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1、主 编 刘晓川,计算机组成与工作原理 电子教案,中等职业学校教学用书（电子技术专业）,计算机含义,计算机：英文名称（Computer)，是一种能自动、高速进行数据处理和数值计算的电子设备。 PC机的含义：个人计算机，俗称微机。 CPU含义：中央处理器，将控制器和运算器合二为一，是微机的主要特点。,计算机的发展,计算机的发展,计算机的发展,计算机的发展,计算机发展的几个阶段,计算机的特点,（1）运算速度快：目前计算机的运算速度已达数百亿次/秒。 （2）精度高：计算机内部数据采用二进制，数据数位为64位，可精度到15位有效数字。 （3）自动化能力强：计算机是由程序控制其操作过程的，能自动地、连续地
2、工作，完成预定的处理任务。 （4）超强的记忆能力：计算机具有强大的数据存储能力。 （5）具有逻辑判断能力：在相应程序的控制下，计算机具有判断“是”与“否”并根据判断做出相应处理的能力。,计算机的应用,计算机的应用,计算机的应用,计算机的发展趋势,1巨型化为满足尖端科学领域的需要，发展运算速度高，功能强的计算机 2微型化采用更高集成度的超大规模集成电路技术将微机做小，应用广泛 3网络化最大的网络Internet将遍布世界各地的计算机连在一起，共享资源 4智能化我们希望计算机应有“观赏”、“视听”、“语言”、“学习”等能力。 5非冯诺依曼式产生类似人类结构的计算机。生物计算机、光子计算机、量子计算
3、机。,第1章 微型计算机组成概述,1.1 主机箱内部的组成 1.2 输入/输出系统,1.1 主机箱内部的组成,1.1.1 主机箱主机箱分为立式和卧式两种，两者没有本质区别，用户可以根据自己的爱好与摆放需要进行选择。主机箱的正面配置有各种工作状态的指示灯和控制开关，如电源指示灯、硬盘指示灯、电源开头、Reset开关等，同时还可以看到软盘驱动器、光盘驱动器等，以便于光盘和软盘的插入和取出。 主机箱的背面配置有电源插座、各种外设的接口，用于连接外部设备，如串行端口、并行端口USB接口、PS/2接口、显卡接口等。如图1-2所示。 打开主机箱，可以看到其中包含有主板、CPU、内存条、硬盘驱动器、软盘驱动
4、器、光盘驱动器、电源和各种功能卡（如声卡、网卡等、显示卡等）等。如图1-3所示。,图1-2 主机箱背面的端口与插口,图1-3 主机箱的剖面图,1.1.2 主板,系统主板（Mainboard）又称作系统板、母板，是微型计算机中的核心部件。主板安装在主机机箱内，是一块多层印刷电路板，外表两层印刷信号电路，内层印刷电源和地线。主板上面布满了各种插槽、接口、电子元件，系统总线也集成在主板上。主板的性能好坏对微机的总体指标将产生举足轻重的影响。目前的微型计算机主板一般都集成有串行口、并行口、PS/2鼠标口、软驱接口和增强型（EIDE）硬盘接口，用于连接硬盘、IDE光驱等IDE设备，并设有内存条插槽等，如
5、图1-4所示。,芯片组与主板的关系就象CPU与整机一样，它提供了主板上的核心逻辑，主板所使用的芯片组的类型直接影响主板甚至整机的性能。 主板上的扩展插槽是总线的物理表现，是主机通过总线与外部设备联接的部分。扩展插槽的多少反映了微机系统的扩展能力。,在主板上，提供有CPU插座。除CPU以外的主要功能一般都集成到一组大规模集成电路芯片上，这组芯片的名称也常用来作为主板的名称。,图1-4 微型计算机的系统主板,1.1.3 主板上的主要部件,(一) 微处理器微处理器又称作中央处理器（简称CPU），负责完成指令的读出、解释和执行，是微型机的核心部件。CPU主要由运算器、控制器、寄存器组等组成，有的还包含
6、了高速缓冲存储器。决定微处理器性能的指标有很多，其中主要是字长和主频。 美国Intel公司是世界上最大的CPU制造厂家，该公司制造了Intel X86系列的CPU，其中Pentium系列是目前微型机中配置的主要CPU系列。除了Intel公司以外，其它较著名的微处理器生产厂家还有AMD公司、Cyrix公司、IBM公司等。CPU如图1-5所示。,图1-5 CPU,(二) 内存储器内存储器简称内存，用来存放CPU运行时需要的程序和数据。内存分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两类，我们平时所说的内存一般指RAM，RAM中保存的数据在电源中断后将全部丢失。由于内存直接与CPU进行数据交换
