第三章计算机硬件体系结构

1、计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算思维的本质特征是基于计算模型计算思维的本质特征是基于计算模型(环境环境)和和约束的问题求解，计算机硬件系统和软件系统在约束的问题求解，计算机硬件系统和软件系统在不同层次上提供了问题求解的计算环境。不同层次上提供了问题求解的计算环境。 本章主要介绍计算机硬件体系结构的基础知本章主要介绍计算机硬件体系结构的基础知识。通过本章学习，应建立起计算机系统的全貌，识。通过本章学习，应建立起计算机系统的全貌，并对各组成部分的构成和工作原理有一定的认识并对各组成部分的构成和工作原理有一定的认识和理解。应能从总体上理解一个程序经过外部输和理解。应能从总体上理解一个程序经

2、过外部输入、入、CPU处理，最后输出结果的整个流程所涉及处理，最后输出结果的整个流程所涉及的硬件及其工作原理。的硬件及其工作原理。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。对一个计一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。对一个计算机系统，硬件就好像是它的身体，软件就好像是它的思想，算机系统，硬件就好像是它的身体，软件就好像是它的思想，两大部分缺一不可。两大部分缺一不可。 硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中：备五部分组成。其中： 中央处理器中央处理器(简称简称CPU)=运算器运算

3、器+控制器控制器 主机主机=中央处理器中央处理器+主存储器主存储器 软件是指各类程序和数据，包括计算机本身运行所需要软件是指各类程序和数据，包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。计算机科学与工程系计算机科学与工程系U盘盘3.1.1 计算机的硬件系统计算机的硬件系统计算机科学与工程系计算机科学与工程系 冯冯诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储器中，执行时将程序和数据先从外存装入内存，然后让计算器中，执行时将程序和数据先从外存装入内存，然后让计算机在工作时自动从内存取出指令加以

4、执行，这就是存储程序机在工作时自动从内存取出指令加以执行，这就是存储程序的基本原理。的基本原理。 存储程序的主要目标是使计算机执行计算时不需要人工存储程序的主要目标是使计算机执行计算时不需要人工员干预，能自动逐条取出指令并能正确地沿着程序设计的流员干预，能自动逐条取出指令并能正确地沿着程序设计的流程执行指令。冯程执行指令。冯诺依曼提出的这种诺依曼提出的这种“存储程序、用程序控存储程序、用程序控制自动计算制自动计算”的思想以及实现该思想的计算机基本结构，被的思想以及实现该思想的计算机基本结构，被后人称为冯后人称为冯诺依曼计算机结构。符合冯诺依曼计算机结构。符合冯诺依曼结构的计算诺依曼结构的计算机

5、被称为冯机被称为冯诺依曼型计算机。诺依曼型计算机。3.1.2 冯冯诺依曼型计算机的结构诺依曼型计算机的结构计算机科学与工程系计算机科学与工程系 冯冯诺依曼计算机体系结构的主要特点：诺依曼计算机体系结构的主要特点： (1) 采用二进制形式表示程序和数据。采用二进制形式表示程序和数据。 (2) 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成和输出设备五大部分组成 。 (3) 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。程序和数据以二进制形式存放在存储器中。 (4)控制器根据存放在存储器中的指令工作。控制器根据存放在存储器中的指令工作。计

6、算机科学与工程系计算机科学与工程系 由于电子技术及电子工由于电子技术及电子工业的迅速发展，早已将控制业的迅速发展，早已将控制器和运算器做在一起了器和运算器做在一起了(集成集成在一块集成电路芯片上，即在一块集成电路芯片上，即CPU)，这样以来存储程序的，这样以来存储程序的基本原理可用下图表示。基本原理可用下图表示。 任何新技术的产生都有其发展过程，计算机的诞生也是从理论到实任何新技术的产生都有其发展过程，计算机的诞生也是从理论到实现这样一个过程。没有蓝图、没有设想、没有创新，就不会有计算机的现这样一个过程。没有蓝图、没有设想、没有创新，就不会有计算机的发明。正是因为有了图灵机模型，人类才发明了有

7、史以来最伟大的科学发明。正是因为有了图灵机模型，人类才发明了有史以来最伟大的科学工具工具计算机；正是因为有了冯计算机；正是因为有了冯诺依曼体系结构，才形成了现代计算诺依曼体系结构，才形成了现代计算机的主要设计思想。从系统结构来看，现在的微机系统大都采用的是计机的主要设计思想。从系统结构来看，现在的微机系统大都采用的是计算机的经典结构算机的经典结构冯冯诺依曼结构。诺依曼结构。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1.3 微型计算机的诞生与发展微型计算机的诞生与发展 一般来说，电子计算机发展历程是以所采用的电子一般来说，电子计算机发展历程是以所采用的电子器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小

8、规模集器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模及超大规模集成电路计算机。成电路和大规模及超大规模集成电路计算机。 微型机属于第四代电子计算机产品，其核心部件是微型机属于第四代电子计算机产品，其核心部件是CPU，因此，因此CPU的发展、演变就代表了微机的发展过程。的发展、演变就代表了微机的发展过程。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系开始时间开始时间CPU芯片芯片集成度集成度主频主频字长字长(b)197140042300108KHz4197280062500200KHz819788086/80882.9万4.77-10MHz1619828028614.3万6-20MHz1

