办公应用计算机基础与计算思维计算机组成及工作原理

第1章计算机组成和工作原理

目录

・1.1计算机概述

・1.2微电子技术

・1.3计算机组成与工作原理

・1.4PC地组件

1.1计算机概述

1.1.1计算机发展历史

1946年，美国宾夕法

尼亚大学研制成大型电子

数字积分计算机ENIAC。

计算机地发展共经历了四代

令第一代——电子管计算机（1946年〜1959年）

令第二代——晶体管计算机（1959年〜1964年）

令第三代——中小规模集成电路计算机（1964年〜

1970年）

令第四代——大规模,超大规模集成电路计算机

（1970年至今）

计算机使用地电子元器件

1.1.2计算机分类

按照计算机地结构原理可分为模拟计算

机,数字计算机与混合式计算机。按计算机用

途可分为专用计算机与通用计算机。

较为普遍地一种分法是按照计算机地运

算速度,字长,存储容量等综合性能指标,可分

为巨型机,大型机，小型机,微型机与嵌入式计

算机等。

1.巨型机

是一种超大型电子计算机,具有很强地计算与处

理数据地能力,其主要特点表现为高速度与大容量，

配有多种外部与外围设备和丰富地,高性能地软件系

统。

2.大型机

又称大型主机，使用专用地处理器指令集,操作

系统与应用软件。

3.小型机

小型机是指采用精简指令集处理器，性能与价格

介于PC服务器与大型主机之间地一种高性能计算机。

4.微型机

由大规模集成电路组成地体积较小地电子计算

机。它是以微处理器为基础,配以内存储器和输入

输出（I/O）接口电路与相应地辅助电路而构成地

裸机。

主要包含台式机,电脑一体机,笔记本电脑,平

板电脑与智能手机等。

5.嵌入式计算机

嵌入式技术是针对网络,通信,音频,视频,工业

控制等地“专用”计算机技术，一般由嵌入式微处理

器,外围硬件设备,嵌入式操作系统以和应用程序等4

个部分组成。

1.2微电子技术

1.2.1集成电路

集成电路(IintegratedCircuit,IC)又称微

电路,微芯片,芯片,是把一定数量地常用电子

元件,如电阻,电容,晶体管等,以和这些元件

之间地连线,通过半导体工艺集成在一起地具

有特定功能地电路。

集成电路地分类

按集成度地高低可分为：

小规模集成电路（SSI）：<100;

中规模集成电路（MSI）：100~1000;

大规模集成电路（LSI）：1000~10万；

超大规模集成电路（VLSI）：10万〜100万;

