第二章 计算机系统的组成
计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件一般是指看的见、摸的着的用电子线路、元器件和机电装置组成的计算机实体。软件是指看不到、摸不着的为计算机运行工作服务的全部技术和各种程序。本章从硬件、软件两大系统入手描述计算机系统的组成。
2.1计算机基本模型
2.1.1 冯?诺依曼计算机模型
被西方称为 “计算机之父”的美籍匈牙利数学家冯?诺依曼教授为了改进ENIAC，与宾夕法尼亚大学莫尔小组合作，提出了一个全新的存储程序通用电子计算机方案——ENV AC方案，该方案采用“二进制”代码表示数据和指令，任何操作都是以“二进制”数的形式进行处理，并提出了存储程序概念。所以，人们把现代存储程序计算机称为“冯?诺依曼”体系计算机。
冯?诺依曼计算机方案明确规定了新机器有五个构成部分：输入设备、输出设备、存储器、控制器、运算器，它们之间的关系如图2-1所示。
在冯?诺依曼计算机模型中，各组成部分的功能如下：
1. 输入设备
输入设备的第一个功能是用来将现实世界中的数据（数字、文字、图形、声音等）输入到计算机，并且转换成为计算机熟悉的二进制码。它的第二个功能是由用户对计算机进行操作控制。常见的输入设备有：键盘、鼠标、数码相机等设备。还有一些设备既可以作为输入设备，也可以作为输出设备，如：软盘、硬盘、网卡等。
2. 输出设备
输出设备的功能是将计算机处理的结果（二进制码）转换成为用户熟悉的形式（数字、文
字、图形、声音）。常见的输出设备有：显示器、打印机、硬盘、音箱等。
3. 存储器
在冯?诺依曼计算机模型中，存储器是指内存单元，主要用来存放程序与数据。
4. 控制器
控制器的功能是用来控制程序和数据的输入/输出，以及各个部件之间的协调运行。
5. 运算器
运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算，并保存中间运算结果。
2.1.2 冯?诺依曼计算机工作原理
冯?诺依曼计算机工作原理就是存储程序工作原理，综述为：计算机利用“存储器”（内存）来存放所要执行的程序，而称之为CPU的部件可以依次从存储器中取出程序中的每一条指令并加以分析和执行，直至完成全部指令任务为止。而且还能够根据指令执行的结果进行程序的灵活转移，使计算机具有类似于人脑的判断思维能力。
对计算机来说，所有复杂的事务处理都可以简化成为两种最基本的操作：二进制数据传输和二进制数据操作。计算机能够执行的每一个操作称为一条指令，指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示机器执行什么操作，如：加法、乘法、传送等操作。地址码用来表示参与操作的数据在存储器中的存放位置，指令的数量和类型由CPU决定。因此，从事务处理这个角度我们可以将冯?诺依曼计算机看成是一台指令执行机器。那么指令在计算机中是怎样执行的呢？为了了解指令在计算机中的执行情况，我们将冯?诺依曼”计算机模型简化成为CPU与系统内存二者的关系，以图形进行说明，如图2-2所示：
图2-2冯?诺依曼计算机模型中的程序执行
CPU包括冯?诺依曼计算机模型中的控制器和运算器。在图2-2中，系统内存用于存放程序和数据。为完成一项特定的任务，由一系列指令组成的序列我们称之为程序，这些指令有序地存放在系统内存中，指令号表明了它的执行顺序，什么时候执行哪一条指令，由CPU中的控制单元决定，控制器控制计算机指令和数据的传输工作。如：什么时候发送指令信号，什么时候传输数据，打个比方说：控制器就像人体内连接大脑和肌肉的神经，向肌肉传递大脑的命
令，做出相符合指令的动作。数据表示用户需要处理的信息，它包括用户的具体数据（如数字、文字）和这个数据在内存系统中的地址。指令寄存器是用来存放当前所处理指令的内存单元地址，运算单元主要对指令和数据进行算术和逻辑运算。
指令执行流程由“取指令”、“指令译码“、“指令执行”和“结果写回内存“四种基本操作构成，这个过程不断重复进行。现将四种基本操作解释如下：
1．取指令
当CPU开始工作时，便按照指令寄存器内的内存单元地址，通过地址总线，查找到指令在内存单元中的位置，然后利用数据总线将指令送到CPU内部的指令高速缓存中。
2．指令译码
指令译码实际上就是将二进制代码翻译成特定的CPU电路微操作，然后由控制器传送给逻辑算术单元。
3．指令执行