7、，所以内存的存取速度要求与CPU的处理速度相匹配。 目前的微型计算机的主板大多采用内存条（SIMM）结构，该结构的主板上提供有内存插槽。如图1-6所示。,图1-6 内存条,(三) 输入/输出接口输入/输出接口是微型计算机的CPU和外部设备之间的连接通道。由于微型机的外设本身品种繁多且各自工作原理也不尽相同，同时CPU与外设之间也存在着信号逻辑、工作时序、速度等的不匹配问题，所以微型机的输入/输出设备必须通过输入/输出接口电路与系统总线相连，然后才能通过系统总线与CPU进行信息交换。接口在系统总线和输入/输出设备之间传输信息，提供数据缓冲，以满足接口两边的时序要求。具体地说，接口应具有数据缓冲及
8、转换功能、设备选择和寻址功能、联络功能、解释并执行CPU命令功能、中断管理功能、错误检测功能等。 微型计算机的输入/输出接口一般使用大规模、超大规模集成电路技术做成电路板的形式，插在主机板的扩展槽内，常称作适配器，也称作“卡”，如声卡、显卡、网卡等，如图1-7所示。,图1-7 显卡与网卡,(四) 总线总线是微型计算机中各硬件组成部件之间传递信息的公共通道，是连接各硬件模块的纽带，微型计算机的各组成部件就是通过系统总线相互连接而形成计算机系统的。 在微型计算机中，总线实际上可理解为一组导线，是整个微型计算机系统的“大动脉”，对微型计算机系统的功能和数据传送速度有极大的影响。在一定时间内可传送的数
9、据量称作总线的带宽，数据总线的宽度与计算机系统的字长有关。,1.1.4 外存储器,外存储器是用来长久保存大量信息的存储设备，它不能被CPU直接访问，其中存储的信息必须调入内存后才能为CPU使用。微型计算机的外存储器的存储容量相对于内存大得多，常见的有软磁盘、硬盘、光盘、移动存储设备等。 1软盘驱动器 软磁盘（简称软盘）是一种表面涂有磁性物质的塑料圆盘，并封装在一个方形塑料保护套内。软磁盘驱动器是一种对软磁盘上数据进行存取操作的设备，安装在主机箱内。随着U盘的普及，软盘的使用越来越少。,2硬盘 硬磁盘由硬质的合金材料构成的多张盘片组成，硬磁盘与硬盘驱动器作为一个整体被密封在一个金属盒内，合称为硬
10、盘，硬盘通常又固定在主机箱内。硬盘具有使用寿命长、容量大、存取速度快等优点。如图1-10所示。,图1-10 硬盘,3光盘驱动器 光盘存储器由光盘和光盘驱动器组成，光盘驱动器使用激光技术实现对光盘信息的写入和读出。光盘具有体积小、容量大、信息保存长久等特点，是多媒体技术获得快速推广的重要因素。光盘按读/写方式分为只读型光盘、一次写入型光盘和可重写型光盘三类。如图1-11所示。 4移动存储设备 移动存储设备主要有闪存类存储器和活动硬盘。闪存类存储器的存储介质为半导体电介质，主要有U盘和各种存储卡。活动硬盘可分为两类：一类是机架内置式活动硬盘，可内置于机箱的5英寸机架上，硬盘安放在一个可抽取的硬盘盒
11、中，可抽出并随意移动；另一类是外置式活动硬盘，外置于机箱之外，通过USB接口与主机连接。,1.2 输入/输出系统,1.2.1 常见输入/输出接口 计算机系统中常见的外设有很多，基本上所有的外设都是通过主板与主机进行连接的，所以在一块主板中会存在各种各样的外设接口，如键盘、鼠标接口，打印机接口、USB接口和IEEE 1394接口、网线接口，以及音视频输出/输入接口等。下图1-12给出了一些常见接口具体位置。,图1-12 常见接口类型,1.2.2 I/O接口的基本概念,无论外设采用何种方式与主机交换信息，都存在以下几个问题需要解决：主机如何从众多的外设中找出要与之交换信息的外设；如何解决异步工作的
