2023年信息處理技術員教程

信息處理技術員教程

第1章計算機硬件基礎

計算機硬件基礎知識歷來都是信息處理技術員考試的一個重點。從歷年考題分數的分布

來看，每年的分值都在10分左右。主要涉及到數據表示、數據運算、主板的結構、CPU的

組成、存儲器以及常用I/O設備等。本章在考綱中涉及到的考點如下：

(1)數據運算。掌握各種進制之間互相轉換，掌握常用的邏輯運算，掌握補碼表示法

進行加減運算。

(2)數據表示。掌握帶符號定點數的原碼、反碼及補碼表示法，理解浮點數的表示方

法，理解常用的二/十進制編碼，理解ASCII碼表示原理，掌握漢字編碼原理。

(3)主板的結構。了解主板上的主要電子組件、插座和接口的名稱、類型、位置和基

本特性。

(4)CPU的組成。了解馮.諾依曼計算機的特點，掌握CPU的基本構成及各部分的功

能，理解指令在CPU中的執(zhí)行過程。

(5)存儲器。了解存儲器的分類方法，理解"Cache-主存-輔存”三級存儲系統(tǒng)的原理，

了解主存儲器基本構成，掌握存儲器主要指標的計算，了解常用RAID系統(tǒng)的功能。

(6)常用I/O設備。了解常用的I/O設備分類，重點掌握顯示器、打印機、硬盤、鼠

標的原理、構成、分類、性能標準等。

1.1計算機概述

計算機是一種能自動、高速、正確地完成數值計算、數據處理和實施控制等功能的電子

設備。它能接收輸入的數字信息，按照內部存儲的指令序列去處理，并將產生的結果輸出。

1946年2月，世界上第一臺計算機ENIAC誕生在美國，經過60多年的發(fā)展，計算機的運

算能力、外形結構及應用領域等都發(fā)生了極大的變化。計算機是20世紀人類最重要的科學

技術發(fā)明之一，它的誕生、發(fā)展和應用徹底改變了人類社會的生產和生活方式。

1.1.1計算機的組成部件

一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，如圖1口所示。

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圖1-1計算機系統(tǒng)組成

1.馮?諾依曼計算機的特點

60多年來，盡管計算機性能發(fā)生了翻天覆地的變化，但是其基本體系結構和工作原理并

沒有太大的改變，仍然遵循馮?諾依曼1946年6月在《關于電子計算裝置邏輯結構初探》

報告中提出的設計思路。主要內容如下。

(1)計算機(指硬件)由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部

件組成。

(2)計算機內部采用二進制數來表示程序和數據。

(3)將編寫好的程序和原始數據預先存入存儲器中，然后再啟動計算機工作，使計算

機在不需要人工干預的情況下，自動、高速地從存儲器中提取指令并執(zhí)行，這就是存儲程序

的原理。

按照上述思路設計的計算機稱為馮?諾依曼計算機，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，也暴露

出這種計算機的一些缺點，目前已出現了一些突破馮?諾依曼結構的計算機，統(tǒng)稱為非馮?諾

依曼結構計算機，如數據驅動的數據流計算機、需求驅動的歸約計算機和模式匹配驅動的智

能計算機等。

2.計算機的硬件系統(tǒng)

組成計算機的基本部件有運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備，它們通過總

線互聯(lián)，就構成了計算機的硬件系統(tǒng)，如圖L2所示。

圖1-2計算機硬件系統(tǒng)

中央處理器（CPU）是運算器和控制器的合稱，它是硬件系統(tǒng)的核心。存儲器包括主存

儲器和輔助存儲器。其中，主存儲器與CPU稱為主機，輔助存儲器、輸入設備和輸出設備

稱為外部設備。外部設備種類繁多，它們通過適配器（轉換器）與主機相連接。

（1）CPU（中央處理器）。主要工作是執(zhí)行指令，按照指令的要求對數據進行運算和

處理，這部分工作由運算器和控制器分工合作完成。

運算器由算術邏輯部件（ALU）、寄存器組以及一些控制電路組成。其中ALU是主要部

件，它的核心是加法器，任何運算都可以轉化為加法運算，寄存器組保存參與運算的數據及

結果。

控制器負責對指令進行譯碼，產生一系列控制信號，指揮和協(xié)調計算機的各個部件有序

工作。它一般包括下述部件。

①指令寄存器IR.存放正在執(zhí)行的指令，以便在整個指令執(zhí)行過程中，實現一條指令的全

部功能控制。

②指令譯碼器ID.又稱操作碼譯碼器，它對指令寄存器IR中的指令進行分析，確定指令

類型、指令所要完成的操作以及尋址方式等，并產生相應的控制信號提供給微操作信號發(fā)生

器。

③程序計數器PC.又稱指令計數器或指令指針(IP),在某些類型的計算機中用來存放

正在執(zhí)行的指令地址。在大多數機器中則存放1各要執(zhí)行的下一條指令的地址。

④微操作信號發(fā)生器。它根據指令譯碼器ID產生的操作信號、時序電路產生的時序信

號,以及各個功能部件反饋的狀態(tài)信號等，產生執(zhí)行指令所需的全部德操作控制信號，形成

特定的微操作序列，從而實現對指令的執(zhí)行控制。

(2)主存儲器。簡稱主存，用于存放當前執(zhí)行的程序和需要使用的數據，存取速度快,

CPU可直接訪問。其基本結構如圖1-3所示，主要包括下述基本部件。

讀寫控副電路

圖1-3主存儲器結構示意圖

①存儲體。是指存放信息的實體，由若干存儲單元組成,每個存儲單元存放一串二進制

數。存儲單元的編號稱為存儲地址，簡稱地址。

②地址寄存器。接收并保存CPU發(fā)送的內存地址。

③地址譯碼器。將地址寄存器中的地址轉換為使對應單元被選中的信號。

④數據緩沖寄存器。位于CPU和存儲器之間，暫存存儲器中準備讀寫的數據。

⑤讀寫控制電路。接收CPU送來的讀/寫命令，并把這些命令轉換為控制整個存儲器協(xié)

調工作的時序信號。

(3)外存儲器。也稱輔助存儲器，其特點是存儲容量大、成本低，可脫機保存信息，

但CPU不可以直接訪問。常見的外存儲器包括軟盤存儲器、硬盤存儲器、光盤存儲器、移

動硬盤以及U盤等。

(4)高速緩沖存儲器。簡稱Cache,它是位于CPU和主存儲器之間，規(guī)模較小但速度

很高的存儲器用于保存主存儲器中一部分內容的拷貝。當主機讀寫數據時，首先訪問Cache,

只有在Cache中不含所需數據時，CPU才會訪問主存，從而很好地解決了CPU和主存之

間的速度匹配問題。

(5)外部設備。也稱外圍設備，主要包括輸入設備和輸出設備。常用外部設備包括鍵

盤、鼠標、顯示器、打印機、繪圖儀及掃描儀等。

外部設備與CPU、主存等設備不同，有其自身特點種類繁多，速度遠低于CPU,數據形

式多種多樣，所以不能和主機直接相連。連接時除其本身的控制驅動電路外，還需要接口電

路(適配器)。

(6)總線。是連接計算機中各部件的數據通路，實現各部件之間的信息交流，其主要

特征是共享傳輸介質。如圖1-4所示，總線通常包括數據總線、地址總線和控制總線，不

同總線的根數各不相同，每根線能夠傳送一位二進制數。

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