控制器根据不同的操作对象，将指令送入不同的处理单元，如果是整数运算，则送入逻辑算术单元（ALU）处理；如果是浮点数据，则送入浮点处理单元（FPU）处理；如果在运算过程中需要相应的用户数据，则CPU从系统内存数据区读取相应数据，运算完成后输出运算结果。
4．结果写回
将CPU处理的结果写回内存单元。
以上过程不断重复执行，最终产生用户在显示器上看到的结果。
从计算机工作特点的角度描述计算机，计算机是一台能够存储程序和数据并能自动执行程序的机器，是一种能够对各种数字化信息进行处理的工具；从构成计算机的元件（晶体管）描述计算机，可将计算机看成由一堆开关以不同方式构成的机器。计算机之所以能够模拟人脑自动完成某项工作，就在于它能够将程序与数据装入自己的“大脑”，并开始它的“脑力劳动”，既执行程序数据处理的过程。
2.1.3 了解计算机指令系统
指令是对计算机进行程序控制的最小单位，让计算机执行某种操作的意图由指令体现出来，计算机能够直接识别和执行的指令称为机器指令。如果将计算机看成由一堆电器开关构成，指令就可以理解为：是这些开关按不同意图的排列组合，指令也就是让计算机执行操作的命令。一台计算机可以有许多指令，这些指令指挥计算机执行不同的操作，所有的指令集合称为计算机的指令系统。
从计算机系统结构的角度看，指令系统是软件和硬件的界面。指令系统集中体现计算机的基本功能，指令系统的指挥对象是硬件，当一台计算机的指令系统确定以后硬件设计师将根据指令系统的约束条件构造硬件结构，由硬件实现指令系统的功能，达到最初设计计算机的目的。而软件设计师在指令系统的基础上建立程序系统，扩充和发挥机器的功能。将计算机比做一架钢琴，钢琴曲的创作就如同软件设计，它使得钢琴的功能得以尽情发挥。
对于不同种类的计算机而言，指令系统的指令数目与种类有很大的差异，指令系统决定了计算机的能力，也就是计算机能做些什么；也影响着计算机的体系结构（因为结构是由设计
者的意图决定），一台计算机的指令种类总是有限的，但经软件设计师的精心设计，可以编制出各种各样、功能各异的程序，以扩充机器的功能，计算机解决问题的能力固然取决于其自身的性能，但更取决于编程人员的聪明才能，他会使机器的性能发挥的淋漓尽致。
人们为了扩大计算机的使用范围，不断增加指令系统中的指令，考虑到与老机器的兼容，使得计算机指令系统越来越复杂，后来称其为“复杂指令系统”简称CISC。
日趋庞大的指令系统加长了新的机器的研制时间，增大了机器调试和维护的难度，从而降低了系统性能，1975年IBM的Jhon Cocke提出了精简指令集系统（简称RISC）的想法。
RISC计算机的特点是通过简化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高运算速度，并最终实现优化计算机性能的愿望。
2.1.4 计算机的主要工作方式
虽然计算机技术发展很快，但“存储程序原理”至今仍然是计算机内在的基本工作原理，自计算机诞生的那一天起，这一原理就决定了人们使用计算机的主要方式——编写程序和运行程序，科学家们一直致力于提高程序设计的自动化水平，改进用户的操作界面，提供各种开发工具，环境与平台，其目的都是为了让人们更加方便的使用计算机，可以少编程甚至不编程来使用计算机。
2.2基于Pentium系列的微型计算机
目前大多数计算机都是基于冯?诺依曼计算机而开发的，微型计算机（Micro Computer,简称微机）也是基于冯?诺依曼构造原理设计而成,其硬件部分由CPU、内存、外存和各种输入输出设备组成，一些常用的多媒体设备已经成为PC机的基本配置。微机包括的范围非常广泛，有个人计算机、苹果微机（MAC）、手携式微机等。本书中的微机特指个人微型计算机（Personal Computer,简称PC）。
2.2.1 微型计算机内部旅行
计算机是人类有史以来最现代化，最伟大的工具，它不同于其它工具在于它显的神秘莫测，本节的目的在于揭开它的神秘面纱,打开PC机的主机箱在它的内部进行一次短暂的旅行，请沿着图2-3(a)、(b)所示的路标1、2、3…，开始我们的PC内部旅行，【注意】，图中描述的部件和部件的位置与绝大多数的PC大同小异。
1. 电源
这个金属匣子是主供电源，微机内部的其它部件，都从这个主供电源得到所需要的电能。
2. 机箱
机箱的主要作用保护微机内部的组件免受灰尘和外来物的伤害，为PC机避风挡雨。
3. 移动式磁盘驱动器（如ZIP和Jaz驱动器）
主要用来备份当前的数据。
4. CD-ROM/DVD驱动器
CD-ROM驱动器用激光束读取分布在光碟表面螺旋线上可刻录的用凹坑和平地表示的数
