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       计算机系统各主要部件的连接
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               计算机系统组成
               计算机系统应包括硬件(Hardware)系统和软件(Software)系统两大部分,如下图所示。硬件是组成计算机系统的各种物理设备的总称,如各种电子元件、CPU、存储器、键盘、鼠标、显示器和主机等,它们是计算机工作的物质基础。硬件系统的功能是接受计算机程序,并在程序控制下完成数据输入、数据处理和数据输出等计算任务。软件是指为运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和相关文档的总称,它们是计算机工作的灵魂。软件可保证硬件的功能得以充分发挥,并为计算机用户提供良好的工作环境。
               
               计算机系统的基本组成
               计算机的硬件功能结构
               计算机自1946年诞生以来,虽然其制造技术已经发生了巨大的变化,但就其体系而言,都基于同一个原理——存储程序的原理。这个原理是美籍匈牙利人冯·诺依曼在研究计算机的方案时提出的。计算机的硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个基本部分组成,如下图所示。图中实线箭头→代表数据或指令,在计算机内部表现为二进制数;虚线箭头代表控制信号,在计算机内部起控制作用。
               
               冯·诺依曼计算机硬件的基本结构
               通常将运算器和控制器集成在一起称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU),而中央处理器和内存储器又组成了主机。输入设备、输出设备和外存储器合称为外部设备。
                      运算器
                      运算器是一个用于信息加工的部件,主要完成算术运算和逻辑运算,并可以将运算的中间结果暂存在运算器内的寄存器中。运算器可以对二进制编码数据进行算术运算和逻辑运算。算术运算是指按照算术规则进行的运算,例如加减乘除四则运算。逻辑运算一般泛指非算术性运算,例如比较、移位、逻辑加、逻辑乘、逻辑反以及“异或”等操作。
                      控制器
                      控制器是整个计算机系统的指挥中心,它指挥和控制计算机的各个部件自动、连续和协调地工作。其工作过程如下:
                      ①从内存储器中读取一条指令;
                      ②进行指令译码,产生一系列的操作控制命令;
                      ③将这些命令发给各个部件并控制其运行;
                      ④各个部件将运行情况(如完成或故障信息)反馈到控制器,正常转⑤,否则错误告警;
                      ⑤修改指令地址转①。经过上述过程就可以使得计算机连续地、有条不紊地工作。
                      存储器
                      存储器可以分为内(主)存储器和外(辅助)存储器两大类。通常CPU只能直接访问内存中的数据,因此内存的存取速度直接影响计算机的运算速度。目前,大多数内存由半导体器件构成。内存具有容量小、存取速度快、停电后数据丢失的特点。通常外存不和计算机的其他部件直接交换数据,而是成批地与内存交换数据。常见的外存设备有软盘、硬盘、闪盘、光盘和磁带等。外存具有容量大、停电后数据不丢失,但存取速度慢的特点。
                      输入设备
                      输入设备的主要功能是接受用户输入的原始数据和程序,将人们熟悉的信息形式转换为计算机能够识别的信息形式并存放到内存中。目前常用的输入设备有键盘、鼠标、光笔、扫描仪、数码摄像机、触摸屏、数字化仪、麦克风、模数转换装置等。各种输入设备与主机之间通过相应的接口适配器相连接。
                      输出设备
                      输出设备的主要功能是把计算机处理后存放在内存中的运算结果或工作过程转变为人们能够接受的信息形式表现出来。目前常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和音响等。外存储器是计算机中重要的外部设备,它既可以作为输入设备,也可以作为输出设备。
                      总之,计算机硬件系统是运行软件的基本物质平台。通过输入设备将程序和数据存入存储器;程序运行时,控制器从存储器中逐条取出指令,将其解释成一系列控制命令,去控制各部件的动作;数据在运算器中被加工处理,处理后的结果通过输出设备输出。这5大部件在控制器的统一指挥下有条不紊地自动工作。
               计算机各主要部件的连接
