多媒体技术第2章任务1熟悉PC主机的构成.ppt

第2章计算机硬件,任务1：熟悉PC主机的构成任务2：掌握存储器的特性任务3：了解输入/输出设备的功能,本章学习任务：1、熟悉计算机的硬件组成及PC主机的构成。2、掌握CPU的组成、性能指标，了解指令的执行过程。3、掌握芯片组、BIOS、CMOS的作用，了解I/O操作、I/O总线、I/O接口4、掌握存储器的分类及作用。5、掌握各种输入/输出设备的功能和性能指标。,任务1熟悉PC主机的构成2.1.1CPU的结构与工作原理2.1.2主板、芯片组与BIOS2.1.3I/O总线与I/O接口,计算机硬件,计算机硬件是组成计算机的各种物理设备的总称。,主板,台式PC机(立式)的主机箱,计算机硬件,计算机的硬件结构主要包含五个部分，即控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备，它们通过总线互相连接。,台式PC机的物理组成,计算机中负责对输入信息进行各种处理的部件称为“处理器”。处理器能高速执行指令完成二进制数据的算术、逻辑运算和数据传送等操作，它的结构很复杂。大规模集成电路的出现，使得处理器的所有组成部分都可以制作在一块大小仅为几个平方厘米的半导体芯片上。因为体积很小，这样的处理器称为“微处理器”。,处理器,中央处理器,一台计算机中往往有多个处理器，它们各有其不同的任务，其中承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为“中央处理器”(简称CPU)，它是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。,冯诺依曼计算机的结构与原理,(1)计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令；(2)程序(指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；(3)存储器中存放的指令和数据按地址进行存取；(4)指令是由CPU一条一条顺序执行的。,中央处理器,“存储程序控制”原理,匈牙利数学家冯诺依曼（J.vonNeumann）提出的“存储程序控制”的原理工作的，即一个问题的解算步骤（程序）连同它所处理的数据都使用二进位表示，并预先放在存储器中。程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。,CPU的结构,CPU的具体任务是执行指令，它按照指令的要求完成对数据的基本运算和处理。CPU的结构主要由三个部分组成:,CPU结构的三个部分,（1）寄存器组。它由十几个甚至几十个寄存器组成。寄存器的速度很快，它们用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间（或最后）结果。（2）运算器。用来对数据进行加、减、乘、除或者与、或、非等各种基本的算术运算和逻辑运算.（3）控制器。控制器是CPU的指挥中心，是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。,ALU,01234567,运算器(ALU)与通用寄存器(GPR),运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件(ALU)，参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器GPR，运算结果也送回GPR,通用寄存器GPR,指令,使用计算机完成某个任务必须运行相应的程序。程序是由一连串指令组成的，指令是构成程序的基本单位。指令采用二进位表示，它用来规定计算机执行什么操作。大多数情况下，指令由两个部分组成,(1)操作码。指出计算机应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除、取数、存数等，每一种操作均有各自的代码，称为操作码。（2）操作数地址。指出该指令所操作（处理）的数据或者所在的位置。操作数地址可能是1个、2个甚至多个，这需要由操作码决定。,指令的执行过程,（1）CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器。（2）指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里。（3）根据操作数的位置取出操作数。