第2章微型计算机硬件系统

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1、1,第2章 微型计算机硬件系统,2.1 计算机系统概述 2.2 计算机基本工作原理 2.3 微型计算机硬件组成,2,2.1 计算机系统概述,系统软件 应用软件,计算机系统分为：硬件+软件,硬 件,软 件,3,2.1.1 计算机系统构成,4,2.1.2 计算机系统的层次关系,5,处理器,2.1.3 冯诺依曼计算机的基本组成,冯.诺依曼结构的主要特点： 计算机由5个基本部分组成 运算器 控制器 存储器 输入、输出设备 程序与数据一样存放在存储器中,需要按地址访问。 程序和数据都以二进制表示。,数据流,控制流,存储器,运算器,外存储器,输 出 设 备,内存储器,输 入 设 备,控制器,6,1. 运算

2、器,功能：进行算术运算和逻辑运算 算术运算：加、减、乘、除等 逻辑运算：与、或、非、比较大小等 复杂运算都要转换为以上基本运算后一步一步地实现 包括：ALU（算术逻辑单元，Arithmetic and Logic Unit）；寄存器。 数据来自内存，运算结果又送回内存 对内存的读写操作由控制器控制,7,2. 控制器,功能：控制计算机各部件有条不紊地工作，按以下步骤进行： （1）从存储器取出指令 （2）分析指令 （3）向其他部件发出控制信号 主要部件： 指令寄存器 指令译码器 时序电路和控制电路,运算器和控制器一起称为CPU：Central Processing Unit,8,3. 存储器,功能

3、：存放程序和数据 组成：由一些记忆单元组成，每个记忆单元由8位二进制位组成 存储器读操作：从存储器中取出信息 存储器写操作：把信息保存到存储器中 类型： （1）内存储器(内存、主存)：通常是半导体存储器 信息交流中心，与各个部件打交道 造价相对较高，容量受限制 不能长期保存数据（RAM） 内存的存取速度直接影响计算机的速度 （2）外存储器（辅存）：磁盘、磁带、光盘等 主要用来长期保存暂时不用的程序和数据,容量较大 通常只和内存打交道，存取速度相对内存慢,9,内存储器的访问过程,地址0001,控制:写,数据,10000000,例：向0001单元写数据,10000000,10,4. 输入设备,功能

4、：接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机可以识别的形式（二进制代码），存放到内存中。 常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、写字板、麦克风等。,11,5. 输出设备,功能：将内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的方式。 常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音响等。,12,2.2 计算机基本工作原理,计算机通过执行程序来完成各种复杂的计算或处理。 程序由一系列指令组成，由编程人员编写。 指令是计算机能够识别并执行的用于完成一定功能的命令。,13,2.2.1 指令和指令系统,1.指令 能被计算机识别并执行的的二进制代码，每条指令完成某种操作。 2.指令的组成,操作码,操作数,操作码

5、 要完成的操作类型或性质，如取数、加法、减法等 操作码的位数决定了指令的条数 操作数 操作的内容或所在的地址 操作数多数情况下是数据所在的地址，称为地址码。,3.指令系统： 一台计算机的所能识别的指令的集合。,14,4.指令的种类 数据传送指令 数据处理指令 程序控制指令 输入输出指令 其它指令,控制指令的执行顺序,算术运算、逻辑运算,CPU,内存,I/O设备,主机,对计算机的硬件进行管理等,15,2.2.2 程序的执行过程,1. 指令的执行过程 分以下4个步骤： （1） 取指令：按照程序计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。 （2）分析指令：对指令寄存器中存放的指令进行分析

6、，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。 （3）执行指令：由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。 （4）一条指令执行完成，程序计数器加1 或将转移地址码送入程序计数器，然后回到（1）。,16,指令执行过程示例：,程序计数器PC 0100H,起始地址,程序区,数据区,译码器,操作控制线路,累加器,算术、逻辑运算,指令寄存器,控制器,运算器,自动加1,17,2. 程序执行过程,程序：由一系列指令构成，完成特定的功能。 CPU不断的取指令、分析指令、执行指令，这就是程序的执行过程。,18,2.3 微型计算机硬

7、件组成,微型计算机与大中小型计算机的区别：采用大规模和超大规模集成电路技术 微型计算机的CPU称为微处理器（MPU,Micro Processing Unit）,19,2.3.1 微型计算机的主要性能指标,CPU指标：CPU字长、时钟频率。 运算速度：通常指每秒钟所能执行的指令条数。 内存容量：内存储器存储数据的能力。,20,目前流行的微机基本组成:主机；外设(显示器；键盘),主机：台式机的主机安装在主机箱内，主机箱包括： 主板（又称：主机板；母板） CPU 内存 外存 总线与接口 电源 输入/输出设备,存储器,21,2.3.2 主板,主板是微型计算机最大的一块集成电路板。 是各种设备的连接载

8、体，微型计算机通过主板将CPU等各种设备有机地结合起来，形成一套完整的系统。 PC99技术规格要求主板各接口必须采用有色识别标识，方便识别。,不同颜色的接口,22,1. 主板架构,主板结构类型：主板上各元器件的布局排列方式和主板的大小、形状及所使用的电源规格等。例如： AT：已淘汰 ATX：目前最常用的主板结构；NLX：ATX的变种 BTX：英特尔公司制定的一种新型主板结构 EATX、WATX：多用于服务器、工作站 主板结构：开放式结构。包括： CPU插座；控制芯片组；BIOS芯片；内存条插槽；软盘接口；硬盘接口；串行接口；并行接口；USB接口；AGP总线扩展槽；PCI局部总线扩展槽；键盘、鼠