               总线(Bus)是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通道,它是由导线组成的传输线束。按照计算机所传输的信息种类可以将总线划分为数据总线、地址总线和控制总线,分别用来传输数据、数据地址和控制信号。广义地讲,任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。因此,按照总线的功能可以将总线划分为片内总线、元件级总线、内总线和外总线,其作用如下表所示。
               
               总线的作用
               总线是一种内部结构,主机的各个部件通过总线相连接,外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接,从而构成了计算机硬件系统。
                      内总线
                      内总线有专用内总线和标准内总线之分。内总线的性能直接影响着整个计算机系统的性能。自计算机发明以来,尤其是微型机诞生之后,内总线的标准已超过百条。常见的内总线标准如下。
                      (1)ISA总线。ISA是工业标准总线,它向上与更早的PC总线兼容。ISA总线是在PC总线62个插座信号的基础上,再扩充另一个36个信号的插座而构成的。ISA总线主要包括24条地址线,16条数据线,控制总线(内存读写、接口读写、中断请求、中断响应、DMA请求和DMA响应等),±5V、±12V电源和地线等。
                      (2)EISA总线。EISA总线是在ISA总线的基础上发展起来的32位总线。该总线定义了32位地址线、32位数据线以及其他控制信号线、电源线、地线等共196个接点。总线传输速率可达33Mb/s。EISA总线利用总线插座与ISA总线相兼容,插板插在上层为ISA总线信号,插板插在下层便是EISA总线。
                      (3)PCI总线。PCI总线是目前微型机上广泛采用的内总线。PCI总线有两种标准:适于32位机的124个信号的标准和适于64位机的188个信号的标准。PCI总线的传输速率至少为133Mb/s,64位PCI总线的传输速率为266Mb/s。PCI总线的工作与处理器的工作是相互独立的,也就是说,PCI总线时钟与处理器时钟是独立的、非同步的。PCI总线上的设备是即插即用的。
                      外总线
                      外总线的标准有七八十种之多,此处简单介绍几种。
                      (1)RS-232C。RS-232C是一条串行外总线,其主要特点是传输线比较少,最少只需三条线(一条发、一条收、一条地线)即可实现全双工通信。传送距离远,用电平传送为15m,电流环传送可达千米。有多种可供选择的传送速率,具有较好的抗干扰性。
                      (2)SCSI总线。小型计算机系统接口(Small Computer System Interface,SCSI)是一条并行外总线,广泛用于连接软硬磁盘、光盘和扫描仪等。该接口总线早期是8位的,后来发展到16位。传输速率由SCSI-1的5Mb/s到16位的Ultra2 SCSI的80Mb/s。目前传输速率已高达320Mb/s。该总线上最多可接63种外设,传送距离可达20 m。
                      (3)USB。通用串行总线是1994年年底由Compaq、IBM和Microsoft等众多公司联合提出的,目前得到广泛应用,USB接口已经成为计算机硬件系统的基本配置。USB 1.0有两种传送速率:低速为1.5Mb/s,高速为12Mb/s。USB 2.0的传送速率为480Mb/s。USB最大的优点是支持即插即用并支持热插拔。
                      (4)IEEE-1394。IEEE-1394也是一种串行数据传输协议,支持即插即用并支持热插拔,与USB相比速度更快,主要用于音频、视频等数据的传输。IEEE-1394由6条信号线组成,其中两条用于传送数据,两条传送控制信号,另外两条传送8~40V容量为1500mA的电源。据资料介绍,IEEE-1394总线上可接63个设备。IEEE-1394的传送速率从400Mb/s、800Mb/s、1600Mb/s直到3.2Gb/s。
               设备间的连接方式
               (1)串行连接方式。当各设备或部件按照串行方式连接时,只需要一条传输连接线,信息以串行方式传送,采用脉冲传送信号。在串行连接方式下,被传送的数据在发送部件要进行并—串转换,称为拆卸;而在接收部件又需要进行串—并转换,称为装配。串行连接方式的优点是连线少,只需要一根(双向传输时需要两根),成本低廉,很适合于长距离传送,但是控制复杂,而且传输速度较慢。
               (2)并行连接方式。当各设备或部件按照并行方式连接时,对应每个数据位都需要单独一条传输线,信息以并行方式传送,有多少二进制位就需要多少条传输线,二进制的0和1在不同的线上同时进行传送。并行接口一次就可传送多位数据,如8位、16位、32位等。并行接口数据传输率高,控制简单,通常用于高速数据通道接口,但是所需传输线很多,不适于远距离传送。
