大学计算机 第3章 计算机硬件基础 内容 3.1 计算机系统概述 1 2 3 4 5 3.2 计算机的工作原理 3.3 微型计算机及其硬件系统 3.4 多媒体计算机 3.5本章小结 微型计算机从20世纪70年代以来不断发展，受到了人们 的欢迎微型计算机一般具有以下一些特点 （1）运算速度快、计算精度高，具有记忆功能和逻辑 判断能力 （2）价格低、集成度高、适应性强，有利于推广和普 及 （3）生产周期短、见效快，微处理生产厂家除生产微 处理器芯片以外，还生产各种配套的支持芯片，为微 型计算机系统的应用创造了十分有利的条件 （4）体积小、重量轻、耗电少、维护方便，逐步形成 了标准化、模块化和系列化生产 3.3.1 微型计算机系统组成 根据计算机的应用领域和结构功能，计算机可以划分为大、中、小型机 和微型机等多种类型 就目前而言，各类计算机都还是属于冯诺依曼体系结构，微型计算机也 不例外 因此，微型计算机也具有控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设 备五大部件 3.3.1 微型计算机系统组成 微型计算机系统硬件配置如图 磁盘 驱动器 键盘、 显示器 其他外设 通信线路 磁盘驱动 器接口 输入输 出接口 其他外 设接口 通信线 路接口 主存储器 中 央 处 理 器 CPU AB DB CB 3.3.1 微型计算机系统组成 微型计算机硬件系统的这种结构一般称为三总线结构，即以中央处理器 （CPU）为核心，通过地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB将其他 部件与微处理器连接起来。
除了中央处理器和主存储器以外，微型计算机硬件系统还必须拥有一定 的外部设备，又称为I/O设备，像磁盘驱动器、打印机、键盘、鼠标器、 显示器等都属于I/O设备 各种I/O设备与微处理器相连接，进行信息的交换，必须通过各自的I/O 接口才能进行 3.3.1 微型计算机系统组成 以下是微机中常用的专业术语 （1）中央处理器：前面已经说过，运算器和控制器一起称为中央处理器 （CPU）在微型计算机上中央处理器通常是一块超大规模集成电路芯 片像8088、80486、Pentium（奔腾）等指的就是微型计算机上的 CPU芯片 （2）主机：运算器、控制器和内存储器三者的合称，所以，主机包括 CPU和内存 （3）外部设备：包括输入设备和输出设备，简称外设 （4）总线：连接计算机内各部件的一簇公共信号线，是计算机中传送信 息的公共通道其中传送地址的称为地址总线；传送数据的称为数据总 线；传送控制信号的称为控制总线 （5）接口：主机与外设相互连接部分，是外设与CPU进行数据交换的协 调及转换电路 3.3.1 微型计算机系统组成 微机的硬件的主要部分放在主机中，打开计算机主机的盖子，如图 3.3.1 微型计算机系统组成 主机箱内可以看到不太多的元器件，安装在一个印刷电路板上，这个电 路板称为“主板”，主板上布满了电子线路和电子元器件，还有一些板 卡插在主板上，如：CPU、内存条、显卡、总线等。
光驱、软驱、硬盘 固定在主机的前面板上，主机机箱中还有一个电源，为这些设备提供电 源所有的板卡和设备通过主板上的电子线路联系起来就可以一同工作 了 为了工作得有条理，会把不同的元器件和电路设计在一起，共同完成某 一项工作，就组成了功能部件，有专门进行计算的、专门进行存储的、 专门进行控制的等，这些功能部件相互间协调工作，最终共同完成计算 机的各项任务 3.3.2 中央处理器 微处理器即微型计算机的CPU，有时简称MPU，它是微型计算机的核心 部件微处理器包括算术逻辑部件ALU、控制部件和寄存器组三个基本 部件 1971年，世界上第一块微处理器4004在Intel公司诞生了它出现的意义 是划时代的，比起现在的CPU，4004显得很可怜，它只有2300个晶体管， 功能相当有限，而且速度还很慢 3.3.2 中央处理器 各种CPU及其标志图 3.3.2 中央处理器 第1代：（19711973年）是4位和8位低档微处理器时代， 其典型产品是Intel4004和Intel8008微处理器 3.3.2 中央处理器 第2代（19741977年）是8位中高档微处理器时代， 其典型产品是Intel8080/8085、Motorola公司、Zilog公司的Z80等。