9、619858038627.5万12.5-33MHz32198980486125万33-133MHz321993Pentium310万60-233MHz321997Pentium 750万233-450MHz321999Pentium III2800万450-800MHz322000Pentium 44200万400M-3.2GHz32/642012Core i77.31亿3.5GHz-4.0GHz64 CPU按照处理信息的字长分为：按照处理信息的字长分为：4位或位或8位微处理器、位微处理器、16位微处理器、位微处理器、32位微处理器以及位微处理器以及64位微处理器等。现在微位微处理器等。现在微

10、机的机的CPU一般是一般是32位或位或64位的处理器。位的处理器。计算机科学与工程系计算机科学与工程系第一台微机第一台微机(1971)第一台第一台IBM PC(1981) 第一台真正的个人微机第一台真正的个人微机(1977) 新生事物在诞生时往往是不完善的，但是它揭示了事物发展的必然新生事物在诞生时往往是不完善的，但是它揭示了事物发展的必然趋势。阿尔塔及后来苹果机的诞生，虽然看起来是一只趋势。阿尔塔及后来苹果机的诞生，虽然看起来是一只“丑小鸭丑小鸭”，但，但它适应了信息技术的发展趋势。微型计算机的出现，使现代信息处理装它适应了信息技术的发展趋势。微型计算机的出现，使现代信息处理装置从科学殿堂走

11、出来，进入寻常百姓家。现在，人们的工作、学习和生置从科学殿堂走出来，进入寻常百姓家。现在，人们的工作、学习和生活都与计算机息息相关。使用计算机已经成为一种文化、一种生活方式。活都与计算机息息相关。使用计算机已经成为一种文化、一种生活方式。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 微型机主要是由显示器、键盘和主机箱构成。在主机箱微型机主要是由显示器、键盘和主机箱构成。在主机箱内有内有CPU、主板、内存、硬盘、光驱、电源等。、主板、内存、硬盘、光驱、电源等。而中央处理而中央处理器和主存储器一起构成计算机主机。而中央处理器是计算机器和主存储器一起构成计算机主机。而中央处理器是计算机进行运算和控制的核心部

12、件，是计算机中负责取指令、对指进行运算和控制的核心部件，是计算机中负责取指令、对指令译码并执行指令的核心。令译码并执行指令的核心。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 3.2.1中央处理器中央处理器 CPU CPU的主要功能是控制计算机的操作和处理数据。的主要功能是控制计算机的操作和处理数据。CPU由控制器、运算器、寄存器及实现它们之间联系的由控制器、运算器、寄存器及实现它们之间联系的CPU内部内部总线组成。总线组成。CPU从存储器取出指令，放入从存储器取出指令，放入CPU内部的指令寄内部的指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微

13、操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。的执行。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 CPU的主要性能指标的主要性能指标 ： (1) 主频主频/外频外频 主频主频=外频外频倍频，即倍频，即CPU工作频率工作频率 主板上有一个石英晶体，能够定期地发出脉冲信号，被主板上有一个石英晶体，能够定期地发出脉冲信号，被称为时钟脉冲。主板上产生的时钟脉冲叫做外频，是指挥主称为时钟脉冲。主板上产生的时钟脉冲叫做外频，是指挥主板上其他部件工作的节拍。即外频是系统总线的工作频率。板上其他部件工作的节拍。即外频是系统总线的工作频率。主板

14、时钟脉冲传递给主板时钟脉冲传递给CPU的过程中被进行了特殊处理，频率的过程中被进行了特殊处理，频率被加倍，这样被加倍，这样CPU的工作速度就提高了。这个频率就是常说的工作速度就提高了。这个频率就是常说的的CPU主频。而倍频则是主频。而倍频则是CPU主频相对于外频的倍数。主频相对于外频的倍数。 脉冲就好像唱歌时的节拍，到一个节拍时，控制单元就发出一个命脉冲就好像唱歌时的节拍，到一个节拍时，控制单元就发出一个命令信号。设计者精妙地设计节拍的时间以及每个动作完成的时间，让每令信号。设计者精妙地设计节拍的时间以及每个动作完成的时间，让每个命令信号产生的动作刚好在一个节拍时间内完成。个命令信号产生的动作

15、刚好在一个节拍时间内完成。 目前在微机中，目前在微机中，CPU的主频一般是自动配置的，也可以通过主板跳的主频一般是自动配置的，也可以通过主板跳线或程序来设置外频和倍频。线或程序来设置外频和倍频。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 (2) 数据总线宽度数据总线宽度 即字长，是指即字长，是指CPU可以同时传输的数据的位数，负责整个可以同时传输的数据的位数，负责整个系统的数据流量大小。目前，市场上流行的是系统的数据流量大小。目前，市场上流行的是32位位CPU和和64位位CPU。 (3) 地址总线宽度地址总线宽度 地址总线宽度决定了地址总线宽度决定了CPU可以直接访问的内存物理地址空可以直接访问的内

