大学计算机基础：第3章 计算机系统的基本组成和基本工作原理第2次课

1.计算机系统的组成2.计算机的逻辑组成3.冯·诺依曼的设计思想4.微型计算机系统的主要性能指标5.CPU的主要技术参数复习上节课内容：13.3.2微机主板及其主要部件主板（又称系统板、母板）2ATX主板规范两个标准（了解）BTX主板规范3主板上都有什么？PCI总线插槽BIOS芯片南桥锂电池CPU插座北桥内存条插槽4

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，它决定了主板性能的好坏。★按照在主板上排列的位置不同，通常分为：（1）芯片组主板的灵魂常见型号：Intel975、Intel965、Intel955等。5①北桥芯片:通常在主板上靠近CPU插槽的位置。主板性能的高低主要由北桥芯片决定。②南桥芯片:通常靠近PCI总线插槽的位置。主板功能的多少，往往取决于南桥芯片与主板上的一些专用芯片。③BIOS芯片：将决定主板兼容性的好坏。主桥CPU类型不同，通常需要不同的芯片组。注意：6操作系统的最底层部分的可执行程序代码代码存放在只读存储器芯片(ROM)中，故称为BIOS芯片BIOS芯片电池CMOS芯片（2）BIOS（BasicInput/OutputSystem）7

BIOS主要包含4部分程序:POST程序基本外围设备的驱动程序系统装入程序CMOS设置程序一般情况下是不能被修改的!8①

POST（PowerOnSelfTest，加电自检）程序。当接通微机的电源时，系统将首先执行BIOS的POST程序，测试系统各部分的工作状态是否正常，确定计算机的下一步操作。9③系统装入（自举）程序。当自检完成后，若系统无致命错误，将转入BIOS的下一步骤：执行BIOS中的装入程序。自举程序读出引导程序，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。②基本外围设备的驱动程序。也称“驱动程序”，他们必须预先存放在ROM中，成为BIOS的组成部分，因为键盘、显示器、软驱和硬盘等外围设备在自举时都需要工作。10④CMOS设置程序系统在加电时，BIOS的自举程序读取CMOS信息，初始化机器各部件的状态。

CMOS靠系统电源或主板上的后备电池供电，系统掉电后，其信息不会丢失。按住热键设置，机器启动时屏幕上有提示。11BIOS程序修改CMOS中的参数BIOS是一段可执行程序代码；CMOS中存储了重要参数

通过CMOS设置程序（BIOS中的一段）可以对CMOS芯片中的参数进行设置。注意：CMOS芯片与BIOS芯片的关系。CMOS设置程序是BIOS的一部分。POST程序系统装入程序基本外围设备的驱动程序CMOS设置程序123.3.3存储器的层次结构内存储器：按与主机的关系，存储器可以分为：直接与CPU交换信息。在主机内部，存放当前运行的程序和数据；存取速度快、容量小；由称为存储器芯片的半导体集成电路组成。133.3.3存储器的层次结构按与主机的关系，存储器可以分为：外存储器：不能直接与CPU交换信息。在主机外部，存放当前暂时不用的信息；存取速度慢、容量大；3.4节详细介绍使用磁介质记录信息。14内存储器（内存、主存）的组成：内存储器SRAMDRAMRAMROM15①只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）通常存放固定不变不需修改的程序，如BIOS程序。注意：并不是所有的ROM都是“ReadOnly”，这里只是沿用历史名称。断电后，其中的信息不丢失。ROM掩膜式ROM可编程ROM（PROM）可擦除PROM（EPROM）快擦除存储器（FlashROM）电可擦除PROM（EEPROM）BIOS存储器、MP3、数码相机、手机……16②随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)只能在电源电压正常时才能工作，其中的信息可以随时改写，断电后，里面的信息会丢失。既能读出也能写入，存放用户程序和数据。17动态随机存储器(DynamicRAM)：

集成度高、功耗低，成本低；

内存条通常使用这种动态RAM；

动态：指内存需持续地存取。SRAMDRAMRAM分类：静态随机存储器(StaticRAM)：

采用了与制作CPU相同的半导体工艺；运行速度快、集成度低，功耗大，容量小，价格高；适用于各级缓存；静态：内存资料不需持续地存取，相对DRAM而言。18具体工作：计算机系统装载程序时，先加载一部分数据到内存条中以供程序运行使用。内存条内存是仅次于CPU的决定计算机性能的一个重要标志。金手指内存芯片PCB塑胶板19微机中所用的内存条发展情况：SDRAMDDR(DoubleDataRate)SDRAMDDRⅡDDRⅢ同一时钟周期内，DDRSDRAM能传输两次数据，而SDRAM只能传输一次数据。同一时钟周期内，DDRⅡ传输四次数据性能指标①容量：一般为1G、2G。②类型：DDR、DDRⅡ、DDRⅢ20SDRAMDDRDDRⅡ