它们的特点是采用NMOS工艺，集成度提高约4倍，运算速度提高约 1015倍 3.3.2 中央处理器 第3代（19781984年）是16位微处理器时代， 其典型产品是Intel公司的8086/8088，Motorola公司的M68000， Zilog公司的Z8000等微处理器其特点是采用HMOS工艺，集成度 （2000070000晶体管/片）和运算速度（基本指令执行时间是 0.5s）都比第2代提高了一个数量级 3.3.2 中央处理器 第4代（19851992年）是32位微处理器时代， 其典型产品是Intel公司的80386/80486，Motorola公司的 M69030/68040等其特点是采用HMOS或CMOS工艺，集成度高 达100万个晶体管/片，具有32位地址线和32位数据总线每秒钟可 完成600万条指令（Million Instructions Per Second，MIPS）微 型计算机的功能已经达到甚至超过超级小型计算机，完全可以胜任多 任务、多用户的作业同期，其他一些微处理器生产厂商（如AMD、 TEXAS等）也推出了80386/80486系列的芯片 3.3.2 中央处理器 第5代（1993-2005年）是奔腾（pentium）系列微处理器时代， 典型产品是Intel公司的奔腾系列芯片及与之兼容的AMD的K6、K7系 列微处理器芯片。
内部采用了超标量指令流水线结构，并具有相互独 立的指令和数据高速缓存随着MMX（Multi Media eXtended） 微处理器的出现，使微机的发展在网络化、多媒体化和智能化等方面 跨上了更高的台阶 3.3.2 中央处理器 第6代（2005年至今）是酷睿（core）系列微处理器时代，“酷睿”是 一款领先节能的新型微架构，设计的出发点是提供卓然出众的性能和能 效，提高每瓦特性能，也就是所谓的能效比早期的酷睿是基于笔记本 处理器的而酷睿到来后的几年时间里，Intel逐步称霸了PC处理器市场， 2016年，core系列第七代正式登场，新一代处理器采用英特尔最先进制 程工艺生产，将是最新一代消费级PC的旗舰微处理器 3.3.2 中央处理器 其他厂家的微处理器生产厂家最主要的是 AMD公司，在Intel的奔腾时代，AMD曾经 全面赶超同期的奔腾、赛扬，它的速龙系列 更是让Intel陷入了前所未有的绝境 但Intel的Core系列的诞生，Intel逐步称 霸了PC处理器市场 3.3.3 存储系统 1 主存储器 目前，微型计算机使用的主存储器都是半导体存储器在微型计算机系 统中广泛应用的半导体存储器有三种主要类型。
（1）只读存储器（ROM）它在没有电源的情况下能保持数据，但存 储器一旦做好，就不易改动其内容，如微型计算机中有一个BIOS芯片， 就是这种存储器，它存储的数据是在主板出厂时就做好的 3.3.3 存储系统 （2）随机存取存储器（RAM）RAM是既可从里面读取数据，也可以 存入数据的存储器其中当读出RAM中的信息时，RAM中原有信息保持 不变随机存储器的速度快，但也有一个缺点：它具有易失性RAM 中存放的所有数据当计算机断电后都会丢失通常RAM叫主存、内存条 如图3-15所示RAM又分为SRAM、SDRAM和DDR几种类型 SDRAM内存条DDR 内存条 3.3.3 存储系统 （3）高速缓冲存储器（Cache）在32位、64位微型计算机中，为了加 快运算速度，普遍在CPU与常规主存储器之间增设一级或两级高速小容 量存储器，称之为高速缓冲存储器（Cache）Cache存储器是由双极型 SRAM构成的DRAM的存储周期为10ns左右，Cache的存储器周期一 般为几个ns，比DRAM快得多高速缓冲存储器及其控制逻辑都是由硬 件实现的Cache的容量相对主存要小得多 3.3.3 存储系统 2 外存储器 常见的微型计算机的外存储器主要有软磁盘、硬盘、光盘、U盘和移动硬 盘等几种。