16、存物理地址空间，间，32位地址总线可直接寻址位地址总线可直接寻址4GB (232 = 4G)。 (4) 高速缓存高速缓存Cache 由于由于CPU和内存之间的速度差异，直接对内存进行读写将和内存之间的速度差异，直接对内存进行读写将会迟滞会迟滞CPU的速度。因此，现在的的速度。因此，现在的CPU内部一般都包含有内部一般都包含有Cache。Cache是可以进行快速存取数据的存储器，它使得数据是可以进行快速存取数据的存储器，它使得数据可以更快地和可以更快地和CPU进行交换。进行交换。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 1. 运算器运算器 运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算器是完

17、成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是运算器的核心部件是: (1) 运算逻辑部件运算逻辑部件 (2) 寄存器部件寄存器部件 我们知道，计算机能做算术运算，也能做关系运算、逻辑运算。除我们知道，计算机能做算术运算，也能做关系运算、逻辑运算。除此以外，还能做很多别的事情。特别是给初学者的感觉好像计算机无所此以外，还能做很多别的事情。特别是给初学者的感觉好像计算机无所不能。从设计的角度来说，如果要求计算机本能地具有处理算术运算、不能。从设计的角度来说，如果要求计算机本能地具有

18、处理算术运算、关系运算和逻辑运算的所有功能，那计算机的核心部件关系运算和逻辑运算的所有功能，那计算机的核心部件CPU就太复就太复杂了。因为仅就算术运算而言，就必须为杂了。因为仅就算术运算而言，就必须为CPU设计加法器、减法器、乘设计加法器、减法器、乘法器、除法器，更不用说其他运算了。事实上，在法器、除法器，更不用说其他运算了。事实上，在CPU内部用于运算的内部用于运算的核心部件其实就是一个加法器，只能做加法运算。那么减法、乘法和除核心部件其实就是一个加法器，只能做加法运算。那么减法、乘法和除法运算怎么办呢？这些运算都是通过加法来实现的！我们不得不说计算法运算怎么办呢？这些运算都是通过加法来实现

19、的！我们不得不说计算机的设计者真是太聪明了。机的设计者真是太聪明了。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 2. 控制器控制器 控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。 控制器主要由以下部件组成：控制器主要由以下部件组成： 程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址；程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址； 指令寄存器。

20、保存现在正在执行的指令；指令寄存器。保存现在正在执行的指令； 指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求；指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求； 时序部件。产生各种定时控制信号，以协调各部件的工作顺序；时序部件。产生各种定时控制信号，以协调各部件的工作顺序； 微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列不可再分的微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列不可再分的微操作命令信号，这些信号通过微操作控制电路以一定的时间顺序发往微操作命令信号，这些信号通过微操作控制电路以一定的时间顺序发往各部件，控制各部件动作。各部件，控制各部件动作。 时序信号发得太快，前一动作还没有

21、做完，那就会出乱子。如果发时序信号发得太快，前一动作还没有做完，那就会出乱子。如果发得太慢，各个部件干完活只能闲等，浪费时间。得太慢，各个部件干完活只能闲等，浪费时间。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2.2 多核多核CPU技术技术 采用采用“双核双核”技术，就是在单个技术，就是在单个CPU中真正集成两个中真正集成两个物理的核心。在实际使用中，这种物理的核心。在实际使用中，这种“双核心处理器双核心处理器”和使和使用两个独立用两个独立CPU的系统在工作原理和性能上基本没有区别。的系统在工作原理和性能上基本没有区别。目前，目前，CPU已从双核向已从双核向4核、核、8核和多核方向发展。多核带核

22、和多核方向发展。多核带来的最大好处就是同时运行多个任务时速度更快，效率更来的最大好处就是同时运行多个任务时速度更快，效率更高、运行更流畅。高、运行更流畅。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 64位简介：位简介： (1) CPU、操作系统软件是、操作系统软件是64位，且应用软件用位，且应用软件用64编译器编译器重新编译，效率最高重新编译，效率最高(未来未来)。 (2) CPU是是64位，操作系统和应用软件是位，操作系统和应用软件是32位，位，64位的位的CPU未发挥很好的作用未发挥很好的作用(现状现状) 。 (3) CPU、操作系统是、操作系统是64位，应用软件是位，应用软件是32位，位，6

23、4位的位的CPU未发挥很好的作用未发挥很好的作用(现状现状) 。 (4) CPU、操作系统和应用软件是、操作系统和应用软件是32位位(现状现状) 。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2.3 主板主板 主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了CPU、各种、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。接口连接到计算机上。 如果将主板比喻为一如果将主板比喻为一座城市，座城市，CPU就好比是这就好比是这座城市的政府管理机构；座城市的

24、政府管理机构；内存就好比是居民的住所内存就好比是居民的住所及活动场所；接口就好比及活动场所；接口就好比是这座城市与外界联系的是这座城市与外界联系的机场、车站、码头；总线机场、车站、码头；总线就好比是这座城市的供水、就好比是这座城市的供水、供电系统等。供电系统等。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 (1) CPU插座插座 CPU插座用于连接并固定插座用于连接并固定CPU芯片，由主板提供电源进行芯片，由主板提供电源进行工作。不同的工作。不同的CPU需要选择与之相匹配的主板。需要选择与之相匹配的主板。 (2) 内存插槽内存插槽 内存插槽是用来安装内存条的，允许用户根据需要灵活地内存插槽是用来安装内

