第2章計算硬件基礎

計算機系統組成

PC機的組成

常用輸入設備

常用輸出設備

外存儲器

計算機系統組成

_/---/~

硬件上運行;

/有形的04

L的程序、相關、;

管數據及百拄廠

一O

OO

沒有軟件的硬件機器稱為裸機

2

計算機硬件的邏輯結構（1）

經典計算機的邏輯結構（馮?諾依曼計算機）

3

計算機硬件的邏輯結構（2）

現代計算機的邏輯結構

至外存儲器接口

外存儲器

與經典計算機結構相比:

集中控制一分散控制

存儲器-內存儲器+外存儲器

通過CPU通信一通過總線進行通信

4

中央處理器(CPU)

■處理器(processor)

■能高速執行指令，完成二進制數據的算術或邏輯運算的部件

微處理器(gP)

使用單片大規模集成電路、具有運算和控制功能的部件

各類計算機的核心組成部分

■中央處理器(CPU)

執行系統(應用)軟件的微處理器

Intel4004chipIntel8080chip

5

CPU的工作原理

■存儲程序控制

■將問題求解步驟編制為程序,連同處理數據用二進位

表示并預先存放在存儲器中

程序運行時，CPU從內存中取出指令和相應數據，接

指令操作碼規定,對數據運算，直到程序執行完畢

存儲數據執行指令

6

CPU的結構和任務

構成：運算器、控制器、寄存器組

任務：取指令并完成指令規定操作

存放待執行的

指令并進行譯

指令1指羚計數器

指令2

指令寄存器器

指令k

操作命令

T寄T

指令n中

數

內

存

.操作數地址運央

據

存

處

、數據器

數據

儲2

算理

組

器

數據m----------------------器

暫存等待處

完成規定的運

7------?

指令是什么？

■指令：用來規定CPU所執行的操作

■構成程序的基本單位

■指令格式

操作改操作址

指出CPU應執行何種操作的一

個命令詞，例如加、減、乘、指出該指令所操作（處理）的數

除、取數、存數等據或者數據所在位置

yy

8

指令在計算機中的執行過程

取指令：CPU的控制器從指令執行周期

存儲器讀取一條指令并放

入指令寄存器

取指令指令飛

指令譯碼：決定該指令應12

進行何種操作、操作數在

哪里

3.執行指令

執行指令

(1)取操作數3

4修改指

(2)進行運算令計數器

修改指令計數器：決定下

一條指令的地址

9

運算器(ALU)與通用寄存器(GPR)

ALU:用來對數據進行各種算術或邏輯運算-

GPR：暫存運算所需操作數和結果

GPR

例1：取數指,

LOAD|R3|內存地址A

LOAD|R5|內存地址B

例g：加法;旨令

ADD|R1|R3|R5

例：存數學令

STORE|RI內存地址C

10

指令系統

指令系統：CPU可執行的全部指令

指令分類（奔騰4處理器）

數據傳送類

算術運算類

邏輯運算類

移位操作類

位伸）操作類

控制轉移類

輸入/輸出類等

11

關于奔騰4系列的指令系統

■產品發展過程

8088(8086)->80286-80386-80486-*

Pentium-*PentiumIIfPentiumIIIfPentium4

一奔騰D一奔騰至尊一酷睿f酷睿2

開發方式：向下兼容

同一公司同一系列的CPU向下(前)兼容

不同公司的不同CPU產品其指令系統不同，互不兼容

12

CPU的主要性能指標

■CPU速度

每秒鐘可執行的指令數目（單位：MIPS、MFLOPS）

■CPU字長

一次所能處理的二進制位數（32位、64位）

■主頻（CPU時鐘頻率）

主頻提高，CPU的處理速度通常也會加快

■CPU總線速度

決定了CPU與內存間數據傳輸速度

高速緩存（cache）容量與結構

容量越大、級數越多，效用越顯著

13

雙核處理器(補充)pentiumpentium

EXTREMEn

EDITION

出現背景

提高主頻的瓶頸是散熱問題

超線程(HT)技術提高效率時有一定開銷

集成電路制造及封裝技術的進步

產品

奔騰D(不支持超線程技術)

