第二章计算机组成原理

1计算机组成原理——《专转本——计算机基础》第2章

2计算机的组成与分类：

CPU的结构与原理：PC机组成：常用输入设备：常用输出设备：外存储器主要内容32.1.1、发展：计算机的诞生与发展:第一台电子计算机诞生ENIAC：电子数字积分机与计算机。时间：1946年2月地点：美国宾夕法尼亚大学用途：军事提出了两个主要论点:*使用二进制*存储程序和程序控制2.1计算机的组成与分类42.1.1、发展：过去很长时间人们都按照计算机主机所使用的元器件，为计算机划代。真空电子管晶体管中小规模集成电路大规模超大规模集成电路2.1计算机的组成与分类52.1.1、发展：冯•诺依曼思想:1) 用二进制代码表示程序和数据；2) 计算机采用存储程序的工作方式；3) 计算机硬件由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备组成。2.1计算机的组成与分类62.1.2、计算机逻辑组成：计算机系统由计算机硬件系统和软件系统两部分组成。从逻辑功能上讲计算机包括：中央处理器（运算器与控制器）、存储器（内存和外存）、输入设备、输出设备等，它们通过总线互相连接组成的结构体系。主机：CPU与主存储器连同总线构成外围设备：外存储器与输入输出设备构成2.1计算机的组成与分类72.1.2、计算机逻辑组成：2.1计算机的组成与分类82.1.2、计算机逻辑组成：1、输入设备：把信息(原始数据或程序)转换为计算机能识别的形式而送入计算机内存的过程，向计算机输入的内容，输入到计算机中的信息都被转换成二进制“0”和“1”两个符号来表示。2.1计算机的组成与分类92.1.2、计算机逻辑组成：2、中央处理器：包含运算器和控制器。承担系统软件和应用软件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入信息进行各种处理，使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。2.1计算机的组成与分类102.1.2、计算机逻辑组成：3、内存储器与外存储器：：1）内存储器内存储器与CPU高速相连，用来存储正在运行的程序和需要立即处理的数据，CPU工作时所执行的指令及数据都是从内存中取出的，它产生的结果存入在内存中。CPU可按地址直接访问，存储速度快具有易失性。。2.1计算机的组成与分类112.1.2、计算机逻辑组成：3、内存储器与外存储器：2）外存储器或称为辅存，它长期存放在计算机系统中的信息计算机执行时，外存中的程序及相关的数据先传送到内存，然后才能被CPU使用。CPU可按不能地址直接访问，存储速度慢容量大非易失性。2.1计算机的组成与分类122.1.2、计算机逻辑组成：4、输出设备：把信息送出计算机的过程，指计算机所产生的结果。计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式，完成信息输出的设备，即把计算机内存储器中用“0”和“1”表示并存储的信息转换成人可直接识别的信息形式的设备如显示器、打印机等。2.1计算机的组成与分类132.1.2、计算机逻辑组成：5、总线与I/O接口：系统总线是用来在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一个控制部件(含传输线与控制电路)。有些计算机把连接CPU和内存的总线称为系统总线，把连接内存和I/O设备(包括外存)的总线称为I/O总线。2.1计算机的组成与分类142.1.2、计算机逻辑组成：5、总线与I/O接口：系统总线上有3类信号：数据信号、地址信号、控制信号，因此有数据总线、地址总线、控制总线计算机系统中的I/O设备通过I/O端口与各自的控制器（即，适配器）连接，然后由控制器与总线相连。常用的I/O端口有并行口、串行口、视频口、USB口等，它们的外形、结构和信号交换规程各不相同。2.1计算机的组成与分类152.1.2、计算机逻辑组成：5、总线与I/O接口：2.1计算机的组成与分类162.1.3、计算机分类：按内部逻辑结构分为：单处理机、多处理机(并行机)按字长分为：16位机、32位机或64位机、128位计算机等按计算机的性能、用途和价格分为：巨型计算机、大型计算机小型计算机、个人计算机、服务器、嵌入式计算机2.1计算机的组成与分类172.1.3、计算机分类：服务器/客户机：在这种系统中，巨型机、大型机和小型机均可作为系统的服务器，个人计算机和工作站则用作客户机。客户机直接面向用户，通过联网与服务器共同合作完成信息处理的任务。服务器的存储容量大，网络通信功能强、可靠性好、运行专门的网络操作系统。微控制器（单片机）：是一种把处理器、存储器、输入／输出接口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电路芯片。2.1计算机的组成与分类18单选题：完整的计算机硬件系统一般包括外部设备和______。