25、存条的，允许用户根据需要灵活地扩充内存容量。扩充内存容量。 (3) 总线扩展插槽总线扩展插槽 主板上有一系列扩展槽，用来连接各种功能插卡主板上有一系列扩展槽，用来连接各种功能插卡(如声卡、如声卡、显卡、网卡等显卡、网卡等)与主板相连，这些扩充卡通常都插在主板的总线与主板相连，这些扩充卡通常都插在主板的总线插槽中。随着主板集成化的提高，许多扩充卡的功能都集成在插槽中。随着主板集成化的提高，许多扩充卡的功能都集成在主板上了。主板上了。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 (4) 芯片组芯片组 芯片组是直接连接在主板上的一组核心芯片，一般由北桥芯片组是直接连接在主板上的一组核心芯片，一般由北桥和南桥

26、两块芯片组成。北桥芯片主要负责与和南桥两块芯片组成。北桥芯片主要负责与CPU的接口，控制的接口，控制CPU、内存和、内存和PCIe总线之间的高速数据传输和转换，南桥芯片总线之间的高速数据传输和转换，南桥芯片主要负责数据传输相对较慢的主要负责数据传输相对较慢的PCI总线、硬盘、键盘、鼠标以总线、硬盘、键盘、鼠标以及及USB接口等的连接控制，其中北桥芯片起主导作用，故也称接口等的连接控制，其中北桥芯片起主导作用，故也称主桥。一般主板型号的命名均与芯片组的类型有关联。一定意主桥。一般主板型号的命名均与芯片组的类型有关联。一定意义上讲，芯片组决定了主板的级别和档次。义上讲，芯片组决定了主板的级别和档次

27、。 芯片组是芯片组是CPU与周边设备沟通的桥梁，与周边设备沟通的桥梁，CPU的系统时钟及的系统时钟及各种与其同步的时钟也都是由芯片组提供。芯片组还决定了主各种与其同步的时钟也都是由芯片组提供。芯片组还决定了主板上所安装的内存最大容量、速度及可使用内存条的类型等。板上所安装的内存最大容量、速度及可使用内存条的类型等。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 (5) BIOS和和CMOS 主板上有两块重要的集成电路芯片：基本输入输出系主板上有两块重要的集成电路芯片：基本输入输出系统统(BIOS)芯片和芯片和CMOS存储器芯片。存储器芯片。 BIOS芯片是一块特殊的芯片是一块特殊的ROM芯片，其中保存的

28、最重芯片，其中保存的最重要程序之一是基本输入要程序之一是基本输入/输出程序，另外还有输出程序，另外还有CMOS参数设参数设置程序、置程序、POST(加电自检程序加电自检程序)等。等。BIOS在开机之后最先在开机之后最先执行，它首先检测系统硬件有无故障，给出最低级的引导执行，它首先检测系统硬件有无故障，给出最低级的引导程序，然后调用操作系统。没有它机器无法启动。程序，然后调用操作系统。没有它机器无法启动。 在早期，主板上的在早期，主板上的ROM非常小，里面只有引导系统必需的一些指令。非常小，里面只有引导系统必需的一些指令。后来后来ROM越做越大，设计者就往越做越大，设计者就往ROM中加了开机自检

29、程序、系统信息中加了开机自检程序、系统信息设置程序。最后干脆把一些常规外设的驱动程序也放在了里面，比如键设置程序。最后干脆把一些常规外设的驱动程序也放在了里面，比如键盘、打印机、显示器、硬盘，对于一台计算机来说，要想正常工作，它盘、打印机、显示器、硬盘，对于一台计算机来说，要想正常工作，它们是最基本、最低限度的配置。正因为如此，该们是最基本、最低限度的配置。正因为如此，该ROM的名字也就变成基的名字也就变成基本输入输出系统，即本输入输出系统，即BIOS了。了。计算机科学与工程系计算机科学与工程系(5) BIOS和和CMOS CMOS是主板上一块可读写的是主板上一块可读写的RAM芯片，用于保存系

30、统芯片，用于保存系统初始化时要用到的许多参数，如硬件配置、启动盘顺序、开初始化时要用到的许多参数，如硬件配置、启动盘顺序、开机密码、机器时间等。因为机密码、机器时间等。因为CMOS由主板上的一块锂电池供由主板上的一块锂电池供电，而开机后锂电池被自动充电，因此，关机后电，而开机后锂电池被自动充电，因此，关机后CMOS参数参数不会丢失。不会丢失。CMOS中的信息通过中的信息通过BIOS中的参数设置程序来设中的参数设置程序来设置，所以置，所以CMOS设置也被称为设置也被称为BIOS设置。这个设置过程有人设置。这个设置过程有人叫叫“BIOS设置设置”，也有人叫，也有人叫“CMOS设置设置”。 要设置要

