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1、第 2 章 计算机硬件系统,本章学习目标,本章主要介绍了计算机系统的组成、特点、功能及各部分之间的关系。通过本章的学习，主要掌握以下几个方面的内容：,2.1 计算机硬件系统的组成,1945年数学家冯诺依曼（von Neumann）等人，在研究EDVAC机时，提出了“存储程序的概念。以此为基础的各类计算机，统称为冯诺依曼机。它的特点可归结为： （l）计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出 设备五大部件组成。 （2）指令和数据以同等地位存放于存储器中，并可按地址 寻访。 （3）指令和数据均用二进制码表示。,2.1.1 冯诺依曼体系结构计算机的特点,（4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来
2、表示操作的 性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。 （5）指令在存储器中按顺序存放。通常指令是顺序执行的 在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改 变执行的顺序。 （6）机器以运算器为中心，输入输出设备的数据传送通过 运算器。 计算机的5大部件中，控制器和运算器是其核心部分，称为中央处理器。冯诺依曼结构规定控制器是根据存放在存储器中的程序来工作的，即计算机的工作过程就是运行程序的过程。所以，为了使计算机能进行正常工作，程序必须预先存放在存储器中。因而，这种结构的计算机是按存储程序原理进行工作的。,2.1.2 微型计算机的硬件结构 1. 微型计算机的定义 微型计算机（Microcom
3、puter ）是指以微处理器为基础，配以内存储器以及输入输出接口电路和相应的辅助电路而构成的裸机。 微型计算机的结构 一台微型计算机的结构如下图：,微型计算机的结构采用总线结构来实现相互之间的信息传送。总线是微处理器、内存储器和I/O接口之间相互交换信息的公共通路。总线由数据总线、地址总线和控制总线组成，数据总线是从微处理器向内存储器、I/O接口传送数据的通路，同时它也是从内存储器、I/O接口向微处理器传送数据的通路，因为它可以在两个方向往返传送数据，称为双向总线。地址总线是微处理器向内存储器和I/O接口传送地址信息的通路，它是单向总线，只能从微处理器向外传送。控制总线是微处理向内存储器和I/
4、O接口传送的命令信号以及外界向微处理器传送状态信号等信息的通路。,2.2 微型计算机的“主机”,2.2.1 系统主板 系统主板又叫系统板或母板，它是整个计算机系统的通信网。它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。 主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、CPU插座、内存插槽、扩充插槽等元件。另外，主板采用了开放式结构，主板上大都有6-8个扩展插槽，供PC机外围设备的控制卡(适配器)插接。通过更换这些插卡，可以对微机的相应子系统进行局部升级，使厂家和用户在配置机型方面有更大的灵活性。 性能影响着整个微机系统
5、的性能。,系统主板示意图,1CPU插座 CPU插座就是主板上安装处理器的地方。主流的CPU插座主要有Socket370、Socket 478、Socket 423和Socket A几种。其中Socket 478则用于目前主流Pentium4处理器。,2内存插槽 内存插槽是主板上用来安装内存的地方。目前常见的内存插槽为SDRAM内存、DDR内存插槽。 不同的内存插槽它们的引脚，电压，性能功能都是不尽相同的，不同的内存在不同的内存插槽上不能互换使用。对于168线的SDRAM内存和184线的DDR SDRAM内存，其主要外观区别在于SDRAM内存金手指上有两个缺口，而DDR SDRAM内存只有一个。
6、,3PCI插槽和AGP插槽 PCI总线插槽它是由Intel公司推出的一种局部总线。它为显卡、声卡、网卡、电视卡、MODEM等设备提供了连接接口。,AGP图形加速端口是专供3D加速卡使用的接口。该接口让视频处理器与系统主内存直接相连，避免经过窄带宽的PCI总线而形成系统瓶颈，增加3D图形数据传输速度。,4ATA接口 ATA接口是用来连接硬盘和光驱等设备而设的。主流的IDE接口有ATA33/66/100/133。 5BIOS及电池 BIOS基本输入输出系统是一块装入了启动和自检程序的EPROM或EEPROM集成块。在BIOS芯片附近一般还有一块电池组件，它为BIOS提供了启动时需要的电流。,6机箱
7、前置面板接头 机箱前置面板接头是主板用来连接机箱上的电源开关、系统复位、硬盘电源指示灯等排线的地方。 7外部接口 ATX主板的外部接口都是统一集成在主板后半部的。现在的主板一般都符合PC99规范，也就是用不同的颜色表示不同的接口，以免搞错。,2.2.2 微处理器 伴随着大规模和超大规模集成电路技术的发展，人们将运算器和控制器集成在一个芯片上，称之为微处理器，这种微处理器在微型计算机中充当了中央处理器（CPU），它是计算机系统的核心。,1微处理器功能 计算机所发生的全部动作都受微处理器的控制，其中运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算。运算器是对信息加工处理的部件，由进行运算的运算器件及用来暂时寄
8、存数据的寄存器、累加器等组成。 控制器是对计算机发布命令的“决策机构”，用来协调和指挥整个计算机系统的操作，它通过读取各种指令，并对其进行解释、分析，而后对各部件做出相应的控制。它主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成。 寄存器是微处理器作算术运算和逻辑运算时，用来临时寄存中间数据或地址的存储器件。它们的硬件组成类似于内存的存储单元，只是操作速度比内存的更快，容量更小，每位价格更高，它们通常放在CPU内部，并由控制单元控制。,2微处理器性能指标 在微型计算机中，微处理器（简称CPU）是计算机的心脏。CPU品质的高低直接决定了计算机系统的档次，衡量CPU性能的主要技术指标有：字长
