能力一
认知计算机系统能力
1.1 能力简介
此能力为认知计算机系统，学习完此能力后学习者了解了计算机的发展史，掌握计算机系统的 组成，包括计算机的硬件组成与软件组成，知道（了解）计算机的基本工作原理，具有能够说（列 举）出计算机的硬件组成，并形成计算机硬件清单文档的能力。1.2 能力知识构成
1.2.1 计算机的发展史 世界上第一台电子数字式计算机 ENIAC 于 1946 年 2 月 15 日在美国宾夕法尼亚大学正式投入 运行。自它以后，计算机发展极为迅速，更新换代非常快，人类科技史上还没有哪一个学科的发展 速度可以与电子计算机的发展速度相提并论。人们根据计算机的性能和当时的硬件技术状况，将计 算机的发展分成几个阶段。 1．第一阶段：电子管计算机（1946～1957 年） 电子管计算机的逻辑元件采用电子管，主存储器采用汞延迟线、磁鼓、磁芯；外存储器采用磁 带；没有系统软件，只能使用机器语言和汇编语言编程。其特点是体积大、耗电大、可靠性差、价 格昂贵、维修困难。 这一代计算机主要用于科学计算，典型机器有 ENIAC。 2．第二阶段：晶体管计算机（1958～1964 年） 晶体管计算机的逻辑元件采用晶体管，与电子管计算机相比，晶体管计算机体积减小，耗电减 小，可靠性提高，成本下降，运算速度提高。晶体管计算机的主存储器采用磁芯，外存储器已开始 使用磁盘。 其软件有了很大的发展， 有了高级语言及其编译程序， 还有了以批处理为主的操作系统。 这一代计算机不仅用于科学计算机，还用于数据处理和事务处理，并开始用于工业控制。 典型机器有 IBM 7090。能力一
3．第三阶段：中小规模集成电路计算机（1965～1970 年） 采用中小规模集成电路作为各种逻辑部件的计算机，体积更小，质量更轻，耗电更省，寿命更 长，成本更低，运算速度有了更大的提高。其主存储器采用半导体存储器，外存使用磁盘，有了结 构化的程序设计语言、操作系统和诊断程序。 这一代计算机不仅用于科学计算，还用于企业管理、自动控制、辅助设计和辅助制造等领域。 典型机器有 IBM 360。 4．第四阶段：大规模、超大规模集成电路计算机（1971 年～至今） 采用大规模、超大规模集成电路作为基本逻辑部件，使计算机体积、质量、成本均大幅度降低， 出现了微型机；作为主存储器的半导体主存储器，其集成度越来越高，容量越来越大；外存储器除 了广泛使用软、硬盘外，还使用光盘等；各种使用方便的输入输出设备相继出现；软件产业高度发 达，各种应用软件层出不穷，极大地方便了用户；计算机技术与通信技术相结合，计算机网络把世 界紧密地联系在一起；多媒体技术迅速崛起。 5．第五阶段：新一代计算机（人工智能） 计算机应用目前已经涉及人类生活和国民经济的各个领域。 目前我们使用的各类计算机均为第 四代和第五代计算机。 1.2.2 计算机分类 计算机的分类方式很多，大致有以下几种分类方式： 1．按信息的表示形式和处理方式分 计算机可分为数字计算机、模拟计算机和数字模拟计算机。 数字计算机的特点是采用二进制运算，精度高，便于存储信息。主要用于科学计算、数据处理、 过程控制、辅助设计等。 模拟计算机的特点是其运算采用电子线路，运算速度极快，但精度不高，不便于存储信息，使 用不方便。主要用于实时控制（军事）。 数字模拟计算机综合了二者的优点，但其设计困难，造价昂贵。一般所说的计算机均指数字计算机。 2．按计算机的用途分 计算机可分为通用计算机和专用计算机。通用计算机的功能齐全； 专用计算机是专为某些特定 问题设计的，其功能单一，但可靠性高，成本低，结构简单。专用计算机通常用于银行系统、商业 系统、军事系统。一般所说的计算机均指通用计算机。 3．按计算机的规模分 计算机又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、工作站、微型机。 巨型机：又称为超级计算机，具有计算速度快、内存容量巨大的特点。主要应用于气象、能源 等领域。 大中型机：一般具有很高的速度，其主机与附属设备通常由若干个机柜或工作台组成。 小型机：小型机具有规模小、结构简单、硬件成本低和软件易开发的特点。 工作站：工作站是 20 世纪 80 年代兴起的面向工程技术人员的计算机系统。非常适用于高档图 像处理、地球物理、电影动画和高级工业设计。 微型机：微型计算机又称为个人计算机（PC），一般是台式机，但也有便携式微型计算机。由 于具有体积小、价格低、功能全、可靠性高等特点，而受到广大用户欢迎。