31、设置CMOS参数时，可以在开机时按下特定键参数时，可以在开机时按下特定键(一般是一般是Delete键键)进进入入CMOS参数设置程序界面。在新购计算机、新增设备、参数设置程序界面。在新购计算机、新增设备、CMOS数据意数据意外丢失外丢失(电池失效、病毒破坏等电池失效、病毒破坏等)，以及需要优化系统时需要进行，以及需要优化系统时需要进行CMOS设设置。另外，如果忘记开机密码时也可以通过跳线来清除置。另外，如果忘记开机密码时也可以通过跳线来清除CMOS数据，该数据，该跳线通常在跳线通常在CMOS电池或电池或BIOS芯片附近。芯片附近。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 现在的现在的CMOS芯片通

32、常都集成在主板的芯片通常都集成在主板的BIOS芯片里面，芯片里面，通过通过BIOS程序对电脑硬件进行设置，设置好的参数放在程序对电脑硬件进行设置，设置好的参数放在CMOS芯片里面。但是芯片里面。但是CMOS芯片和芯片和BIOS芯片却是完全不同芯片却是完全不同的概念。的概念。大致有如下设置内容：大致有如下设置内容：1.Standard CMOS Setup: 标准参数设置，包括标准参数设置，包括日期，时间和软、硬盘参数等。日期，时间和软、硬盘参数等。 2.BIOS Features Setup: 设置一些系统选项。设置一些系统选项。 3.Chipset Features Setup:主板芯片参数

33、设置。主板芯片参数设置。 4.Power Management Setup: 电源管理设置。电源管理设置。 5.PnP/PCI Configuration Setup: 即插即用及即插即用及PCI插件参数设置。插件参数设置。 6.其他其他: 硬盘自动检测，系统口令，加载缺省硬盘自动检测，系统口令，加载缺省设置，退出等设置，退出等 。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算机具体的启动过程：计算机具体的启动过程： 当打开微机的电源时，首先系统将调用当打开微机的电源时，首先系统将调用BIOS中的中的POST(加电自检程序加电自检程序)检查检查BIOS芯片，芯片，然后测试然后测试CMOS。如果一切

34、正常，接下来就会。如果一切正常，接下来就会完成对完成对CPU、内存、接口、显示器、硬盘、键、内存、接口、显示器、硬盘、键盘等的测试盘等的测试(如果检测到错误，计算机会用喇叭如果检测到错误，计算机会用喇叭报警报警)。在。在POST过程中，键盘、显示器、软驱过程中，键盘、显示器、软驱和硬盘等外围设备的驱动程序也必须预先安放和硬盘等外围设备的驱动程序也必须预先安放在在ROM中，成为中，成为BIOS的组成部分，由的组成部分，由BIOS调调用这些基本设备的驱动程序来完成检测。当自用这些基本设备的驱动程序来完成检测。当自检测试完成后，将执行检测试完成后，将执行BIOS中的自举中的自举(装入装入)程程序，搜

35、索硬盘、光盘等，从中读出引导程序并序，搜索硬盘、光盘等，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，由引装入内存，然后将控制权交给引导程序，由引导程序继续启动操作系统。操作系统启动成功导程序继续启动操作系统。操作系统启动成功后，用户就可以正常地使用计算机了。正常情后，用户就可以正常地使用计算机了。正常情况下，这个启动过程只需用户按下微机电源开况下，这个启动过程只需用户按下微机电源开关即可。关即可。 执行执行POST程序程序执行自举程序执行自举程序 装入操作系统装入操作系统 引导结束引导结束开机启动开机启动 BIOS是否正常工作是否正常工作 BIOS已失败已失败 进行进行BIOS修补修

36、补 重新启动计算重新启动计算机机BIOS工作流程工作流程计算机科学与工程系计算机科学与工程系 早期的早期的PC机主板是将快速的机主板是将快速的CPU、中速的内存、慢速的、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。微型计算机的概念结构微型计算机的概念结构 计算机科学与工程系计算机科学与工程系现代微型计算机的主板结构：现代微型计算机的主板结构：芯片组由芯片组由3块芯片构成。块芯片构成。跟南北桥架构相差不大，跟南北桥架构相差不大，它主要是把它主要是把PCI系统总系统总线控制部分从北桥转到线控制部分从北桥转到南桥。南桥。北

37、桥：主板上离北桥：主板上离CPU最近最近的一块芯片，负责与的一块芯片，负责与CPU的联系并控制内存、缓存、的联系并控制内存、缓存、显卡数据在北桥内部传输。显卡数据在北桥内部传输。键盘接口键盘接口鼠标接口鼠标接口串行口串行口并行口并行口CPU多核多核/单核单核存储控制中心存储控制中心(北桥北桥)中心高速接口中心高速接口I/O控制中心控制中心(南桥南桥)固件中心固件中心BIOS ROMPCI扩展插槽扩展插槽PCI总线总线USB接口接口音频接口音频接口I/O芯片芯片PCIe显示接口显示接口主存储器主存储器前端总线前端总线网络接口网络接口硬盘和光驱接口硬盘和光驱接口存储器总线存储器总线PCIe总线总线