3.3.3 存储系统 每个盘在计算机中都有一个名字标识，人们习惯称之为盘符，用大写英 文字母加上冒号表示 通常情况下，固定用A：、B：代表软盘 从C：开始顺序编号代表硬盘，有的硬盘存储容量比较大，可以将一个硬 盘逻辑上分区为不同容量的多个硬盘，如一台计算机上有一个大容量硬 盘，逻辑分区为三个逻辑硬盘，则系统会给这个硬盘标识C：、D：、E： 三个逻辑硬盘 硬盘盘符最后一个字母的下一个字母为光盘盘符，如果该计算机还有一 个光盘，那么光盘盘符就为F：， 再往下的盘符用于给移动存储设备做标识，如U盘和移动硬盘 3.3.3 存储系统 （1）软磁盘软磁盘存储器是一种曾广泛使用的外存设备，但目前因U 盘的出现，软盘的使用呈现逐渐减少的趋势PC上主要使用存储量为 1.44MB的3.5英寸高密盘 3.3.3 存储系统 （2）硬磁盘存储器简称“硬 盘”硬盘是计算机上非常重要的 一种外存储器设备它是由若干个 同样大小的、涂有磁性材料的铝合 金圆片组合而成 现在3.5英寸硬盘使用较多这些 硬盘驱动器通常采用温彻斯特技术， 该技术的特点是把磁头、盘片及执 行机构都密封在一个腔体内，与外 界环境隔绝采用这种技术的硬盘 也称为温彻斯特盘。
硬盘具有多个 盘片 3.3.3 存储系统 硬磁盘存储的容量1991年达到100130MB左右，1997年达到1.2 3.2GB，目前市场上可见到的硬盘容量起步就是500GB，市场常见的 1TB8TB的硬盘，最大的达到60TB 衡量硬盘性能好坏，不单纯是看它的容量大小硬盘的平均寻道时间 和内部传输速率是两项主要性能指标 3.3.3 存储系统 （3）光盘存储器光盘指的是利用光学方式进行读写信息的圆盘光 盘驱动器是当前微型计算机的一个必备部件，光盘目前主要有三种类 型 固定型光盘，即CD-ROM它是由音频光盘（简称CD）发展而来的 一种小型只读存储器通常所说的“48X”表示光驱最大读盘速度是 48“倍速”，1倍速=150KBps，可提供多达600MB以上的存储空间 CD-ROM播放声音时间可达74min 追记型光盘，又称为DRAW，是一种使用者在必要时能记录信息并 可再生的光盘 可改写型光盘，又称为CD-R使用这种光盘时，使用者可自己记录 信息，还可以对已记录的信息进行抹除和改写，故又称作可读可写型 光盘CD-R光盘的容量可达650MB 3.3.3 存储系统 除了以上三类光盘外，现在还有一种CD-ROM的后继产品，称为DVD- ROM。
DVD-ROM盘片单面单层的容量为4.7GB，单面双层的容量为 7.5GB，双面双层的容量为17GB 其他常用的DVD产品有DVD-R和DVD-RAMDVD-R允许一次性写入， 容量为3.8GBDVD-RAM是一种可重复读写的介质，盘片容量目前可 达100GB 3.3.3 存储系统 （4）U盘（闪存盘）U盘采用一种可读写非易失的半导体存储器 闪速存储器作为存储媒介，通过通用串行总线接口（USB）与主机 相连，可以像使用软、硬盘一样在该盘上读写、传送文件目前Flash Memory产品可擦写次数在100万次以上，数据至少可保存10年，存 取速度至少比软盘快15倍以上U盘容量目前最大已达到2TB 3.3.3 存储系统 （5）USB移动硬盘U盘虽具有高性能、小体积、耐用等优点但对 于需要较大数据量存储的情况，U盘则显得存储容量不能满足需求这 时可使用一种存储容量更大的可移动硬盘，即采用USB接口的USB移动 硬盘。