据，常见的CD-ROM是只读的，也就是说你的PC只能从那里读取数据，但不能写入新的数据或修改已有数据。在某些PC中，DVD（digital versatile disk）驱动器取代了CD-ROM驱动器，DVD光碟上的数据存放更加紧凑，存储量更大，如果用纸张记录一张DVD光碟上的数据，那么消耗的纸张是可以装满十几辆小型载货卡车。
5. 磁带驱动器：通常用来备份文件
6. 硬盘驱动器
硬盘驱动器是保存工作中所用到的程序和文件的主要存储场所，它使用硬质的磁记录薄片（磁盘）保存数据。硬盘上还存放有计算机正常工作时必须的系统文件。可以说硬盘驱动器是计算机系统中最繁忙的机械部件之一。在计算机工作的大部分时间中，硬盘驱动器的各部件都以令人目眩的速度运行着。
7. 软盘驱动器
软盘驱动器可以插入3.5英寸软盘。通常，一张3.5英寸软盘可以存放1.44MB的数据，相当于以双倍行间距打印在500页打印纸上的一篇短篇小说的容量，软盘通常用于把一台计算机上的文件转移到另一台计算机上，还可以用来备份硬盘上文件。
8. IDE控制器
通常在主板上内嵌有两个IDE 槽，连接带状电缆，发送信号以控制软盘驱动器，硬盘驱动器或CD-ROM驱动器。
9. AGP扩展槽
是一个图形加速端口，3D图形卡通过此终端口连接到PC 上。
10. PCI扩展槽
主要用来固定和连接即插即用的扩展卡。
11. 视频卡
用于把图像信息转换成连续变化的电信号，以便显示在显示器上。
12. 声卡
用来录制和再现多媒体中的声音。
13. RAM
RAM（Random Access Memory,随机访问存储器）计算机运行是的程序和数据就存放在这里，当电源关闭时，RAM中的数据将会丢失。
14. 实时时钟
实时时钟中有一个晶体震荡器，它产生的基准时钟信号用来设置和同步计算机中其他部件的工作节拍。如果没有统一的节拍，CPU内部与外部各个设备之间就不能确认发送出去的信号对方是否能收到，按照统一的节拍计算机整个系统才能协调一致的正常运行。时钟频率发生器（CLK）：为了保证每个操作准时发生，CPU需要一个时钟信号，用CLK标记，时钟信号控制着CPU所执行的每一个动作。
15. COMS芯片
COMS是一块特殊的存储芯片，用来存放硬件配置及设置信息，它由主板上的一块电池供电，在关闭计算机电源后仍能保持PC上的硬件设置。
16. ROM BIOS芯片
如果说微处理器是PC
呢？BIOS的英文全称为Basic
Input/Output System，意思是基本输入输出系统。BIOS实际上是一段简短的程序（中断控制指
令系统）,控制计算机系统全部硬件的运行，又为高层软件提供基层调用， BIO S程序存放在主板上的一个芯片——只读存储器ROM中，这块芯片由于存放了BIOS芯片程序而通常被称为BIOS芯片，又称ROM BIOS ，从芯片上的BIOS标志来识别它。
BIOS在计算机中起什么作用呢？① 开机后，BIOS将进行系统硬件自检，此时可以看到，进入Windows操作系统前屏幕上将出现一系列检测，配置内存、硬盘、光驱、声卡等。② 完成自检后位于BIOS芯片的引导程序查找含有操作系统的磁盘，并完成操作系统导入RAM的任务，③ BIOS直接与计算机的输入输出设备打交道，通过特定的数据端口发出命令，传送或接受外部设备的数据。软件程序通过BIOS完成对硬件的操作，可以说，BIOS是计算机系统启动和正常运转的基石，是软、硬件之间沟通的媒介，并负责解决硬件的即时需求，按软件对硬件的操作要求执行命令。因此，它在计算机中处于非常基础而又重要的地位。
17. CMOS电池
给CMOS芯片供电。
18. 微处理器
CPU被称为计算机的大脑，它是由许多晶体管经过复杂的组合，紧密地排列汇集而成，这些晶体管协同工作，一起完成对数据的处理，计算机中大部分操作由微处理器完成。 19. 散热片
散热片的作用是帮助微处理器散热，以防微处理器因自身温度过高而烧坏。
20. 风扇
风扇的作用是吸入外部冷空气，冷却机箱内部的部件，防止它们因中暑而罢工。
21. USB端口
USB（Universal serial Bus,通用串行总线）,USB允许多个设备串联到PC上。
22. 鼠标端口
也称为PS2端口，连接鼠标到PC 。
23. 键盘端口
连接键盘到PC。
24. 并行口
通常用来连接打印机。
25. 串行口
通常用来连接外置式调制解调器。
26. 卡声外部接口
用来连接麦克风、音箱等。
27. 内置式调制解调器接口
用来连接PC电话线，让我们可以通过电话线访问Internet.