38、南桥：主板上另一南桥：主板上另一块芯片，主要负责块芯片，主要负责I/O接口以及接口以及IDE设设备的控制等。备的控制等。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 内存，由半导体材料构成。内存分为只读存储器和随内存，由半导体材料构成。内存分为只读存储器和随机读写存储器。机读写存储器。 内存储器分类内存储器分类3.2.4 内存内存计算机科学与工程系计算机科学与工程系存储单元地址存储单元地址0000H0001H0002HFFFFH存储体结构图示意存储体结构图示意存储位存储位存储单元存储单元（字节）（字节）存储体存储体 512 MB 2 GB存储单元特点：存储单元特点： 地址与存储单元是一一对应的地址与存

39、储单元是一一对应的 一个数据存放在一个或多个字节中一个数据存放在一个或多个字节中 CPU通过单元地址访问存储单元中的数据通过单元地址访问存储单元中的数据 往存储单元放新数据时原数据将被覆盖往存储单元放新数据时原数据将被覆盖计算机科学与工程系计算机科学与工程系 1. 只读存储器只读存储器ROM 特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。断电后信息不会丢失，可靠性高。ROM主要用于存放固定主要用于存放固定不变的、控制计算机的系统程序和参数表不变的、控制计算机的系统程序和参数表 ROM分类：分类： (1) 掩膜式掩膜式

40、ROM(Mask ROM) (2) 可编程可编程 PROM(Programmable ROM) (3) 可擦除可擦除 EPROM (Erasable PROM) (4) 电可擦电可擦 EEPROM(Electrically EPROM) (5) 快擦写快擦写 ROM(Flash ROM) 注：闪存注：闪存ROM主要是利用单晶体管的特性，在通电以主要是利用单晶体管的特性，在通电以后能够改变状态、不通电就固定状态来存储信息的。后能够改变状态、不通电就固定状态来存储信息的。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 2. 随机存储器随机存储器RAM 特点：特点：用于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前

41、用于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失。是空的，断电后数据消失。 RAM 分类分类: (1) SRAM：静态：静态RAM。不需要充电来保持数据完整性，。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般做高速缓冲存储器。成本高且集成低，一般做高速缓冲存储器。 (2) DRAM：动态：动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整。需要定时充电来保持数据的完整性，通常所说的性，通常所说的“内存内存”主要由它构成。一般指以下两种类型：主要由它构成。一般指以下两种类型： SDRAM-同步动态存储器同步动态存储器 DDR-双倍速率内存双倍速率内存 (DDR2DDR3DDR4DDR5

42、等等)计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 3. Cache(高速缓存高速缓存 ) Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内Cache集集成在成在CPU芯片中，片外芯片中，片外Cache安插在主板上。高速缓存的存安插在主板上。高速缓存的存取速度比主存要快一个数量级，接近取速度比主存要快一个数量级，接近CPU的处理速度。的处理速度。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微

43、型计算机主机结构微型计算机主机结构 4.多级缓存多级缓存 最早的最早的CPU缓存容量很低。当集成在缓存容量很低。当集成在CPU内核中的缓存内核中的缓存已不能满足已不能满足CPU的需求时，出现了集成在与的需求时，出现了集成在与CPU同一块主板同一块主板上的缓存，此时把上的缓存，此时把CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二级缓存。部的称为二级缓存。 随着随着CPU制造工艺的提高，现在二级缓存也被集成到制造工艺的提高，现在二级缓存也被集成到CPU芯片中。较高端的芯片中。较高端的CPU中还会带有三级缓存中还会带有三级缓存 。 另外，另外，Cache的容量并不是

44、越大越好，过大的的容量并不是越大越好，过大的Cache会降会降低低CPU在在Cache中查找的效率。中查找的效率。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 6. 存储器的层次结构存储器的层次结构 既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求合理，既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求合理，在目前技术条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来在目前技术条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。实现。折衷的方法是采用层次结构。(通用寄存器)计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2.5 总线总线 (1) 总线的定义及分类总线的定义及分类 是一组连接各个部件的公共通信线路，是

45、计算机内部传是一组连接各个部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。一个重要组成部分。计算机科学与工程系计算机科学与工程系总线按所传输信号不同可分为：总线按所传输信号不同可分为： 数据总线数据总线 地址总线地址总线 控制总线控制总线。 地址总线。传输的是地址信号，一地址总线。传输的是地址信号，一般是单向传输。当般是单向传输。当CPU需要访问某个外需要访问某个外设时，它向地址总线发出相应外设的地设时，它向地址总线发出相应外设的地址信号，以选择某个外设。址信号，以选择某个外设。 数据总

46、线。传输的是数据，一般是数据总线。传输的是数据，一般是双向传输。双向传输。CPU进行进行“读读”时，数据由时，数据由外设流向外设流向CPU，当，当CPU进行进行“写写”时，时，数据由数据由CPU流向外设。流向外设。 控制总线。有的是控制总线。有的是CPU向内存或外部设备向内存或外部设备发出的信号；有的是内存或外部设备向发出的信号；有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每条控制线而言信号是单向发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的。传送，但作为整体是双向的。计算机科学与工程系计算机科学与工程系微机各级总线的简易关系微机各级总线的简易关系 总线按处于计算机硬件系统中的位