奔騰至尊：支持HT,最多可作4個處理器用

酷睿TM雙核處理器：不支持HT和64位擴展

酷睿2(Core2Duo)雙核處理器：支持EM64T

14

存儲器

功能：儲存二進位形式表示的程序和數據

分類：內存儲器、外存儲器

內存儲器外存儲器

（簡稱內存或主存）（簡稱外存或輔存）

存取速度很快較慢

存儲容量較小（因單位成本較高）很大（因單位成本較低）

性質斷電后信息消失斷電后信息保持

用途存放已經啟動運行的程序和長期存放計算機系統中幾乎所

需要立即處理的數據有的信息

與CPU關系CPU所處理的指令及數據程序及相關數據必須先送入

直接從內存中取出內存后才能被CPU使用

15

輸入設備(inputdevices)

功能：用來向計算機輸入信息

■例如

鍵盤——輸入文字、符號和命令

鼠標器一一輸入鼠標器移動的位置信息及按鈕命令

■掃描儀——輸入圖片

■麥克風——輸入聲音

■輸入設備的共性

不論信息的原始形態如何，輸入到計算機中的信息

都使用二進位來表示

16

輸出設備(outputdevices)

功能：從計算機輸出信息

例如

■顯示器——輸出文字、符號和圖形

■打印機——打印文字、符號和圖形

■揚聲器——輸出聲音

輸出設備的共性

-把計算機中的二進位信息轉換成人可感知的形式

(文字、符號、圖形、聲音等)

17

總線(bus)

■功能

用于連接CPU、內外存和各種I/O設備并在它們

之間傳輸信息的一組共享的傳輸線及控制電路

■特點：共享、高速

■分類

數據線

■地址線

控制線

18

補充：嵌入式計算機？

■嵌入式計算機

把運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出控制、接口電路

集成在一塊芯片上的超大規模集成電路

用途：內嵌在其他設備中作為信息處理的核心裝置

■例如：數碼相機、MP3播放器、手機、機頂盒等

■特點

功能固定、專用，軟件固化在芯片上

■以最低成本滿足應用要求

19

PC機的組成

主板、芯片組與BIOS

內存儲器

I/O控制和I/O接口

臺式PC的物理組成

［臺軍PCI

I主.）I外備］

［機箱、電源］-—［輸入設備I

-----1鍵盤I

-----1鼠標器I

-------［麥克風］

-----1攝像頭I

IPCI插槽（I/G兩-------—［輸出設備）

［CPU］--------［顯示器］

［內存條卜一-----1打印機〕

I顯示卡卜一-------［音箱/耳機］

|網卡卜一I外諸器）

使盤、軟驅||

聲卡---1

II-.___________:U盤、移動硬盤］

-----怫盤驅動器彳----1

插頭和插座（I/O接口））-

21

1音箱5CPU

2調制解調器6鍵逑9軟驅12I/O接口一

3麥克風7鼠標器10硬盤驅動器13CRT顯示器

4內存條8CD驅動器11打印機14擴展卡

立式PC機的主機箱

:D-ROM或

)VD-ROM

底動需

擴展

空間

主板CPU

23

主板

主板的作用：安裝所有的電子器件、電路與連接件

ROMBIOS：存放最基礎的軟件——基本輸入/輸出系統(BIOS)

CMOS存儲器：存放系統的基本參數(日期、時間、口令等)

24

例：華碩P4T主板照片

包源連接器

CPU插座

PCI總線插槽

內存條插座

I/O端口

25

芯片組

作用：PC機各組成部分相互連接和通信的樞紐

北橋芯片

存儲器控制功能

連接CPU、存儲器、顯卡、南橋芯片

南橋芯片

多種I/O設備控制功能

I/O總線功能

提供了各種I/O接口

26

寄運

存

器算

組器

控?器工4口以太r卡”:盤::制;聲上初射卡

鼠標器鍵盤網線

27

關于芯片組的一些說明

芯片組與CPU芯片同步發展

■集成度越來越高

■芯片組產品

Intel芯片（如865、915、945、955、975系列等）

■AMD（美國）

■VIA（威盛，中國臺灣）

28

BIOS

BIOS(BasicInput/OutputSystem)

存放在主板只讀存儲器(ROM)芯片中的一組機器語言程序

■包括程序及功能

加電自檢程序程序(POST)

用于檢測計算機硬件故障

系統自舉程序(Boot)

