硬件系统基本组成及工作原理

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1、第三节 硬件系统基本组成及工作原理二、微型计算机的结构特点 （一）概念 1、主机板（系统主板/主板/母板） 是主机箱中最大的一块IC板，是电脑的中 枢，电脑就是通过主板将CPU等各种器件与外 设有机地结合起来，形成完整的系统。 2、I/O接口 是CPU与外设的连接缓冲，实现工作方式 、速度及信号类型的匹配。 串口（COM1/2）和并口（LPT1/PRN）， 逐渐被USB接口取代。 I/O接口进一步通过总线与CPU、内存通信 。3、微处理器微处理器是采用超大规模集成电路技术将 运算器和控制器集成在一块芯片。 频率是指1秒钟内发生的脉冲信号数。 时钟频率：是指电子设备的时钟（能够提 供规则间隔的电

2、脉冲信号）振荡频率。 主频（内频）：指CPU的时钟频率，如P 1.6GHz。 外部时钟的频率称为外频（外部总线频率 ），如PCI总线的工作频率为33MHz 。4、微型计算机 微处理器内存I/O接口系统总线 5、微型计算机系统 微型机外设软件系统 6、CMOS （互补金属氧化物半导体） Complementary Metal Oxide Semiconductor ，属硬件范畴。由主板电池供电，可长期保存 信息。 7、BIOS 基本输入/输出系统，固化在由CMOS所制 成的ROM或EEPROM里，提供机器启动（加电 自检、初始化）功能的一组程序。目前可升级 。第三节 硬件系统基本组成及工作原理（

3、二）微型计算机的结构特点 1、采用微处理器作为CPU 特点：体积小、重量轻、成本低、工作可 靠。 2、采用总线结构实现系统连接 （1）总线（BUS）的概念 作为计算机内部各个部件间传递信息的公 共通道，物理形状是一束扁平的电缆线。CPU 通过总线与各种外设连接，并通过总线进行数 据交换。 CPU内部连接各寄存器及运算部件的总线 称为内部总线；连接系统各部件（CPU、内存 、I/O接口等）的总线称为外部（系统）总线。补充资料微型机采用总线结构的优势采用标准的总线结构，便于各种插件板的通用 和互换；提高系统的可扩展性；便于实现系统的模块化设计。第三节 硬件系统基本组成及工作原理（2）总线的分类 数

4、据总线（Data Bus，DB）双向，用来承载CPU与内存、CPU与I/O接 口之间的数据信息； 地址总线（ Address Bus， AB）单向（输出线），用来把地址信息从CPU 发出到内存或I/O接口，该信息指出所要访问的 内存单元或I/O接口的地址。另外，决定寻址范 围：如32位的AB可访问4GB的内存空间。 控制总线（Control Bus，CB）双向，用来传送CPU与内存和I/O接口之间 的控制信号（如读/写）和反馈信号（如打印完 成）。第三节 硬件系统基本组成及工作原理2）常用微机总线 IBM PCXT总线Intel 8088的字长是16位，但数据总线的宽度 为8位（内部结构是16

5、位，而外部数据总线是8位），一个总线周期只能处理1个字节。因此 8088是一个准16位微处理器。 IBM PCAT总线 ISA总线 数据总线宽度为16位，应用在16位微机， 如80286，这种总线结构也称为工业标准结构。 PCI（Peripheral Component Interconnect）局部总线第三节 硬件系统基本组成及工作原理32位总线，应用普遍。它不依附于CPU（ 与CPU及时钟频率无关），即在CPU与ISA总线之间插入了一级总线。 可挂接高速外设（如IDE设备、网卡等）， 由桥接电路实现CPU总线与PCI总线相连。 PCIX（PCI 2.0）总线为64位。 AGP（Accele

