，计算机都是按照冯•诺依曼提出的“存储程序控制”的原理工作，即：

⏹ 问题的解算步骤（程序）连同它所处理的数据都用二进位表示，并预先存放在存储

器中；

⏹ 程序运行时，CPU 从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规

定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。

● CPU 的主要任务：执行指令，按指令的要求完成对数据的运算和处理

● CPU 的结构：CPU 主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成

寄存器（GPR ）：存储速度快，用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间（或

最后）结果

运算器(ALU)：用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件(ALU)

参与ALU 运算的数据——预先从内存传送到寄存器

无需继续运算的结果——从寄存器保存到内存

控制器：CPU 的指挥中心

指令计数器——存放CPU 正在执行的指令的地址，CPU 每执行一条指令

后它就自动加1

指令寄存器——保存正在执行的指令，通过译码器解释该指令的含义，

控制运算器的操作，记录CPU 的内部状态

指令与指令系统

● 程序：能完成某个任务的一连串指令。

● 指令：用二进位表示，它用来规定CPU 执行什么操作。指令是构成程序的基本单位。 ● 指令由两个部分组成：

操作码——指出计算机应执行何种操作

操作数地址——指令所处理的数据或数据所在的位置

● 指令在计算机中的执行过程：

取指令：CPU 的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器

指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数

在哪里

执行指令：执行单元从存储器取操作数，完成指令所规定的运算或操作

保存结果：执行单元保存运行结果到寄存器或主存储器，指令计数器自动加1形

成下一条指令的地址

● 指令系统：CPU 可执行的全部指令称为该CPU 的指令系统

⏹ 每一种CPU 都有自己独特的一组指令。

⏹ 同一公司同一系列的CPU 具有向下（前）兼容性：即所有新处理器均保留老处理器

的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。这样，A 计算机（使用新型号CPU ）的程序不能在B 计算机（使用老型号CPU ）上运行，B 计算机的程序却能在A 计算机上运行