短暂的旅行让我们浏览了PC内部部件的概貌。旅行结束了，感觉如何？
2.2.2 微机主要部件简介与技术指标。
1. 了解晶体管（如图2-4）
晶体管的作用是传导、放大和开关电流。计算机用晶体管生成二进制信息，如果有电流流过就表示“1”，而没有电流流过就表示“0”，在计算机里将“1”和“0”两个状态称为“位”（bit），只要计算机拥有足够的晶体管，那么晶体管的两个状态“1”和“0”的不同组合，就能够生成任何数字。
图2-4 晶体管
晶体管是制造所有微芯片的基础元件，所有的微芯片，无论是微处理器、存储器芯片还是专用集成电路，都是大量的晶体管以不同的方式排列组合而成，不同的排列方式使得它们可以完成不同的任务。如：处理器完成数据的运算和控制任务，存储器芯片完成数据的存储任务。
2. 认识主板（如图2-5）
主板是微机中最关键的部件之一，微机系统中的CPU、存储器、主板芯片组和显卡等所有部件都通过主板结合在一起。
主板的性质和质量的好坏将直接影响整个系统，这好有一比：将CPU比做心脏，那么主板就是血管和神经。
主板其实是一块印刷电路板，其上的各种插槽将各部件连接在一起，目前流行的主板插槽一般有6个PCI（Peripheral component Interconnect 局部总线标准），1个AGP（Accelerated
Graphics Port 图形加速接口），2个或3个DDR DIMM 内存插槽，现在各种品牌的主板都是基于Intel公司P4 CPU/478架构和AMD公司Atho n4 CPU/462架构的，生产主板的厂家有：联想、华硕、微星、奔驰、大众、佰钰、梅捷等。
我们要以技术发展的眼光认识主板，有些技术已被淘汰，有些技术被改良，新技术不断涌现，我们的认识要随着技术的而发展。
3. 说说总线
计算机是传输和处理信息的工具，总线就是计算机内的信息高速公路系统，总线在微处理器和其它组件之间传递数据，按总线传递信息的类型分类，总线分为：
?地址总线
地址总线是传递地址信息的总线。
?数据总线
数据总线是传递数据信息的总线。
?控制总线
控制总线是传送控制信息的总线。
那么总线在哪儿？总线在主板的底部，总线还包括各种微芯片和插槽。从1981年IBM PC 引入总线这一基本概念之后，由于它们表现的优越性和通用性，多年来几乎没有任何改变，但是目前有几种PC总线类型，它们都对在各组件间更快速地传递数据做出了改善，它们分别是：?ISA总线
ISA（Industrial Standard Architecture Bus）总线为早期主板使用的总线，如用于
XT/AT/386/486/586/686上。
?EISA总线
因设计复杂和昂贵没有流行起来。
?MAC总线
微通道总线（Micro-Channel Bus），为IBM PS/2 I/O插槽使用，为32位，但与ISA总线不兼容。此种总线市面较少。
?Local总线
局部总线，由视频电子标准协会（Video Electronics Association）制定，普遍用于486的主板及外围设备接口。目前局部总线的主板已被淘汰。
?PCI总线
外围设备互连总线。
?USB总线
USB总线是通用串行总线（Universal Serial BUS），USB总线规格的制定是由Intel、Microsoft等领导世界电脑硬件和软件的大公司所主导，主要解决各种外围设备接口不统一的问题，可接127个外围设备。
?AGP总线
AGP（Accelerated Graphics Port）图形加速接口实际上是一种扩展槽，在PCI插槽设计的技术上进行了改进，是专门为专用类型的视频卡设计的，用于和显示器的连接，目前主板上几乎都有支持AGP接口的插槽。
4. 输入设备简介
输入设备是解决数据输入计算机内问题的设备，常用的输入设备有以下几种：
图2-6（a）早期的键盘
图2-6（b）现在的键盘
（1）键盘 （如图2-6（a）、(b)）
键盘功能：键盘可以用来输入一段文字或一篇文章，也可以用来输入控制命令，如：同时按下【Ctrl】+【Shift】, 在Windows操作系统中用来切换输入法。老式PC键盘有84键，后来扩增到101键。
（2）鼠标 （如图2-7（a）、（b））
早在1964年，美国科学家道格拉斯恩格尔巴特在加利福尼亚制作了第一只鼠标器，如图 2-7（b），他的初衷是为了让电脑输入操作变的更容易、简单，现在的鼠标是窗口操作环境中很重要的输入设备，它虽然不能像键盘一样可以直接“键”入中、英文字，但是它可以通过快速的移动而达到在屏幕上定位的目的，定位后可以通过点选按钮执行屏幕上的功能。
