计算机硬件系统(第三版)

1、第3章 计算机硬件系统 内容提要本章以微型计算机为例介绍计算机硬件系统的组成，包括系统单元、内存、系统总线、扩展卡以及常用的输入输出设备和辅助存储器。通过本章学习，要求掌握计算机系统的基本结构和工作原理，了解多种输入输出设备及其功能。计算机导论 总体上讲，计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两大组成。计算机硬件系统由一系列电子元器按照一定逻辑关系联接而成，是计算机系统的物质基础。计算机软件系统由操作系统、语言处理系统、以及各种软件工具等软件程序组成。计算机软件指挥、控制计算机硬件系统按照预定的程序运行、工作，从而达到我们预定的目标。3.1 计算机的基本结构与工作原理计算机导论 体系结构指

2、的是,构成系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。冯诺依曼体系结构的要点：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。控制器和运算器是其核心，称为CPU按存储程序原理进行工作3.1.1 计算机硬件的基本结构计算机导论 冯诺依曼体系结构控制器输入设备运算器（ALU）输出设备存储器计算机导论计算机硬件的基本结构辅助存储器内存储器运 算 器 控 制 器输入设备输出设备 程序原始数据 运算 结果控制信息数据计算机导论 输入设备:输入设备是将程序和数据以计算机所能识别和接受信息形式输入到计算机内。根据不同的应用，可选择各种不同输入设备。常用的输入设备有：键盘

3、、鼠标、光笔、扫描仪等。 输出设备:各种输出设备是将计算机处理过的信息以用户熟悉、方便的形式输送出来。常用的输出设备有：屏幕显示器、打印机、绘图仪、音箱等。 计算机导论 存储器：存储器是计算机的记忆装置，用来存储数据和程序的部件。存储器内的信息是按地址存取的。向存储器内存入信息也称为“写入”。从存储器里取出信息，也称为“读出”。信息读出后并不破坏原来存储的内容。 存储单位：“位”（bit）、“字节”（byte）、“字”和“字长” 存储器的分类：内存储器：又称为主存储器，简称为内存或主存，用来存放现行程序的指令和数据。包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。外存储器：又称为辅助存储

4、器，简称为外存或辅存，用来存放需要长期保存的信息。计算机导论 运算器：对二进制数进行运算的部件。它在控制器的控制下执行程序中的指令,完成各种算术运算、逻辑运算、比较运算、移位运算以及字符运算等。 运算器的组成：算术逻辑部件（ALU）完成加、减、乘、除等四则运算以及与、或、非、移位等逻辑运算；寄存器用来暂存参加运算的操作数或中间结果。计算机导论 控制器：是整个计算机的指挥中心。它负责对指令进行分析、判断，发出控制信号，使计算机的有关设备协调工作，确保系统正确运行。 控制器的组成：程序计数器（PC）：用来对程序中的指令进行计数，使控制器能依次读取指令；指令寄存器（IR）：在指令执行期间暂时保存正在

5、执行的指令。指令译码器（ID）：用来识别指令的功能，分析指令的操作要求。微操作控制电路：用来产生各种控制操作命令。时序控制电路：用来生成时序信号，以协调在指令执行周期内各部件的工作。计算机导论 控制器和运算器一起组成了计算机的核心，称为中央处理器，即CPU (Central Processing Unit)。 通常把控制器、运算器和主存储器一起称为主机，而其余的输入、输出设备和辅助存储器称为外部设备。 微型计算机硬件的系统结构与冯诺依曼结构无本质上的差异，不过CPU已被集成在一片大规模或超大规模集成电路上，称为MPU。此外，微型计算机内部的连接方式都是采用总线结构。计算机导论 输入/输出设备输

6、入/输出设备：简称为I/O设备，是外部与计算机交换信息的渠道。输入设备：用于输入程序、数据、操作命令、图形、图像以及声音等信息。常用的输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪、光笔、数字化仪以及语音输入装置等。输出设备：用于显示或打印程序、运算结果、文字、图形、图像等，也可以播放声音。常用的输出设备有显示器、打印机、XY绘图仪以及声音播放装置等。计算机导论 计算机的指令系统指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。指令系统：一台计算机能执行的所有指令的集合。3.1.2 计算机的基本工作原理 计算机导论取指令：即按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器