⏹ 不同公司的不同CPU 产品其指令系统不同，它们未必互相兼容：A 计算机（使用Intel

公司CPU ）的程序不能在B 计算机（使用IBM 公司的Power PC微处理器）上直接运行，B 计算机的程序也不能在A 计算机上直接运行

● 奔腾4系列的产品发展过程为：8088（8086）→80286 →80386→80486 →Pentium →

Pentium PRO→Pentium II →Pentium III →Pentium 4 →奔腾D →奔腾至尊→酷睿→酷睿2

● 常见的技术术语：

超标量（superscalar ）结构：包含多个ALU ，均可同时工作

流水线结构

SSE/SSE2/SSE3指令：其特点是1条指令可处理128位的数据，因此一条指令中可

包含若干个整数或浮点数，从而大大提高了计算速度，有利于完成3D 图

形、语音识别、图像处理等多媒体应用

超线程(Hyper-Threading, HT)技术：把硬件模拟成两个处理器芯片，从OS 来看

就像有两个CPU 一样，可同时执行2个线程。由于不是2个真正的CPU ，

它们需要共享ALU 、cache 等资源，当两个线程同时需要使用某个资源时，

一个线程必须暂停运行，直到该资源空闲后才能继续执行，因此超线程的

性能达不到2个物理CPU 的性能，当运行单线程应用软件时，超线程技术

甚至会降低系统性能。

双核处理器：1个芯片中有两个功能相同的处理器(内核) ，在操作系统看来，系统

中有2个CPU

CPU 的性能指标

● 计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，它由许多因素决定，例如CPU 、内存、

硬盘、显卡等，但通常CPU 是主要因素。

● CPU 性能高低的主要指标是CPU 的速度，有2种衡量方法：

⏹ 计算每秒钟可执行的指令数目，单位有：百万条定点指令/秒MIPS 、百万条浮点指

令/秒MFLOPS 、万亿条浮点指令/秒TFLOPS

⏹ 使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和3D 游戏等）的运行速度来衡量CPU

的性能

● 影响CPU 性能的主要因素：

⏹ CPU 的字长（位数）：CPU 中整数寄存器和定点运算器的宽度，目前PC 使用的CPU

大多是32位处理器，新一代的PC 机将使用64位处理器

⏹ 主频（CPU 时钟频率）：一般主频越高，执行一条指令所需时间越少，CPU 的处理速

度越快

⏹ CPU 总线（前端总线）的速度：CPU 总线速度决定了CPU 与内存间数据传输速度的

快慢，总线速度越快，CPU 的性能发挥得越充分

⏹ 高速缓存（cache ）的容量与结构：cache 有利于CPU 访问内存的次数，通常cache

容量越大、级数越多，其效用就越显著

⏹ CPU 的指令系统： 指令的类型、数目和功能会影响程序的执行速度

⏹ CPU 的逻辑结构：CPU 包含的定点运算器和浮点运算器数目、是否具有数字信号处

理功能、有无指令预测和数据预测功能、流水线的结构和级数都对指令的速度有影响

2.3 PC机的主机

● PC 机通常由机箱、显示器、键盘、鼠标和打印机组成

● 机箱内有主板、硬盘、软驱、光驱、电源和风扇等

● 主板上安装了CPU 、内存、总线、I/O控制器等部件，是PC 机的核心

主板、芯片组与BIOS

● 主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件

● 主板上通常安装有CPU 插座、芯片组、存储器插槽、扩充卡插槽、BIOS 、CMOS 存储器、

辅助芯片和若干用于连接外部设备的I/O插口

● 芯片组的作用：是PC 机各组成部分相互连接和通信的枢纽

● 芯片组一般由两块超大规模集成电路芯片组成：北桥芯片和南桥芯片。

⏹ 北桥芯片：存储控制中心（MCH ），用于高速连接CPU 、存储器、显卡，并与南桥芯

片相连；

⏹ 南桥芯片：I/O控制中心（ICH ），主要与PCI 总线槽、USB 接口、硬盘接口、音频

解码器、BIOS 和CMOS 存储器等连接，并借助Super I/O芯片提供对键盘、鼠标、串行口和并行口的控制。

● 关于芯片组的一些说明：

⏹ 芯片组与CPU 芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU ，就有什么样的芯片组与

之配套

⏹ 由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，

包括网卡、显卡、声卡等功能

● BIOS （Basic Input/Output System）即“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。BIOS 是PC 机软件中最基础的部分，没有它机器无法启动。

● BIOS 功能：诊断计算机故障 ；启动计算机工作；控制基本的输入输出操作( 键盘、鼠

标、磁盘读写、屏幕显示等)

● BIOS 芯片中包含的程序：

⏹ 加电自检程序程序POST(Power On Self Test)：用于检测计算机硬件故障

⏹ 系统主引导记录的装入程序（Boot ）：将主引导程序装入内存，并由引导程序加载

操作系统，成功后进入操作系统运行状态

⏹ CMOS 设置程序：设置系统参数，包括日期、时间、口令、配置参数等

⏹ 常用外部设备的驱动程序（Driver ）：实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外

部设备输入输出操作的控制

● CMOS 存储器：是一个容量很小的RAM 存储器，存放与计算机硬件相关的一些参数（配

置信息），包括系统的日期、时间、口令，已安装的软盘、硬盘、光盘驱动器的数目、类型及参数、显卡类型、启动机器时访问外存的顺序等，供BIOS 程序使用

● CMOS 芯片是一种易失性存储器，必须使用电池供电，才能使计算机关机后它也不会丢

失所存储的信息

● PC 机的启动工作过程：

⏹ 接通电源时CPU 首先执行BIOS 中的加电自检程序，按CMOS 中的内容来识别硬件的

配置，根据系统的配置信息对各部件进行测试(发现错误则报错，系统将不能继续启动或不能正常工作) 和初始化，初始化包括CPU 、内存、ROM 、主板、CMOS 、显示卡、键盘、软驱和硬盘等设备；

⏹ 若用户按下某一热键（Del 或F1、F2、F8）可启动BIOS 中的CMOS 设置程序，允许

用户对系统的硬件配置信息进行修改；

⏹ 若用户没有按下某一热键，而且加电自检无致命错误，CPU 自动执行主引导记录装

入程序，按照CMOS 中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、硬盘或光盘），将其第一扇区的内容（主引导记录）读出并装入到内存；