图2-7(a) 第一只鼠标 图2-7(b) 鼠标
（3）扫描仪 （如图 2-8）
扫描仪是计算机的眼睛，它使计算机可以将图形或照片转换
为计算机可以识别的数字数据，以供计算机存储、处理及输出，
例如：将图片或照片扫描存档，然后利用Powerpoint演示文稿软
件编排，制作出图文并茂的演示文稿，还可以将个人照片用扫描
仪存档，制成电子相册。
怎样辨别扫描仪的优劣呢？可以通过扫描仪的两个技术指标
来辨别。
① 分辨率
分辨率通常以（dots per inch）为单位，也就是扫描仪 在一英寸
玻璃平台长度取样的点数，如：500dpi表示在原图或照片上的每一英寸上
扫描得500个点，分辨率是衡量扫描仪质量优劣的一个指标，
分辨率越高扫描仪的图像越细腻。
② 分色能力
指扫描仪分辨颜色的细腻程度，以位（bit）为单位，数值越大，扫描仪的图像色泽越接近原图或照片。
（4）数码相机 （如图2-9）
数码相机是一种利用感光元件，通过镜头将聚焦的光线转换成
数字图像信号的照相机。这一种照相机所照出来的数字图像信号
不是存储在传统的底片上，而是存储在内存中。这些存储在内存中的数字图像信号，可以很轻
易的读入电脑中，然后通过图像处理软件做各种编辑或特殊效果的处理。
此外，附有液晶显示屏的数码相机还可以“即拍即看”，拍得不满意立即删除重拍。通过
家中的彩色打印机或数码相机专用的相片输出机，都可以打印出照片。拥有数码相机已经可以
达到广告词上所说的“非常快照”，而且可以在家取件，而不用到相片冲洗店冲洗底片。
（5）向计算机输入信息的新方法还有：
① 语音识别：
口语是最自然最有效的交际方式，让说话替代键盘输入汉字是计
算机使用者的愿望。这个愿望正在变成现实。其技术基础是语音识别和理解，语音识别是将人
发出的声音、字或短语转换成文字、符号，或给出响应，如执行控制、作出回答。语音识别的
研究已有几十年的历史，据预测，带有语音识别功能的计算机将很快成为大众化产品，语音识
别将可能取代键盘、鼠标成为计算机的主要输入输出手段，使用户界面产生一次飞跃，所以语
音识别所具有的商业前景是不可估量的。
② 指纹识别
指专用的扫描仪通过照亮指尖的方法创建指纹的数字图像技术。
③ 全球定位系统：（global positioning system,GPS）
这也是10年以前被认为是科学幻想的另一项技术，GPS由一条列在地球上空的固定轨道
上运行的卫星组成，它们发送信号，因此计算机就可以根据这些信号确定自己的位置，在扩展
功能的情况下也可以确定他人的位置，一般用于导航。
5. 存储器
内
存
存
储
器
外存：硬盘、光盘、磁盘、闪盘（
自第一台能够存储程序的计算机EDV AC被发明以来，存储设备不断地发展，至今存储器、存储单元、内存、内存单元、主存这些名词经常出现在计算机类的书里，有时经常混用，严格地说它们的工作原理不同，性能也不同，它们分类如图2-10所示。
（1）内存简介
在计算机运行中，要执行的程序和数据都存放在内存中。内存主要有两种，一种叫随机存储器（Random Access Memory,简称RAM）， 另一种叫做只读存储器（Read Only Memory,简称ROM）。RAM是一种可以存放数据，也可以从中读取数据的内存，平时所输入计算机的程序、数据等都存在了RAM中，一旦关闭主机电源，存入RAM中的程序、数据就会立刻消失，所以RAM只是一个在计算机运行时暂时存放数据的存储器，所谓“随机”是指CPU可以跳过RAM中任何其它数据，而直接读取所需数据，这是因为微机对内存的管理是通过给各内存
单元规定不同的地址编号来实现的。RAM又分为动态（Dynamic）RAM和静态（Static）RAM，动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容做存储元件，由于电容会放电，所以需要定时充电维护存储内容，例如每隔2ms刷新一次，因此称之为动态存储器。静态随机存储器SRAM 用双极型电路或MOS电路的触发器做存储元件，它没有电容放电造成的刷新问题，只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。DRAM的特点是集成密度高，主要用做大容量存储器；SRAM的特点是存储速度快，主要用做高速缓冲存储器。
