1
微机接口技术讲课教师：沈晔
2
第 一 章 微机系统与接口技术概述
1 计算机发展概况
2 计算机基础知识
3 微型计算机结构与接口
4 微型计算机系统
3
第一代电子计算机称为电子管计算机 。
第二代计算机称为晶体管计算机,其主要逻辑元件采用的是晶体管 。
第三代计算机的内存储器采用了半导体存储器,可靠性和存取速度有了明显的改善 。
第四代计算机以采用大规模和超大规模集成电路为标志 。
1,计算机发展概况
4
微型计算机的发展
第一阶段（ 1971~1973）：
典型的微型机以 Intel 4004和 Intel 4040为基础。微处理器和存储器采用 PMOS工艺，工作速度很慢。微处理器的指令系统不完整；存储器的容量很小，只有几百字节；没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪表、过程控制或计算器中。
第二阶段（ 1974~1977）：
以 8位微处理器为基础，典型的微处理器有 Intel 8080/8085,Zilog公司的 Z80及 Motorola公司的 6800。微处理器采用高密度 MOS
（ HMOS） 工艺，具有较完整的指令系统和较强的功能。存储器容量达 64KB,配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备，构成了独立的台式计算机。配有简单的操作系统（如 CP/M） 和高级语言。
5
第三阶段（ 1978~1981）：
以 16位和准 32位微处理器为基础，如 Intel公司的 8086,Motorola的 68000和 Zilog的
Z8000。 微处理器采用短沟道高性能 NMOS工艺。在体系结构方面吸纳了传统小型机甚至大型机的设计思想，如虚拟存储和存储保护。
第四阶段（ 20世纪 80年代）：
80年代初,IBM公司推出开放式的 IBM PC,这是微型机发展史上的一个重要里程碑。
IBM PC采用 Intel 80x86（ 当时为 8086/8088,80286,80386）微处理器和 Microsoft公司的 MS DOS操作系统并公布了 IBM PC的总线设计。
第五阶段（ 20世纪 90年代开始）：
RISC（ 精简指令集计算机 ）技术的问世使微型机的体系结构发生了重大变革。
精简指令集 复杂指令集 (CISC)
6
2,计算机基础知识
2.1常用名词术语位（ Bit）,字节（ Byte）,字（ Word） 和字长
“字”是计算机内部进行数据传送处理的基本单位，
通常与计算机内部的寄存器、运算装置或总线宽度一致。
一个字所包含的二进制位数称为字长。
通常把字定义为 2个字节。
7
2.2指令和程序
一条指令由一组 二进制 代码组成，对应着一种基本操作。计算机所能执行的全部指令，就是计算机的指令系统（ Instruction Set）。
指令通常分成操作码和操作数两大部分 。 操作码表示计算机执行什么操作；操作数指明参加操作的数的本身或操作数所在的地址 。
8
在使用计算机时，必须把要解决的问题编成一条条指令。这些指令的集合就称为程序。
9
2.3计算机基本操作过程
程序通常是顺序执行的,所以程序中的指令也是一条条顺序存放的,执行过程中由程序计数器 PC
（ Program Counter） 指出指所在的地址 。
10
在开始执行时，给 PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后每取出一条指令（确切地说是每取出一个指令字节） PC中的内容 自动加 1，指向下一条指令的地址（ Address）,以保证指令的顺序执行。
只有当程序中遇到转移指令、调用子程序指令或遇到中断时,PC才把控制转到所需要的地方去。
11
执行程序的过程就是不断地从存储器中取出指令并执行指令规定的操作。
计算机只能识别二进制码，所以所有指令都要以二进制表示，称为机器码。
汇编语言程序以及所有高级语言程序都必须处理成二进制代码之后才能在计算机上运行。
12
3、微型 计算机结构与接口
3.1 微型计算机的结构
3.2 I/O接口概述
13
3.1 微型计算机的结构微型计算机由硬件系统和软件系统组成。所谓计算机的硬件系统，通俗地说就是构成计算机的看得见摸得着的部件，即构成计算机的硬设备。例如：计算机的主机、显示器、键盘、磁盘驱动器等。见图 1-1(a),(b)。
1-1(a) 微型计算机的组成
14
个人计算机（ PC） 由 主机 和 外部设备 组成,
个人计算机主机机箱电源
CPU
主板内存显示卡硬盘,软盘驱动器光盘驱动器 CD-ROM