2个缺口

1个缺口

1个缺口

168pin

184pin

240pin外观区别：21实例322Cache（SRAM）存储控制器CPU内存条（DRAM）将内存中经常被CPU访问到的那部分程序的内容拷贝到Cache存储器中（该工作由系统自动完成），以后CPU执行这部分程序时，可以用较快的速度从Cache中存取。高速缓冲存储器Cache23访问顺序：

CPU读取数据时先访问Cache后访问内存条。

Cache介于内存条和CPU之间，速度快、容量小。24

Intel从Pentium开始将Cache分开，通常分为一级高速缓存L1和二级高速缓存L2。注意：目前CPU的L1Cache与L2Cache惟一区别在于读取顺序：先读取L1后读取L2。Cache25为了保证CPU访问时有较高的命中率，Cache中的内容应该按一定的算法替换。一种较常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算法），它是将最近一段时间内最少被访问过的淘汰出局。Cache命中Cache命中：CPU在Cache中找到要读取的数据Cache缺失：Cache中没有CPU所需的数据时，

CPU才访问内存。26小结：ROM内存储器SRAMDRAMRAMBIOS存储器Cache内存条27容量<1KB几MB几GB几GB~1TB时间1ns2ns10ns10msCPU寄存器Cache存储总线主存储器（内存条）I/O总线外存(U盘、硬盘等)内存存储器外存储器微机存储器层次结构End3.3.3283.3.4I/O操作、I/O控制器与I/O端口I/O操作I/O控制器I/O端口29对I/O设备的读写操作（1）I/O操作①什么叫I/O操作？CPU与I/O设备进行数据交换的操作②I/O操作有哪些特点？速度差异大信号类型不同信息格式不同与微机系统连接方式各不相同差异如此多，如何管理呢？30正因为I/O设备的多样性及I/O操作的差异性，外设与CPU相连，必须通过中间环节——I/O接口电路实现信息交换，也称I/O控制器。

中央处理器内存储器系统总线I/O控制器外存储器输出设备输入设备I/O控制器I/O控制器I/O端口I/O端口外存储器接口主机外设（2）I/O控制器31①传送数据提供缓冲功能，用以协调主机与外设间的数据传输速度的差异。②

提供主机与外设间有关信息的相容性变换。③

反映外设当前的工作状态、接收CPU的控制信号。④

数据输入、输出功能。在CPU和外设间提供双向的数据传送，这是I/O控制器的最基本功能。⑤

进行设备选择。判断当前CPU启动的是否是与该控制器所连接的外设。主要有以下功能：32

I/O设备和I/O控制器要实现互联，必须通过插头/插座。把用于连接各种I/O设备的各种插头/插座，统称为I/O端口（也称I/O接口，I/OPort）。（3）I/O端口并行接口USB接口串行接口键盘接口鼠标接口音源插口33

I/O总线是各类I/O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，这些信号线与主板上扩充槽中的各种I/O控制器（扩展卡）直接连接。键盘鼠标器打印机显示器麦克风…I/O总线I/O端口硬盘，光驱I/O设备CPU主板I/O设备I/O控制器（扩展卡）机箱插座板卡插座I/O控制器PCI插槽内存主板插槽机箱芯片组IDE接口34I/O端口分类从数据传输方式来分：串行（一次只传输1位）并行（8位或者16位、32位一起进行传输）从数据传输速率来分：高速、低速从是否能连接多个设备来分：总线式（可连接多个设备，被多个设备共享）独占式（只能连接1个设备）从是否符合标准来分：标准接口（通用接口）专用接口（专用接口）35串行传输36并行传输37通用串行总线式接口（UniversalSerialBus）高速、可连接多个设备、串行传输传输速率：USB1.1版：1.5Mb/s和12Mb/sUSB2.0版：高达480Mb/s即插即用USB把不同的接口统一起来，使用一个4针插头作为标准插头，将取代当前PC上的串口和并口。USB接口End3.3.4383.3.5微机总线总线分类总线性能总线标准39（1）总线分类按照层次结构分为：