6、rated Graphics Port）总线 加速图形接口，为提高视频带宽而设计， 最早出现在440LX芯片组。显卡通过AGP总线 、芯片组与主存相连，直接读取主存中的显示 数据，使得3D图形数据越过PCI总线，提高了 显示芯片与主存的数据传输率。第三节 硬件系统基本组成及工作原理目前，AGP 8（8 66MHz 32b/8=2.1GB/s ）主要用于Pentium 4系统。 USB总线（Universal Serial Bus） 是目前最流行的外设接口，可用于连接键 盘、鼠标、FLASH DISK、ADSL MODEM 等外设。 最新的USB 2.0规范（Windows XP支持） ，传输速

7、率为480Mbps，支持设备127个，可以 热插拔。补充资料第三代I/O接口PCI Express规范ISA和PCI分别为第一代和第二代体系结构 。PCI Express传输率可能达到每秒8GB，或者 甚至更高。PCI Express的设计不只要取代PCI及AGP 的插槽，同时也会是一些电脑内次系统的内 部连接接口，如处理器、绘图、网络，及磁 盘的I/O。在PCI Express及同等级的扩充卡问世之 后，可望能在实时的3D绘图呈像及网络联机 上看到效能的大幅提升。第三节 硬件系统基本组成及工作原理三、微处理器及微型机发展概况微处理器从1971年发明至今，已经历了三 十多年。这期间，随着半导体

8、制造工艺的提高 ，CPU的体积越来越小、速度越来越快，按照 其字长来分，CPU可以分为4位、8位、16位、 32位以及64位微处理器等。1971年，Inte1公司推出了世界上第一台4 位微处理器4004。随后Intel研制出了8080处理器、8085处理 器，Motorola公司推出MC6800。第三节 硬件系统基本组成及工作原理微处理器，Zilog公司推出Z80微处理器，一起组成了8位微处理器的家族。 1978年，Intel公司推出16位微处理器8086，以及与之配套的数学协处理器8087。1979年Inte1推出了8088CPU，它仍是16位微处理器，时钟频率为4.77MHz，地址总线为2

9、0位 ，可以寻址1MB内存。8088的内部数据总线是16位 ，外部数据总线是8位。 1981年，8088芯片被首次用于 IBM PC机第三节 硬件系统基本组成及工作原理当中，掀起个人电脑大普及的浪潮。1982年， Intel公司推出 80286。 80286仍然是 16位处理器，时钟频率（主频）达到了前所未有的20MHz，其内、外部数据总线均为16位，地址总线扩展为为24位，可以寻址16MB内存。Intel公司1985年推出的80386，这是第一种 32位微处理器，也是X86家族中第一款32位芯片 ，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到33MHz。 1989年推出的80486是将80386和

10、数学协第三节 硬件系统基本组成及工作原理处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内。1993年，新一代32位微处理器Pentium（奔腾 ）问世。1997年初，Intel发布了Pentium的改进型号 Pentium MMX（多能奔腾）。1997年5月，Inte1公司又发布了一种基于新体系结构的微处理器Pentium 2 （ P ）。1999年又推出了P3处理器。P3拥有32K一级第三节 硬件系统基本组成及工作原理缓存和512K二级缓存（运行速度为芯片核心速度的一半），包含MMX指令和Inte1自己的“3D”指令集- SSE。2000年10月，Intel公司发布了高性能微处理器，

11、主频高达1.3GHz的Pentium 4。 第三节 硬件系统基本组成及工作原理四、计算机工作原理四、计算机工作原理1 1、冯诺依曼（Von NeumannVon Neumann）原理计算机的基本工作原理是计算机的基本工作原理是程序存储和和程序 控制。该原理最初由匈牙利裔美籍数学家冯。该原理最初由匈牙利裔美籍数学家冯 诺诺依曼于依曼于19451945年提出来的，故称为年提出来的，故称为冯诺依曼原理 。 采用存储程序方式：计算机完成某项工作，必须事先编制程序，规定计算机必须做哪 些事，按什么步骤去做，并向计算机提供所要 处理的原始数据。第三节 硬件系统基本组成及工作原理冯诺依曼思想 （1）计算机由