特大规模集成电路（ULSI）：100万〜1亿；

极大规模集成电路（GSI）：>1亿。

1.2.2摩尔定律

当价格不变时,集成MicroprocessorTransistorCounts1971-2011&Moore'sLaw

2.600,000,000-

电路上可容纳地元器件地1.000,000,000-

数目每隔约18-24个月便100,000,000

c

n

o10.000.CXX)-

Q

J

O

会增加一倍，性能也将提0

S

U1,000,000-

B

4

升一倍。100,000-

摩尔定律其实是一个10,000

预言,很大程度上是人类Dateofintroduction

有意控制地结果。

1.3计算机地组成与工作原理

1.3.1冯•诺依曼体系结构

冯•诺依曼设计思想

口计算机应包含运算器,存储器，控制器三个核心部件,以

和输入与输出设备

口计算机地数制采用二进制

口程序每条指令一般具有一个操作码与一个地址码

口将编好地程序与原始数据送入存储器,计算机在不需操

作人员干预地情况下，自动逐条取出指令与执行指令，

并最终完成整个任务

1.3.2五大基本部件

冯•诺依曼机地硬件系统主要由5大基本部分组

成：运算器，控制器,存储器，输入设备与输出设备。

］运算器

令运算器地主要任务是执行算术运算（如加,

减,乘,除等）与逻辑运算（如与,或,非，

比较，移位等），所以运算器也被称为算术

逻辑单元（ArithmeticandLogicUnit,

简称ALU）o

令运算器地核心部件是加法器与若干个寄存

器,加法器用于运算,寄存器用于存储参加

运算地各种数据以和运算后地结果。

2.控制器

。控制器是整个计算机系统地指挥中心。

令控制器地主要特点是采用程序控制方式。

令控制器主要由程序计数器(PC)，指令寄存

器(IP)，指令译码器(ID)，时序控制电

路以和微操作控制电路等组成。

。运算器与控制器是计算机地核心部件，现在

它们被做在一块集成电路芯片中,称为中央

3.存储器

令存储器用来存储数据与程序,可分为内存储器与外存储

器两种。

令内存储器也称主存储器,主存或内存,用来存放现行程序

地指令与数据,可以直接与运算器与控制器交换信息。

内存具有存取速度快,容量小地特点

令外存储器也称为辅助存储器,辅存或外存,用来存放需要

长期保存地信息,不能直接与运算器,控制器交换信息，

需要通过内存进行交换。外存地特点是存取速度较慢，

存储容量大，成本低。

存储器地层次结构

为了使整个计算机系统地存储器地性能/价格比达

到最优,计算机往往采用层状地塔式结构

4.输入输出设备

令输入设备是将数据输入到计算机中地设备,常用地输

入设备有键盘,鼠标,扫描仪,光笔,麦克风等。

令输出设备是将计算机处理过地中间过程与最终结果，

以人们可以识别地字符,表格,图形或图像等形式表现

出来,常见地输出设备有显示器,打印机,音响,绘图仪

等。

令输入设备与输出设备统称为I/0设备

(Input/Output)o

1.3.3计算机地工作原理

1.计算机基本工作原理

存储程序与程序控制

操=>数据信号

运算器上

f'一——►控制信号

数据---------------------1结果

输入设备反储存器输出设备=>

▲

馈

程序控

信

制

号

信

号M_J隹L制1需!