片内总线：用于连接CPU内部的各个组成部件；

片总线：各种板卡上实现芯片间相互连接的总线；

系统总线：I/O控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的信号线；

外部总线：用于计算机与计算机之间、计算机与外部设备之间的通信，也称通信总线。

按照系统总线上传递信号类型不同分为：地址总线、控制总线、数据总线40总线最重要的性能是它的数据传输速率,称为总线带宽,指单位时间内总线上可传送的数据量。（2）总线的性能总线带宽(MB/s)＝(总线位宽/8)×总线工作频率(MHz)总线能同时传送的数据位数，如32位、64位。41（3）系统总线标准ISA、EISA、MCA（了解）PCI总线扩展插槽，一般为乳白色可插接显卡、声卡、网卡等等名副其实的“万用”扩展插槽AGP（加速图形端口）在PCI总线基础上发展起来的通常都是棕色专门用于挂接显卡42注意：有些I/O控制器和总线都集成在主板上。End3.343总结1.CPU的主要技术参数2.微机的主板（芯片组、BIOS、CMOS）3.存储器的层次结构（ROM、RAM、Cache）4.I/O操作、I/O控制器和I/O端口5.微机总线（分类、性能、PCI总线）443.4.1外部存储器软盘存储器硬盘存储器移动存储光盘存储器3.4微型计算机的外部设备45PC机中的外存储器硬盘存储器软盘驱动器CD-ROM驱动器46（1）软盘存储器47软盘片软盘驱动器软盘控制器3.5英寸软盘片

CPU与软盘驱动器的接口电路，通常集成在主板的芯片组中。

3.5英寸软驱软盘存储器组成：48作用：长期保存各类信息特点：可读可写，便于携带，容量小写保护口读写窗口轴盘连接孔软盘片（floppydisk）49未写保护写保护50磁盘存储器的信息存储原理磁头，用于写入和读出信息“0”“1”盘片旋转方向磁盘片51使用注意52每条磁道有若干扇区磁盘表面有若干磁道每个磁道都有一个编号，最外面的是0磁道磁盘的磁道和扇区格式化作用：划分磁道和扇区清除原有的全部信息53共2个记录面（双面记录）每个记录面80个磁道

(编号:0-79)每个磁道划分为18个扇区

(编号:1-18)每个扇区的存储容量为512字节3.5英寸软盘片存储容量的计算所以，每张盘片的总存储容量为存储容量=28018

512=1.44MB54（2）硬盘存储器55内容提要硬盘组织结构硬盘格式化硬盘接口标准硬盘的主要性能指标5657

1973年，IBM推出第一台采用“温彻斯特(Winchester)”技术的硬盘：密封、固定、高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速旋转盘片上方(0.01μm），不与盘片直接接触。IBM3340硬盘的诞生58磁盘片前置控制电路磁头组件硬盘组织结构59硬盘包含多张盘片（1～5）每个盘片有两个记录面60每条磁道有若干扇区（100多个）每个记录面有若干磁道（1000条以上）信息记录格式与软盘相同，按磁道和扇区进行存储，但磁道和扇区数目要多得多61所有记录面中半径相同的所有磁道称为柱面62存储容量=每扇区字节数*每道扇区数*磁道数*磁头数目前，硬盘的存储容量一般为几十～几百GB。每个扇区存储128*2N（N＝0,1,2,3）字节二进制数据硬盘存储容量的计算：63低级格式化：在每个磁盘片上划分出磁道扇区；物理格式化；一般在出厂前已经完成了这项工作；对硬盘寿命有一定的负面影响。高级格式化：我们平时所用的Windows下的格式化；清除硬盘上的数据，生成引导信息；初始化FAT表，标注逻辑坏道等。硬盘格式化64PC前几年大多使用IDE(也称ATA):

用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来

ATA-1、ATA-2、ATA-3、ATA-4(UltraATA)硬盘接口标准：IDE接口65近几年开始大量采用SATA接口66SCSI

SCSI接口并不是为硬盘而设计的接口，是一种总线型的系统接口，它可以同时挂接各种不同的设备。SCSI接口的优势在于支持多种设备；传输速率比ATA接口高；独立的总线使得SCSI设备的CPU占用率很低。所以，SCSI更多地被用于服务器等高端应用场合。此种接口的硬盘较贵。光纤通道热插拔、高速、高带宽67硬盘主要性能指标存储容量（单位：GB）转速硬盘内电机主轴的转动速度，即每分钟盘片旋转次数。主流硬盘的转速为7200RPM。SCSI硬盘的主轴转速一般可达7200~10,000RPM。68平均访问时间硬盘找到数据所在扇区所需要的平均时间。约为：平均等待时间＋平均寻道时间平均等待时间：数据所在扇区转到磁头下的平均时间；约3ms～6ms,一般取盘片旋转周期的一半平均寻道时间：磁头移动到数据所在磁道所需要的平均时间；约5ms～10ms。磁头磁道旋转轴碟片69数据传输速率（DTR，DataTransferRate）单位MB/s

外部传输速率:

也称接口传输速率，主机向硬盘缓冲读写数据的速度；

内部传输速率：硬盘在盘片上读写数据的速度，是评价硬盘整体性能的决定性因素。硬盘自带Cache的容量：

容量越大，存取信息速度越快，如8MB、16MB。70实例171使用硬盘应注意什么?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，工作时不要移动机器；及时对硬盘内容进行整理，包