               传输介质的类型和特性
               传输介质是指连接数据发送方和接收方用来传送数据信号的物理媒体。数据通信设备与主机等部件之间进行数据传输时所使用的传输介质主要可以分为两大类:一类是有线类传输介质,一类是无线类传输介质。
                      有线传输介质
                      有线传输介质是指在两个通信设备之间实现的物理连接部分,它能将信号从一方传输到另一方。有线传输介质主要有同轴电缆、双绞线和光纤。双绞线和同轴电缆传输电信号,光纤传输光信号。
                      (1)同轴电缆。可分为50Ω基带同轴电缆和75Ω宽带同轴电缆。50Ω基带同轴电缆又可分为粗缆和细缆,粗缆用于10Base5以太网,细缆用于10Base2以太网。同轴电缆使用金属屏蔽丝网可以防止内外电磁场的串扰,绝缘效果好,频带较宽,数据传输稳定,价格适中,性价比高。
                      (2)双绞线。可分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP),其中屏蔽双绞线外加金属网丝套的屏蔽层。在网络中常用的有三类线(CAT3)和五类线(CAT5),CAT3常用作10Base-T以太网的数据与话音传输,CAT5常用作100Base-T以太网的数据与话音传输。每条双绞线在进行数据传输时为保证可靠性,最大传输距离为100m,使用RJ45接头插入网卡或HUB等网络设备的RJ45插座内。
                      (3)光纤。光纤是新一代的传输介质,与铜质介质相比,光纤具有比较明显的优势。因为光纤不会向外界辐射电子信号,所以使用光纤介质的网络无论是在安全性、可靠性还是在传输速率等网络性能方面都有了很大的提高。光纤由纤芯、包层、涂覆层及套层组成。利用光纤传输信号,在光纤的两端必须配有光发射机和接收机,其中光发射机完成从光信号到电信号的转换。按光纤传播方式可将光纤分为单模光纤和多模光纤,单模光纤比多模光纤传输速率要高。
                      无线传输介质
                      无线传输介质是指人们周围的自由空间。在自由空间利用电磁波发送和接收信号进行通信就是无线通信。无线通信的方式有无线电波、微波、红外线和激光等。
                      (1)微波。
                      微波通信在数据通信中占有重要地位。微波频率范围为300MHz~300GHz,但主要使用2~40GHz的频率范围。其通信方式主要有地面微波接力通信和卫星通信。
                      微波在空间是直线传播的,由于地球表面是曲面,故微波传输距离一般只有50km左右。为了增大传输距离,必须使用中继站进行接力传输。若使用100m高的天线塔,可使传输距离增大到100km。微波通信的优点是频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性强,比等距离的电缆载波通信投资少、见效快;缺点是相邻站之间必须直视,对环境要求高,有时会受恶劣天气影响,保密性差。
                      卫星通信是在地球站之间利用位于36 000km高空的同步卫星作为中继站的一种微波接力通信。由于一颗卫星的覆盖范围达18 000km,故通常在赤道上空等距离放置三颗相隔120°的卫星即可覆盖全球。卫星通信也具有频带宽、干扰少、容量大、传输距离远、无盲区、传输质量好等优点,但是有传输时延长的缺点。
                      (2)无线电。
                      无线电波可以在空间自由传播,可以进行多种通信。国际电信同盟(ITU)对无线传输所使用的频段进行了正式命名,分别是低频(LF)、中频(MF)、高频(HF)、甚高频(VHF)、特高频(UHF)、超高频(SHF)、极高频(EHF)和目前无标准译名的THF(Tuned HF)。无线电波是最早使用无线传输手段,目前仍然是最主要的一种远距离通信方式。其优点是频带较宽、技术成熟、成本相对较低,但有时会受恶劣天气影响,保密性差。
                      (3)红外线。
                      红外线通信是利用红外线来传输信号,在发送端设有红外线发送器,接收端设有红外线接收器,可以任意安装在室内或室外,但它们之间不允许有障碍物。红外线具有很强的方向性,很难窃听、插入和干扰,但传输距离有限,易受环境(如雨、雾和障碍物)干扰。
                      (4)激光。
                      激光通信是利用激光束来传输信号,即将激光束调制成光脉冲,因此激光通信与红外线通信一样是全数字的,不能传输模拟信号。它们的不同之处在于激光硬件会发出少量射线污染环境,须经特许才能安装。
 
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