第二章计算机硬件基础pj(2.1-2.5)

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1、第二章 计算机硬件基础,学习目标： 2.1 计算机系统组成 2.2 PC机的组成 2.3 集成电路基础 2.4 微型计算机常用外部设备,2.1 计算机系统组成,计算机系统组成,计算机系统,硬件系统,软件系统,主机,应用软件,系统软件,外部设备,有形的物理设备,在硬件上运行的程序、相关的数据及文档,注：没有软件的硬件机器称为裸机。,2.1.1 计算机的硬件结构,冯诺依曼（Von Neumann) “存储程序”的思想 “二进制”的思想 硬件系统由五大部件组成：,输入设备,输出设备,存储器,运算器,控制器,1. 运算器中心 完成对数据的算术运算、逻辑运算和逻辑判断等操作。 2. 控制器 控制各部件的

2、工作，使计算机自动地执行程序。 控制器和运算器合在一起成为中央处理器CPU，它是计算机的核心。,2.1.1 计算机的硬件结构,3. 存储器 用来存储程序和数据的部件。 存储器还负责向控制器提供指令，与运算器交换数据。 衡量存储器的三个指标： 存储容量 、存储速度、单位价格 存储系统采用典型的存储层次： 高速缓冲存储器、主存储器、 辅助存储器及海量存储器。,2.1.1 计算机的硬件结构,CPU,内存,外存,存储容量更大,单位价格更高,存储速度更快,CPU与内存合起来称为计算机的主机,2.1.1 计算机的硬件结构,4. 输入设备 把程序、数字、图形、图像声音、控制现场的模拟量等数据，通过输入接口转

3、换成计算机可以接收的电信号。 常用的有：键盘、鼠标、操纵杆、光笔等。 5. 输出设备 把计算机运行结果或过程，通过输出接口转换成人们所要求的直观形式或控制现场能接受的形式。 常用的有：显示器、打印机、 绘图仪等。,2.1.1 计算机的硬件结构,输入设备,输出设备,存储器,运算器,控制器,输出命令,回答信号,输入命令,回答信号,存取命令,取出指令,操作信号,反馈信号,原始数据,计算结果,程序,取数,存数,计算机硬件组成框图,2.1.2 微型机的硬件结构,1、总线（Bus） 在两个以上设备之间提供传送信息的 公用通道。,Address Bus (AB) AB的根数一般反映了计算机系统的最大内存容量

4、。 例如：AB为32位，可寻址内存单元数232，即内存最大空间可为4GB。,Data Bus (DB) DB位数的多少，反映了CPU 一次可接受数据的能力。 例如：32位的CPU芯片，即DB位32位，表示CPU一次可同时接收32位数据信号。,Control Bus (CB) CB用来传送控制信号。 两类： 由CPU向内存或外设发送的控制信号； 由外设有关接口电路向CPU送回的信号及内存的应答信号。,总线的发展,数据线 数据传输速度 ISA/AT ：系统总线 16位 5 MB/s EISA： 扩展ISA总线 32位 33MB/s MCA： 微通道 32位 33MB/s PCI： 局部总线 32/

5、64位 132/264MB/s USB: 通用串行总线 32/64位 120/240Mbps,2.1.2 微型机的硬件结构,2、中央处理器（CPU）计算机的核心部件，完成计算机的运算和控制功能。CPU的内部结构包括： 算术逻辑部件（ALU） 程序计数器（PC） 指令寄存器（IR） 指令译码器（ID） 控制信号发生器及其他寄存器组,2.1.2 微型机的硬件结构,随机存取存储器RAM,只读存储器ROM,3、内存储器,2.1.2 微型机的硬件结构,特点：可读可写；断电信息丢失。,特点：只读不写；断电后信息不丢失。,4、I/O接口 由LSI组成的I/O器件构成，用来 连接主机和相应的I/O设备。,2.

6、1.3 计算机的基本工作原理,冯 诺伊曼机的工作原理： 存储程序和程序控制 1、指令的基本概念及执行过程 指令与指令系统 指令：是计算机完成某个基本操作的命令。 一台计算机所能执行的全部指令的集合 称为这台计算机的指令系统。,2.1.3 计算机的基本工作原理,指令分类(按操作功能分) 算术逻辑指令、数据传送指令、程序控制指令、 输入输出指令、CPU控制指令。 一条计算机的指令用一串二进制代码表示。指令的一般格式如下：,或,常用寻址方式 立即寻址、直接寻址、间接寻址、相对寻址、变址寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、寄存器相对寻址、相对变址寻址. 引发的两个问题： 指令系统的兼容性 RISC,2.

7、1.3 计算机的基本工作原理,指令的执行过程指令周期：一条指令在计算机中的执行过程 分为：取指周期和执行周期两个阶段例：将立即数0CH送寄存器AL的指令B00CH,2.1.3 计算机的基本工作原理,2.1.3 计算机的基本工作原理,一个简单程序的执行过程程序：指完成一定任务的一个有序的指令序列，程序的运行最终是在CPU中一条一条地执行机器指令。 例：下列三条指令组成的程序两字节指令B00CH，把立即数0CH送寄存器AL;两字节指令2C05H，把寄存器AL中内容减去立即数05H，结果送回AL；单字节指令F4H，停机操作。,2.1.3 计算机的基本工作原理,PC,ID,IR,控制信号发生器,AL,

8、ALU,内存储器,AB,DB,CB,0CH,05H,07H,B00CH 2C05H F4H,2.2 PC机的组成,PC 机的外观构成,PC机的物理结构,CPU实物图,2.2.1 PC机的硬件结构,1.CPU芯片的发展过程 1971年Intel公司顺利开发出全球第一块微处理器4004芯片 1974年Intel公司又推出了新一代8位微处理器8080 1976年Intel公司发布了8位的MCS-48单片机 1978年Intel公司推出了16位CPU8086 1982年2月1日Intel公司正式发布80286芯片1985年10月Intel推出了32位 80386DX微处理器,1989年4月80486微

