计算机硬件系统构成部件

1、12t中央处理器中央处理器一般也称为一般也称为CPUCPU，是计算机的核心，是计算机的核心，具有运算能力和控制功能。具有运算能力和控制功能。 t计算机计算机由由CPUCPU、内存储器、输入输出接口电路和、内存储器、输入输出接口电路和系统总线构成，通常称为计算机主机系统总线构成，通常称为计算机主机 。t计算机系统计算机系统是以计算机为主体，并配上外设和是以计算机为主体，并配上外设和系统软件之后构成的软硬件系统。系统软件之后构成的软硬件系统。 我们通常所说的我们通常所说的“计算机计算机”，其准确的名称，其准确的名称应该是计算机系统。应该是计算机系统。3v计算机硬件系统计算机硬件系统是构成计算机的物

2、理装置，是是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。目前的计算机硬件系统采用的仍是计算机目前的计算机硬件系统采用的仍是计算机的经典结构的经典结构冯冯诺依曼结构，即采用总诺依曼结构，即采用总线结构将运算器、控制器、存储器、输入设线结构将运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备备和输出设备5 5大部件连接起来。大部件连接起来。其中，运算器和控制器构成了计算机的核其中，运算器和控制器构成了计算机的核心部件心部件中央处理器（中央处理器（Center Process Center Process UnitUnit，简称，简称CPUCPU）

3、。）。数据流数据流控制流控制流各部分的功能：各部分的功能：t运算器：运算器：算术运算或逻辑运算算术运算或逻辑运算t控制器：控制器：取指令、译码、执行指令取指令、译码、执行指令t存储器：存储器：保存信息保存信息内存：内存：ROM(ROM(只读存储器只读存储器) ) RAM( RAM(随机存储器，随机存储器，断电后信息全部丢失断电后信息全部丢失) )外存：外存：磁盘磁盘( (软盘、硬盘软盘、硬盘) )、光盘、磁带、光盘、磁带t输入设备：输入设备：输入数据输入数据( (键盘、鼠标、扫描仪、光笔等键盘、鼠标、扫描仪、光笔等) )t输出设备：输出设备：输出数据输出数据( (显示器、打印机、绘图仪等显示器

4、、打印机、绘图仪等) )4 中央处理器中央处理器 控制器与运算器合在一起，制成一块芯片控制器与运算器合在一起，制成一块芯片，称为中央处理器，称为中央处理器（机机），简称，简称 CPU 。 控制器：控制器：指挥计算机指挥计算机各各部件按照指令功能部件按照指令功能的要求进行操作。它从存储器中取指令的要求进行操作。它从存储器中取指令、分析、解释、执行计算机指令，产生控制分析、解释、执行计算机指令，产生控制信号，控制计算机信号，控制计算机各各部件协调部件协调工作工作，实现，实现相应的功能。相应的功能。5 总线（总线（BUSBUS） CPU对外的标准信号连接线，称为总线。对外的标准信号连接线，称为总线。

5、包括包括地址总线地址总线、数据总线数据总线和和控制总线控制总线。 运算器（运算器（ALU）：）：实现算数逻辑运算实现算数逻辑运算。6CPU 结构与系统总线结构与系统总线7| 指令指令是对计算机进行程序控制的最小单位，一是对计算机进行程序控制的最小单位，一个个CPUCPU能够执行的所有指令的集合称为该能够执行的所有指令的集合称为该CPUCPU的的指令系统。指令系统。t程序程序是人们为解决某项任务而编写的指令的有是人们为解决某项任务而编写的指令的有序集合。指令的不同组合方式，可以构成完成序集合。指令的不同组合方式，可以构成完成不同任务的程序。不同任务的程序。指令格式指令格式 操作码操作码 地址码地

6、址码 执行什么操作执行什么操作数据在存储器中的存放位置数据在存储器中的存放位置8u计算机的工作过程计算机的工作过程就是执行程序的过程。就是执行程序的过程。 在运行程序之前，首先通过输入设备将编好的程在运行程序之前，首先通过输入设备将编好的程序和原始数据输送到计算机内存储器中，然后按照指序和原始数据输送到计算机内存储器中，然后按照指令的顺序，依次执行指令。令的顺序，依次执行指令。u执行一条指令的过程是：执行一条指令的过程是：u读取指令：从内存储器中取出要执行的指令送到读取指令：从内存储器中取出要执行的指令送到 CPU CPU 内部的指令寄存器暂存内部的指令寄存器暂存u分析指令：把保存在指令寄存器