7、中。分析指令：即对指令寄存器中存放的指令进行分析，指令的操作码确定执行什么操作，指令的地址码确定操作数的地址。执行指令：即根据分析的结果，由控制器发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。上述步骤完成后，指令计数器加1，为执行下一条指令做好准备。如果遇到转移指令，则将转移地址送入指令计数器。指令的执行过程计算机导论3.2 系统单元及微处理器系统主板：又称为底板或母板,它是整个计算机系统的通信网,系统单元的每个元器件直接连接到系统主板,它们通过系统主板进行数据的交换。系统时钟：控制计算机操作的速度，这个速度用兆赫（MHz）表示。时钟速度越快，则计算机处理信息的速度就越快。3

8、.2.1 系统主板与时钟频率计算机导论3.2.2 微处理器结构计算机导论控制单元：计算机的“指挥中心”，协调和控制出现在微处理器中的所有操作，还与输入/输出设备进行通信。寄存器：寄存器的硬件组成相似于内存的存储单元，但其速度更快以及使用方式不同。专用寄存器：指令寄存器、地址寄存器通用寄存器：暂存数据的寄存器算术/逻辑单元（ALU）：是计算机的“计算器”，完成两种类型的操作。算术操作：加、减、乘、除等运算逻辑操作：比较操作计算机导论3.2.3 CPU的性能指标 CPU (Central Processing Unit)，即中央处理器，它担负着执行各种命令、完成各种数学和逻辑运算的任务，是计算机系

9、统中的核心部件。CPU的主要性能指标有： 主频 主频即CPU工作的频率。主频越高，CPU的工作速度越快。 外频 实际上计算机的任何部件都按一定的节拍工作。通常是主板上提供一个基准节拍,主板提供的节拍称为外频。 倍频 科技的发展使CPU主频越来越快，而外部设备工作频率跟不上CPU的工作频率，解决方法是让CPU以外频的若干倍工作。CPU主频相对的倍数称为CPU的倍频。 CPU工作频率=倍频外频计算机导论 指令综合能力 处理器能执行的指令条数和每条指令的能力。 地址总线宽度 PC采用的是总线结构。地址总线宽度（地址总线的位数）决定了CPU可以访问的存储器的容量，不同型号的CPU总线宽度不同，因而使用

10、的内存最大容量也不一样。32位地址总线能使用的最大内存容量为4GB。 数据总线宽度 数据总线宽度决定了CPU与内存、输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。Pentium以上的计算机，数据总线的宽度为64位，即CPU一次可以同时处理8个字节的数据。计算机导论 高速缓存 缓存是位于CPU和内存之间的容量较小但速度很快的存储器，缓存的速度与CPU相当，为了进一步提高速度将缓存分L1、L2、L3，称为一级、二级、三级缓存。 工作电压 工作电压是指CPU正常工作时所需要的电压。目前CPU的工作电压一般在1.6V2.8V之间。CPU制造工艺越先进，则工作电压越低，CPU运行的耗电功率就越小。 协处理器

11、一般的CPU只能对定点数进行运算,如要进行浮点数运算，或进行复杂的数学运算就需要有专门的处理器协处理器，Pentium以上的CPU都内置了协处理器。计算机导论 多核(Multi-Core) 多核是指单个裸片上具有多个可见的处理器，并且这些处理器各自拥有独立的控制和工作状态。随着信息时代对计算能力需求的强劲增长，也随着90 、65纳米等先进制造工艺的应用，多核技术已走向个人电脑，并成为影响CPU性能的重要的技术指标之一。计算机导论3.2.4 微型计算机中常见的CPU产品 CPU从最初发展至今已经有三十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为4位微处理器、8位微处理器、16位微处