ROM是只能读而不能写入数据的内存，ROM中的数据不会因主机断电而消失，所以用来存放永久性的程序或数据，如：PC中的BIOS（基本输入输出系统）存放在ROM中，ROM 里的数据是制造PC时生产厂家在生产过程中按照预定的要求事先固定下来，但ROM不可写入的特征使得电脑的应用受到限制，因此后来有陆续研发出可以修改数据内容的ROM，如可以写入一次PROM（Programable+Read-Only Memory）以及可以通过紫外线照射删除的数据并重新写入新数据的EPROM（Erasable Programable Read-Only）等。
① 描述内存的常用单位
内存中存放的程序和数据，从形式上看，均为二进制数，一般将每一位二进制数叫做一个二进制“位”（bit），8个二进制“位”记作一个字节（byte），既1 byte=8 bit，每一个内存单元中存放一个字节的信息。内存容量就是指内存所能包含的内存单元的数量，通常以字节为单位，内存容量的大小关系着存储数据的多少。常用的单位有：1KB =1024 byte，1MB =1024KB，1GB =1024MB。一组二进制数作为一个整体来参加运算或处理，这组数码叫做计算机的一个字（Word）。一个字中包含二进制“位”数的多少，称为字长。例如：16为微机字长为16位，32位微机字长为32位。字长是标志计算机精度的一项技术指标。【注意】这些常用单位不仅用来描述内存的存储容量，而且也是描述存储器存储容量的常用单位。
② PC机对内存单元的管理
PC机对内存单元的管理是通过给内存单元规定不同的地址来实现的。这样，CPU便能识别不同的内存单元，正确地对其进行操作（读、写操作）。显然，内存单元的地址和内存单元的内容是两个不同的概念。
③CPU对内存的操作
CPU对内存的操作有两种：读或写，读操作是CPU将内存单元的内容读入CPU内部，以便处理，而写操作是CPU将其已处理完的数据传送回到内存单元。读操作是非破坏性操作，既该内存单元的数据被读取之后仍然保持原数据；而写操作的结果改变了被写入内存单元的内容，旧内容被更新为新内容。
④ 怎样将数据写入RAM,又是怎样从RAM读取数据呢？
为了理解这个问题，我们用八个开关构造了存储容量为两个字节的RAM芯片模型，每个开关是由一个晶体管和一个电容组成的，这些晶体管关闭和打开的组合表示了二进制数字。可以利用此模型理解RAM的功能。【注意】RAM的类型不同，其构造方法和构造所采用的电路及元件也有所不同，但其基本功能相同。
数据写入RAM的过程（如图2-11（a））
图2-11（a）RAM模型
? 应用软件与操作系统配合，选择地址线传递电流（本图中带箭头的线），地址线用来标记一个可以存储数据的内存单元的位置。
? 电脉冲关闭连接在数据线上的晶体管，晶体管就是一个微米级的电子开关，此时状态为关。
?应用软件沿着选定的数据线发送电信号，目的是将数据写入内存单元，数据线上的电信号流过已被导通的晶体管并给一个电容充电，电容充电了表示“1”，没有充电表示“0”。这个过程被称之为数据写入（或存储数据）。在图例中，地址线上的八个电容，第一个没有充电表示“0”，第二个已充电表示“1”，接下来的五个电容没有充电表示“00000”，第八个电容充电了表示“1”。既01000001表示了十进制数“65”。完成了数据“65”的存储过程（存储单元为一个字节）。
RAM读取数据的过程（如图2-11(b)）
? 当应用软件想要读取存储在RAM中的数据时，另一个电脉冲被沿着地址线发送，再一次打开连在地址线上的晶体管，找到要读取数据的位置。
? 在地址线上，只要是有充电电容的地方，电容就会通过由闭合的晶体管构成的电路放电，形成的电脉冲信号沿着数据线发送给应用软件。
? 应用软件从数据线上识别到达的脉冲，并将有脉冲信号的解释为“1”，没有脉冲的数据线解释为“0”，八根数据线上的“0”和“1”组合形成一个字节的数据。
数据线1
数据线2
地址线图2-11(b)RAM摸型
至今内存的品牌有多种，如：EDO DRAM；DDR RAM；RD RAM等，并向着高容量、高速度的方向发展。
（2） 外存简介
早期计算机工程师一直面对一个问题：当计算机使用的程序、数据暂时不需要时，该将它们放到哪里呢？多年来，每出现一种更大更快的大容量存储方法，这个问题的案就改变一次。外存储器就是用来长久存放大量信息的存储器，外存储器不能像内存那样直接与CPU或I/O （输入输出设备）交换信息，它只能和内存进行信息交换，通过内存再与CPU或I/O设备交换信息。目前常见的外存储器有：软盘、磁盘、光盘、磁光盘等，分别介绍如下：
