第3章 3 1计算机的组成

第三章、计算机硬件系统,计算机的组成微型计算机发展微型计算机的基本结构,计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。计算机硬件是计算机软件工作的基础。要真正理解计算机，必须对计算机的硬件组成有深入的了解。,理论,实现,计算机的组成,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,计算机技术的发展如同其他技术发展一样，经历了理论到实现的过程。,计算机的组成,图灵机的理论模型图灵机是一种理论模型。它的基本思想是将输入状态、输出状态、内部状态和程序集合成一个抽象的计算模型来解决问题。图灵机模型为计算机的发展奠定了理论模型。,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,无限延长的带子,冯诺依曼体系结构1945年，冯诺依曼提出了在数字计算机内部的存储器中存放程序的概念，这是所有现代电子计算机共同遵守的基本规则，被称为“冯诺依曼体系结构。,特点：指令采用顺序执行；指令包括指令码和地址码；采用二进制形式表示数据和指令；将程序事先存入主存储器中；计算机系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。,典型的冯诺依曼计算机组成：,指令指令能被计算机硬件理解并执行。是程序设计的最小语言单位。一条计算机指令是用一串二进制代码表示的，由操作码和操作数两个字段组成。操作码指明指令的功能，如取数、加、减等操作操作数是指令操作的数据。通常包括数据本身或数据所在的寄存器、主存、外设的位置，所以常称为地址码。,计算机的组成,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,指令示例：某条16位的指令0110000010000100，第1512位为操作码，操作码0110表示“加”操作；第116位为操作数一的地址码，000010表示寄存器“B”；第50位为目标操作数的地址码，000100表示寄存器“A”；该指令在运行时，操作码“0110”指出要进行加法操作，将寄存器A中的内容与存储单元B中的内容相加，结果放到寄存器A中。,计算机的组成,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,计算机系统由软件系统和硬件系统两大部分构成。硬件系统简称硬件，是构成计算机的各种实际物理设备，软件系统简称软件，是指管理、控制和维护计算机的各种程序、数据和文档的总称。硬件系统是软件系统的基础，软件系统是硬件系统的灵魂，二者相辅相成，缺一不可。,计算机的组成,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,计算机系统,计算机的组成,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,计算机系统组成,计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备。其基本功能是接受计算机程序的控制以实现数据输入、运算、数据输出等一系列操作。目前计算机的种类很多，但在基本的硬件结构方面，它一直沿袭着冯诺依曼的体系结构，从功能上都可以划分为5大基本组成部分，即输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。,计算机的组成,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,计算机硬件构成,程序、数据,输入设备,存储器,运算器,存储,取数据,控制器,输出设备,存数据,计算结果,程序指令,存取指令,输入指令,运算指令,输出指令,输入设备功能：将要加工处理的信息转换成计算机能够识别处理的内部形式，以便处理。,存储器的功能：是用于存储以内部形式表示的各种信息，包括程序、数据、运算的中间结果及最终结果。,运算器是计算机对数据进行加工处理的部件，主要功能是进行算术运算或者逻辑运算。,输出设备的功能：将信息从计算机的内部形式转换为使用者所要求的形式，以便能为人们识别或被其他设备所接收。,控制器是整个计算机的控制指挥中心。其功能是控制计算机各部件自动协调的工作。控制器负责从存储器中取出指令，然后进行指令的译码和分析，并产生一系列控制信号。这些控制信号按照一定的时间顺序发往各部件，控制各部件协调工作，并控制程序的执行。,(1)运算器运算器是计算机对数据进行加工处理的部件，主要功能是进行算术运算或者逻辑运算。