7、中的指令送到指令分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的操作译码器，译出该指令对应的操作 u执行指令：执行指令：CPUCPU向各个部件发出相应控制信号，完向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作成指令规定的操作 9n内存，又称主存，是微型机主机的组成部分，存放当内存，又称主存，是微型机主机的组成部分，存放当前正在使用或随时要使用的程序和数据，前正在使用或随时要使用的程序和数据，是是CPUCPU可以可以直接访问的存储器。直接访问的存储器。CPUCPU控制器控制器运算器运算器寄存器寄存器微处理器是微处理器是计算机硬件计算机硬件系统的核心系统的核心部件，负责部件，负

8、责控制和协调控制和协调整个计算机整个计算机系统的工作系统的工作 Cache Cache 计算机后面板计算机后面板I/OI/O接口接口 v主机与外设之间不能直接进行信息交换，必须主机与外设之间不能直接进行信息交换，必须通过通过I/OI/O接口才能完成信息传送。接口才能完成信息传送。vI/OI/O接口所起的作用是：接口所起的作用是： v数据缓冲。解决高速主机与低速外设间的矛盾数据缓冲。解决高速主机与低速外设间的矛盾v信号格式配合。处理外设与信号格式配合。处理外设与CPUCPU之间不同的信息格之间不同的信息格式，如式，如A/DA/D、D/AD/A转换，串转换，串/ /并、并并、并/ /串转换串转换v

9、电平和驱动能力配合。使外设和主机的信号电平电平和驱动能力配合。使外设和主机的信号电平一致，并提高一致，并提高CPUCPU信号的驱动能力信号的驱动能力v时序配合。使主机与外设协调工作时序配合。使主机与外设协调工作v设备选择。每台外设都有设备地址设备选择。每台外设都有设备地址10S 主要性能指标：主要性能指标：字长、主频、内存容量、运算速度字长、主频、内存容量、运算速度 S 分类：分类：S按组成结构分单片机、单板机、多板机按组成结构分单片机、单板机、多板机S按用途分台式、便携式、手持式按用途分台式、便携式、手持式S 发展方向：发展方向：S高速化高速化 P4P4主频达主频达3.40GHz3.40GH

10、zS超小型化超小型化 笔记本电脑笔记本电脑 S多媒体化多媒体化 多媒体处理器多媒体处理器S网络化网络化 网络计算机网络计算机 S隐形化隐形化 电视或影音计算机电视或影音计算机11总线是计算机传输指令、数据和地址的通道，总线是计算机传输指令、数据和地址的通道，是计算机各部件联系的纽带。是计算机各部件联系的纽带。按照传送信息的类型，总线分为：数据总线按照传送信息的类型，总线分为：数据总线( (用于传送数据用于传送数据, ,位数等于机器字长位数等于机器字长) )、地址总线地址总线( (用来传送用来传送存储单元或输入输出接口的地址信号，位数决定存储器的最存储单元或输入输出接口的地址信号，位数决定存储器

11、的最大容量大容量, ,如如2424位总线的寻址数为位总线的寻址数为2 22424=16M=16M个地址个地址 ) )、控制总控制总线线( (传送控制器的各种控制信号传送控制器的各种控制信号 ) )。按照总线在计算机中的位置可以分为内部总线按照总线在计算机中的位置可以分为内部总线和外部总线。和外部总线。 微机的结构示意图微机的结构示意图 ISAISA总线：总线：工业标准总线，工业标准总线，1616位，位，8MHz8MHz，数据传输率，数据传输率8Mb/s8Mb/s，寻址空间，寻址空间1MB1MB，常用于，常用于8028680286至至8048680486微处理器微处理器PCIPCI总线：总线：外

12、部设备互联总线，外部设备互联总线，IntelIntel公司公司19911991年推年推出，出，3232或或6464位，位，33MHz33MHz，数据传输率，数据传输率133Mb/s133Mb/s，常用于，常用于PentiumPentium微处理器微处理器AGPAGP是是IntelIntel公司推出的新一代图形显示卡专用总线，公司推出的新一代图形显示卡专用总线，AGPAGP显示卡同主板芯片组直接相连，大幅提高了电脑显示卡同主板芯片组直接相连，大幅提高了电脑对对3D3D图形的显示能力，图形的显示能力，3232位，位，66.6MHz66.6MHz，其视频信号，其视频信号的传送速率可以从的传送速率可以