12、理器、32位微处理器以及64位微处理器等。 1.Intel公司产品 Pentium(奔腾)处理器 Celeron(赛扬)处理器 Itanium(安腾)处理器 Xeon（至强）处理器 Banias(迅驰)处理器 双核安腾、酷睿处理器计算机导论Intel 4004Intel 8086Intel 奔腾4Intel 酷睿2计算机导论2. AMD公司产品 AMD K6处理器 AMD K6-2处理器 AMD Athlon 7处理器364位处理器 Intel公司 AMD公司 IBM公司 SUN公司计算机导论3.3 存储设备 计算机系统中用来记录信息的设备称为存储器。信息是指指令和数据，它们都是以二进制数表示

13、的，所以存储器中存放的是二进制数0和1。 存储器是计算机中的主要设备之一。 计算机导论通用寄存器组外部存储器（磁盘、光盘等）主存储器（DRAM）Cache(SRAM)存储容量越来越大速度越来越快3.3.1 存储器的层次结构计算机导论计算机导论 寄存器型存储器。它是由多个寄存器组成的存储器，当前CPU内部都有寄存器组。 高速缓冲存储器。它是计算机中的一个高速小容量存储器，其中存放的是CPU近期要执行的指令和数据。 主存储器。计算机系统中的主要存储器称为主存储器（简称主存）。它被用来存储计算机运行期间较常用的大量的程序和数据。 。 外存储器。计算机主机外部的存储器称为外存储器，也叫辅助存储器 计算

14、机导论 存储容量 存储容量是指存储器最多能存储多少二进制信息。最基本单位常用字节（Byte）作单位。单位有K、M、G、T。如：2GB。 存取速度 把数据存入存储器称为写入，把数据取出称为读出。存取速度是指从请求写入（或读出）到完成写入（或读出）一个存储位的时间。 数据传输率 用于外部存储器，衡量它与内存交换数据的能力。3.3.2 存储器的性能指标计算机导论3.3.3 半导体存储器 按存储材料分，存储器有半导体存储器、磁记录存储器、激光存储器等。 半导体存储器一般可分为三大类：随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、特殊存储器。计算机导论 2. 只读存储器 ROM为只读存储器（Read On

15、ly Memory）的缩写。顾名思义，它只能读出原有的内容，而不能写入新内容，原有内容由厂家一次性写入，并永久保存下来，当然是非易失的。 1. 随机存储器 RAM 为随机存取存储器（Read Write Random Access Memory）的缩写。RAM通常有两个特点： 可以读出、也可以写入。读出时并不损坏所存储的内容，只有写入时才修改原来所存储的内容。 当断电后，存储内容立即消失，称为易失性。计算机导论 3. 主存储器 主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令和数据。 主存储器由若干内存条组成，而内存条是把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成的。在微机中内存

16、条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用。 主存是以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节（8个二进位）。主存储器中所包含的存储单元的总数称为存储容量（单位：MB或GB）。计算机导论计算机导论4. 高速缓冲存储器（Cache） 高速缓冲存储器是位于主存与CPU之间的高速小容量存储器，用于解决CPU与主存之间速度不匹配问题，它存放的是CPU立即要运行或刚使用过的程序和数据。CPU读取数据的顺序是先Cache后内存。 命中率是Cache的一个重要性能指标，它的含义是指CPU需要的指令或数据在Cache中能直接取到的概率。计算机导论5.半导体存储器的主要技术指标（1）存储容量 存储器的存储容量

17、是指它包含的存储单元的总数。目前常以MB（1MB=220Byte）或GB（1GB=230Byte）为单位计算，半导体存储器DRAM目前水平是每片128MB2GB。（2）存取时间 存取时间是在存储器地址被选定后，存储器读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入存储器）所需要的时间，单位是ns（1ns = 10-9 s）计算机导论（3）存储器总线带宽 指存储器在单位时间内所存取的二进制信息的位数，也称为数据传输率。（4）存储器的可靠性 存储器的可靠性用平均故障间隔时间MTBF来衡量。MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。MTBF越长，表示可靠性越高，即保持正确工作能力越强。（5）价格 半