”请求信号

请求信号

计算机基本工作原理

计算机地基本工作过程就是不断地重复取指令,分析指

令和取数,执行指令地过程,如此周而复始,直到遇到停

机指令或外来事件地干预为止。

2.指令和指令系统

令指令是能被计算机识别并执行地二进制代

码,它规定了计算机能完成地某一种操作。

令一条指令通常由操作码与操作数两部分组

成。

令一台计算机地所有指令地集合称为该计算

机地指令系统。

令根据指令系统设计架构地不同.分为复杂指

指令和指令系统

令计算机工作地过程就是执行程序地过程。

令程序是一系列有序指令地集合,计算机执行

程序就是执行这一系列地有序指令。

3.指令地执行过程

取指令->分析指令和取操作数->执行指令->保存结果

1.4PC地组件

。人们经常使用地台式机,简单地从外观上看,

其硬件包含两部分：主机系统与外围设备。

令主机是指安装在PC机箱内部地一个整体,包

含主板,硬盘,光驱,电源与风扇等。

。主板上安装了CPU,内存,总线与I/O控制器

等。

1.4.1主板

八八

24pin电源插槽

AUDIO音频------

USB---------

PCI插槽-----

CPU处理器及散热片

PCIEmini插槽-----

BIOS跳线-----

LED插针——

扬声器插针——

笔记本内存插槽

COMS电池-----

USB插针-----

小3pin插针-----

前面板插针——

SATA接口intelNM10芯片组

主板又叫母板,是微型计算机中最大地一块集成电路

板。

.主板概述

主板一般为矩形电路板,能提供一系列接合点,

供处理器,显卡,声卡,硬盘,存储器,外围设备

等部件连接

2.主板地重要芯片

(1)芯片组：芯片组(chipset)是主板

地核心组成部分,几乎决定了这块主板地功

能。

(2)BIOS芯片：BIOS是基本输入输出系统,

把一组程序固化到主板上地一个ROM芯片中。

(3)CMOS芯片：主板上一块可读写地RAM

芯片C

(1)芯片组

令芯片组几乎决定着主板地全部功能,如能安装内存

地最大容量,速度和可使用地内存条地类型。

令芯片组一般由两块大规模集成电路组成：南桥芯

片与北桥芯片。

北桥芯片与南桥芯片

令北桥芯片在主板芯片组中起主导作用，是存储控

制中心,用于高速连接CPU,内存条,显卡,并与南

桥芯片互连。

令南桥芯片是输入/输出控制中心,主要负责I/O接

口控制和高级电源管理等。

北桥芯片与南桥芯片

BIOS&CMOS网卡

(2)BIOS芯片

令BIOS即“基本输入/输出系统”，是一组固化在计

算机主板上地ROM(当前以FlashROM为主)芯片

中地机器语言程序。

令主要包含四个部分地程序：加电自检程序,系统启

动自举程序,CMOS设置程序,主要I/O设备地驱动程

序与中断服务程序。

①加电自检程序

令计算机接通电源后,会自动运行固化在BIOS芯片

上地程序，通常称为POST加电自检。完整地POST

包含对CPU,内存,扩展内存,ROM,主板,CMOS芯片,

串并口，显示卡,软硬盘子系统和键盘等设备地

测试。

令自检中如果发现严重故障则停机,此时由于各种

初始化操作还没完成,不能给出任何提示或信号

；如果发现非严重故障则给出提示或声音报警信

号,等待用户处理。

②系统启动自举程序

◊POST自检通过后,CPU将执行BIOS中地引导装入

程序,按照CMOS中预先设定地启动顺序,依次搜

寻硬盘,光盘或U盘,读入操作系统引导记录,然

后将控制权交给引导记录,由引导记录完成操作

系统地启动

③CMOS设置程序

令CMOS设置程序主要用于对CPU,软硬盘驱动器,显

示器,键盘等部件进行管理与设置,也可以排除

系统故障或者诊断系统问题。

令开机时用特殊热键（一个或一组键）启动可进

入CMOS设置界面。这个设置CMOS参数地过程，

习惯上也称为“CMOS设置”。

④主要I/O设备地驱动程序与中断

服务程序

令外设驱动程序中包含了计算机中所有可用外设

地驱动程序,如果BIOS中不包含某种I/O设备地

驱动程序,系统就不支持该设备。

令BIOS中断服务程序是计算机系统软,硬件之间地

一个可编程接口，用于程序软件功能与计算机硬

件实现地衔接。

(3)CMOS芯片

令CMOS是主板上一块可读写地RAM芯片,用来存放

BIOS中地设置信息以和系统时间日期。

令CMOS是一种易失性存储器,需要使用电池供电,

以保证其信息不丢失。

BIOS与CMOS

令它们既相关又不同：BIOS中地系统设置程序是

完成CMOS参数设置地手段;而CMOS本身只是一块

存储器，仅仅用来保存数据,对CMOS中各项参数

地设定与修改需要通过BIOS地设定程序来实现。

令日常生活中我们经常听说地CMOS设置，完整地说

法应该是“通过BIOS设置程序对CMOS参数进行

设置”。

3.总线与I/O接口

(1)总线

总线是工种功能部件之间传送信息地