运算器由算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit，ALU）、累加器、状态寄存器和通用寄存器等组成。,计算机的组成,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,(2)控制器控制器是整个计算机的控制指挥中心，其功能是控制计算机各部件自动协调的工作。控制器负责从存储器中取出指令，然后进行指令的译码和分析，并产生一系列控制信号。这些控制信号按照一定的时间顺序发往各部件，控制各部件协调工作，并控制程序的执行。,计算机的组成,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,(3)存储器存储器的功能是用于存储以内部形式表示的各种信息，包括程序、数据、运算的中间结果及最终结果。根据存储设备在计算机中所处的位置不同，可以分为主存储器和辅助存储器；根据存储介质的不同可以分成磁性存储器、半导体存储器和光介质存储器等。,计算机的组成,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,(4)输入设备输入设备的功能是将要加工处理的外部信息转换为计算机能够识别和处理的内部形式，以便于处理。常用的设备包括鼠标、键盘以及扫描仪等。(5)输出设备输出设备的功能是将信息从计算机的内部形式转换为使用者所要求的形式，以便能为人们识别或被其他设备所接收。常用的包括显示器、打印机等。,计算机的组成,1.计算机的发展2.计算机系统组成3.计算机硬件构成,第三章、计算机硬件系统,计算机的组成微型计算机发展微型计算机的基本结构,微型计算机发展,微处理器(Microprocessor)简称P或MP，是由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器的中央处理机部件。为了区别大、中、小型中央处理器(CPU)与微处理器，把前者称为CPU，后者称为MPU(MicroprocessingUnit)。,微型计算机(Microcomputer)简称C或MC，是指以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的存储器、输入输出接口电路及系统总线所组成的计算机(简称微型机，又称微型电脑)。有的微型计算机把CPU、存储器和输入输出接口电路都集成在单片芯片上，称之为单片微型计算机，也叫单片机。,微型计算机发展,微型计算机的发展表,微型计算机发展,1.第一代(19711973)：4位或低档8位微处理器和微型机代表产品是美国Intel公司的4004微处理器以及由它组成的MCS-4微型计算机(集成度为1200晶体管/片)，第一代微型机就采用了PMOS工艺，基本指令时间约为1020s。,微型计算机发展,2.第二代(19741978)：中档的8位微处理器和微型机以美国Intel公司的8080(Intel8080集成度为4900管/片)。采用NMOS工艺，集成度提高14倍，运算速度提高1015倍，基本指令执行时间约为12s。,微型计算机发展,第三代(19781981)：16位微处理器和微型机代表产品是Intel8086(集成度为29000管/片)，Z8000(集成度为17500管/片)和MC68000(集成度为68000管/片)。采用HMOS工艺，基本指令时间约为0.05s。,微型计算机发展,第四代(1985年以后)：32位高档微型机代表产品是Intel80386和80486，工作主频达到25MHz，有32位数据线和24位地址线。1993发布了它的新一代处理器Pentium(奔腾)，CPU晶体管的数目增加到500万个以上，工作主频率从66MHz增加到333MHz。,微型计算机发展,第三章、计算机硬件系统,计算机的组成微型计算机发展微型计算机的基本结构,微型计算机的基本结构,微型计算机的结构,MPU组成:运算器控制器寄存器,内存储器:随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）,总线,外设组成:外存储器输入设备输出设备,1.主机箱与主板,主机箱,微型计算机的基本结构,1.主板,微型计算机的基本结构,1.主板,微型计算机的基本结构,PC机主板示意图,处理器（CPU插槽）,芯片组1,芯片组2,BIOS,CMOS,电源连接器,I/O接口,内存插槽,显卡插槽,扩充卡（PCI）插槽,光驱、硬盘连接器,主板上的闪烁存储器，用于存放基本输入、输出系统。它是PC机软件中最基础的部分，没有它机器无法启动。,存放与计算机系统相关的参数，如当前日期和时间、开机口令、已安装的光驱和硬盘的个数及类型等。