声卡外部设备音箱鼠标显示器键盘
1-1(b) 个人计算机的组成
15
外围设备地址总线
CPU 存储器 I/O接口数据总线控制总线控制
I/O
总线
1-2 微型计算机结构示意图微型计算机由 CPU,存储器 和 输入 /输出接口电路 等组成，
各个部分之间通过 系统总线 相连接。
16
系统总线包括 地址总线 AB,数据总线 DB和控制总线 CB组成。
在微机中，各功能部件之间通过系统总线相连，这使得各个部件的之间的相互关系变为面向系统总线的单一关系。一个部件只要满足总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中。
17
图 1-3 微型计算机的功能模块
18
3.2 I/O接口概述
介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为 I/O接口电路。
I/O接口的功能：
（ 1） 速度 的不匹配；
（ 2） 信息格式 的不匹配；
（ 3） 信号电平 的不匹配；
（ 4） 时序 的不匹配 。
打印机,MODEM
19
微处理机接口电路外部设备
Internet1
Internet2
图 1-4 微处理机通过接口与外设交换信息
20
4、微型计算机系统
4.1 计算机系统基本组成
4.2 计算机系统软件概述
21
4.1 计算机系统基本组成
以微型计算机为中心，配以相应的外围设备、电源以及系统软件就组成微型计算机系统。
22
图 1-5 PⅢ 微型计算机典型系统主板结构图
23
8 2 4 3 9 T X
( 北桥芯片 )
处理器总线（ 3.3V 或 2.5 V I/O 6 0 ~ 6 6 MHz ）
Cntl
DR A M 接口
T a g Cntl （ 3.3 或 5V ）
T IO [ 7,0 ]
P CI 插槽
P CI 总线（ 3.3 或 2.5 V 3 0 /3 3 MHz ）
USB1 USB2
CD — RO M ID E 硬盘
USB 总线
ID E UDMA /3 3
硬盘 GP （ I/O ）
SMB （ I
2
C ）
ISA /EIO 总线（兼容 3.3V 或 5V ）
第二级 Ca c h e
P CI 插槽
P CI 扩展连接器
P CI 总线
ISA
插槽
ISA 总线奔腾系列微处理器主存储器
DR A M
Ca c h e
标签
82380 F B
(MP CI2)
82380 AB
(MIS A )
8 2 3 7 1 A B
（南桥芯片）
P C87 3 1 7
V UL
音频 BIO S
串行、红外口并行口软驱接口键盘接口鼠标接口图 1-6 典型奔腾系统微型计算机系统组成结构示意图
24
1,微处理器 (CPU)
处理器不仅是主板的核心组件,也是整个微机系统的核心,通过一个符合一定标准的接口插槽与主板相连,然后再将 CPU插在该插槽上 。 这样 便于系统的 CPU升级,以提高整个微机系统的性能价格比 。
BIOS,Basic Input/Output System
25
2,高速缓存 (Cache)
第一级高速缓存 Cache（ L1） 位于微处理器 CPU
内部,其中又分为 指令 Cache和 数据 Cache两种,其大小一般各为 16KB和 32KB。 第二级高速缓存 Cache
（ L2） 一般位于微处理器 CPU外部,即系统主板上,
其大小一般为 256KB或 512KB,有的甚至高达 1MB。
但随着微电子技术的发展,第二级高速缓存 Cache
（ L2） 也被集成到微处理器 CPU内部 。
26
3,系统存储器主存储器由 动态存储器 DRAM组成，这种存储器的特点是 容量较小,存取速度相对 较慢,需要进行 动态刷新 。这种内存常见的有 DRAM,EDO
DRAM,SDRAM。 现在还出现了更快的内存，如 DDR
RAM和 RAM BUS等形式的内存，其速度更快、性能更高。
27
北桥芯片负责 CPU与高速的 CACHE,主存储器和 AGP总线的连接 。
南桥芯片负责连接 PCI总线和更低速的外部接口，
如串行接口（ USB）,并行接口，甚至 ISA总线等。
现代微型计算机系统中大多是用两块被称为 北桥芯片 和 南桥芯片 的芯片组代替以前大量的接口芯片和中小规模集成电路 。
4,控制逻辑芯片组 （ SICL）
28
5,系统输入 /输出接口控制器系统输入 /输出（ I/O） 接口控制器主要作用是为微型计算机系统中一些慢速的输入 /输出设备与
ISA总线之间提供接口，以便信息能够在 ISA/PCI总线上传输,这些 I/O设备包括常用的键盘、鼠标、串行接口设备、并行接口设备以及软盘驱动器等。