公共通信干线,它是由导线组成地传

输线束。

接口地功能是负责实现CPU通过系统

/,4-UE-T-小i-UnZvIZUEl、HZ_

忘

走

总线地主要技术指标

口总线位宽是指总线可以同时传输地二进制数据地位数。

口总线工作频率以MHz为单位,工作频率越高，总线工作速度

越快,总线带宽越宽。

口总线带宽是指单位时间内总线上可传输地最大数据量。

口总线带宽(MB/s)=(总线位宽/8)X总线工作频率

(MHz)X传输次数

总线标准

口常见地总线标准有：PCI总线,PCI-E总线等。

口PCI总线是一种32位并行总线（可扩充为64位），可在

主板上与其它系统总线（如ISA,EISA或MCA）相连接,

系统中地高速设备挂接在PCI总线上,而低速设备仍然

通过ISA,ElSA等低速I/O总线支持。

口PCI-E是串行总线,采用高速串行传输以点对点地方式

与主机进行通信。每个设备都有自己地专用连接，独享

市HI■范,i1,,■。

(2)I/O接口

口各种外部设备通过接口与计算机主机相连,与外部设备相

连地接口称为I/O接口。

口由于I/O设备地种类繁多,每种I/O设备地工作方式也不相

同，因此每个I/O设备都有各自专用地控制电路,即I/O控

制器。

口由I/O控制器上地控制电路延伸出来地插头或插座,就是

I/O接口。通过I/O接口，可以把打印机,扫描仪,U盘移动

硬盘,数码相机等外部设备连接到主机上。

①SATA

SATA是SerialATA地缩写，即串行ATA。它地主要

功能是用作主板与大量存储设备（如硬盘和光盘

驱动器）之间地数据传输。

5A

②USB接口

一个USB接口通过级联方式最大可以支持127个外设,并

且支持热拔插，真正做到了即插即用，是目前计算机中

使用非常广泛地接口，几乎所有地外设都有USB接口。

③HDMI接口

适合影像传输地专用型数字化接口，可同时传送音频与

影像信号,最高数据传输速度为48Gbps（2.1版），同时

无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换。

・・••••・・

5i<r

norvii4

IXJPLJT-----------------------------------------

1.4.2CPU

中央处理器(CPU,CentraIProcessingUnit)是

一块超大规模地集成电路,是一台计算机地运算与

控制中心。它地功能主要是解释计算机指令以和

处理数据。

1.CPU地物理结构

令运算单元

令运算器是计算机对数据进行加工处理地中心,它主要由算术

逻辑部件（ArithmeticandLogicUnit,缩写为ALU）,通用寄

存器组与状态寄存器组成。ALU主要完成对二进制信息地定点算

术运算,逻辑运算与各种移位操作,也可执行地址运算与转换。

令控制单元

令控制器是计算机地控制中心,它决定了计算机运行过程地自

动化。它不仅仅要保证程序地正确执行,而且要可以处理异常事

件。控制器一般包含指令控制逻辑,时序控制逻辑,总线控制逻

辑,中断控制逻辑等几个部分。

2.CPU地性能指标-1

（1）字长

字长是CPU地主要技术指标之一，指地是CPU一次能并行处理地二进制数

位数，由微处理器对外数据通路地数据总线条数决定。

（2）主频

主频用来表示CPU地运算,处理数据地速度。通常,主频越高,CPU处理数

据地速度就越快。

（3）缓存

缓存也叫高速缓冲存储器,是一种高速，小容量地存储器，使用它是

为了解决CPU与内存速度不匹配地矛盾。高速缓冲存储器位于CPU与内

存之间（一般集成在CPU内部），存储CPU即将访问地指令或数据，先于

内存与CPU交换数据。

2.CPU地性能指标-2

(4)CPU扩展指令集

CPU扩展指令集指地是CPU增加地多媒体或者是3D处理指令,这些扩展指令

可以提高CPU处理多媒体与3D图形地能力。著名地有MMX(多媒体扩展指令)

,SSE(因特网数据流单指令扩展)与3DNow!指令集。

(5)多线程

让同一个处理器上地多个线程同步执行并共享处理器地执行资源,可最

大限度地实现宽发射,乱序地超标量处理,提高处理器运算部件地利用率,缓

与由于数据相关或Cache未命中带来地访问内存延时。

(6)多核芯

多核芯,也叫单芯片多处理器,其主导思想是将大规模并行处理器中地SMP(对

称多处理器)集成到同一芯片内,各个处理器并行执行不同地进程。

1.4.3存储器

1.内存储器

内存储器又称内存,内存通常由半导体材料构成,

也被称作半导体存储器。

按照工作方式,即是否能随机存取,分为随机存取

存储器(RandomAccessMemory,简称RAM)与只

读存储器(Read-OnlyMemory,简称ROM)两类。

半导体存储器

静态随机存储器SRAM（高速缓冲存储器

动态随机存储器DRAM（主存储器）

掩膜ROM(MaskROM)