CMOS芯片是易失性存储器，由主板上电池供电，以保证关机后不丢失所存信息。,是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽（存储器的控制、I/O控制功能几乎都集成在芯片组内。它既实现了PC总线的功能，又提供了各种I/O接口及相关控制。,主板芯片组芯片组通常由南桥芯片和北桥芯片构成；北桥芯片决定:CPU的类型、主板的系统总线频率、内存的性能、显卡插槽的规格等；南桥芯片决定:扩展槽的种类与数量、扩展接口的类型和数量等。,1.主板,微型计算机的基本结构,CPU,北桥芯片组,南桥芯片组,内存条,硬盘接口,网络接口键盘、鼠标接口并行口，串行接口等,USB接口音频、ModemPCI插槽电源管理时钟控制等,显卡,BIOSPS/2接口：功能比较单一，用于连接键盘和鼠标;USB接口：是现在最为流行的接口，最大可以支持127个外设，并且可以独立供电;LPT接口(并口)：一般用来连接打印机或扫描仪；MIDI接口：声卡的MIDI接口和游戏杆接口是共用的。,1.主板,微型计算机的基本结构,2.中央处理器,MPU的组成部分控制器用来协调和指挥整个计算机系统的操作。运算器主要完成算术运算和逻辑运算。寄存器用来临时寄存中间数据和地址的存储位置。MPU的内部总线是数据和指令在MPU中传递以及运算器和控制器之间信息交流的通道。,微型计算机的基本结构,MPU的性能指标主频。也叫时钟频率（CPUClockSpeed），单位是MHz，用来表示CPU的运算速度；外频。是CPU的基准频率，单位也是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度；字长：CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。通常所说的8位机、16位机、32位、64位机即指CPU可同时处理8位、16位、32位、64位的二进制数。,2.中央处理器,微型计算机的基本结构,MPU的性能指标缓存。缓存有利于减少CPU访问内存的次数。缓存级数越多，其效用越显著。L1Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。L2Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存，分内部和外部两种芯片。L3Cache(三级缓存)，可以进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。,2.中央处理器,微型计算机的基本结构,MPU的主要生产厂商Intel、AMD、VIA、Apple、HP、SUN、IBM等公司；其中以Intel和AMD生产的产品应用最为广泛。,2.中央处理器,微型计算机的基本结构,存储器分层结构图,3.存储器,微型计算机的基本结构,3.存储器,内存储器（1）RAM（随机存储器）其内容可以随时根据需要读出，也可以随时重新写入新的信息。当电源电压丢掉时，RAM中保存的信息都将会丢失。RAM分类：SRAM(静态RAM)，适合用作Cache、DRAM（动态RAM），适合用作内存。,微型计算机的基本结构,微型计算机的基本结构,3.存储器,内存储器（2）ROM（只读存储器）内容只能读出而不能写入和修改的存储器，其存储的信息是在制作该存储器时就被写入。当电源断电时，ROM中保存的信息不会丢失。,内存储器(3)内存技术指标常用指标有容量与速度。内存容量主要有64MB、128MB、256MB,GB等。内存的速度是指读或写一次内存所需的时间，数量级以纳秒（ns）衡量，主要有10纳秒、8纳秒、7纳秒等。,微型计算机的基本结构,3.存储器,外存储器（1）软盘一种磁介质形式的大容量存储器。常用软盘种类是双面高密度3.5英寸盘，它的存储容量为1.44MB。,微型计算机的基本结构,3.存储器,外存储器（2）硬盘由若干个硬盘片组成的盘片组，一般被固定在主机箱内。硬盘的盘片由铝合金或玻璃材料制成，盘片上下两面涂有很薄的磁性材料，记录数据。硬盘容量主要有120GB、1000GB、1.5TB、2TB、3TB、4TB等。,微型计算机的基本结构,3.存储器,外存储器(3)磁带存储器以磁带为存储介质，由磁带机及其控制器组成的存储设备。主要作为备份文件和档案的后备存储器。,微型计算机的基本结构,3.存储器,外存储器(4）光盘主要利用激光原理存储和读取信息。光盘片用塑料制成，塑料中间夹入了一层薄而平整的铝膜，通过铝膜上极细微的凹坑记录信息。计算机上用的CD-ROM有一个数据传输速率指标，称为倍速。1倍速的数据传输速率是150Kbps，24倍速CD-ROM的数据传输速率是24150Kbps=3.6MB/s。