29图 1-8 键盘插口示意图及各引脚功能说明 1,K B D D A T A 5 1 5 6
2,保留
3,GND 3 4 3 4
4,+ 5 V
5,K B D C L K 2 1 2
6,保留 （ a ） （ b ）
图 1-7 微机系统的接口插座
30
6．图形（或视频）接口控制器图形控制器的主要作用是 辅助 CPU进行高速图形、视频信息的处理和显示 。目前的微机操作系统都是面向图形的，如 WINDOWS等，
这些接口电路的形式一般采用 PCI或 AGP总线接口方式。有的系统将这种接口集成在主板中，
由主板控制逻辑芯片完成图形接口任务。
31
视频控制器 CR T C
刷新缓存 DR A M （显存）
V G A 输出接口
DA C 及 DA C RA M
逻辑转换芯片
V G A BIO S
与系统板总线接口图 1-9 计算机显示卡组成示意图
32
显示系统的工作原理，如图 1-10所示。
显示接口卡从主机接收显示输出信号，经过处理和变换然后输出。显示器从 VGA显示卡的输出端口接收红、蓝、绿三色模拟信号及行同步信号和场同步信号，并对它们进行不同的处理后送到
CRT,这样才可以在屏幕上显示出字符和图像。
33
图 1-10 VGA方式 CRT显示系统工作原理框图红 红蓝绿三色信号蓝 CRT
绿场 场偏转 加 聚 阳速 焦行 行偏转 极 极 极
VGA
显示接口适配器视频处理电路场振荡电路 场输出电路行振荡电路 行输出电路开关稳压电源 高、中压输出电路
34
7,磁盘及其接口硬盘、软盘都是采用 磁记录原理 进行工作的。
磁记录是以磁介质受外磁场的磁化,当去掉外磁场后仍有介质剩余磁化状态这一性质为基本原理 。
磁盘机 （ HDD,FDD） 是由介质,读写磁头,读写电路,马达及伺服驱动电路等组成 。
35
图 1-11 磁盘读写原理示意图读写缝隙磁盘面导磁磁铁芯读写电流
36
硬盘驱动器是将硬盘机构与控制机构的电路密封在一起构成的,硬盘驱动器通过数据电缆线与计算机主板中的 硬盘适配器 相连 。
硬盘适配器电路主要包括 硬盘接口电路,硬盘控制器电路 。 其结构如图 1-12所示 。
37
图 1-12 硬盘驱动器的基本组成示意图硬盘适配器 硬盘驱动器 磁头 盘片定位命令状态信息写数据读数据读标志 索引标志扇区标志接口电路磁盘控制器定位逻辑磁头电机磁头选择读写逻辑缓冲器主轴电机空气滤化驱动控制
38
计算机软件可分为系统软件和应用软件。
4.2 计算机系统软件概述
由机器的设计者提供的，为了使用和管理计算机的软件，统称为系统软件。
用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件，编制解决用户各种实际问题的程序，这些就称为应用软件。
39
软件分类应用软件系统软件操作系统 Windows,DOS,UNIX
编译程序 Turbo C,BASIC
连接程序 LINK
调试程序 QAPLUS,WINTEST
数据库系统 FoxPro,Oracle
表格处理软件 Excel
文字处理软件 WPS,Word
辅助设计软件 AutoCAD
实时控制软件图 1-13 计算机软件组成示意图
40
思考题
1,计算机的结构特点？
2,各功能部分的作用？
微机接口技术讲课教师：沈晔
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第 一 章 微机系统与接口技术概述
1 计算机发展概况
2 计算机基础知识
3 微型计算机结构与接口
4 微型计算机系统
3
第一代电子计算机称为电子管计算机 。
第二代计算机称为晶体管计算机,其主要逻辑元件采用的是晶体管 。
第三代计算机的内存储器采用了半导体存储器,可靠性和存取速度有了明显的改善 。
第四代计算机以采用大规模和超大规模集成电路为标志 。
1,计算机发展概况
4
微型计算机的发展
第一阶段（ 1971~1973）：
典型的微型机以 Intel 4004和 Intel 4040为基础。微处理器和存储器采用 PMOS工艺，工作速度很慢。微处理器的指令系统不完整；存储器的容量很小，只有几百字节；没有操作系统，只有汇编语言。主要用于工业仪表、过程控制或计算器中。
第二阶段（ 1974~1977）：
以 8位微处理器为基础，典型的微处理器有 Intel 8080/8085,Zilog公司的 Z80及 Motorola公司的 6800。微处理器采用高密度 MOS