12、五大部件组成运算器、控制器、存储器、输入设备和输 出设备 （2）计算机内部以二进制形式不加区分地存储 程序和数据，其存储位置由单元地址决定 （3）程序存储、自动执行第三节 硬件系统基本组成及工作原理2、指令和程序的概念 （1）指令 即计算机完成一次基本操作的命令。 （2）程序 把一组有序指令的集合称为程序。 程序和指令以二进制形式存放在存储器中，两 者没有区别。 指令由操作码和地址码组成。第三节 硬件系统基本组成及工作原理3、计算机的工作过程程序控制自动执行 （1）取指令 从内存取出指令送到控制器中的指令寄存器 ； （2）分析指令指令译码器对取回的指令进行分析、翻译， 得到指令要执行的操作；

13、（3）执行指令根据指令分析结果，通过定时与控制电路 向各个部件发出相应的控制信号，完成指令规 定的操作。 （4）形成下一条指令地址，继续（1）（3）， 直到整个程序执行完毕。第三节 硬件系统基本组成及工作原理【例】 计算机完成一次加法运算的简单过程。1、由输入设备将程序经由DB，输入到存储器保存。2、控制器经由AB向存储器给出指令所在内存单元地 址信息，由DB取回这条指令，并进行译码，通过 CB发出控制信号到各部件：（1）由AB向存储器给出数据所在内存单元地址信息 ; （2）由DB取出的加数送到运算器(累加器/寄存器)； （3）命令运算器做加法运算; （4）通过AB向存储器给出数据保存的内存单

14、元地址 信息，将运算结果经由DB送到该内存单元；（5）将运算结果经由数据总线送到输出设备输出。第三节 硬件系统基本组成及工作原理五、计算机的性能指标字长 从技术上说，计算机的字长就是指操作数 寄存器的长度，后来才泛指进出处理器的数据 长度，即计算机一次能处理的二进制数据的最 大位数。 目前，微计算机的字长取决于数据总线的 宽度。主频 指CPU的时钟频率，很大程度上决定计算 机的运算速度。第三节 硬件系统基本组成及工作原理运算速度计算机的运算速度是衡量计算机水平的一项主要指标，它取决于指令执行时间。目前常用单 位时间内执行多少条指令来表示，即MIPS.内存容量存储器的容量反映计算机记忆信息的多少

15、。它常以字节为单位表示。一个字节为八个二进制 位，即1Byte = 8bit。1KB=1024B1MB=10241KB=10242B 第三节 硬件系统基本组成及工作原理1GB=10241MB=10243B 1TB10241GB10244B 输入/输出设备的速度主机与外部设备之间交换数据的速率也是 影响计算机系统工作速度的重要因素。由于各种外部设备本身工作的速度不同， 常用主机所能支持的数据输入输出最大速率来 表示。第四节 计算机的软件系统主要讲述内容掌握系统软件与应用软件的概念 熟悉计算机语言的演进 熟悉程序设计常用术语 了解软件知识产权常识第四节 计算机的软件系统一、软件系统概述 1、软件系

16、统功能软件（software）是指完成一定功能的程 序、相关数据和各种文档的集合。软件是在硬件基础上对硬件功能的扩充与完善。提高机器的使用效率，扩大计算机的功能和用途，方便用户使用计算机。 2、分类系统软件和应用软件。 第四节 计算机的软件系统（1）系统软件一般把靠近内层（硬件）、为方便使用和管 理计算机资源的软件，称为系统软件。系统软件主要是简化计算机操作，扩展计算 机处理能力和提高计算机的效益。【特点】通用性：即无论哪个应用领域的计算机用户 都要用到它们；基础性：即包括应用软件在内的其他软件必 须在系统软件支持下编写和运行。系统软件包括：第四节 计算机的软件系统操作系统 （Operating System）操作系统是系统软件的核心。它是控制和管理系统资源，组织协调计算机的运行，为其 他软件的运行提供服务，并且为操作者提供一 个方便友好的界面的软件。是对计算机硬件的 第一层扩充。