啟動計算機工作，加載并進入操作系統運行狀態

CMOS設置程序

設置系統參數：日期、時間、口令、配置參數等

常用外部設備的驅動程序(Driver)

實現對鍵盤、顯示器、硬盤等設備輸入輸出的控制

29

關于CMOS芯片

容量很小的RAM存儲器

由電池供電，關機后信息不會丟失作用

用于存放計算機硬件的參數（稱為“配置信息”）

日期時間、口令

■軟盤/硬盤/光盤驅動器數目、類型及參數

顯卡類型、cache狀況

啟動機器時訪問外存的順序等

設置和修改參數方法

開啟動時按下Del鍵

30

內存儲器

典型存取時間典型容量

寄存器

((<1KB

單存

存存儲器

cache內存儲器WB

位

儲

儲主存儲器（RAM和ROM）256MB-1GB

價

容

修

相外存楙器40GB-200GB

量外存儲器（軟盤、硬盤、光盤）

后備存儲器（磁帶庫、光盤庫）10TB-100TB

存儲器的層次結構

31

存儲器的分類及應用

32

主存儲器（RAM）的功能與原理

功能：用于存放供CPU處理的指令和數據

編址單位：字節

存儲容量：所含存儲單元的總數（MB或GB）

存取時間：（單位：ns）

從CPU送出內存單元的地址開始到主存讀出數據并送

到CPU（或者是把CPU數據寫入主存）所需要時間

/ooooo

OOOO101101001

00010

00011

0010010101010

『

存儲儲

單元（:

內

、地址：容

\

\

X

'、11110

A4.1111

33

PC機主存儲器的物理結構

■主存儲器由若干內存條組成

■內存條

由若干片DRAM芯片焊裝在一小條印制電路板上制成

必須插在主板內存條插槽中才能使用

目前流行的是DDR和DDR2內存條

均采用雙列直插式，其觸點分布在內存條的兩面

DDR條有184個弓【腳，DDR2有240個弓|腳

34

關于cache存儲器（高速緩存）

DRAM,硬盤與CPU之間的速度差距愈來愈大

T-Diskseektime

-DRAMaccesstime

T-SRAMaccesstime

-?-CPUcycletime

問題：由于CPU工

作速度很快，內存

速度比較慢（差1?

2個數量級），從內

存取數或向內存寫

數時，CPU往往需

要等待

35

什么是Cache存儲器?

cache是一種小容量高速緩Cache專儲器

沖存儲器，由SRAM組成~4~~9~10~3

程序運行時，CPU使用的一

主存中的部分信息拷

部分數據/指令會預先批拷貝1°貝在cache存儲器中

在cache中

主存儲器”

■當CPU從內存讀（寫）數據或

指令時，先檢查cache,若0123

有，直接從cache中讀取，4567

否則再去訪問主存儲器891011

12131415

36

Cache存儲器演變過程

37

I/O控制與I/O接口

38

I/O操作的任務與特點

■任務

輸入：將輸入設備的信息送到內存的指定區域

輸出：將內存指定區域的內容送出到輸出設備

■特點

I/O操作與CPU運算可并行

多個I/O設備可同時進行工作

每類I/O設備都有各自的控制器

39

關于I/O總線

uo控制器與CPU、內存之間傳輸數據的一組公用信號線

■與主板擴展槽中插入的擴展卡(I/O控制器)直接連接

■PC機使用的I/O總線

PCI總線

PCI-Express(高速PCI總線)