（ HMOS） 工艺，具有较完整的指令系统和较强的功能。存储器容量达 64KB,配有荧光屏显示器、键盘、软盘驱动器等设备，构成了独立的台式计算机。配有简单的操作系统（如 CP/M） 和高级语言。
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第三阶段（ 1978~1981）：
以 16位和准 32位微处理器为基础，如 Intel公司的 8086,Motorola的 68000和 Zilog的
Z8000。 微处理器采用短沟道高性能 NMOS工艺。在体系结构方面吸纳了传统小型机甚至大型机的设计思想，如虚拟存储和存储保护。
第四阶段（ 20世纪 80年代）：
80年代初,IBM公司推出开放式的 IBM PC,这是微型机发展史上的一个重要里程碑。
IBM PC采用 Intel 80x86（ 当时为 8086/8088,80286,80386）微处理器和 Microsoft公司的 MS DOS操作系统并公布了 IBM PC的总线设计。
第五阶段（ 20世纪 90年代开始）：
RISC（ 精简指令集计算机 ）技术的问世使微型机的体系结构发生了重大变革。
精简指令集 复杂指令集 (CISC)
6
2,计算机基础知识
2.1常用名词术语位（ Bit）,字节（ Byte）,字（ Word） 和字长
“字”是计算机内部进行数据传送处理的基本单位，
通常与计算机内部的寄存器、运算装置或总线宽度一致。
一个字所包含的二进制位数称为字长。
通常把字定义为 2个字节。
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2.2指令和程序
一条指令由一组 二进制 代码组成，对应着一种基本操作。计算机所能执行的全部指令，就是计算机的指令系统（ Instruction Set）。
指令通常分成操作码和操作数两大部分 。 操作码表示计算机执行什么操作；操作数指明参加操作的数的本身或操作数所在的地址 。
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在使用计算机时，必须把要解决的问题编成一条条指令。这些指令的集合就称为程序。
9
2.3计算机基本操作过程
程序通常是顺序执行的,所以程序中的指令也是一条条顺序存放的,执行过程中由程序计数器 PC
（ Program Counter） 指出指所在的地址 。
10
在开始执行时，给 PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后每取出一条指令（确切地说是每取出一个指令字节） PC中的内容 自动加 1，指向下一条指令的地址（ Address）,以保证指令的顺序执行。
只有当程序中遇到转移指令、调用子程序指令或遇到中断时,PC才把控制转到所需要的地方去。
11
执行程序的过程就是不断地从存储器中取出指令并执行指令规定的操作。
计算机只能识别二进制码，所以所有指令都要以二进制表示，称为机器码。
汇编语言程序以及所有高级语言程序都必须处理成二进制代码之后才能在计算机上运行。
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3、微型 计算机结构与接口
3.1 微型计算机的结构
3.2 I/O接口概述
13
3.1 微型计算机的结构微型计算机由硬件系统和软件系统组成。所谓计算机的硬件系统，通俗地说就是构成计算机的看得见摸得着的部件，即构成计算机的硬设备。例如：计算机的主机、显示器、键盘、磁盘驱动器等。见图 1-1(a),(b)。
1-1(a) 微型计算机的组成
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个人计算机（ PC） 由 主机 和 外部设备 组成,
个人计算机主机机箱电源
CPU
主板内存显示卡硬盘,软盘驱动器光盘驱动器 CD-ROM
声卡外部设备音箱鼠标显示器键盘
1-1(b) 个人计算机的组成
15
外围设备地址总线
CPU 存储器 I/O接口数据总线控制总线控制
I/O
总线
1-2 微型计算机结构示意图微型计算机由 CPU,存储器 和 输入 /输出接口电路 等组成，
各个部分之间通过 系统总线 相连接。
16
系统总线包括 地址总线 AB,数据总线 DB和控制总线 CB组成。
在微机中，各功能部件之间通过系统总线相连，这使得各个部件的之间的相互关系变为面向系统总线的单一关系。一个部件只要满足总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中。