①软盘（如图2-12）
软盘是PC上使用非常广泛的外存储器，它是在聚酯塑料上涂布磁性材料的薄片，外装一个永久性的保护套，最常见的软盘有两种：早期以5.25英寸，容量1.2MB的较多，但至今已不多见，后期以3.5英寸的软盘较为普通，容量1.44MB，读写软盘数据的设备我们称之为软驱。
挡板 轴
盘片
只读窗
图2-12 3.5英寸软盘
② 硬盘与硬盘驱动器
硬盘是用来永久存储数据的重要工具，最早出现于1957年，它是在金属片（如铝合金）、陶瓷基片或玻璃基片上，涂布磁性材料制成。与软盘相比，软盘的存储容量小，读写速度慢，对大量数据的存储显得力不从心，而硬盘具有解决以上问题的全部优点，硬盘的存储容量和数据存储速度也是一点一点逐步进化的，从早期的10MB ～20MB 到近年的几十GB 的硬盘陆续推上市，相信随着科技的发展，“海量”的硬盘会相继问世，读写硬盘数据的设备我们称之为硬盘驱动器。硬盘基本构造示意图为图2-13(a)所示。
轴心
读写磁头 控制器
(a) (b)
图2-13 硬盘
硬盘的基本构造中最重要的是存放数据的磁盘和负责存取数据的磁头两部分。硬盘内部有一片至数片磁盘由一根转轴在圆心处串起来（见图2-13(b)）。磁盘上的每个圆心称为磁道，每个磁道可分成数等份，每一等份称为一个扇区，扇区是数据存取的基本单位。如图2-16。若干共轴盘片上同一磁道构成的逻辑圆柱成为柱面。
磁盘是怎样存储数据的呢？又是怎样读出数据的呢？
为了理解这一问题，我们以如图2-14 所示的模型加以理解。
? 任何数据被写到磁盘上之
前，磁盘表面的铁屑处于一种随机杂
乱的排列状态，这里的磁胶片与录音
带或者录象带的表面类似，为了将这
些铁屑组织成数据，电脉冲流过线
圈，读写磁头（图中的电磁铁芯）悬
浮在磁盘表面上，电流将铁芯变成电
磁铁，电磁铁磁化盘面上的铁屑，铁
屑的正负极与铁心的磁极相反。
? 磁头在旋转的磁盘上创建了
一块对齐的磁屑之后，就去创建它旁
边紧挨着的一块磁屑，合起来，这两
块磁屑表示计算机可以处理的最小数
据单元一“位”，如果该位表示二进制
的“1”，在创建完第一块之后，线圈
中的电流反相，铁心的磁极互换，使
得第二块磁屑被磁化的方向与第一块
相反，用该位表示二进制的“0”。
? 当第二位被存储时，第一
磁块的极性总是与它前面的一块的极
性相反，以此表示新的“一个位”的
开始，最慢的驱动器也只需要几分之
一秒来创建一个磁块。图2-14中存储
的数据表示二进制数1011，也就是十
进制的11。
? 在读取数据时，读写磁头经
过磁盘表面，线圈中没有电路经过，
磁盘表面上有极性的铁屑本身就是磁
铁，由磁屑创建的磁场会被读写磁头
经过，磁头与磁场的相对移动产生了
电流，电流的方向取决与磁块上极性
的方向，通过检测电流方向的变化，
计算机就能够区别出读写磁头是经过
“1”还是经过“0”，实现了数据的读
取。
硬盘是计算机最重要的部件之一，种类有很多，如：SCAI硬盘、活动硬盘和笔记本硬盘等。
③ 磁光盘及驱动器(Magneto-optical disk drive,简称MO)
磁光盘及驱动器是结合电磁学及光学技术研发出来的存储设备。传统的软盘、硬盘是利用磁化的方向（磁性）来代表数字数据“0”与“1”,而MO磁盘上的磁性物质在室温下很难改变磁性，它必须用激光照射在要存放数据的位置上，使其瞬间加热到一定温度，才能改变磁性以存放数据，MO具有在室温下很难改变磁性的特性，所以MO成为长久保存数据的重要设备。例如：出版社及印刷厂都用MO存放稿件。
④光盘及光驱
光盘比磁盘存放更多的数据，原因是光盘使用与磁盘不同的方案来标出存放数据的区域，磁盘与光盘数据存放方案对比如图2-15 。
图2-15 磁盘与光盘数据存放方案对比
磁盘以同心圆划分出磁道，磁道沿半径方向分配若干扇区，数据被存放在扇区中， 每个扇区中存放的数据相同，但外磁道扇区的物理区域显然大于内磁道扇区的物理区域，这种分配方案就浪费大量的存储空间，而光盘采用按螺旋线从中心向边缘划分磁道的方案，并且这条磁道仍然分成扇区，扇区中布满了细小的光学坑洞，用有无坑洞来表示数字数据的“0”与“1”，但是每个扇区是同样的物理尺寸，其结果是光盘可以比磁盘拥有更多的扇区，因而光盘可以存储比磁盘更多的数据。
光驱（CD-ROM）可以读取光盘中各式各样的数据，例如：电影、音乐、百科全书及电脑游戏等，它使得电脑的应用变的多姿多彩，因此光驱已经成为电脑不可缺少的设备了。