18、导体存储器的价格常用每位价格来衡量。设存储器容量为S位，总价格为C，则每位价格可表示为c C/S。计算机导论3.3.4 磁记录存储器 利用外加磁场在磁介质表面进行磁化，产生两种方向相反的磁畴单元来表示0和1，这是磁记录的基本原理。外加磁场是磁头提供的，磁介质表面则有磁盘、磁带等形式。计算机导论1. 软磁盘及其设备 软磁盘（floppy disk）。是前些年人们广泛使用的一种廉价介质。 计算机导论硬盘种类： 内置硬盘：简称硬盘，安装在系统单元的内部。硬盘组：存储大容量信息、可移动的存储设备，其容量远远大于上述硬盘。USB移动硬盘：支持即插即用。 2. 硬磁盘及其设备 与软盘使用薄的、柔性的塑料盘

19、不同,硬盘使用厚的、刚性的金属磁盘片。硬盘是计算机系统中最主要的辅助存储器，硬盘盘片与其驱动器合二为一体，能快速地存储和读取信息，并且其容量远远大于软盘。计算机导论计算机导论硬盘主要的性能指标： 容量 硬盘的容量指的是硬盘中可以容纳的数据量。目前最大容量已经达到TB。 转速 转速是指硬盘内部马达旋转的速度，目前主流的IDE硬盘有5400RPM和7200RPM。 平均寻道时间 平均寻道时间指的是磁头到达目标数据所在磁道的平均时间。目前的主流硬盘中，除了希捷的酷鱼稍快（为7.6ms）外，其余品牌基本为（8.59ms）。 缓存 缓存的大小直接影响硬盘整体性能。目前都已增加到4MB。计算机导论3.3.

20、5 光盘存储器 自20世纪70年代初期光存储技术诞生以来，光盘技术获得了迅速发展，形成了固定型光盘，追记型光盘、可改写型光盘等三种类型产品。 (1) 固定型光盘，又叫只读光盘，它把需要的信息事先制作到光盘上，用户不能抹除，也不能再写入，只能读出盘中的信息，现在广泛使用的CD-ROM光盘就是此类。 (2 )追记型光盘，又叫只写一次式光盘，它可以由用户将所需要信息写入光盘，但写过后不能抹除和修改，只能读出。这种光盘主要供用户作信息存档和备份一个大型系统用。 (3) 可改写型光盘，也叫可擦写型光盘，用户可以自己写入信息，也可以对写入的信息进行擦除和改写。就像使用软盘、硬盘一样，能反复使用。这种光盘由

21、于价格较高，现在很少使用。 计算机导论计算机导论 (4) DVD存储器 DVD（Digital Video Disk），即数字视频光盘或数字影盘，它利用MPEG2的压缩技术来储存影像。也有人称DVD是数字多用途光盘，它集计算机技术、光学记录技术和影视技术等为一体，其目的是满足人们对大存储容量、高性能的存储媒体的需求。 DVDROM 电脑软件只读光盘，用途类似CDROM，共有四种容量，分别为4.7 GB、8.5 GB、9.4 GB、17 GB、； 可记录型 包括DVDR和DVDR，也称DVDWriteOnce，是限写一次的DVD，用途类似CDR，可与DVDROM兼容； 可改写型 包括DVDRAM

22、、DVDRW、DVDRW等，是能多次写入数字信息的DVD。计算机导论3.3.6 其他存储设备 近年来由于技术的发展，出现了一些新型的存储器，如优盘，移动硬盘、以及各种存储卡（SD卡、CF卡、忆棒、XD卡）等，它们常用在数码相机、数码摄像机、MP3和MP4中。图2.16 U盘计算机导论闪存不仅具有RAM内存可擦除、可编程的优点,而且还具有ROM内存的写入数据在断电后不会消失的优点。USB闪存盘（U盘）普遍采用USB接口，与计算机的理论传输速率可达12MB/s，具有易扩展、即插即用的优点。CompactFlash又称CF卡，是美国SanDisk公司于1994年推出的，它广泛应用于笔记本计算机和数字