47、置来分：总线按处于计算机硬件系统中的位置来分：CPU内部内部总线总线内存内存Cache局部总线局部总线显示接口显示接口芯片组芯片组(北桥北桥)芯片组芯片组(南桥南桥)系统总线系统总线扩展插槽扩展插槽硬盘接口、网络接口、音频接口、硬盘接口、网络接口、音频接口、USB接口、键盘、鼠标接口、键盘、鼠标 外部总线外部总线 外部总线外部总线(又称通信总线又称通信总线)。是微机和中。是微机和中低速外部设备之间连接的总线。低速外部设备之间连接的总线。内部总线内部总线 (又称片内总线又称片内总线)。是指。是指CPU芯片内部的总线。芯片内部的总线。 系统总线系统总线(又称输入又称输入/输出总线输出总线)。是微。

48、是微机中各插件板与系统主板之间的总线，机中各插件板与系统主板之间的总线，用于插件板一级的互连。用于插件板一级的互连。局部总线局部总线 (又称片间总线又称片间总线)。是主。是主板上各外围芯片与板上各外围芯片与CPU之间的总之间的总线，用于芯片一级互连。线，用于芯片一级互连。计算机科学与工程系计算机科学与工程系微机系统三层总线示意简图微机系统三层总线示意简图北桥北桥CPU内存内存Cache南桥南桥PCI 和和PCI Express X1接口接口（网卡、声卡等）（网卡、声卡等）键盘、鼠标接口键盘、鼠标接口USB接口接口前端总线前端总线存储器总线存储器总线PCI Express X16显卡显卡片内总线

49、片内总线PCI扩展总线扩展总线中心快速通道中心快速通道BIOS ROM硬盘、光驱、网硬盘、光驱、网络、音频接口络、音频接口计算机科学与工程系计算机科学与工程系 ISA总线。是最早的总线。是最早的8位系统总线。后位系统总线。后来扩展到来扩展到16位。位。ISA是现代个人计算机是现代个人计算机的基础。的基础。(2) 系统总线标准系统总线标准 系统总线标准大致可分为系统总线标准大致可分为ISA总线、总线、PCI总线、总线、PCI Express三个阶段。三个阶段。 PCI总线。主要特点是传输速度高，总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。广泛应用于现代微机中。 AGP总线。专为系统中一块图

50、形显示总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。卡设计的总线。PCIe 16PCIe1 PCI Express总线。是总线。是新一代的总线接口。新一代的总线接口。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 总线带宽，也称总线数据传输率。用总线上每秒可传送总线带宽，也称总线数据传输率。用总线上每秒可传送数据量的多少表示，常用单位为数据量的多少表示，常用单位为Mbps或或MB/s。 总线带宽总线带宽=总线宽度总线宽度总线频率总线频率每时钟周期传输数据的次数每时钟周期传输数据的次数 【例】【例】32位、位、33.3MHz的的PCI总线带宽计算如下：总线带宽计算如下： 总线带宽总线带宽=4(字节字节)33(

51、MHz)1(每周期传输次数每周期传输次数)=132MB/s 【例】【例】32位、位、66.6MHz的的AGP4总线带宽计算如下：总线带宽计算如下： 总线带宽总线带宽=4(字节字节)66.6(MHz)4(每周期传输次数每周期传输次数)=1066MB/s 另外，另外，PCIe总线带宽的计算方法与一般总线不同，总线带宽的计算方法与一般总线不同，PCI总总线每个通道的带宽为线每个通道的带宽为500MB/s，那么，那么PCIe的总线带宽为：的总线带宽为：500 MB/s通道数。通道数。 【例】那么【例】那么PCIe16的总线带宽计算如下：的总线带宽计算如下： 总线带宽总线带宽= 500 MB/s16=

52、8GB/s计算机科学与工程系计算机科学与工程系 在微机统中，最常见的外部总线是在微机统中，最常见的外部总线是USB总线。总线。 USB总线：属高速串行接口总线。该总线最多可连接总线：属高速串行接口总线。该总线最多可连接127个设备，支持热拔插，支持即插即用，该接口已经成为许多个设备，支持热拔插，支持即插即用，该接口已经成为许多外设的标准接口。外设的标准接口。USB有三个规范，即有三个规范，即USB1.1、USB2.0和和USB3.0 。 (3) 外部总线标准外部总线标准 USB总线在某种程度上可以看作是系统总线的一个连接低速外设的总线在某种程度上可以看作是系统总线的一个连接低速外设的延长线。延

53、长线。USB总线一端连接在系统总线上总线一端连接在系统总线上(如前面提到的如前面提到的PCI总线总线)，另一，另一端可以连接低速的设备。端可以连接低速的设备。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 I/O接口的功能是负责实现接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把主机系统通过系统总线把主机系统和外围设备联系在一起，是内、外交流的窗口。和外围设备联系在一起，是内、外交流的窗口。I/O接口是连接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由接主机和外部设备之间的逻辑部件，由I/O接口电路、连接器接口电路、连接器(一般为连接电缆一般为连接电缆)和接口软件和接口软件(即设备驱动程序即设备驱动程序)组成。组成。