A)运算器和控制器 B)存贮器 C)主机 D)中央处理器填空题总线上有数据信号、地址信号和

信号三类信号2.1计算机的组成与分类192.2.1、CPU内部组成：运算器、控制器、寄存器、高速缓存2.2CPU的结构与原理202.2.1、CPU内部组成：运算器（执行单元）：对数据进行各种算术运算和逻辑运算(称ALU)控制器：取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其它部件的操作控制信号，记录内部状态，内有指令计数器每执行完一指令自动加1寄存器：临时存放参加运算的数据和得到的中间结果2.2CPU的结构与原理212.2.1、CPU内部组成：Cache（高速缓冲存储器）：由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。通常，Cache容量越大，访问Cache的命中率就越高，CPU的速度就越快。是内存内容在CPU中的映射或称副本。2.2CPU的结构与原理222.2.1、CPU内部组成：Cache（高速缓冲存储器）：2.2CPU的结构与原理232.2.2、CPU运算速度：每秒执行指令数目的多少单位：MIPS影响CPU运算速度的要素：CPU工作频率、Cache容量、指令系统、运算器的逻辑结构、CPU总线速度、内核个数（多个内核并行使用）2.2CPU的结构与原理242.2.2、CPU运算速度：1）主频：主频也叫时钟频率，单位是MHz（或GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。CPU的主频＝外频×倍频系数。主频越高，速度越快，主频为2G的CPU速度≠主频为1G的CPU速度的2倍2）外频：外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。是系统总线的工作频率2.2CPU的结构与原理252.2.2、CPU运算速度：3）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。4）前端总线(FSB)频率：前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。有一条公式可以计算，即数据带宽＝(总线频率×数据位宽)/8，2.2CPU的结构与原理262.2.2、CPU运算速度：外频与前端总线(FSB)频率的区别：前端总线的速度指的是数据传输的速度，外频是CPU与主板之间同步运行的速度。也就是说，100MHz外频特指数字脉冲信号在每秒钟震荡一亿次；而100MHz前端总线指的是每秒钟CPU可接受的数据传输量是100MHz×64bit÷8bit/Byte=800MB/s。2.2CPU的结构与原理272.2.2、CPU运算速度：5）字长：中央处理器中定点运算器和寄存器的宽度。即运算器中运算时的最多二进制位数或在寄存器组中某寄存器存储的二进制位数。是2的整数次幂，决定了CPU的计算精度，同时影响数据处理速度，通常：32位、64位、128位，目前使用的Corei3/i5/i7均是64位机2.2CPU的结构与原理282.2.3、指令与指系统：机器指令（简称指令）：一种使用二进制编码表示的命令（所有机器指令的全体构成计算机的“机器语言”），它用来规定计算机执行什么操作以及操作对象所在的位置。机器指令格式: 操作码+操作数操作码：表示计算机应执行何种操作的一个二进制代码2.2CPU的结构与原理292.2.3、指令与指系统：操作数：表示该指令所操作（处理）的数据（直接数）或数据所在存储单元的地址，通常每一种不同类型的CPU都有它自己独特的一组指令，称指令系统。机器语言：是和指令系统中指令编写的可执行程序，是CPU可以接受的唯一语言，用机器指令编写的程序中的每一条指令都可以直接被控制器译码产生执行指令所需的控制信号。2.2CPU的结构与原理302.2.3、指令与指系统：由于每种类型的CPU都有自己的指令系统，因此，某一类计算机的可执行程序代码未必能在其它计算机上运行，这个问题称之为计算机的“兼容性”问题。同一公司的ＣＰＵ产品通常“向下兼容”——新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。2.2CPU的结构与原理311、指令系统是CPU能够执行的所有指令的集合2、CPU中包含若干个寄存器用来临时存放数据3、配置高速缓冲存储器(Cache)是为了解决_____