23、产品中。SmartMedia又称SM卡，是东芝和Taec公司于1995年11月发布的。Memory Stick又称记忆棒，是索尼公司独立推出的，它的体积非常小，广泛用于索尼公司的电子产品上。计算机导论3.4 输入输出设备3.4.1 输入设备 1. 键盘 键盘上除了英文的26个字母和0到9数字等与打字机相同内容外，还增加了小键盘和一些特殊功能键。计算机导论 2. 指（定）点设备发光二极管微型镜头右键左键滚轮（当前流行使用） 机电式鼠标器（曾经流行使用）滚轮按键传动球鼠标垫计算机导论指点杆 触摸板笔记本电脑使用：无线鼠标接收器发送器轨迹球 操纵杆玩游戏使用计算机导论 3. 源数据自动化 光学记号识

24、别 (机读试卷） 光学字符识别 （文字字符识别） 条形码阅读机 磁性带 智能卡（IC卡） 4. 数字化仪 用户在特殊的平板上绘图， 并将图形传输给计算机系统。 5. 图像扫描仪平板式扫描仪 主要扫描反射式稿件，适用范围较广。其扫描速度、精度、质量比较好。计算机导论6. 数码相机、数字摄像机 以数字形式记录图像 。7. 特殊输入设备 触摸屏 光笔 语音输入 视觉输入普通数码相机专业数码相机计算机导论3.4.2 输出设备 1. 显示器和终端S-Video接口DVI接口VGA接口绘图处理器计算机导论显示屏尺寸：以对角线长度度量，如，15 吋，17吋， 19吋，21吋屏幕横向与纵向的比例普通屏：43宽

25、屏： 1610 , 或 169显示分辨率 整屏可显示像素的最大数目，分辨率越高, 图像越清晰 表示： 水平像素个数垂直像素个数 例：12801024 ,1024768, 800600, 640480在显卡的控制下，屏幕分辨率是可变的，有多种不同的显示分辨率（显示模式）画面刷新速率画面每秒钟更新的次数,通常速率越高图像稳定性越好计算机导论 2. 打印机 点阵打印机 激光打印机 喷墨打印机 另外还有高速、低速，彩色、黑白之分。激光打印机喷墨打印机针式打印机喷墨打印机计算机导论打印精度(分辨率)的意义计算机导论 3. 绘图仪图2.21 大型绘图仪 4. 声音输出设备 声卡、音箱。计算机导论PC机的物

26、理组成机箱、显示器、键盘、鼠标器等机箱内包含主板、硬盘、光驱、电源、风扇等主板上安装CPU、芯片组、内存条、总线插槽、I/O控制器、I/O端口、扩充卡等部件台式机3.5 微型计算机系统计算机导论 输入/输出设备输入/输出设备：简称为I/O设备，是外部与计算机交换信息的渠道。输入设备：用于输入程序、数据、操作命令、图形、图像以及声音等信息。常用的输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪、光笔、数字化仪以及语音输入装置等。输出设备：用于显示或打印程序、运算结果、文字、图形、图像等，也可以播放声音。常用的输出设备有显示器、打印机、XY绘图仪以及声音播放装置等。计算机导论3.5.1 主板 系统主板是微型计算机中

27、最大的一块集成电路板，是微型计算机系统的主体和控制中心，是微型计算机中各种设备的连接载体。CPU插座CPU稳压器芯片组第2级高速缓存(有些已做在CPU中)内存储器插座(SIMM或DIMM)总线插槽BIOS ROM芯片、CMOS芯片、时钟、电池、超级I/O芯片等1. 主板架构计算机导论CPU插座内存条插座 软驱、硬盘IDE连接器电源连接器PCI总线插槽华硕P4T主板实物照片 芯片组 I/O端口计算机导论2. 主板主要部件1)芯片组芯片组的作用：集中了主板上几乎所有的控制电路，是主板电路的核心。主板的功能、性能和技术特性由芯片组的特性决定的。芯片组实现CPU与主存、I/O控制器、I/O设备等的数据