9、标接口；多媒体和通信设备接口等。,USB: Universal Serial Bus， 通用串行总线 AGP: Advanced Graphic Port， 增强图形接口 PCI: Peripheral Component Interconnect, 外部设备互联,BIOS: Basic Input Output System ,基本输入输出系统,23,主板：,内存插槽,总线插槽,接口卡,CPU插槽,并行接口,USB接口,24,2. 芯片组,芯片组决定了主板的结构及CPU的使用，控制整个主板的运作。 外观：,IDE: Integrated Device Electronics 集成设备电子部件

10、，接口标准,根据芯片的功能，可分为南桥芯片和北桥芯片。 南桥芯片：主要负责I/O接口控制、IDE设备（硬盘等）控制以及高级能源管理等。 北桥芯片：负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输，由于北桥芯片的发热量较高，所以芯片上会装有散热片。,25,南桥芯片和北桥芯片：,北桥芯片离CPU较近,26,2.3.3 CPU,CPU的组成 CPU是整个计算机系统的核心。主要包括： 运算器 控制器 寄存器,27,2. CPU的主要性能指标,CPU字长：CPU一次能够处理的二进制位，也是CPU内部各寄存器之间一次能够传递的数据位，由内部数据总线决定，反映CPU内部运算速度和效率。 位宽：

11、CPU通过外部数据总线与外部设备之间一次能够传递的数据位。 x位CPU：通常用CPU字长和位宽来称呼CPU。 如：Pentium CPU字长是32位，位宽是64位，称为超32位CPU。 80286 CPU字长和位宽都是16位，则称为16位CPU。 CPU外频 ：CPU总线频率，由主板为CPU提供的基准时钟频率。 CPU主频 ：CPU内核电路的实际工作频率。 制造工艺：用微米（m）或纳米(nm)来描述，指集成电路内电路与电路之间的距离。距离越小表示生产工艺越先进，集成度越高。,28,3. CPU的发展,自学,29,2.3.4 存储器,存储器种类：内部存储器；外部存储器 内部存储器主要特点 访问速

12、度快 信息暂时性 相对价格高 外部存储器主要特点 访问速度慢 信息永久性 相对价格低,30,主要技术指标 容量： 读写时间：读一个字或写一个字所需的时间 分类 随机存取存储器RAM 只读存储器ROM 高速缓冲存储器Cache,1. 内部存储器,31,通常所说的内存容量均指RAM存储器容量，也称主存 CPU对它们既可读出又可写入数据 分类： 动态随机存储器DRAM 静态随机存储器SRAM 目前广泛使用动态随机存储器（DRAM） 制作成内存条的形式，插在主板插槽上 内存条具有不同规格、不同容量,(1) 随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM),32,(2) 只读存储器

13、(Read Only Memory，简称ROM),ROM中一般存放计算机系统管理程序，由制造商进行写入并固化。 CPU对它们只取不存，其信息用户无法修改。 断电时信息不会丢失。 ROM种类： ROM、PROM、EPROM、EEPROM 例如：BIOS（Basic Input-Output System）：基本输入输出系统，保存计算机系统中最重要信息，固化到主板上的一个ROM芯片上。,33,(3) 高速缓冲存储器Cache,一般采用静态随机存取存储器SRAM。 访问速度是DRAM的10倍左右。 是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，用于解决它们之间的速度冲突问题。 通常分为两类： 一

14、级Cache：在CPU内部，负责CPU内部寄存器与外部Cache之间的缓冲。 二级Cache：在CPU外部，负责CPU与内存之间的缓冲。,CPU,34,什么是高速缓存技术？,高速缓存是一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据，以利于CPU快速访问。高速缓冲存储器存储了频繁访问的 RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检查是否存有该地址。如果存有该地址，则将数据返回处理器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。因为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当 RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓冲存储器。,3

15、5,2. 外部存储器,外存中的数据一般不能直接送到处理器，只能成批地将数据先转运到内存，再进行处理。 例如： 软盘 硬盘 磁盘阵列RAID 光介质存储器 移动存储产品,36,用柔软的聚酯材料制成，表面涂有磁性材料 读写软盘时，磁头直接接触盘面 容量= 磁面数磁道数扇区数扇区字节数 磁道（由外向内为0,1,2,) 扇区(9,15或18） 例：3.5英寸高密度软盘容量= 2 面 80 磁道 18扇区 512B 1.4MB,扇区,0磁道,（1） 软盘,37,（2）硬盘,组成：若干磁性圆盘，每个面都能记录信息，每面对应一个磁头。 柱面：各个盘上同一磁道构成一个柱面。,硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金或玻

16、璃材质制成。 硬盘外观及内部结构：,容量磁头数柱面数每磁道扇区数每扇区字节数,38,（3）磁盘阵列RAID,RAID：Redundant Array of Independent Disks， 独立冗余磁盘阵列。 由若干个硬盘构成，常应用于大容量数据存储。 在网络中使用RAID，可提高服务器存储系统容量、传输数据的速度。,39,（4）光介质存储器,光存储技术：应用激光在介质上写入信息，再用激光读出数据。 主流产品：光盘。 光盘种类： 只读型光盘CD-ROM：采用压模方法压制而成。 一次性可写入光盘CD-R （CD-Recordable） :需光盘刻录机写入数据。 可重复刻录的光盘CD-RW（CD-ReWritable）。 光盘通过专用设备，如CD-ROM等驱动器读取信息。 衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速。 一倍速率= 150KB/S 后继产品DVD-R