1.2.3 计算机的系统组成 计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成，如图 11 所示。 图 11 计算机系统组成 1．硬件系统 硬件也称“硬设备” ，是指计算机的各种看得见、摸得着的物质实体，是计算机系统的物质基础。 计算机的硬件体系结构是以美籍匈牙利数学家冯·诺依曼的名字命名的， 他提出了重要的设计 思想：计算机应有五个基本组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备；采用存储 程序的方式，程序和数据存放在同一个存储器中；指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器 指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可按顺序结果或外界条件改变；机器以运 算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传递都通过运算器。 几年来，虽然现在的计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与 最初的计算机有很大的差异，但基本结构没有变，都属于冯·诺依曼计算机，其结构如图 12 所示， 图中的实线为数据流，虚线为控制流。 数据流 控制流 图 12 计算机基本架构 计算机的 系统组成 中央处理单元（CPU） 运算器 控制器 存储器 内存储器 外存储器：磁盘、光盘、磁带 随机存储器（RAM） 只读存储器（ROM） SRAM DRAM 掩膜式 ROM PRAM EPRAM EEPRAM 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、手写笔等 输出设备：显示器、打印机、绘图仪、刻字机等 系统软件 各种程序设计语言及编程解释语言 调试管理机器的程序 为特定需要开发的实用软件 应用软件 为特定需要开发的实用软件 为了方便用户使用而提供的工具软件 硬件系统 软件系统 输入设备 运算器 输出设备 控制器 存储器
（1）运算器
运算器也称为算术逻辑单元 ALU （Arithmetic Logic Unit）。 它的功能就是算数运算和逻辑运算。 算数运算就是指加、减、乘、除。而逻辑运算就是指“与” 、 “或” 、 “非” 、 “比较” 、 “移位”等操作。 在控制器的控制下，它对取自内存或内部寄存器的数据进行算术或逻辑运算。 （2）控制器 控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。控制器的作用是控制整个 计算机的各个部件有条不紊地工作， 它的基本功能就是从内存取指令和执行指令。所谓执行指令就 是，控制器首先按程序计数器所给出的指令地址从内存中取出一条指令，并对指令进行分析，然后 根据指令的功能向有关部件发出控制命令， 控制它们执行这条指令所规定的功能。这样逐一执行一 系列指令，就使计算机能够按照这一系列指令组成的程序的要求自动完成各项任务。
控制器和运算器合在一起被称为中央处理器单元，即 CPU（Central Processing Unit）。它是计 算机的核心。 （3）存储器 存储器是计算机的主要工作部件，其作用是存放数据和各种程序。 存储器主要采用半导体器件 和磁性材料，其存储信息的最小单位是“位” 。计算机中按字节存放数据。某个存储设备所能容纳 的二进制信息量的总和称为存储设备的存储容量。 存储器用字节数来表示，常用的四种度量单位有 KB、MB、GB、TB。 存储器分为内部存储器（也称内存）和外部存储器（也称外存）。内部存储器是 CPU 能根据地 址线直接寻址的存储空间，由半导体器件制成，用来存储当前运行所需要的程序和数据。外部存储 器用于存放一些暂时不用而又需长时间保存的程序和数据。 当需要执行外存的程序或处理外存中的 数据时，必须通过 CPU 输入/输出指令，将其调入内存中才能被 CPU 执行处理。内存存取速度快， 但容量小，价格较贵；外存响应速度相对较慢，但容量大，价格较便宜。 （4）输入设备 输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它变成计算机能够识别的形式（二进制 数）存放到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪等。 （5）输出设备 输出设备是用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变成人们所能接受的形式。 常用的输出 设备有显示器、打印机、绘图仪等。 2．软件系统 所谓软件是指应用于计算机技术的看不见、摸不着的程序和数据，但能感觉到它的存在，是介 于用户和硬件系统之间的界面；它的范围非常广泛，普遍认为是指程序系统，是发挥机器硬件功能 的关键。计算机的软件系统包括系统软件和应用软件两大类。 （1）系统软件 系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备，支持应用软件的开发和运行的软件。其主要功 能是调度、监控和维护系统等。系统软件是用户和裸机的接口，主要包括： ①操作系统软件，如 DOS、Windows、Linux、Netware 等。 ②各种语言的处理程序，如机器语言、高级语言、编译程序、解释程序。 ③各种服务性程序，如机器的调试、故障检查和诊断程序、杀毒程序等。 ④各种数据库管理系统，如 SQL Server、Oracle、Informix、Foxpro 等。
（2）应用软件
应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。 应用软件一般有 两类：一类是为了特定需要开发的实用软件，如财务管理软件、税务管理软件、工业控制软件、辅 助教育软件等：另一类是为了方便用户使用而提供的一种工具软件，如文字处理软件包（如 WPS、 Office）、图像处理软件包（如 Photoshop） 、动画处理软件（如 3DS Max）等。
3．软件系统和硬件系统的关系 硬件是计算机建立和依托的基础，软件是计算机系统的灵魂。只有硬件的计算机，又称为“裸 机” ，用户不能直接使用，无法进行正常的工作。要让计算机工作，必须给计算机安装“大脑”— —操作系统。只有在操作系统的控制下，才能调入应用程序，接受和处理命令、数据，也只有在它 的控制下，才能完成将程序的运算结果向输出设备输出。操作系统其实也是一个程序，它总管计算 机系统的软、硬件设备与外部设备的数据交换。所以，把计算机系统当作一个整体来看，它既包含 硬件，也包括软件，两者不可分割，硬件和软件相互结合才能充分发挥计算机系统的功能。具备了 硬件和操作系统的计算机，才是一台名副其实的计算机。 1.2.4 计算机的总线结构 一座城市是由各个行政单位、企事业单位、学校、医院、公共交通等部门组合而成，而一个计 算机系统就像一座城市，是由 CPU、各种存储器、各种控制器及输入/输出（I/O）设备构成的。在 这些部件之间，数据是通过总线传输的。总线就像城市中的公共汽车，所以，总线叫 Bus，负责传 递所有的信息。总线按照功能的不同可分为：地址总线、数据总线和控制总线，总线结构如图 13 所示，在图中，各部件之间的联系是通过两股信息流实现的。两股信息流为数据流和控制流。 图 13 总线结构图 总线是各部件之间的信息交换渠道。计算机借助于总线，在各系统部件之间传递地址、数据、 控制信号等信息；使整个计算机系统有条不紊地工作。 采用总线结构形式的优点： （1）可以减少机器中的信息传送线的根数，从而简化了系统结构，提高了机器的可靠性。 （2）可以方便地对存储器芯片及 I/O 接口芯片进行扩充。 总线的工作方式：分时传送操作。 根据所传送信息的内容与作用不同，可将总线分为三类： （1）传送信息（指令或数据）的数据总线 DB。 （2）指示欲传信息的来源或目的地址的地址总线 AB。 （3）管理总线上活动的控制总线 CB。 微 处 理 器 系统总线 存 储 器 外接 设口 外 设
三种总线中， CPU 通过地址总线输出地址码来选择某一存储器单元或某一称为 I/O 端口的寄存 器；数据总线用于 CPU 和存储器或 I/O 接口之间传送数据；控制总线用来传送自 CPU 发出的或送 到 CPU 的控制信息与状态信息。
1.3 能力技能操作