可编程ROM(PROM)

可擦除PROM(EPROM)

快擦除存储器RashROM（BIOS存储器）

(1)随机存储器

令随机存储器是一种可以随机读/写数据地存储器,也称

为读/写存储器。

令RAM有以下两个特点：一是可以读出，也可以写入。读出

时并不损坏原来存储地内容,只有写入时才修改原来所

存储地内容;二是RAM只能用于暂时存放信息,一旦断电,

存储内容立即消失,即具有易失性。

令RAM是易失性存储器,断电后存储器中地内容立即消失。

令根据保存数据地机理不同可将RAM分为动态随机存储器

DRAM与静态随机存储器SRAM两种。

①动态随机存储器

令由于DRAM存储单元地结构简单,所用元件少,集成度

高,功耗低,所以目前已成为大容量RAM地主流产品。

令DRAM利用电容来存储数据,每一个bit只需要一个晶

体管另加一个电容,电容地有电与没电状态分别表

示0与1O

令由于电容不可避免地存在衰减现象,因此电容必须

被周期性地刷新（预充电）以保持数据，这是DRAM

地一大特点。

②静态随机存储器

◊SRAM用触发器存储数据,接通代表1,断开表示0,并

且状态会保持到接收了一个改变信号为止,也就是

SRAM不需要刷新。

令SRAM地特点是存取速度特别快。但如同DRAM一样,

一旦停机或断电,它们也会丢掉信息。

令由于一个触发器需要四到六个晶体管与其它零件,

因此除了价格较贵外,SRAM芯片在外形上也较大。

(2)只读存储器

口ROM(ReadOnlyMemory)是只读存储器，顾名思义，

它地特点是只能读出原有地内容,不能由用户再写入

新内容,一般用来存放专用地固定地程序与数据。

口只读存储器是一种非易失性存储器,一旦写入信息后,

无需外加电源来保存信息,不会因断电而丢失。

口目前ROM主要采用可在线改写内容地快擦除

ROM(FlashROM)。

2.外存储器

令外存储器也叫外存,辅助存储器,辅存,可以用

来长期存放程序与数据,一般只与内存进行信

息交换。当电源关闭时，外存里存储地信息不

会丢失,所以也称它为永久性存储器。

令外存储器有硬盘,光盘,u盘,移动硬盘与存储卡

等。

(1)硬盘

令硬盘是计算机中主要地存储媒介之一,硬盘有机

械硬盘,固态硬盘,固态混合硬盘。

令固态硬盘采用闪存颗粒来存储,机械硬盘采用磁

性碟片来存储,混合硬盘是把磁性碟片与闪存集

成到一起地一种硬盘。

①机械硬盘

令硬盘由磁性盘片（存储介质），主

轴与电机，控制电路，伸缩臂以和

伸缩臂上地磁头等组成。

令硬盘地磁性盘片由一个或者多个

碟片组成,碟片地上下两面都覆盖

有铁磁性材料,通过磁性材料粒子

地磁化来记录数据,磁性材料粒子

有两种不同地磁化方向，分别用来

表示“0”或“1”O

盘片地结构

令一个硬盘通常由多个盘片组成，每个盘片被划分为磁道与扇区。因为扇

区地单位太小，因此把它捆在一起,组成一个更大地单位更方便进行灵

活管理，这就是“簇”。

扇区

令簇是硬盘存放信息地最小单位。

通常连续地若干扇区形成一个簇。

簇地大小是可以变化地,是由操

作系统在“高级格式化”时规定

地，因此管理也更加灵活。

②固态硬盘

令固态硬盘（SolidStateDrive,缩

写为SSD）,也可简称固盘。固态硬一缓存

主控

盘是用固态电子存储芯片阵列制成

地硬盘,由控制单元与存储单元组

-闪存芯片

成。

令固态硬盘在接口地规范与定义,功

能和使用方法上与普通硬盘完全相

同,在产品外形与尺寸上也完全与

普通硬盘一致。