（4）运算器按照操作码的要求，对操作数完成规定的运算，并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志。（5）把运算结果保存到指定的寄存器，需要时将结果从寄存器保存到内存单元。（6）修改指令计数器，决定下一条指令的地址。,指令在计算机中的执行过程,1取指令,4修改指令计数器,3执行指令,2指令译码,指令执行周期,通常，每一步需要1个或几个时钟周期才能完成,指令系统,每一种CPU都有它独特的一组指令。CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统。在Core2处理器中共有七大类指令，即数据传送类、算术运算类、逻辑运算类、移位操作类、位（位串）操作类、控制转移类、输入/输出类。,指令系统,不同公司生产的CPU各自有自己的指令系统，它们不一定互相兼容。Intel公司生产的CPU（1）Intel公司生产的CPU主要产品发展过程为：8088（8086）802868038680486PentiumPentiumPROPentiumIIPentiumIIIPentium4奔腾D奔腾至尊酷睿酷睿2Corei3/i5/i7（2）为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式”开发新的处理器，即所有新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。,CPU的性能指标,（1）字长（位数）。字长指的是CPU中整数寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）。（2）主频（CPU时钟频率）。指CPU中电子线路的工作频率，它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢。（3）CPU总线速度。CPU总线（前端总线）的工作频率和数据线宽度决定着CPU与内存之间传输数据的速度快慢，总线速度越快，CPU的性能将发挥得越充分。（4）高速缓存（cache）的容量与结构。程序运行过程中高速缓存有利于减少CPU访问的次数。通常，cache容量越大、级数越多，其效用就越显著。（5）指令系统。指令的类型和数目、指令的功能等都会影响程序的执行速度。（6）逻辑结构。,CPU的性能如何衡,CPU的性能高低主要表现为CPU的速度，有两种衡量方法：（1）计算每秒钟可执行的指令数目(单位：MIPS、MFLOPS)巨型计算机：几十万亿几百万亿次基本运算/秒个人计算机：几千万几亿次基本运算/秒（2）PC机大多以常用软件(办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等)的运行速度来测试CPU的性能，例如：游戏性能测试程序:3DMark整体综合性能测试程序:PCMark,提高CPU性能三大措施,一是改进CPU结构；二是提高IC速度(主频)；三是增加CPU(核)的数目。,主板,主板，又叫主机板、系统板或母板(motherboard，它安装在机箱内，是计算机最基本的也是最重要的部件之一。在主板上通常安装有CPU插座、芯片组、存储器插槽、扩充卡插槽、显卡插槽、BIOS、CMOS存储器、辅助芯片和若干用于连接外围设备的I/O插口.,台式PC机主板示意图,例：华硕P5Q主板,安装了CPU和内存条的主板,主板上两块特别有用的集成电路,一块是闪烁存储器（Flashmemory），其中存放的是基本输入/输出系统（BIOS），它是PC机软件中最基础的部分，没有它机器就无法启动；另一个集成电路芯片是CMOS存储器，其中存放着与计算机系统相关的一些参数（称为“配置信息”）,包括当前的日期和时间、开机口令、已安装的光驱和硬盘的个数及类型等。CMOS芯片是一种易失性存储器，它使用电池供电，以确保在机器断电后当中的信息不会丢失。,芯片组,芯片组是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽，存储器控制、I/O控制功能几乎都集成在芯片组内，它既实现了PC机总线的功能，又提供了各种I/O接口及相关的控制。没有芯片组，CPU就无法与内存、扩充卡、外设等交换信息。芯片组一般由2块超大规模集成电路组成：北桥芯片和南桥芯片。,芯片组与主板上各个部件互连的示意图,BIOS,BIOS的中文名叫做基本输入/输出系统，它是存放在主板上闪烁存储器中的一组机器语言程序。由于存放在闪存中，即使机器关机，它的内容也不会改变。