,微型计算机的基本结构,3.存储器,外存储器(4）光盘光盘片的类型：光盘片：最早用于存储高保真数字立体声音乐，后来作为计算机的外存储器使用。分为:CD-ROM(只读）、CD-R(可写一次)和CD-RW（可多次读写）三种类型。光盘片：与CD盘片大小相同，分为单面单层、单面双层、双面单层和双面双层。DVD道间距比CD小一半且信息凹坑更加密集，并利用聚集更细的红色激光进行信息的读取，因而盘片的存储容量大大提高。蓝光光盘(Blue-rayDisc)：是索尼、飞利浦、松下等公司设计开发的，是目前最先进的大容量光盘片，单层盘片的存储容量为25GB。BD分为BD-ROM(只读）、BD-R(可写一次)和BD-RW（可多次读写）三种类型。,微型计算机的基本结构,3.存储器,外存储器()闪存常用软盘种类是双面高密度3.5英寸盘，它的存储容量为1.44MB。常用的“U盘”，数码相机、MP3上用的CF（CompactFlash）卡、SM(SmartMedia)卡，MMC（MultiMediaCard）卡。,微型计算机的基本结构,3.存储器,外存储器()移动硬盘采用计算机外设标准接口（USB/IEEE1394）的硬盘，即插即用，无需驱动。它有容量大、单位存储成本低、速度快、兼容性好的特点。,微型计算机的基本结构,3.存储器,Cache（高速缓冲存储器）一种比主存储器存取速度更快的超高速缓冲存储器，即Cache，置于CPU与主存之间，以满足CPU对内存高速访问的要求。Cache的存储容量主要有256KB、512KB等。Cache的容量并不是越大越好，过大的Cache会降低CPU在Cache中查找的效率。,微型计算机的基本结构,3.存储器,4.输入输出设备,输入设备目前常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数字化仪、麦克风、条形码输入器、光笔、摄像头、触摸屏等。,微型计算机的基本结构,输入设备（1）键盘键盘是计算机配置的标准输入设备。它可以将英文字母、数组、汉字等输入到计算机中，从而向计算机输入数据、文本、程序和命令。根据接口类型不同，键盘可分为PS/2接口键盘、USB接口键盘和无线键盘3种。,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,输入设备（2）鼠标鼠标也是一种常用的输入设备，它可以方便、准确地移动光标进行定位。鼠标按工作原理不同可分为机械鼠标和光电鼠标。,机械鼠标,光电鼠标,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,概念鼠标,输入设备（3）扫描仪扫描仪是一种典型的图像输入设备。它可以将纸质文档上的照片、图片、图形或文字资料扫描到计算机中，将其转换成以二进制代码表示的图像文件，并存储于硬盘上。扫描仪主要有两类：手持式和平板式。,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,输入设备(4)触摸屏触摸屏是一种快速实现人机对话的工具，用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能完全操作。而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。常见的触摸屏有电容式、电阻式和红外线式三种。,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,输入设备（5）其他常见的输入设备其他常见的输入设备还有麦克风、条形码输入器、光笔、摄像头等,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,输出设备输出设备用于显示计算机的运算结果，将存储在计算机中的二进制数据转换成人们需要的各种形式的信号，如数字、字符、图像、声音等。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统等。,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,输出设备（1）显示器PC的显示系统由显示器和图形适配器（GraphicsAdapter，也称为图形卡或显卡）组成，它们共同决定了图像输出的质量。显示器类型很多，按显示原理可以分为阴极射线管（CRT）显示器和液晶显示器（LCD）。,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,CRT显示器,液晶显示器,输出设备（1）显示器主要性能指标：屏幕尺寸：用矩形屏幕的对角线长度，以英寸为单位，反映显示屏幕的大小。