固态硬盘地结构

O固态硬盘地存储介质分为两种,一种是采用闪存作为存储介质，另外

一种是采用DRAM作为存储介质。

今基于闪存地固态硬盘是固态硬盘地主要类别,这也是通常所说地

SSDo其内部构造十分简单，固态硬盘内主体其实就是一块PCB板，

这块PCB板上最基本地配件就是控制芯片,缓存芯片（部分低端硬

盘无缓存芯片）与用于存储数据地闪存芯片。

。主控芯片是固态硬盘地大脑,其作用一是合理调配数据在各个闪存

芯片上地负荷,二则是承担了整个数据中转,连接闪存芯片与外部

SATA接口。不同地主控之间能力相差非常大,在数据处理能力,算

法，对闪存芯片地读取写入控制上会有非常大地不同,直接导致固

态硬盘产品在性能上差距高达数十倍。

③固态混合硬盘

令固态混合硬盘是把磁性硬盘与闪存集成到一起地一种硬盘。

令混合硬盘是一块基于传统机械硬盘衍生出来地新硬盘，除了机械硬

盘必备地碟片,马达,磁头等,还内置了NAND闪存颗粒,这些颗粒将

用户经常访问地数据进行储存,可以达到如SSD（就是固态硬盘）

效果地读取性能。

混合硬盘地工作原理

令固态混合硬盘通过增加高速闪存来进行资料预读取,以减少从硬盘

读取资料地次数,从而提高性能,还可减少硬盘地读写次数,从而使

硬盘耗电量降低，特别是使笔记本电脑地电池续航能力提高。

令由于一般混合硬盘仅内置8GB地MLC闪存，因此成本不会大幅提高。

同时混合硬盘亦采用传统磁性硬盘地设计，没有固态硬盘容量小地

不足。

⑵移动存储器

令移动存储指便携式地数据存储装置,指带有存储

介质且（一般）自身具有读写介质地功能，不需

要或很少需要其它装置等地协助。

令现代地移动存储主要有移动硬盘,u盘与各种存

储卡。

①移动硬盘

令移动硬盘由硬盘与硬盘盒组成。移动硬盘可以提供相当

大地存储容量,是一种较具性价比地移动存储产品。

令移动硬盘有如下特点：

令(1)容量大

令(2)体积小

令(3)速度高

令(4)使用方便

令(5)可靠性高

②U盘

令U盘地组成很简单，主要由外壳+机芯组成。其中机芯是

一块PCB,上面有USB主控芯片，晶振，贴片电阻,电容

,Flash（闪存）芯片，以和USB接口与贴片LED（不是所

有地U盘都有）等。

令U盘最大地优点就是：小巧便于携带，存储容量大，价格

便宜，性能可靠。

③存储卡

令存储卡,又称为“数码存储卡”，“数字存储卡”，“储存卡”等,是

用于手机,数码相机,便携式电脑,MP3与其它数码产品上地独立存

储介质,一般是卡片地形态,故统称为“存储卡”。

令存储卡大多使用闪存作材料，但由于形状，体积与接口地不同又分为:

SD卡,CF卡,MMC卡,XD卡,T-FIash卡,Mini-SD卡等。

1.4.4输入输出设备

输入输出设备是计算机系统地重要组成部

分。各类信息通过输入设备输入到计算机

中,计算机地处理结果则由输出设备输出。

1.输入设备

令输入设备是用来向计算机输入命令,程序，

数据,文本，图形，图像,音频与视频等信息

地设备。

令常用地输入设备有键盘与鼠标,其它地输

入设备还有数码相机,数码摄像机,扫描仪,

触摸屏,手写板,条形码读入器,摄像头,麦

克风，游戏操纵杆等。

①键盘

令键盘是最常用也是最主要地输入设备。

令键盘一般分为四个区：主键盘区,功能键

区，控制键区与小键盘区。

令注意正确地键盘指法。

D鼠标

令鼠标地工作原理是：当用户移动鼠标时，

借助于机电或光学原理,把鼠标移动地距

离与方向分别转换成脉冲信号输入计算机,

计算机中运行