⏹ 控制权交给操作系统引导程序，由引导程序继续将操作系统装入内存；

⏹ 操作系统装入成功后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系统所控制 内存储器

● 计算机中的存储器分为内存和外存两大类

● 通常，存取速度较快的存储器成本较高，存取速度较慢的存储器成本较低。为了获得好

的性能/价格比，计算机中各种内存储器和外存储器组成一个层状的塔式结构（P52页），取长补短，协调工作

● 内存储器从应用角度可分为：主存储器（内存条）、cache 存储器和寄存器

● 内存储器由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型：

⏹ 随机存储器RAM ：关机或断电时，其中的信息随之丢失。根据其保存数据的机理可

分为：

动态随机存取存储器（DRAM ）：电路简单，集成度高，功耗小，成本低，一般

用于做主存

静态随机存取存储器（SRAM ）：电路复杂，集成度低，功耗较大，成本高，一

般用于做cache 高速缓冲存储器

⏹ 只读存储器ROM ：能够永久或半永久地保存数据的存储器，即使掉电后，存放在ROM

中的数据也不会丢失。按照ROM 中的内容是否能够在线改写，可分为：

不可在线改写的ROM ：如掩膜ROM 、PROM 和EPROM

Flash ROM：在低电压下，存储的信息可读不可写；在较高电压下，所存储的

信息可以更改和删除，可用于存储BIOS 程序或用在数码相机和优盘中

● 主存储器(RAM)由DRAM 芯片组成，是CPU 可直接访问的存储器，用于存放供CPU 处理的

指令和数据

● 主存1个字节（8个二进位）为一个存储单元，对每个存储单元进行连续编址，CPU 按

地址对存储器进行访问

● 存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：MB 或GB ）

● 存储器存取时间：从CPU 给出存储器地址开始，到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（单位：ns ，1ns=10s ）

● PC 机主存储器由1～4个内存条组成，内存条是把若干片DRAM 芯片焊装在一小条印制

电路板上制成，内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用

● 主存中的常见术语：

SDRAM ：单速率同步DRAM

DDR SDRAM ：简称DDR ，双倍数据速率的同步DRAM ，采用双列直插式内存条（DIMM ） DDR2 SDRAM ：简称DDR2，四倍数据速率的同步DRAM ，采用双列直插式内存条（DIMM ） DDR3 SDRAM：简称DDR3，八倍数据速率的同步DRAM