1.3.1 职业素养要求 （1）严禁带电操作，观察硬件时一定要把 220V 的电源线插头拔掉。 （2）爱护计算机的各个部件，轻拿轻放，切忌鲁莽操作，尤其是硬盘不能碰撞或者跌落。 （3）积极自主学习和扩展知识面的能力。 1.3.2 认知计算机系统 开启一台完整的计算机， 注意观察计算机都是由哪些部件组成，以及计算机的基本运行过程是 如何进行工作的，分析计算机系统的组成部分。 1．主机 主机是整个计算机系统的“总管” ，从外观上看，也就是计算机的主机箱，计算机的核心部件 都安装在主机箱内。在主机箱内除了有主板上的 CPU、内存，还有插在主板扩展槽上的显示卡、 声卡、网卡等各种接口卡，以及电源、硬盘、软驱、光驱等硬件设备。通过主机箱，将各个部件连 接起来，同时主机箱也对主板、CPU、显示卡、内存、硬盘等计算机的重要设备起保护作用。 主机以外的设备，如显示器、键盘、鼠标、音箱、打印机等，都是外部设备，通过设备后面的 电缆线与主机相连。 主机内部结构如图 14 所示。 图 14 主机内部结构图2．显示器 显示器是输出设备，计算机内的图片、文字、影像等信息，都是通过显示器呈现在用户眼前的， 而用户也正是通过显示器显示的信息操作计算机的。 3．键盘和鼠标 键盘是计算机重要的输入设备，用来输入字母、数字、符号，实现控制功能。键盘上面的按键 分别代表不同的含义，操作计算机时无论打字还是玩游戏，都可以通过键盘来完成。 鼠标是操作计算机时使用最频繁的输入设备之一。它通过自身的移动，把位移信号传递给计算 机，再转换成鼠标光标的坐标数据，从而达到指示位置的目的。 4．音箱与打印机 音箱是用于输出声音的输出设备， 它与声卡相连。 音箱是多媒体计算机所必备的外部设备之一， 目前多采用有源音箱。有源音箱是指音箱需要单独外接电源以增大输出功率。 打印机是微型计算机常用的输出设备， 它的主要功能是将计算机的计算结果，用户通过计算机 编写的程序文件、文本文件以及各种图形信息等内容打印在纸上。 5．CPU CPU 即中央处理器，它是计算机中最核心的部分，负责整个计算机系统的协调、控制和程序 运行，它在很大程度上决定了计算机的基本性能。CPU 采用了大规模集成电路技术把上亿个晶体 管集成到一块小小的硅片上，所以也叫微处理器。从外观上看，CPU 是一个正方形的小块，正面 是一个金属盖子，反面有很多针脚或者金属触点。 6．主板 在计算机主机内部，最大的一块电路板就是主板。在主机上，最明显的是一排排的插槽，呈黑 色、白色和棕色，长短不一，显示卡、内存等设备就是插在这些插槽里，从而与主板联系起来的。 除此以外，还有各种元件与接口，它们将机箱内的各种设备连接起来。也就是说，主板是计算机中 重要的“交通枢纽” ，它的质量直接影响着计算机的稳定性。 7．内存 内存一般指的是随机存取存储器，简称 RAM，是微型计算机的数据存储中心，主要用来存储 程序及等待处理的数据，可与 CPU 直接交换数据。它由大规模半导体集成电路芯片组成，其特点 是存储速度快，但容量有限，不能长期保存数据。内存的容量大小会直接影响整机系统的速度和效 率。内存的结构十分简单，从外观上看，内存是一块长条形的电路板，插在主板的内存插槽中，一 个内存条上安装有多个内存芯片。 8．硬盘 硬盘是最重要的外存储器之一。从外观上看，硬盘是一个黑金属盒。它是计算机内部数据存放 的仓库，计算机内所有的图片、文字、音乐、动画等都是以文件的形式存放在硬盘内的。 9．声卡 声卡的作用是声音和音乐的回放、声音特效处理、网络电话、MIDI 的制作、语音识别及合成 等。声卡已成为多媒体计算机不可缺少的部分。 声卡分为独立声卡和集成在主板上的板载声卡两种。 板载声卡一般又分为板载软声卡和板载硬 声卡。一般板载软声卡没有主处理芯片，只有一个 CODEC 解码芯片，通过 CPU 的运算来代替声 卡主处理芯片的作用。
10．显卡 显卡，也可以叫图形适配器，它是主机与显示器之间连接的“桥梁” ，作用是控制计算机的图 形输出，负责将 CPU 送来的影像数据处理成显示器能够显示的模拟信号，再送到显示屏，形成用 户最终看到的图像。 11．网卡 网卡又称网络适配器，安装在主板扩展槽中。随着网络技术的飞速发展，出现了许多种不同类 型的网卡，目前主流的网卡有 10/100Mb/s 自适应网卡、100Mb/s 网卡、10/100/1000Mb/s 自适应网 卡等几种。 12．光盘 光盘也是常用的外存储器之一，光盘和光盘驱动器（简称光驱）需要配套使用。 13．电源 电源是为整个主机提供电力的设备。电源功率的大小、电流、电压是否稳定直接影响着计算机 的使用寿命，电源如果出现问题，将造成系统不稳定、无法启动，甚至烧毁计算机配件。