13、从PCIPCI总线的总线的133MB/s133MB/s提高到提高到266 MB/s266 MB/s、 533MB/s533MB/s、1.064 GB/s1.064 GB/s和和2.128GB/s2.128GB/s。12微型计算机的主机板微型计算机的主机板CPUCPU插座插座内存条插槽内存条插槽串行接口串行接口AGPAGP扩展槽扩展槽PCIPCI扩展槽扩展槽北桥芯片北桥芯片南桥芯片南桥芯片北桥芯片北桥芯片提供对提供对CPUCPU、内存、内存、AGPAGP显卡等高速部件显卡等高速部件的支持以及与的支持以及与PCIPCI总线的桥接；总线的桥接；南桥芯片南桥芯片提供对键盘接口、鼠标接口、实时时钟提供对

14、键盘接口、鼠标接口、实时时钟控制器、串行口、并行口、控制器、串行口、并行口、USBUSB接口及磁盘驱动器接口及磁盘驱动器接口的支持，以及与接口的支持，以及与ISAISA总线的桥接。总线的桥接。BIOSBIOS是一组有关微机系统最重要的基本输入输出是一组有关微机系统最重要的基本输入输出程序，固化在微机主板上的一个程序，固化在微机主板上的一个ROMROM芯片中。芯片中。BIOSBIOS功能主要有：功能主要有：上电自检。微机接通电源后，系统首先由上电自检。微机接通电源后，系统首先由POSTPOST程序程序来对内部各个设备进行检查。来对内部各个设备进行检查。系统初始化系统初始化( (含可编程接口芯片的

15、初始化含可编程接口芯片的初始化) )，设置，设置BIOSBIOS中包含的中断服务程序的中断矢量中包含的中断服务程序的中断矢量 启动自举程序。将操作系统中的初始引导程序装入启动自举程序。将操作系统中的初始引导程序装入内存，并由引导程序来完成操作系统的顺利启动。内存，并由引导程序来完成操作系统的顺利启动。BIOSBIOS系统设置程序。系统设置程序。131415161718 存储器存储器 计算机用来存放程序和数据的记忆部件，计算机用来存放程序和数据的记忆部件，是计算机各种信息是计算机各种信息（数据数据）存放和交流的存放和交流的中心。中心。 按存储介质分类：按存储介质分类：半导体器件、磁性材料、光学半

16、导体器件、磁性材料、光学材料材料 基本功能：在控制器的控制下按照指令中基本功能：在控制器的控制下按照指令中的地址存入或取出数据。的地址存入或取出数据。19 存储器的性能指标存储器的性能指标 存储容量存储容量: :存储器容量的基本单位，字节存储器容量的基本单位，字节 Byte 8 位。位。 1 KB 1024 Bytes 1 MB 1024 KB 1 GB 1024 MB 1 TB 1024 GB K（千）、（千）、M（兆）、（兆）、 G（千兆，吉）、（千兆，吉）、T（兆兆，太拉）（兆兆，太拉）20 存储周期（速度）存储周期（速度）: : 对内存进行一次读写操作，到可进行下一次对内存进行一次读写

17、操作，到可进行下一次读写操作的全部耗时读写操作的全部耗时。 存储器价格存储器价格: : C/S（总价（总价/容量）容量）* * * 三个指标相互制约三个指标相互制约21通用寄存器堆指令和数据缓冲栈Cache（静态随机存储器SRAM）主存储器（动态随机存储器DRAM）联机外部存储器（磁盘存储器等）脱机外部存储器（磁带、光盘、优盘）第1层第2层第3层第4层第5层第6层存储容量越来越大，每位的价格越来越便宜访问速度越来越快CPU内部存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构 22存储器的主要性能特性存储器的主要性能特性 23 存储器分类存储器分类 主存（内存）：主存（内存）： 由中央处理器直接访问的存