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图 1-3 微型计算机的功能模块
18
3.2 I/O接口概述
介于主机和外设之间的一种缓冲电路称为 I/O接口电路。
I/O接口的功能：
（ 1） 速度 的不匹配；
（ 2） 信息格式 的不匹配；
（ 3） 信号电平 的不匹配；
（ 4） 时序 的不匹配 。
打印机,MODEM
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微处理机接口电路外部设备
Internet1
Internet2
图 1-4 微处理机通过接口与外设交换信息
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4、微型计算机系统
4.1 计算机系统基本组成
4.2 计算机系统软件概述
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4.1 计算机系统基本组成
以微型计算机为中心，配以相应的外围设备、电源以及系统软件就组成微型计算机系统。
22
图 1-5 PⅢ 微型计算机典型系统主板结构图
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8 2 4 3 9 T X
( 北桥芯片 )
处理器总线（ 3.3V 或 2.5 V I/O 6 0 ~ 6 6 MHz ）
Cntl
DR A M 接口
T a g Cntl （ 3.3 或 5V ）
T IO [ 7,0 ]
P CI 插槽
P CI 总线（ 3.3 或 2.5 V 3 0 /3 3 MHz ）
USB1 USB2
CD — RO M ID E 硬盘
USB 总线
ID E UDMA /3 3
硬盘 GP （ I/O ）
SMB （ I
2
C ）
ISA /EIO 总线（兼容 3.3V 或 5V ）
第二级 Ca c h e
P CI 插槽
P CI 扩展连接器
P CI 总线
ISA
插槽
ISA 总线奔腾系列微处理器主存储器
DR A M
Ca c h e
标签
82380 F B
(MP CI2)
82380 AB
(MIS A )
8 2 3 7 1 A B
（南桥芯片）
P C87 3 1 7
V UL
音频 BIO S
串行、红外口并行口软驱接口键盘接口鼠标接口图 1-6 典型奔腾系统微型计算机系统组成结构示意图
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1,微处理器 (CPU)
处理器不仅是主板的核心组件,也是整个微机系统的核心,通过一个符合一定标准的接口插槽与主板相连,然后再将 CPU插在该插槽上 。 这样 便于系统的 CPU升级,以提高整个微机系统的性能价格比 。
BIOS,Basic Input/Output System
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2,高速缓存 (Cache)
第一级高速缓存 Cache（ L1） 位于微处理器 CPU
内部,其中又分为 指令 Cache和 数据 Cache两种,其大小一般各为 16KB和 32KB。 第二级高速缓存 Cache
（ L2） 一般位于微处理器 CPU外部,即系统主板上,
其大小一般为 256KB或 512KB,有的甚至高达 1MB。
但随着微电子技术的发展,第二级高速缓存 Cache
（ L2） 也被集成到微处理器 CPU内部 。
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3,系统存储器主存储器由 动态存储器 DRAM组成，这种存储器的特点是 容量较小,存取速度相对 较慢,需要进行 动态刷新 。这种内存常见的有 DRAM,EDO
DRAM,SDRAM。 现在还出现了更快的内存，如 DDR
RAM和 RAM BUS等形式的内存，其速度更快、性能更高。
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北桥芯片负责 CPU与高速的 CACHE,主存储器和 AGP总线的连接 。
南桥芯片负责连接 PCI总线和更低速的外部接口，
如串行接口（ USB）,并行接口，甚至 ISA总线等。
现代微型计算机系统中大多是用两块被称为 北桥芯片 和 南桥芯片 的芯片组代替以前大量的接口芯片和中小规模集成电路 。
4,控制逻辑芯片组 （ SICL）