54、3.2.6 接口接口计算机科学与工程系计算机科学与工程系 I/O接口分为内置接口分为内置I/O接口和外置接口和外置I/O接口两类。接口两类。 (1) 内置内置I/O接口接口 将将I/O接口电路内嵌在接口电路内嵌在主板中，由主板提供外设主板中，由主板提供外设接口电路插座，如键盘接接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、口、鼠标接口、USB接口、接口、串口、并口及软硬盘接口串口、并口及软硬盘接口等。等。 常见的内置常见的内置I/O接口：接口： 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 (2) 外置外置I/O接口接口 将将I/O接口集成到一块独立的电路板接口集成到一块独立的电路板(接口卡接口卡)上，接口卡上

55、，接口卡必须插在总线扩展插槽上必须插在总线扩展插槽上(如如PCI、PCI Express插槽等插槽等) 。在。在每一张接口卡的边缘，有一排像钢琴按键一样的铜皮，它们每一张接口卡的边缘，有一排像钢琴按键一样的铜皮，它们是接口卡与主机连接的导线。当接口卡插到主板上的扩展槽是接口卡与主机连接的导线。当接口卡插到主板上的扩展槽里时，这些铜皮就会与主板上的电路接通。里时，这些铜皮就会与主板上的电路接通。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 外部存储器通常用来存放需要长期保存的各种程序和数外部存储器通常用来存放需要长期保存的各种程序和数据。当需要执行或处理这些程序和数据时，必须将其先调入据。当需要执行或处

56、理这些程序和数据时，必须将其先调入到内存中然后再被到内存中然后再被CPU处理，处理， 所以外存实际上属于输入所以外存实际上属于输入输出设备。输出设备。 目前微机常用的外存储器主要有硬盘、光盘、目前微机常用的外存储器主要有硬盘、光盘、 U盘等。盘等。 存储器是由一些具有记忆功能的器件构成的。对计算机系统来说，存储器是由一些具有记忆功能的器件构成的。对计算机系统来说，所谓记忆功能就是能够保持两种不同的状态。例如，电容可以有带电所谓记忆功能就是能够保持两种不同的状态。例如，电容可以有带电和没电两种状态，因此它可以用来做内存条。又比如，磁性材料可以和没电两种状态，因此它可以用来做内存条。又比如，磁性材

57、料可以被磁化成不同极性方向，所以可以用两个相反的极性来表示被磁化成不同极性方向，所以可以用两个相反的极性来表示0和和1两种两种数码。因而磁性材料也可以做成磁盘。其实可以表示两种状态的材料数码。因而磁性材料也可以做成磁盘。其实可以表示两种状态的材料非常多。比如在一张纸上打一个孔，就可以和没打孔的地方区分开，非常多。比如在一张纸上打一个孔，就可以和没打孔的地方区分开，因而也可以表示两种状态。从这个角度来说，纸张也是一种存储器。因而也可以表示两种状态。从这个角度来说，纸张也是一种存储器。只不过它的存储容量太小，成本太高，而且不能重复使用。只不过它的存储容量太小，成本太高，而且不能重复使用。计算机科学

58、与工程系计算机科学与工程系3.3.1 磁盘磁盘 磁盘分为软盘和硬盘，是由一个或多个表面涂有磁性材磁盘分为软盘和硬盘，是由一个或多个表面涂有磁性材料的薄盘组成。这类用磁化磁性材料的原理制成的存储器上料的薄盘组成。这类用磁化磁性材料的原理制成的存储器上被磁化后的极性，如果没有被再次磁化，就不变了。它不需被磁化后的极性，如果没有被再次磁化，就不变了。它不需要用电或者其他的任何帮助，信息就可以长期保持下来了。要用电或者其他的任何帮助，信息就可以长期保持下来了。如果需要重写，用磁头对其进行再次磁化就可以了。早期的如果需要重写，用磁头对其进行再次磁化就可以了。早期的3.5英寸软盘曾经被广泛使用，但缺点是容

59、量太小，存取速度英寸软盘曾经被广泛使用，但缺点是容量太小，存取速度较慢，数据保存时间不长久，且盘片很容易受损。目前，在较慢，数据保存时间不长久，且盘片很容易受损。目前，在微机上软盘已被微机上软盘已被U盘等存储设备所取代，原来作为标准配置盘等存储设备所取代，原来作为标准配置的软驱也已被取消。的软驱也已被取消。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.3.1 磁盘磁盘 硬盘是微机最重要的外部存储器，常用于安装微机运行硬盘是微机最重要的外部存储器，常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件，以及存储大量数据。所需的系统软件和应用软件，以及存储大量数据。柱柱面面磁头磁头臂臂 1956年年9月月13日，一

60、个名叫雷诺日，一个名叫雷诺约翰逊的人和他的同事们首次将一个约翰逊的人和他的同事们首次将一个叫硬盘的大家伙安装到计算机上。这个足有两个冰箱那么大，重达叫硬盘的大家伙安装到计算机上。这个足有两个冰箱那么大，重达1吨东吨东西，从侧面看上去像一把巨大的梳子，但是，以今天的眼光来看容量实西，从侧面看上去像一把巨大的梳子，但是，以今天的眼光来看容量实在是太小了，只有在是太小了，只有4.4MB，勉强存得下一首，勉强存得下一首MP3歌曲。歌曲。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 (1) 硬盘存储格式硬盘存储格式 在对硬盘进行格式化时，将对盘片进行划分磁道和扇区，在对硬盘进行格式化时，将对盘片进行划分磁道和扇