BIOS具有以下几个功能：诊断计算机故障启动计算机工作控制基本外设的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等),BIOS主要包含四个部分的程序,加电自检程序系统主引导记录的装入程序（系统自举程序）CMOS设置程序基本外围设备的驱动程序,I/O操作,输入、输出设备（又称I/O设备或外设）是计算机系统的重要组成部分，没有I/O设备，计算机就无法与外界（包括人、环境、其他计算机等）交换信息。I/O操作的任务是将输入设备输入的信息送入内存的指定区域，或者将内存指定区域的内容送出到输出设备。,I/O控制器,每个（类）I/O设备都有各自专用的控制器（I/O控制器），它们的任务是接受CPU启动I/O操作的命令后，独立地控制I/O设备的操作，直到I/O操作完成。I/O控制器是一组电子线路，不同设备的I/O控制器结构与功能不同，复杂程度相差也很大。,I/O控制器,有些设备（如键盘、鼠标器、打印机等）的I/O控制器比较简单，它们已经集成在主板上的芯片内。有些设备（如音频、视频设备等）的I/O控制器比较复杂，且设备的规格和品种也比较多样，这些I/O控制器就制作成扩充卡（也叫做适配卡或控制卡），插在主板的PCI扩充槽内。大多数I/O设备都是一个独立的物理实体，它们并不包含在PC机的主机箱里。因此，I/O设备与主机之间必须通过连接器（也叫做插头或插座）实现互连。主机上用于连接I/O设备的各种插头、插座，统称为I/O接口。,I/O总线、I/O控制器、I/O接口与I/O设备的连接方式,I/O总线,总线指的是计算机部件之间传输信息的一组公用的信号线及相关控制电路。它用于在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。总线有三种类型：CPU总线（前端总线FSB）存储器总线I/O总线（目前使用的是PCI和PCI-E两种）。CPU芯片与北桥芯片相互连接的总线称为CPU总线（前端总线）I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的一组公用信号线称为I/O总线,总线上三类信号,总线上通常有三类信号：数据信号、地址信号和控制信号负责传输这些信号的线路分别称为数据线、地址线和控制线，协调与管理总线操作的是总线控制器。,总线的带宽,总线最重要的性能是它的数据传输速率，也称为总线的带宽，即单位时间内总线上可传输的最大数据量。总线带宽的计算公式如下：总线带宽（MB/s）=（数据线宽度/8）总线工作频率（MHz）每个总线周期的传输次数例题：计算机系统中总线最重要的性能是它的带宽，若总线的数据线宽度为16位，总线的工作频率为133MHZ，每个总线周期传输一次数据，则其带宽=1681331MB/s=266MB/s,PCI总线,20世纪90年代初开始，PC机一直采用一种成为PCI的I/O总线，它的工作频率是33MHz，数据线宽度是32位（或64位），传输速率达133MB/s（或266MB/s），可以用于挂接中等速度的外部设备。但性能已经跟不上实际使用要求。,PCI-E,PCI-Express(简称PCI-E或PCIe)是PC机I/O总线的一种新标准，它采用高速串行传输以点对点的方式与主机进行通信。PCI-E包括X1、X4、X8和X16等多种规格，分别包含1、4、8或16个传输通道，每个通道的数据传输速率为250MB/s,n个通道可使传输速率提高n倍，以满足不同设备对数据传输速率的不同需求。除了数据传输速率高的优点之外，由于是串行接口，PCI-E插座的针脚数目也大为减少，这样就降低了PCI-E设备的体积和生产成本,PCI和PCI-E扩充卡插槽,各种I/O插口,I/O设备接口,I/O设备与主机一般需要通过连接器实现互连，计算机中用于连接I/O设备的各种插头、插座以及相应的通信规程及电器特性，就称为I/O设备接口，简称I/O接口。,I/O接口分类,数据传输方式：串行（一位一位地传输数据，一次只传输1位）并行（8位或者16位、32位一起进行传输）之分数据传输速率低速高速是否能连接多个设备：有总线式（可串接多个设备，被多个设备共享）独占式（只能连接1个设备）之分是否符合标准来看标准接口专用接口,串行和并行接口,PC机常用I/O接口,台式PC机箱背部的I/O设备接口,显示器接口(3种),麦克风音箱,键盘接口,HDMI接口,USB接口,以太网RJ-45接口,鼠标器接口,数字音频接口(同轴电缆接口),数字音频接口（光纤接口）,e-SATA接口,USB接口,USB是英文UniversalSerialBus（通用串行总线）的缩写，它是一种可以连接多个设备的总线式串行接口，现在已经在PC机、数码相机、MP3播放器等设备中普遍使用。,