■I/O總線帶寬

總線的數據傳輸速率(MB/s)=

數據線位數/8X總線工作頻率(MHz)X每個周期的傳輸次數

40

PCI總線擴展槽

M

i

t

t

關于I/O接口

I/O接口：I/O設備與I/O控制器之間的連接器

■分類

/bytefepresentauon

冏一一—^一*"?需：//tornumber1

Z

從數據傳輸方式來分oZy—6fte/byterepreseniaiion

aatag：represeniabo00110001^number3

Wfoinumber100110011**

?j（00110001）00110101<---------------bylerepresentation

串行（一次1位）UII///lornumber5

—Hi

vesentationChul||w

并行（一次多位）3number3；：

（0C

0^<一byle

從是否能連接多個設備來分1*representatio

，lornumber5

總線式（可連接多個設備）Ti（OG110W1）BRSI

△

獨占式（只能連接1個設備）

從是否符合標準來分

DB25

IOB9虹y,/..ryfmal'eccnneaor

■標準接口UIfemaleF*?WWWWWM^

■專用接口第?Mb生。5'。鯽?陽25

malecifemaleconnect。

串行口并行口

42

I/O設備接口

鍵盤接口并行口雙線線接口Carwtotvg

串行口

9針

09^企曲

VGA

視頻口

串行口

25針

MM,/T**rgift

并行口

鍵盤接口

鼠標器串行口用豕器USB專競?BHI雙絞線接口

接口坂口整口首箱心〃同軸電纜網

?絡接口

4MRS;Z2“〃W

（安裝在主板上的I/O設備接口）PS/2接口

“MH>N

43

臺式PC機箱背板照片

鍵盤接口keyboard.mouse鼠標接口

串彳丁接口se〃a/port—power電源接口

顯不器接口monitor—printer（parallelport）

打由機（并行）接口

揚聲器接口speaker.

/oys〃ck（游戲）操縱桿接口

麥克風接口microphone-

44

常用的I/O接口及其性能參數

名稱數據傳數據傳輸速率標準插頭/插座可連接的通常連接的設備

輸方式形式設備數目

串行口串行50-19200b/s日A-232DB25F或1鼠標器，MODEM

雙向或日A422DB9F

并行口并行1.5MB/SIEEE1284DB25M1打印機，掃描儀

（增強式）雙向

USB(1.0)串行1.5Mb/s(慢速)USBA最多127鍵盤，鼠標器，數碼

USB(1.1)雙向1.5MB/S(全速)相機，移動盤等

USB(2.0)串行60MB/S（高速）USBA最多127外接硬盤，數字視頻

雙向設備，掃描儀等

IEEE1394a串行12.5,25,50MB/sFireWire(i.Link)最多63數字視頻設備

IEEE1394b雙向100MB/S

IDE并行66MB/SUltraATA/66(E-IDE)1~4硬盤，光驅，軟驅

雙向100MB/SUltraATA/100

133MB/SUltraATA/133

SATA串行150MB/SSATA1.07針插頭/插1硬盤

雙向300MB/SSATA2.0座

顯示器輸出200?500MB/SVGAHDB151顯示器

接口

PS/2接口串行低速IBM1鍵盤或鼠標器

雙向

紅外線接口串行115,000bps或4紅外線數據協會不需要1鍵盤，鼠標器，打印

（IrDA）雙向Mbps機等

45

關于USB接口

通用串行總線式接口(UniversalSerialBus)

■傳輸速率

USB1.1版：1.5Mb/s和12Mb/s

USB2.0版：高達480Mb/s(60MB/s)

使用4線連接器，體積小，符合即插即用規范(即PnP)

■最多可擴展連接127個設備

可通過USB接口由主機向外設提供電源(+5V)

引腳信號名稱導線顏色

1VCC電源紅

2-DATA數據一白

3+DATA數據+綠

4GND地黑

46

USB接口的3種類鱉Mini-USB,數碼

-------------------------------------相機、移動硬盤

〔等設備經常使用J

接口類型A,通常

在PC上出現

接口類型B,通常在

USB設備上出現

USB集線器,可擴展PC機的USB接口

47

常用輸入設備

鍵盤

鼠標

筆輸入設備

掃描儀

數碼相機

鍵盤（Keyboard）

作用：向計算機輸入字母、數字、符號、命令等信息

按鍵的布局與類型

光標控制鍵小鍵盤

功能鍵

F3F4F8F9F10F1TF12斕遛寇

修飾鍵

49

鍵盤的結構

機械式鍵盤：早期使用

■電容式鍵盤

無磨損和接觸不良問題，耐久性、

靈敏度和穩定性都比較好，擊鍵聲

音小，手感較好，壽命較長

■與主機的接口

PS/2接口

USB接口

無線接口（紅外線或無線電波）

50

鼠標器（Mouse）

光電鼠標

■機電鼠標

51

鼠標箭頭的常見形狀及含義

鼠標形狀含義鼠標形狀含義

玲標準選擇:調整窗口垂直大小

I文字選擇I調整窗口水平大小

氐？幫助選擇窗口對角線調整

后臺操作