A)内存与辅助存储器之间速度不匹配问题

B)CPU与辅助存储器之间速度不匹配问题

C)CPU与内存储器之间速度不匹配问题

D)主机与外设之间速度不匹配问题历年真题32PC机的物理组成：机箱、显示器、键盘、鼠标器等机箱内包含：主板、硬盘、光驱、电源、风扇、内存条等2.3PC主机的组成332.3.1、 主板主板上有两块特别有用的集成电路：基本输入输出系统BIOS芯片，没有它计算机不能正常启动，CMOS存储器，存放着与计算机系统有关的参数（配置信息，时间和日期、开机口令，硬盘参数等），CMOS是一种非易失性存储器，主板电池供电，2.3PC主机的组成342.3.1、 主板主板上有两块特别有用的集成电路：基本输入输出系统BIOS芯片，没有它计算机不能正常启动，CMOS存储器，存放着与计算机系统有关的参数（配置信息，时间和日期、开机口令，硬盘参数等），CMOS是一种非易失性存储器，主板电池供电，2.3PC主机的组成352.3PC主机的组成CPU插座显卡插槽（PCI－E）SATA硬盘接口扩展卡插槽（PCI）CMOS存储器BIOS芯片组I/O接口内存条插座362.3.2、芯片组集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内，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。不同类型CPU使用不同的芯片组。存储控制器、I/O控制功能几乎者集成在芯片组内，它即实现了PC机的总线功能以提供各种I/O接口及相关控制。没有芯片组CPU就无法与内存扩展卡及外设的信息交换。2.3PC主机的组成372.3.2、芯片组2.3PC主机的组成382.3.3、BIOS基本输入/输出系统，是操作系统的最底层部分的机器语言程序。具有启动计算机、诊断计算机故障及控制基本输入输出操作的功能，BIOS存放在只读存储器芯片(ROM)中,一般称为BIOS芯片具有非易失性，计算机断电内容不会改变。2.3PC主机的组成392.3.3、BIOSBIOS主要包含4部分的程序,一般情况下是不能被修改的1) POST(PowerOnSelfTest，加电自检)程序（检测计算机故障）2) 系统自举（装入）程序（启动计算机）3) CMOS设置程序4) 基本外围设备的驱动程序（实现常用外部设备输入输出操作的控制程序）2.3PC主机的组成402.3.3、BIOSCMOS芯片(互补金属氧化物半导体存储器)存放用户对计算机硬件所设置的一些参数(称为“配置信息”)，包括当前的日期和时间等。CMOS是一种半导体存储器芯片，使用电池供电，成为非易失性存储器，只要电池供电正常，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。2.3PC主机的组成412.3.3、BIOSPC机的启动过程：1）POST加电自检)程序（检测计算机故障）按照CMOS内容来识别硬件的配置，进行测试和初始化（CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显卡、键盘、硬盘等）2.3PC主机的组成422.3.3、BIOSPC机的启动过程：2）装入程序：按照CMOS中预先设定的启动程序搜索启动顺序、搜寻硬盘或CD—ROM或U盘从中读出引导程序并装入内存然后将控制权交给引导程序由引导程序继续安装操作系统并由操作系统控制计算机2.3PC主机的组成432.3.4、主存储器：2.3PC主机的组成442.3.4、主存储器：2.3PC主机的组成半导体存储器易失性存储器非易失性存储器静态随机存储器SRAM动态随机存储器DRAMCache存储器主存储器电可擦写只读存储器EEPROM闪速存储器FlashMNOR型NAND型BIOS外存452.3.4、主存储器：1、分类RAM(随机存取存储器)：多采用MOS(金属氧化物半导体)型半导体集成电路芯片制成。易失性。ROM（只读存储器） MaskROM（掩膜ROM） PROM和EPROM 2.3PC主机的组成462.3.4、主存储器：1、分类 FlashROM（快擦除ROM，或闪速存储器）高速缓冲存储器Cache是使用SRAM芯片组成的一种高速缓冲存储器，简称快存2.3PC主机的组成472.3.4、主存储器：2、主存储器主要由DRAM芯片组成的。它包含大量的存储单元，每个存储单元可以存放1个字节，存储器容量是它所包含的存储单元的总和，每个存储单元都有一个地址，CPU按地址进行对存储器的访问。内存器容量与地址根数N的关系：容量＝2NB2.3PC主机的组成482.3.4、主存储器：2、主存储器工作原理2.3PC主机的组成492.3.4、主存储器：3、I/O总线1) 总线是计算机部件之间传输信息的一组公用的信号线及相关的控制电路。2) I/O总线上的信号类别：数据信号、地址信号、控制信号3) I/O总线上线路类别：数据线、地址线、控制线2.3PC主机的组成502.3.4、主存储器：3、I/O总线4) 总线控制器：位于主板的芯片组与管理I/O总线操作5) I/O总线的带宽（总线的数据中，协调传输速率）单位时间内总线上可传送的数据量(字节数)总线带宽（MB/s）=（数据线宽度/8）×总线有效工作频率（MHz）6) PCI－E是PC机I/O总线的一种新标准。支持高级电源管理和执插拔。2.3PC主机的组成512.3.4、主存储器：7) I/O设备接口a) I/O端口分类b) 从是否能连接多个设备来分c) 总线式（可连接多个设备，被多个设备共享，例如，USB接口）d) 独占式（只能连接1个设备）e) 从是否符合标准来分f) 标准接口（通用接口,例如USB）g) 专用接口（专用接口例如VIDEO视频口)2.3PC主机的组成522.3PC主机的组成53目前CPU内部的cache采用的是DRAM芯片。若某处理器的地址线数目为34，则其可访问的最大内存空间为