● Cache ：是一种小容量高速缓冲存储器，由SRAM 组成，速度几乎与CPU 一样快

● 程序运行时，CPU 使用的一部分数据/指令会预先成批拷贝在cache 中，cache 的内容是

主存储器中部分内容的映象；当CPU 需要从内存读(写) 数据或指令时，先检查cache 中有没有，若有，就直接从cache 中读取，而不用访问主存储器

I/O总线与I/O接口

● I/O操作的任务：将输入设备输入的信息送到内存储器的指定区域，或将内存储器指定

区域的内容送出到输出设备

● I/O操作的特点：

⏹ I/O操作速度比CPU 慢很多，因此I/O与CPU 数据处理往往是并行处理；

⏹ 多个I/O设备必须同时进行工作

⏹ 配置的I/O设备数量和品种可经常增减或变换

⏹ 每类I/O设备都有各自的控制器，它们按照CPU 的I/O操作命令，独立地控制I/O-9

操作的全过程

● I/O设备、I/O接口、I/O控制器和I/O总线的关系：

I/O控制器：是控制I/O设备正常运行的一组电子线路，可制成扩充卡插在主板的插

槽中，也可集成在芯片组中

I/O控制器通过I/O总线与CPU 、内存相连

I/O设备通过I/O接口与I/O控制器相连

● I/O总线：各类I/O控制器与CPU 、内存之间传输数据的一组公用信号线及相关控制电

路，这些信号线在物理上与主板扩展槽中插入的I/O控制器扩展卡直接连接。

● I/O总线中包括了三种信号：数据信号、地址信号和控制信号

● I/O总线的带宽：也称总线的数据传输率，是指单位时间内总线上可传输的最大数据量，

是总线的最重要的性能指标。其计算公式：

总线的数据传输速率(MB/s) = 数据线位数/8×总线工作频率（MHz ）×每个总线周期的传输次数 ● 目前PC 机使用的I/O总线：

PCI 总线

PCI-Express(高速PCI 总线) ：采用高速串行传输，以点对点的方式与主机进行通

信。目标是全面取代现行的PCI 和AGP ，实现总线接口的统一。

● I/O接口：I/O设备与I/O控制器之间的连接器

● I/O接口的分类：

按数据传输方式：串行接口（一位一位传输）和并行接口（8、16或32位一起传输） 按数据传输速率：低速口和高速口

按连接设备的数量：总线式（可串接多个设备，被多个设备共享）和独占式（只能连

接一个设备）

按是否符合标准：标准接口和专用接口

● USB 接口：通用串行总线式接口（Universal Serial Bus ）

● USB 特性：

⏹ 高速串行传输，可连接多个设备，一个USB 口用USB 集线器最多可连接127个设备 ⏹ 所有设备共享总线带宽

⏹ 符合即插即用规范（Plug & Play,即PnP ），支持热拔插

⏹ 可通过USB 接口由主机向外设提供电源（＋5V ，100～500 mA）

● USB 传输速率：1.5Mb/s（1.0版）、12Mb/s（1.1版）和60MB/s（2.0版）

● IEEE-1394接口：又称FireWire 接口，主要用于连接需要高速传输大量数据的音频和

视频设备，其数据传输速率可达50MB/s～100MB/s。

2.4 常用输入设备

键盘

● 作用：向计算机输入字母、数字、符号、命令等信息

● 键盘的结构

机械式键盘：早期曾使用

电容式键盘：击键声音小，无磨损和接触不良问题，耐久性、灵敏度和稳定性都

比较好，手感较好，寿命较长

● 与主机的接口：PS/2接口；USB 接口；无线接口（红外线或无线电波）

鼠标器（Mouse ）

● 作用：控制屏幕上的鼠标箭头准确地定位在指定的位置处，然后通过按键（左键或右键）

发出命令，完成各种操作

● 工作过程：用户移动鼠标器时，借助于机械或光学原理，将鼠标在X 方向和Y 方向移动

的距离变换成脉冲信号输入计算机，计算机中的鼠标驱动程序把接收到的脉冲信号转换成水平和垂直方向的位移量，继而控制屏幕上鼠标箭头的移动

● 优点：外型轻巧，操纵自如，使用方便，价格低廉

● 鼠标器的类型：机电式鼠标、光电式鼠标

● 与主机的接口：RS －232 串行口（D 形9针）；PS/2（圆形6针）；USB ；无线鼠标 笔输入设备

● 作用：兼有键盘、鼠标和写字笔的功能，可以替代键盘和鼠标输入文字、命令和作图 ● 类型：电阻式；电容式；电磁感应式

● 与主机的接口类型：串行口；USB

扫描仪

● 作用：将原稿（图片、照片、底片、书稿）输入计算机的一种输入设备

扫描仪输入到计算机中的是原稿的“图象”(bitmap)

● 扫描仪的3种类型：手持式；平板式；胶片专用和滚筒式

● 平板式扫描仪工作原理：被扫描的文稿正面朝下放置在玻璃上，一束强光从下方打到文

稿上并移动，文稿的图像通过一系列透镜反射到达CCD 芯片，并转换为模拟电流；模拟电流信号通过模数转换器(ADC)被转换为数字信号，被送到计算机中, 由软件进行处理之后，以文件形式保存在硬盘中

● 扫描仪的性能指标

⏹ 分辨率（dpi ）：反映了扫描仪扫描图像的清晰程度，用每英寸生成的像素数目（dpi ）

来表示，如：600×1200dpi，1200×2400dpi

⏹ 色彩位数（色彩深度）：反映了扫描仪对图像色彩的辨析能力，位数越多，扫描仪

所能反映的色彩就越丰富，扫描的图象效果也越真实，如：24bit ，32bit ，36bit ，42bit ，48bit

⏹ 扫描幅面：指容许原稿的最大尺寸，如A4幅面,A3幅面，A0幅面

⏹ 与主机的接口类型：SCSI ；USB ；1394接口

数码相机

● 数码相机的作用：获取现实世界中景物的数字图像

● 数码相机原理：光信号聚焦在CCD 或CMOS 成像芯片上转换成电信号，经模数转换(A/D

转换) 变成数字图像，经过必要的图像处理和数据压缩后，存储在相机内部的存储器中。 ● 数码相机使用的成像芯片：

CCD （目前使用居多）

CMOS （像素在200万～300万以下的普及型相机，价格便宜）

● 常用接口：USB 接口；IEEE-1394接口

● 数码相机的主要性能指标：

⏹ CCD 像素数目：决定数字图像能够达到的最高分辨率，例如分辨率最高达

1600×1200时，共有192000个像素(200万像素)