9、处理器正式发布 1993年Intel推出了全新一代的高性能处理机Pentium 1995年Intel推出了Pentium Pro 1996年底Intel又推出了Pentium MMX(多能奔腾) 1997年5月，Intel推出了与Pentium Pro同一个档次的Pentium Intel于1999年2月发布了Pentium芯片 2000年6月，Intel发布了Pentium 4 新一代高性能32位微处理器 ，采用0.09m工艺技术,2.2.1 PC机的硬件结构,2005年6月，Intel发布了Pentium 4 6xx系列的64位微处理器，使用0.09m工艺技术，晶体管数量达1.69亿。 双

10、核CPU：是指在一个处理器上集成两个运算核心，通过并行总线 将各处理器的核心连接起来，从而提高计算能力。,2.2.1 PC机的硬件结构,CPU的性能,1、CPU的性能主要体现为它的运算速度,测量CPU运算速度的传统方法是看它每秒钟能执行多少条指令 MIPS：百万条定点指令秒（Million Instruction per second),世界第一台计算机ENIAC的运算速度5000 次/秒 目前计算机的速度 联想深腾6800：40000亿次秒 (国产机，国内最快) Earth Simulator(地球仿真超级计算机)：350000 亿次/秒 浮点运算（NEC公司，世界最快）,2、CPU主频(M

11、Hz）:CPU内部工作的时钟频率 主频为2G的CPU速度主频为1G的CPU速度的2倍 Intel的2G主频CPU的速度AMD的2G主频CPU的速度 主频越高，CPU的速度越快 3、CPU总线频率(MHz）： CPU和外界交换数据的工作频率，是CPU的外部频率，即外频。 主频 = 外频 * 倍频,CPU的性能,4、Cache容量Cache也称为高速缓冲存储器，简称快存。Cache存储器的有无和容量大小是影响CPU性能的另一个重要因素。通常，Cache容量越大，访问Cache的命中率就越高，CPU的速度就越快。 5、CPU速度与寄存器、运算器位数（字长）的关系位数越多，运算速度越快,CPU的性能,

12、CPU插座,CPU调压器,主板芯片组,存储器插座,总线插槽,2.主板及其构成 （1）主板,2.2.1 PC机的硬件结构,华硕P4T主板I/O端口部分,显卡通过AGP插槽 CPU通过CPU插座 存储器通过存储器插座（现在硬盘一般是IDE） 内存通过内存插槽 其余一般通过PCI总线插槽（主要有声卡、网卡、内置猫等）,主板上目前常用的插座,IDE(Integrated Device Electronics )整合式驱动电子接口。IDE是一种内建于主板上的接口，是用来驱动磁盘的电路，所以当你买了IDE硬盘或光驱后，不需要再购买其他的适配卡，只要用排线连接主板上的IDE插槽，就可以使用了。,2.主板及其

13、构成 （2）芯片组(Chipset),2.2.1 PC机的硬件结构,芯片组（ Chipset ）是PC机各组成部分的枢纽，主板上的所有的控制功能几乎都集成在芯片组内，它既实现了PC机系统总线的功能，又提供了各种I/O接口及相关的控制。是构成主板电路的核心。一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。,2.2.1 PC机的硬件结构,芯片组（ Chipset ）举例：例如,Intel 850芯片组的组成：82850E（存储控制器）连接CPU总线、存储器总线、AGP图形显示接口82801BA（I/O控制器）连接82850E、I/O总线、USB接口、硬盘接口、局域网接口、5.1数字环绕立体声接口、BIOS

14、 ROM芯片,2.2.1 PC机的硬件结构,Intel 850 芯片组逻辑结构,2.2.1 PC机的硬件结构,注意点： 1. CPU类型或参数不同时，需要使用不同的芯片组。 2. CPU的系统时钟及各种与其同步的时钟均由芯片组提供。 3. 芯片组还决定了主板上所能安装的内存最大容量、速度及可使用的内存条的类型。,2.2.1 PC机的硬件结构,区别两块特别有用的集成电路芯片： ROM ：存放BIOS（基本输入/输出系统），它是PC机软件中最基础的部分。 CMOS存储器：存放用户对计算机硬件所设置的一些参数，包括当前的日期和时间，系统的口令，系统中安装的软盘、硬盘驱动器的数目、类型及参数等。 CM

15、OS是易失性存储器，必须用电池供电，才能使计算机关机后数据不丢失。,2.2.1 PC机的硬件结构,2.主板及其构成 （3）BIOS (Basic InputOutput System)它是存放在ROM芯片中的一组机器语言程序，具有启动计算机、诊断计算机故障及控制低级输入输出操作的功能。,2.2.1 PC机的硬件结构,2. 主板、芯片组与BIOS （3）BIOS (Basic InputOutput System) POST程序（Power On Self Test，加电自检） 系统自举（装入）程序 CMOS设置程序 基本外围设备的驱动程序,2.2.1 PC机的硬件结构,计算机启动过程,硬件是 否有故障,显示出错信息,有无按DEL键,启动CMOS,测试各部件工作状态是否正常,执行POST,执行自举程序,引导程序装入操作系统,2.2.1 PC机的硬件结构,CMOS设置程序： 一般来说，在下列情况下需要启动CMOS设置程序对系统 进行设置： PC机组装好之后第一次加电 系统增加、减少或更换硬件或I/O设备 CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改 用户希望更改或设置系统的口令 系统因某种需要而调整某些设置参数,