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5,系统输入 /输出接口控制器系统输入 /输出（ I/O） 接口控制器主要作用是为微型计算机系统中一些慢速的输入 /输出设备与
ISA总线之间提供接口，以便信息能够在 ISA/PCI总线上传输,这些 I/O设备包括常用的键盘、鼠标、串行接口设备、并行接口设备以及软盘驱动器等。
29图 1-8 键盘插口示意图及各引脚功能说明 1,K B D D A T A 5 1 5 6
2,保留
3,GND 3 4 3 4
4,+ 5 V
5,K B D C L K 2 1 2
6,保留 （ a ） （ b ）
图 1-7 微机系统的接口插座
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6．图形（或视频）接口控制器图形控制器的主要作用是 辅助 CPU进行高速图形、视频信息的处理和显示 。目前的微机操作系统都是面向图形的，如 WINDOWS等，
这些接口电路的形式一般采用 PCI或 AGP总线接口方式。有的系统将这种接口集成在主板中，
由主板控制逻辑芯片完成图形接口任务。
31
视频控制器 CR T C
刷新缓存 DR A M （显存）
V G A 输出接口
DA C 及 DA C RA M
逻辑转换芯片
V G A BIO S
与系统板总线接口图 1-9 计算机显示卡组成示意图
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显示系统的工作原理，如图 1-10所示。
显示接口卡从主机接收显示输出信号，经过处理和变换然后输出。显示器从 VGA显示卡的输出端口接收红、蓝、绿三色模拟信号及行同步信号和场同步信号，并对它们进行不同的处理后送到
CRT,这样才可以在屏幕上显示出字符和图像。
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图 1-10 VGA方式 CRT显示系统工作原理框图红 红蓝绿三色信号蓝 CRT
绿场 场偏转 加 聚 阳速 焦行 行偏转 极 极 极
VGA
显示接口适配器视频处理电路场振荡电路 场输出电路行振荡电路 行输出电路开关稳压电源 高、中压输出电路
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7,磁盘及其接口硬盘、软盘都是采用 磁记录原理 进行工作的。
磁记录是以磁介质受外磁场的磁化,当去掉外磁场后仍有介质剩余磁化状态这一性质为基本原理 。
磁盘机 （ HDD,FDD） 是由介质,读写磁头,读写电路,马达及伺服驱动电路等组成 。
35
图 1-11 磁盘读写原理示意图读写缝隙磁盘面导磁磁铁芯读写电流
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硬盘驱动器是将硬盘机构与控制机构的电路密封在一起构成的,硬盘驱动器通过数据电缆线与计算机主板中的 硬盘适配器 相连 。
硬盘适配器电路主要包括 硬盘接口电路,硬盘控制器电路 。 其结构如图 1-12所示 。
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图 1-12 硬盘驱动器的基本组成示意图硬盘适配器 硬盘驱动器 磁头 盘片定位命令状态信息写数据读数据读标志 索引标志扇区标志接口电路磁盘控制器定位逻辑磁头电机磁头选择读写逻辑缓冲器主轴电机空气滤化驱动控制
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计算机软件可分为系统软件和应用软件。
4.2 计算机系统软件概述
由机器的设计者提供的，为了使用和管理计算机的软件，统称为系统软件。
用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件，编制解决用户各种实际问题的程序，这些就称为应用软件。
39
软件分类应用软件系统软件操作系统 Windows,DOS,UNIX
编译程序 Turbo C,BASIC
连接程序 LINK
调试程序 QAPLUS,WINTEST
数据库系统 FoxPro,Oracle
表格处理软件 Excel
文字处理软件 WPS,Word
辅助设计软件 AutoCAD
实时控制软件图 1-13 计算机软件组成示意图
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思考题
1,计算机的结构特点？
2,各功能部分的作用？