⑤ 数字化视频驱动器
数字化视频驱动器（DVD-ROM）可以读取一般光盘及DVD光盘（Digital Video Disk,简称DVD）中的数据。数字化视频驱动器的外观和光盘驱动器相同，DVD光盘外观也与一般光盘相同。DVD光盘使用高密度的存储技术，记忆容量为一般光盘的26倍以上。目前主要使用在视听娱乐的用途上，故又称为第二代视频光盘。
无论今天数据存储设备容量有多大，但总还是不能满足人们对日益增长的存储容量的要求，不知不觉中，文件吞噬了所有存储空间，又一次让用户觉得空间不足了，因而新的存储设备被研发，如：光磁驱动器正在研发中，技术随着人们的需求不断研发与更新，这似乎成了一条计算机的标准法则。
6. 了解中央处理器（CPU）（如图2-16）
插口
处理器
二级缓存
图2-16 Pentium 芯片
计算机厂商将运算器、控制器及一些计算机在运行时所必须用到的元件 如：寄存器（Register ）高速缓冲（Cache ）等，整合设计到一个芯片上，称为中央处理器（Central Processing
Unit ，简称CPU ）
，PC 机的CPU 称为微处理器，它是PC 机的最终大脑和老板，所有其它元件（如：RAM 、磁盘驱动器、显示器）的存在，不过是架在用户和处理器之间的桥梁，它们将用户要处理的数据提交给处理器处理，然后再显示出来。
PC 机中最早的处理器是Intel 公司的8088，接下来的几代Intel 处理器都是80X86家族的——8086、80286、80386、80486 这些都是8088的精心改进版本，它们通过两种方法提高性能，即更快的操作速度和更多的并发数据处理量，例如：8088主频4.7MHZ ，也就是系统时钟信号每秒振动470万次，而一些80486芯片达到133 MHZ 。8088可以一次处理8位的数据，而80486内部可以一次处理32位的数据。
Intel 并不是唯一制造PC 处理器的公司，还有AMD 和Cyix 也出售仿Intel 处理器的低价芯片，当前处理器的标准是Intel 的奔腾（Pentium ）芯片，通过在微处理器中内置高速缓存，奔腾只需要很小的数据等待时间，这种内置高速缓存内容纳了100多万个晶体管，晶体管开关被用于操纵二进制数字，奔腾的所有操作都是通过发送信号按不同的组合方式来打开或关闭那些开关来实现的
（1）CPU 的物理组成
在CPU 内部集成了成千上万个晶体管电路，这些电路组合成不同的部件单元。在CPU 核心中，这些单元的分布如图2-17所示。
奔腾处理器总线接口部件从计算机的内存（RAM ）中获取数据和指令码，然后沿两条总线发送数据，每一条总线一次可运载64位（bit ）的数据，其中一条总线连接到存放数据的8KB 高速缓存，另一条连接到存放指令码（用于告诉处理器如何操作数据）的8KB 高速缓存，数据和指令码在两个高速缓存中保存到处理器的其它部件需要它们的时候为止。各部件功能如下：
① 高速缓存（Cache ）
图2-17Pentium cpu物理组成
为了提高CPU的处理速度，设计人员注意到，从系统内存读取指令和数据的时候，CPU 并没有处理数据,也就是说此时CPU闲着没事可做，为了充分利用这段时间，它们在CPU内部开辟了一个高速缓存空间（Cache）。这样指令和数据可以暂时存放在CPU内部的高速缓存中，减少了指令在CPU和内存之间的传输次数，从而提高CPU的处理速度。
② 指令读取单元和指令译码单元
指令读取单元负责从内存单元或CPU的缓存中读取指令，并且还需要判断是否存在跳转指令。
指令译码单元从指令读取单元中读来指令，判断该指令需要哪些必要的操作，然后将它们翻译成CPU可执行的微指令代码形式。
③ 控制单元
控制单元的作用是管理和协调芯片里的各项操作。它告诉算术逻辑单元（ALU）什么时候计算，告诉指令读取单元什么时候获得数值，告诉指令译码单元什么时候翻译指令等。
④ 算术逻辑单元（ALU）
与80486相比，奔腾处理器的一个重大改进是设计了两个算术逻辑单元（ALU），算术逻辑单元在CPU中起计算器的作用，执行指令中规定的算术逻辑运算和其他各种运算，如逻辑运算、移位运算等，被认为是脑中之脑。
⑤ 浮点运算单元（FPU）
浮点处理单元负责对非常大或者非常小的数据进行运算。当浮点处理单元进行运算时，算术逻辑单元同时可以做其他事情，这大大提高了CPU性能。
（2）IntelX86系列CPU 结构变化情况 （如图2-18所示）