宽高比：屏幕横向与纵向的比例，通常是4:3。点距：彩色CRT显示器都用红、蓝、绿三个电子枪组合一起显示色彩。像素：指屏幕上能被独立控制其颜色和亮度的最小区域，即荧光点，是显示画面的最小组成单位。,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,显示器主要性能指标：分辨率：指屏幕像素的点阵。例如800600、1024768等。分辨率越高，显示的图像越清晰，但要求扫描的频率也越快。灰度和颜色：灰度是指像素点亮度的差别。刷新频率：屏幕上像素点经过一遍扫描的频率。显存：全角计算机在显示一帧图像时首先要将其存入显卡的内存。显卡过去多半做成插卡的形式。为了降低成本，现在的显示控制器多集成在主板的芯片组中。早期的显卡比较简单，绘图功能由CPU完成的，生成的图像数据存放在显卡的缓存中，之后由显卡传递给显示器进行显示。弊端：增加CPU负担，显示速度慢。现今：出现GPU,它是一种专用处理器，它有一组图形图像专用的处理的指令。采用硬件实现技术，减轻CPU负担，加快了图形绘制和操作速度。,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,输出设备（2）打印机打印机（图3.21）主要有针式打印机、喷墨打印机、激光打印机等。,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,技术指标：速度、印字质量(分辨率)、打印噪声等。,输出设备（3）绘图仪绘图仪是一种输出图形的硬拷贝设备。绘图仪在绘图软件的支持下可绘制出复杂、精确的图形。,4.输入输出设备,微型计算机的基本结构,（1）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，I/O操作的任务是将输入设备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。,微型计算机的基本结构,5.I/O总线与I/O接口,（2）I/O总线总线用于计算机各个部件之间的信息传输。总线是指将信息从一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线，是计算机中传输数据的公共通道。,微型计算机的基本结构,5.I/O总线与I/O接口,总线分类系统总线根据传送信息内容不同，分为数据总线（DataBus，DB）、地址总线（AddressBus，AB）和控制总线（ControlBus，CB）。数据总线：用于微处理器与内存、微处理器与输入输出接口之间传送信息。数据总线的宽度是决定计算机性能的一个重要指标。目前，计算机的数据总线大多是32位或64位。地址总线：从内存单元或输入输出端口中读出数据或写入数据。地址总线的宽度决定了微处理器能访问的内存空间大小。控制总线：用于传输控制信息，进而控制对内存和输入输出设备的访问。,微型计算机的基本结构,5.I/O总线与I/O接口,计算机总线图,总线按照传输数据的方式分，可分为串行总线和并行总线。串行总线：采用串行方式传送数据，数据从低位开始逐位传送，发送部件和接收部件之间只有一条传输线。串行总线的优点是只需要一条传输线，线路成本低，适合远距离的数据传输。并行总线：采用并行方式传送数据，数据的各位通过各自的传输线同时传送。,微型计算机的基本结构,5.I/O总线与I/O接口,总线标准ISA(IndustryStandardArchitecture）总线：也称为AT标准，是IBM公司为PC/AT计算机而制定的总线标准。EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture）总线：是1988年由康柏等9家公司联合推出的，在ISA总线的基础上发展起来的高性能总线。,微型计算机的基本结构,5.I/O总线与I/O接口,VESA（VideoElectronicsStandardAssociation）总线：定义了32位的数据总线，并且可扩展到64位，最大传输速率为132MBPS每秒。VESA总线可与微处理器同步工作，是一种高速、高效的局部总线。PCI(PeripheralComponentInterconnect）总线：是由SIG集团推出的总线结构。它具有132MB/S的数据传输率及很强的带负载能力，可适用于多种硬件平台，同时兼容ISA、EISA总线,是当前流行的总线之一。,微型计算机的基本结构,5.I/O总线与I/O接口,（3）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