⏹ 存储介质：SM 卡（Smart Media卡）；CF 卡（Compact Flash卡）；

Memory Stick (记忆棒) ；SD(mini SD)卡

⏹ 存储器容量

2.5 常用输出设备

显示器与显示卡

● 计算机显示器的作用：能将数字信号转化为光信号，使文字和图像在屏幕上显示出来，

是计算机必不可少的图文输出设备。

● 计算机显示器组成：

显示器：阴极射线管显示器(CRT)；液晶显示器(LCD)

显示控制器：简称显卡

● 显示器的性能指标

⏹ 显示屏尺寸：以对角线长度度量，如，15 吋，17吋， 19吋，21吋

⏹ 屏幕宽度与高度的比例：普通屏——4∶3；宽屏——16∶10, 或 16∶9

⏹ 显示分辨率：整屏可显示像素的最大数目，一般用水平像素个数×垂直像素个数表

示，如1920×1200,1280×1024 ,1024×768, 800×600, 640×480

⏹ 画面刷新速率：画面每秒钟更新的次数。刷新速率越高，图像稳定性越好

⏹ 可显示的颜色数目

● 显卡组成：显示控制电路、绘图处理器、显示存储器（VRAM ）和接口电路

● 显卡的性能指标

⏹ 绘图处理器（图形引擎）类型

⏹ 显存容量：128MB ～2GB ，大多采用DDR2, GDDR3 或 GDDR4存储器组成

⏹ 主机接口：AGP ；PCI-E

⏹ 显示器接口：

VGA 接口（D-Sub 接口）：模拟接口

DVI 接口：数字接口

HDMI 全高清多媒体接口：以无压缩方式传送1920 x 1200的数字视频信号和

5.1声道音频信号

打印机

● 打印机作用：将程序、数据、字符、图形打印输出在纸上

● 打印机类型：针式打印机；激光打印机；喷墨打印机

● 针式打印机：击打式打印机

优点：耗材成本低，能多层套打，适合于票据打印

缺点：打印质量不高，工作噪声很大，速度慢

应用：银行、证券、邮电、商业等领域 用于打印存折和票据等

● 激光打印机：非击打式打印机

原理：激光技术与复印技术的结合

优点：打印质量高，噪声小

缺点：成本较高

应用——家庭及办公

● 喷墨打印机：属于非击打式打印机，大多为彩色打印

优点——可以打印近似全彩色图像，经济，效果好，低噪音，使用低电压，环保 缺点——墨水成本高，消耗快

应用——家庭及办公

● 主要性能指标(激光/喷墨)