12、系统之间的信息交换问题，例如当外设工作速度与主机速度差异非常大时，如何使主机与外设之间的速度相互协调；主机如何了解外设的工作情况，如何向外设发出控制命令，也是需要考虑的问题。解决以上问题的办法便是在主机与I/O设备之间设立输入输出接口。接口即I/O设备适配器，具体是指CPU和主存、外围设备之间通过总线进行连接的逻辑部件。接口部件在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。,1接口的基本结构 数据输入寄存器 数据输入寄存器用于暂存外围设备送往CPU的数据或在DMA方式下送往内存的数据。 数据输出寄存器 数据输出寄存器用于暂存CPU送往外围设备的数据或在DMA方式下
13、内存送往外围设备的数据。 状态寄存器 状态寄存器用于保存I/O接口的状态信息。CPU通过对状态寄存器内容的读取和检测可以确定I/O接口的当前工作状态。, 控制寄存器 控制寄存器用于存放CPU发出的控制命令字，以控制接口和设备所执行的动作，如对数据传输方式、速率等参数的设定，数据传输的启动、停止等。 中断控制逻辑 当CPU与I/O接口以中断方式交换信息时，中断控制逻辑电路用于实现外围设备准备就绪时向CPU发出中断请求信号，接收来自CPU的中断响应信号以及提供相应的中断类型码等功能。,2接口的功能 控制-接口靠程序的指令信息来控制外围设备的动作，如启动、关闭设备等。 缓冲接口内部设有缓冲寄存器，可
14、实现数据缓冲作用，使主机与外设在工作速度上达到匹配，避免数据丢失和错乱。 状态-接口监视外围设备的工作状态并保存状态信息。状态信息包括数据“准备就绪”、“忙”、“错误”等等，供CPU询问外围设备时进行分析之用。 转换-接口可以完成任何要求的数据转换，主机与接口间传输的数据是数字信号，但接口与外设间传输的数据格式却因外设而异，为满足各种外设的要求，接口电路中必须实现各种数据格式的相互转换。例如：并一串转换、串一并转换、模一数转换、数一模转换等。 整理-接口可以完成一些特别的功能，例如在需要时可以修改字计数器或当前内存地址寄存器。 程序中断-每当外围设备向CPU请求某种动作时，接口即发生一个中断请
15、求信号到CPU。,1.2.3 输入/输出信息传送控制方式,主机和外设之间的信息传送控制方式，经历了由低级到高级、由简单到复杂、由集中管理到各部件分散管理的发展过程，按其发展的先后次序和主机与外设并行工作的程度，可以分为4种。 1程序查询方式程序查询方式是一种程序直接控制方式，这是主机与外设间进行信息交换的最简单方式，输入和输出完全是通过CPU执行程序来完成的。一旦某一外设被选中并启动之后，主机将查询这个外设的某些状态位，看其是否准备就绪？若外设未准备就绪，主机将再次查询；若外设已准备就绪，则执行一次I/O操作。 这种方式下，CPU通过I/O指令询问指定外设当前的状态，如果外设准备就绪，则进行数
16、据的输入或输出，否则CPU等待，循环查询。这种方式的优点是结构简单，只需要少量的硬件电路即可，缺点是由于CPU的速度远远高于外设，因此通常处于等待状态，工作效率很低,2中断处理方式在主机启动外设后，无须等待查询，而是继续执行原来的程序，外设在做好输入输出准备时，向主机发中断请求，主机接到请求后就暂时中止原来执行的程序，转去执行中断服务程序对外部请求进行处理，在中断处理完毕后返回原来的程序继续执行。显然，程序中断不仅适用于外部设备的输入输出操作，也适用于对外界发生的随机事件的处理。完成一次程序中断还需要许多辅助操作，主要适用于中、低速外设。 在这种方式下，CPU不再被动等待，而是可以执行其他程序
17、，一旦外设为数据交换准备就绪，可以向CPU提出服务请求，CPU如果响应该请求，便暂时停止当前程序的执行，转去执行与该请求对应的服务程序，完成后，再继续执行原来被中断的程序。,3DMA（直接存储器存取）传送方式所谓DMA方式就是直接存储器存取方式（DirectMemoryAccess），也就是说它不像前两种方式（程序查询和程序中断方式）那样是通过CPU执行程序，将外设的数据送入内存，或将内存的数据送到外设输出，而是直接（不通过CPU）由接口硬件控制系统总线与内存进行数据交换。DMA方式是在主存和外设之间开辟直接的数据通路，可以进行基本上不需要CPU介入的主存和外设之间的信息传送，输入时由外设直接写入内存，输出时由内存送至外设，这样不仅能保证CPU的高效率，而且能满足高速外设的需要。 DMA方式只能进行简单的数据传送操作，在数据块传送的起始和结束时还需CPU及中断系统进行预处理和后处理。,