9、、主频、外频、倍频系数、高速缓存（Cache）容量及流水线技术等。 （1）字长 机器的字长是指CPU一次能处理的数据位数。它是CPU的一个重要的品质标志。人们通常所说的8位机、16位机、32位机即指CPU可同时处理8位、16位、32位的二进制数据，即机器的字长是8位、16位、32位。 目前微型计算机上配置的CPU是Pentium D和Pentium EE，它们都是在Pentium的基础上开发出的加强版，Pentium EE提高了频率和缓存容量，Pentium D 相当于集成了两个Pentium 4核心。,（2）主频、外频和倍频 主频即CPU的时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度。一
10、般说来，主频越高，CPU的速度越快。但由于内部结构不同，并非所有的时钟频率相同的CPU的性能都一样。 外频是CPU的基准频率，单位也是MHz，外频就是系统总线的工作频率。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。 倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数。用公式表示就是：主频=外频倍频。倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高CPU的频率也越高。,（3）高速缓存容量 高速缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样
11、的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能。但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。 L1 Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。 L2 Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。,（4）流水线技术 CPU的流水线是指处理器内核中运算器的设计。处理器的流水线的结构就是把一个复杂的运算分解成很多个简单的基本运算，然后由专门设计好的单元完成运算。流水线技术是 Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中
12、由56个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成56步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高了CPU的运算速度。,2.2.3 内存储器 存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。随着计算机的发展，存储器在系统中的地位越来越重要。 1内存储器的特点 内存储器是指能够通过指令中的地址直接访问的存储器，用来存储正在被CPU使用的程序和数据。内存储器是计算机系统中不可缺少的部件，它的主要特点是可以和CPU直接交换信息。辅助存储器是内存储器的后援存储器，用来存放当前暂时不用的程序和数据，它不能与CPU直接交换信息。两者相比，
13、内存速度快、容量小、价格高。,2内存储器的基本结构 内存储器包括存储体、各种逻辑部件及控制电路等。存储体由许多存储单元组成，每个存储单元又包含若干个存储元件（或称存储基元、存储元），每个存储元件能寄存一位二进制代码“0”或“1”。可见，一个存储单元可存储一串二进制代码，称这串二进制代码为一个存储字，这串二进制代码的个数叫做存储字长。存储字长可以是8位、16位或32位等。 如果把一个存储体比作一幢大楼，那么每个存储单元可看作大楼中的每个房间，每个存储元可看作每个房间中的一张床位。显然，每个房间都需有一个房间编号，因此，也赋予每个存储单元一个编号，叫做存储单元的地址号。内存的工作方式就是按存储单元
14、地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取（读出）。这种存取方式叫做按地址存取，即按地址访问存储器（简称访存）。,3内存储器的分类 目前使用的内存储器主要分3类：随机存储器、只读存储器和互补金属氧化物半导体。 （1）随机存储器RAM。RAM是一种可读写存储器，其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关，计算机系统中的大部分内存都采用这种随机存储器。由于存储信息原理的不同，RAM又可分SRAM和DRAM。,（2）只读存储器ROM。ROM是能对其存储的内容读出，而不能对其重新写入的存储器。这种存储器一旦存入了原始信息，在程序执行过程中，只能将内部信息读
15、出，而不能随意重新写入新的信息去改变原始信息。因此，通常用它存放固定不变的程序、常数以及汉字字库，甚至用于操作系统的固化。它与随机存储器可共同作为内存的一部分，统一构成内存的地址域。 （3）互补金属氧化物半导体CMOS。CMOS提供了计算机系统的灵活性和可扩展性。在微型计算机中，它一般被用来存储计算机系统每次开机时所需的重要信息，例如计算机内存容量、键盘类型、鼠标、监视器以及磁盘驱动器的有关信息等。它与RAM的区别在于，CMOS通过电池提供电源，即当关机时其存储的信息不会丢失；而它与ROM的区别在于，CMOS的内容随着计算机系统配置的改变或用户的设置的改变而发生变化。,2.3 输入输出系统及设
16、备,计算机通过外围设备与外部世界通信或交换数据称为“输入/输出”。在微型计算机系统中，常用的外围设备有：键盘、鼠标、硬磁盘机、软磁盘机、光盘机、打印机、显示器、调制解调器、麦克、音箱、扫描仪，以及一些专用设备。 计算机或输入输出设备的厂商根据各种设备的输入输出要求，设计和生产各种适配卡，然后通过插入主板上的扩展槽连接外部设备。,2.3.1 扩展槽和适配卡 适配卡又称扩展卡、控制卡或接口卡。 系统主板上一般有多个扩展槽，是用来连接各种适配卡的，用户可以根据自己的需要插入各种各样的适配卡，连接各种各样的外围设备，这些扩展槽与系统板上的I/O总线相连，任何适配卡插入扩展槽后就可以通过I/O总线与CPU连接，PC机的这种开放的体系结构为用户自己组合可选设备提供了方便。 1显示卡 显示卡又称显示器适配卡，其功能是把显示器同主机连接起来。它是插在系统主板的扩展槽中，显示卡上的连接器同显示器连接。随着微型计算机技术的发展，显示卡也发展了几种，如MGA、CGA、EGA、VGA、SVGA和AVGA等。,现在的显卡都是3D图形加速卡，如下图所示。它是连接