⏹ 打印精度(分辨率) ：用每英寸多少点（像素）表示，单位：dpi ，一般产品为400dpi 、

600dpi 、800dpi ，高的甚至达到1000dpi 以上

⏹ 打印速度：每分钟打印多少页纸，单位PPM ，通常每分钟3～10页

⏹ 色彩表现能力（彩色数目）：打印机可打印的不同颜色的总数

⏹ 幅面大小：A3，A4等

⏹ 与主机的接口：并行口、SCSI 口、USB 接口

⏹ 其他：如打印成本、噪音、功耗等

2.6 外存储器

软盘存储器

● 软盘存储器：是一种采用磁性材料作为存储介质的可读写外部存储器，由软盘、软盘驱

动器和软盘控制器组成

● 磁盘的磁道：磁盘表面被分为许多同心圆，每个同心圆称为一个磁道。每个磁道都有一

个编号，最外面的是0磁道

● 磁盘的扇区：每个磁道被划分为若干段（段又叫扇区），每个扇区的存储容量均为512

字节，每个扇区都有一个编号

● 磁盘的格式化操作：在盘面上划分磁道和扇区，并在扇区中填写扇区号等信息的过程 ● 3.5英寸软盘片存储容量的计算：

存储容量= 2个记录面×80个磁道×18扇区×512字节=1.44MB

2.6.2 硬盘存储器

● 硬盘存储器：是一种采用涂有磁性材料的铝合金或玻璃圆盘作为存储介质的大容量可读

写外部存储器，由磁盘片、硬盘驱动器和硬盘控制器组成。

● 一张硬盘一般由1～5张盘片（单碟）组成，每个单碟一般由几千个磁道，每个磁道又

分成几千个扇区，每个扇区512字节。所有单碟上相同的磁道的组合成为柱面，因此硬盘上的数据用三个参数定位：柱面号、扇区号和磁头号

● 硬盘存储器的性能指标：

⏹ 容量：以GB 为单位，目前硬盘单碟容量约为40～100GB

⏹ 平均存取时间：磁盘上的信息以扇区为单位进行读写，平均存取时间为T

T=寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间

寻道时间——磁头寻找到指定磁道所需时间

旋转等待时间——指定扇区旋转到磁头下方所需要的时间

⏹ 数据传输速率：分为内部传输速率和外部传输速率

外部传输速率：主机从（向）硬盘缓存读出（写入）数据的速度，与采用的接

口类型有关

内部传输速率：硬盘在盘片上读写数据的速度，转速越高内部传输速率越快

⏹ 缓存容量：硬盘上的数据读写速度与机械运动有关，完成一次读写操作速度很慢，

为此硬盘通过将数据暂存在一个比起速度快得多的缓冲区来提高它与主机交换数据的速度，即硬盘的高速缓存。原则上越大越好，通常为2MB ～8MB

⏹ 与主机的接口：并行ATA （IDE ）接口；串行ATA （SATA ）接口

● 目前广泛使用的移动存储器有闪存盘（优盘）和移动硬盘两种

● 优盘：

⏹ 采用Flash 存储器（闪存）芯片，容量256MB ～8GB ，读写速度比软盘快，具有写

保护功能

⏹ 使用USB 接口，即插即用，支持热插拔(必须先停止工作)

⏹ 可以模拟软驱和硬盘启动操作系统

● 移动硬盘

⏹ 存储容量大（30GB ～160GB 、320GB ）

⏹ 采用USB 或IEE1394接口，即插即用，支持热插拔(必须先停止工作)

● 使用硬盘注意事项

⏹ 正在对硬盘读写时不能关掉电源

⏹ 保持使用环境的清洁卫生，注意防尘；控制环境温度，防止高温、潮湿和磁场的影

响

⏹ 防止硬盘受震动，工作时不要移动机器

⏹ 及时对硬盘内容进行整理，包括目录的整理、文件的清理、磁盘碎片整理等 ⏹ 防止计算机病毒对硬盘的破坏，对硬盘定期进行病毒检测

2.6.3 光盘存储器

● 光盘存储器由光盘和光盘驱动器组成

⏹ 光盘：存储数据，用于记录数据的是一条由里向外的螺旋形光道，通过盘上压制

凹坑的方法来记录信息，凹坑的边缘用来表示“1”，而凹坑和非凹坑的平坦

部分表示“0”，信息的读出需要使用激光进行分辨和识别。

⏹ 光盘驱动器：带动盘片旋转，读出（或刻录）光盘上的数据

与主机接口：IDE ；USB ；

主要性能指标：数据的传输速率

● 光盘驱动器按信息读写能力可分为：

⏹ CD 类：CD 只读光驱；CD 刻录机；

CD 光盘驱动器的性能指标之一是数据的传输速率，以第一代CD-ROM 驱动器的

速率（150KB/s）为单位，X 倍速光驱指X ×150KB/s

⏹ DVD 类：DVD 只读光驱；DVD 刻录机；康宝（DVD 只读/CD刻录机组合而成）； ⏹ BD 类：BD 只读光驱；BD 刻录机

● 光盘片按存储容量与读写特性分：

⏹ CD 盘片类：只读盘片（CD-ROM ）；一次性可写盘片（CD-R ）；可擦写盘片（CD-RW ） ⏹ DVD 盘片类：只读盘片（DVD ）；一次性可写盘片（DVD-R, DVD+R）；可擦写盘片（DVD-RW,

DVD+RW，DVD-RAM ）

DVD 道间距比CD 盘小一半，且信息凹坑更加密集，利用聚焦更细的红色激光

进行信息的读取，因此盘片的存储容量大大提高。

⏹ BD 盘片类（blue-ray Disk蓝光盘片）：只读盘片（BD ）；一次性可写盘片（BD-R ）；

可擦写盘片（BD-RE ）

● DVD 刻录机的规格国际上没有统一，它有三类共五种：DVD-RAM ；DVD-R,DVD-RW ；DVD+R，

DVD+RW。

● 各种DVD 光盘的容量（P78表2-5）