28、传输。组成：存储器总线及内存控制器（北桥芯片）和I/O控制器（南桥芯片）。图2.19 Intel 850 芯片组计算机导论2) CPU插座 用来固定连接CPU芯片3) 内存插槽 微机上使用的主存被制作成内存条的形式出现，通过在主板上的存储器槽口可插入如图2.20的内存条，其容量可以达到数GB。微型计算机内存条的数量和容量取决于主板上所采用的内存插槽类型和数量。图2.20 内存条及内存条的安装址计算机导论4) 扩展插槽 扩展插槽是主板上用于固定扩展卡并将其连接到系统总线上的插槽，也叫扩展槽、扩充插槽。5) 基本输入/输出系统BIOS BIOS (Basic Input /Output Syste

29、m)：基本输入/输出系统，是操作系统最底层的可执行程序代码。通常存放在只读存储器芯片中，称为BIOS芯片。 主要包含4部分程序（通常不能被修改）： POST(Power On Self Test，加电自检)程序(检测计算机故障) 系统自举程序(启动计算机) CMOS设置程序(设置和修改CMOS中存储的系统参数) 基本外围设备的驱动程序(实现常用外部设备输入输出操作的控制程序) 计算机导论6) CMOS CMOS(互补金属氧化物半导体存储器)：存放用户对计算机硬件所设置的一些参数(配置信息)，包括当前的日期和时间、显示卡的类型、软盘和硬盘驱动器的数量、类型和参数、Cache的使用状况、启动程序访

30、问外存顺序等。计算机导论3.5.2 总线1.概述 计算机系统通过总线将CPU、主存储器及输入输出设备连接起来。总线是它们相互通信的公共通路。 2.总线的层次结构微型计算机中的总线分为内部总线、系统总线和外部总线三个层次计算机导论1）内部总线 内部总线也称为CPU总线。它位于CPU处理器内部，是CPU内部各功能单元之间的连线，内部总线通过CPU的引脚延伸到外部与系统相连。 2）系统总线 系统总线是指CPU、主存、I/O接口、设备各大部件的信息传输线。从物理结构来看，系统总线是一组用来传输信息的导线。按传输信息的种类这组传输线可分为：地址线、数据线和控制线等3种，它们分别用于传送地址、数据和控制信

31、号。3）外设总线 是指计算机主机与外部设备连接的总线，实际上是一种外设的接口标准，当前在微机上常用的接口标准有：IDE、EIDE、SCSI、USB和IEEE 1394，IDE、EIDE、SCSI主要是与硬盘、光驱的接口，后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。计算机导论3.微型计算机的总线结构声卡视频卡ALU寄存器组CPU总线接口PCI 总线主板扩展槽PCI接口 南桥芯片主存储器北桥芯片。显卡磁盘控制器以太网卡网线disk光驱键盘鼠标串并口CPU(前端)总线存储器总线USB 接口图2.23 微型机的总线结构计算机导论PCI总线扩展槽AGP总线扩展槽计算机导论 接口是指不同设备为实现与其他

32、系统或设备连接和通信而具有的对接部分。为使不同设备能连接在一起，需对设备的连接建立约束或规定，这些约束规定就是接口协议，实现接口协议的硬件设备称接口电路3.5.3 输入/输出接口计算机导论串行接口（串口、COM口）是采用串行通信协议的扩展接口。传输速率：115kbps230kbps。连接设备：鼠标、外置Modem、摄像头和写字板等。连接方式：一一对应。1. 串口计算机导论并行接口（并口、LPT口、打印口）是采用并行通信协议的扩展接口。传输速率：1Mbps；连接设备：打印机、扫描仪等。连接方式：一一对应。2. 并口计算机导论 Universal Serial Bus，通用串行总线接口 特点：1）高速、串行传输、可连接多个设备；2）所有设备共享总线带宽；3）可通过USB接口由主机向外设