A．8GB B．8MB

C．16GB

D．16MB历年真题54下列关于芯片组的叙述，错误的是

A．CPU型号的选择与芯片组无关

B．芯片组实现了PC机总线的功能

C．主板上所能安装的内存类型由芯片组决定

D．芯片组提供了各种I/O接口的控制电路CPU内部cache中的数据是哪部分内容的映射?A．硬盘 B．内存 C．寄存器 D．优盘历年真题55主要内容:键盘、鼠标器、笔输入设备、扫描仪、数码相机

2.4.1键盘可以将字符或命令等输入到计算机中。键的个数。例如 104键盘（台式PC机普遍采用） 108键盘与主机的接口：PS/2接口、USB接口、无线接口（用于无线键盘）2.4常见输入设备562.4.2鼠标器1)分辨率：鼠标器最主要的技术指标，用dpi（dotperinch）表示，指鼠标每移动一英寸距离光标在屏幕上所通过的像素的数目。目前多为：300—400dpi2)连接到主机的接口：RS－232串行口（9针D形）PS/2接口（6针圆形）USB接口 无线鼠标2.4常见输入设备572.4.3扫描仪光电原理设计主要器件：CMOS和CCD1、分辨率（dpi）反映了扫描仪扫描图像的清晰程度，用每英寸生成的像素数目（dpi）来表示。例如，600*1200dpi，1200*2400dpi2、色彩位数（色彩深度）反映了扫描仪对图像色彩的辨析能力，色彩位数越多，扫描仪所能反映的色彩就越丰富，扫描的图象效果也越真实。例如，24bit，32bit，36bit，42bit，48bit。3、扫描幅面：例如，A4,A3。2.4常见输入设备582.4.4数码相机

CCD像素个数决定照片图像能达到的最高分辨率。例如，照片分辨率达16001200时，共有192000个像素（200万像素），这种数码相机能满足一般应用要求 存储器的容量保存CCD成像并转换后得到的数字图像的数据2.4常见输入设备592.5.1显示器1、作用：将数字信号转化为光信号，最终将文字、图形、图像显示出来2、组成：监视器、显示控制器3、常见类型 阴极射线管显示器（简称：CRT） 液晶显示器（简称：LCD）2.5常见输出设备602.5.1显示器

4、主要性能指标显示屏的尺寸：对角线的长度显示器的分辨率，整屏可显示的像素的个数分辨率越高,图像越清晰一般用“水平像素个数垂直像素个数”表示例如1024768,800600,640480点距:像素点之间的距离刷新速率:显示图像每秒钟更新的次数，速率越高图像稳定性越好2.5常见输出设备612.5.1显示器