18、储器，常由两由中央处理器直接访问的存储器，常由两种半导体芯片种半导体芯片 随机存取存储器随机存取存储器 RAM 和只和只读存储器读存储器 ROM 组成。组成。辅存（外存）：辅存（外存）： 用来存放大量的暂时不参加运算或处理的信用来存放大量的暂时不参加运算或处理的信息，可成批的与内存交换信息。息，可成批的与内存交换信息。24RAMBUS内存条DDR 内存条25硬盘磁盘片磁盘片磁头磁头马达马达磁头驱动磁头驱动辅助电路辅助电路26软盘 写保护27磁带28光盘驱动器光盘驱动器29优盘优盘30 机器指令机器指令 是指示计算机如何工作的工作步骤，由一是指示计算机如何工作的工作步骤，由一串二进制码组成，分为

19、操作码、地址码、串二进制码组成，分为操作码、地址码、结果存放地址。结果存放地址。例：例： 0110000010000001 0110：表示加法操作：表示加法操作 000010：源操作数地址在：源操作数地址在2号寄存器中。号寄存器中。 000001：目的操作数的地址在：目的操作数的地址在1号寄存器中。号寄存器中。指令的含义：将指令的含义：将2 号寄存器中的数据与号寄存器中的数据与1号寄号寄存器中的数据相加，其结果存放在号寄存存器中的数据相加，其结果存放在号寄存器中。器中。31 指令系统指令系统 一台计算机中，所有机器指令的集合，称一台计算机中，所有机器指令的集合，称为指令系统为指令系统。 * 指

20、令系统是软件设计者的最底层设计语言；指令系统是软件设计者的最底层设计语言；是硬件设计者的依据。是硬件设计者的依据。32 CISC CISC 与与 RISC RISC 从微处理器的指令系统来看，有从微处理器的指令系统来看，有 2 种分支种分支走向，一个是走向，一个是 CISC，一个是，一个是 RISC。 CISC（即复杂指令系统计算机即复杂指令系统计算机）：）：最初，人们为最初，人们为了更自由、方便地编写程序，希望指令的类型更了更自由、方便地编写程序，希望指令的类型更多、功能更完善，而使指令系统变得越来越复杂多、功能更完善，而使指令系统变得越来越复杂，长短也不一。这就是，长短也不一。这就是 CI

21、SC 形成的由来。形成的由来。33 于是，人们提出了于是，人们提出了 RISC（精简指令系统计算机精简指令系统计算机） 方案。该方案只保留了为数不多的简单指令并统方案。该方案只保留了为数不多的简单指令并统一了指令中所包含的基本操作数目，也就是使指一了指令中所包含的基本操作数目，也就是使指令长短基本一致，以便于使用流水线，令长短基本一致，以便于使用流水线， 20 世纪世纪 70 年代中期，人们发现年代中期，人们发现 CISC 中只有中只有20 的指令被频繁使用，其余的的指令被频繁使用，其余的 80 则难得一用则难得一用，这部分指令正是使程序执行时间变长的症结所，这部分指令正是使程序执行时间变长的

22、症结所在在。34 微处理器执行一条指令往往要分若干步完成，微处理器执行一条指令往往要分若干步完成，这相当于加工一个零件需要若干工序。这相当于加工一个零件需要若干工序。CISC 的的 指令长短参差不齐，无法使用流水线，而指令长短参差不齐，无法使用流水线，而 RISC 的指令长短一样，包括的工序的指令长短一样，包括的工序(操作操作)数也一样，数也一样，可以放在流水线上执行。如果有一条可以放在流水线上执行。如果有一条 4 工位的流工位的流水线，便可把水线，便可把 4 条指令同时放在流水线的不同工条指令同时放在流水线的不同工位上顺序地前进。每一时钟周期位上顺序地前进。每一时钟周期 (相当于流水线的相当于流水线的加工节奏加工节奏) ，便可同时完成，便可同时完成 4 个工位的操作，这就个工位的操作，这就使处理器的速度提高了使处理器的速度提高了 3 倍。倍。 35 尽管尽管 RISC 的性价比比的性价比比 CISC 好得多，但由于好得多，但由于CISC 长期积累起来的软件资源很难一下子移植长期积累起来的软件资源很难一下子移植到到 RISC 上，所以，长期以来形成了工作站领域上，所以，长期以来形成了工作站领域使用使用 RISC 微处理器，如微处理器，如 SPARC、MIPSx0