5、可显示的颜色数目一个像素可以显示出的颜色数量，由表示一个像素颜色编码的二进制数的位数决定。例如，4位二进制数可以表示16种颜色。6、显示控制器（又称显示卡，显示适配卡），主机与显示器的桥梁，控制和生成文字与图形在显示屏上的输出。接口主要有AGP接口，现在常用PCI——E接口2.5常见输出设备622.5.2打印机1) 针式打印机一种击打式打印机，其工作原理主要体现在打印头上。打印头安有钢针（9、16、24）特点： 耗材成本低 能多层套打 打印质量低 工作噪声大2.5常见输出设备632.5.2打印机2) 激光打印机激光技术与复印技术相结合的产物，是一种高质量、高速度、低噪声、价格适中的输出设备。特点：分辨率较高，打印质量好2.5常见输出设备642.5.2打印机3) 喷墨墨打印机能输出彩色图像，经济，打印效果好，低噪音，使用低电压，环保，但墨水成本高，消耗快2.5常见输出设备652.5.2打印机4）主要性能指标性能打印精度(dpi每英寸像素点数) 例如，600*600dpi打印速度（ppm每分钟打印页数）

2.5常见输出设备662.6.1硬盘1、组成与原理磁盘片（存储介质）、主轴与主轴电机、移动臂和磁头、控制电路它是由铝合金或玻璃材料制成，上下两面涂有磁性材料来记录信息，分别根据磁化方向记录0、1信息，由外向内是由许多同心圆组成，每个圆称为一个磁道，每个磁道分为若个扇区，每个扇区由512个字节组成。

2.6外存储器672.6.1硬盘

2.6外存储器682.6.1硬盘

2.6外存储器692.6.1硬盘1、组成与原理1) 一个硬盘驱动器中包含多张盘片2) 每个盘片有两个记录面（两个磁头）3) 每个记录面有若干磁道4) 每个磁道有若干扇区5) 每个扇区存储512字节的二进制数据6) 柱面cylinder：所有记录面中半径相同的所有磁道

2.6外存储器702.6.1硬盘2、硬盘读写某个扇区中数据的过程：已知要读写的扇区地址：1)磁头号（所在记录面），例如，0号磁头2)柱面号（所在的磁道），例如，0号柱面3)扇区号（所在的扇区），例如，1号扇区读写过程：磁头寻道（由柱面号控制）等待扇区到达磁头下方（由扇区号控制）读写扇区数据（由磁头号控制）

2.6外存储器712.6.1硬盘磁盘上的数据读写速度与机械运动有关，读写速度慢，10NS，硬盘通过将数据暂存在一个比其人速度快得多的缓冲区中来加速经与主机交换数据的速度，它个缓冲区就是硬盘的高速度缓存（由DRAM芯片构成）加快硬盘读写速度。与主机接口：IDE，ATA、SATA

2.6外存储器722.6.1硬盘3、主要性能指标1）容量：GB2）平均存取时间：由硬盘的旋转速度、磁头的寻道时间和数据传输速率所决定，时间大概是几－几十毫秒3）Cache容量(单位KB或MB)改善硬盘数据传输性质4）数据传输速率(单位MB/s)（内部传输速率硬盘在盘片上读写数据的速率，小于外部传输速率。外部传输速率是指主机从硬盘缓存读写的速度与接口类型有关。）2.6外存储器732.6.1硬盘4、使用硬盘的注意事项 正在对硬盘读写时不能关掉电源 保持使用环境的清洁卫生，注意防尘；控制环境温度，防止高温、潮湿和磁场的影响 防止硬盘受震动 及时对硬盘进行整理，包括目录的整理、文件的清理、磁盘碎片整理等 防止计算机病毒对硬盘的破坏，对硬盘定期进行病毒检测

2.6外存储器742.6.2移动存储器1）闪存盘也称为“优盘”，采用Flash存储器（闪存）技术，体积小，重量轻，容量可以按需要而定（8MB～2GB），具有写保护功能，数据保存安全可靠，使用寿命可长达10年之久。利用通用的USB接口，它的读写速度比软盘快15倍，且可以与几乎所有计算机连接。有些产品还可以模拟软驱和硬盘启动操作系统。2. 2.6外存储器752.6.2移动存储器2）移动硬盘 存储容量：10GB——60GB，采用USB或IEE1394接口、可以随时插拔、小巧而便于携带的硬盘存储器。其容量大，兼容性好，即插即用，速度快，体积小，安全可靠。

2.6外存储器762.6.3光盘存储器1、光