模块2-计算机基础-2

第二模块计算机基本理论第三章微型计算机系统3.1

冯.诺依曼的两个重要思想3.2

微机系统组成3.3

硬件系统组成3.4

软件系统组成3.5 微型计算机的性能指标一、冯·诺依曼机的基本结构1.确定了计算机由五个基本部分组成

(控制器、运算器、存储器、输入、输出设备)1944年冯·诺依曼机与他的研究小组共同研究提出了一个全新设想的通用电子计算机方案。这个方案的特点：

从这个方案的出现到目前为止的所有计算机都是依据冯·诺依曼的这个思想进行设计的。所以当代的计算机人们都称之为―冯·诺依曼型计算机。2.改变了以往传统的十进制计数法，采用二进制计数法。3.将要解决的问题按照其一定的步骤编制成程序存储起来―存储程序。3.1冯.诺依曼的两个重要思想二、冯.诺依曼的两个重要思想实现自动控制

1.采用二进制2.存储程序原理

把处理问题的程序和所需的数据均以二进制编码形式表示，并且预先按一定顺序存放到计算机的存储器里，计算机工作时自动执行程序，从而实现自动控制。3.1冯.诺依曼的两个重要思想第二模块计算机基本理论第三章微型计算机系统3.1

冯.诺依曼的两个重要思想3.2

微机系统组成3.3

硬件系统组成3.4

软件系统组成3.5 微型计算机的性能指标

3.2微机系统组成硬件用户软件系统+=系统硬件:是指计算机的各部件的集合。软件:是所有程序的总称。用程序设计语言编写的程序，可驱动硬件设备按照规定进行动作。由硬件系统和软件系统组成硬件软件

一个完整的计算机系统硬件和软件相互依赖，缺一不可!3.2微机系统组成第二模块计算机基本理论第三章微型计算机系统3.1

冯.诺依曼的两个重要思想3.2

微机系统组成3.3

硬件系统组成3.4

软件系统组成3.5 微型计算机的性能指标输入设备将外部信息送入计算机存储器

存储数据、程序和结果运算器

完成所有的算术运算和逻辑运算

输出设备

将计算机内部的信息送到外部

控制器

指挥各部件协调工作一、计算机中五大部件的功能

手笔

纸算盘算盘手笔纸脑控制器运算器存储器输入设备输出设备算盘运算二、五大部件的工作关系运算器存储器控制器输出设备输入设备1.控制流2.数据流

中央处理器(

CPU)

外部设备主机数据数据数据地址数据指令程序控制信息

控制信息数据程序指令地址

3.3硬件系统的组成1.微机硬件的功能结构：电源主存DRAMCACEHROMBIOS扩充总线槽微处理器键盘鼠标适配器端口显示器端口适配器端口打印机端口适配器端口键盘鼠标打印机键盘鼠标硬盘驱动器适配器端口硬盘驱动器软盘驱动器适配器端口软盘驱动器扩充总线槽扩充总线槽系统总线三、微机硬件的功能结构和组装结构2.微机硬件系统的组装结构主机板

主机板也称为主板（motherboard)它是一块印刷电路板，集中放置了微型机的主要部件，目前一些常用的接口电路也放在主板上。主机板的作用是将各组件有机地组织起来三、微机硬件的功能结构和组装结构微型计算机主机的结构一般标准的微型计算机配置有主机、显示器、键盘、打印机、鼠标等部件主机机箱中装配如下图：微型计算机主机组装起来简单。它是由主板、内存条、CPU、电源、硬盘、软盘、光驱、显卡、网卡、Modem、机箱组成。三、微机硬件的功能结构和组装结构CPU内存条总线光驱显卡硬盘主板电源电源:微机通常用5V或12V直流电，耗电功率大多约为200—500瓦。微机电源系统用于将220V的交流电转换成系统所需的直流电。（CPU—微处理器）微处理器运算器+控制器——大规模集成电路芯片Microprocessor（简称MPU）微处理器是微型计算机的核心，它完成计算机所有的运算和控制工作。微处理器的性能指标决定了由它构成的微型计算机的性能指标。微处理器因其体积小而得名。CPU四、中央处理器1.运算器存储器寄存器运算控制线路ALU控制器寄存器

取数存数ALU算术逻辑运算单元ArithmeticalandLogicalUnit运算器的组成：ALU＋寄存器组直接执行各种运算的装置寄存器:暂存参与运算的数据或结果，位数决定精度结果累加工作过程！ALU是运算器的核心部件四、中央处理器分析指令时序节拍发生器译码器存储器操作控制部件指令计数器自动加1指令寄存器2.控制器取指令地址工作过程操作数地址如何自动执行？？输入设备输出设备运算器执行指令控制器是计算机的指挥中心，它根据指令指挥全机协调工作.操作码地址码四、中央处理器3.微处理器的主要技术指标

⑴时钟频率也称主频，计算机内的系统时钟脉冲发生器。每秒钟发出脉冲的个数称为时钟频率。两个脉冲之间的距离称为时钟周期。时钟频率以MHz及GHz为单位，目前常用的CPU时钟频率为：1.xG—2.xG—3.xG 通常CPU执行一条指令需要的时钟周期数是一定的，所以时钟频率越快，微处理器的速度就越快。四、中央处理器字长：计算机内一次可处理数据的位数（Bit）。⑵字长字长决定了微处理器在每个时钟周期内处理数据的能力，字长取决于寄存器的长度和数据总线的宽度。寄存器：CPU中存储数据（指令、数据）的单元字长值越大，微处理器的速度就越快。字长通常是8的倍数，如：16、32、64、128例如：我们所说的64位机，是指字长和数据总线为64位四、中央处理器4.微处理器的分类按其一次能够处理的数据的位数即字长分为4类：8位16位和准16位32位和准32位64位，128位？内部总线是16位，能直接进行16位运算，但外部总线是8位四、中央处理器4044---1972年4位机Intel公司首次推出8080Intel公司MC6800----1972年以后8位机

Motorola公司Z80Zilog公司8088、80286--1978年准16位和16位Intel公司80386--1985年以后准32位和32位Intel公司80486--1989年以后32位机Intel公司Pentium1993年64位机Intel公司ClassicPentium(经典)PentiumPro(高能686)PentiumMMX(多功能)PentiumⅡ(二代)——PentiumⅣ(四代)PentiumE；双核；4核此外，还有AMD和Cyrix公司生产的与Intel微处理器兼容的芯片；DEC公司的Alpha微处理器用于工作站和小型机。典型的微处理器产品协处理器：辅助处理器完成各种功能增加了协处理器可提高计算机的处理速度。 协处理器可作为独立器件填加到计算机系统中，现在微处理器中大多包含了数值协处理器。5.协处理器四、中央处理器6.指令集与兼容性计算机处理问题的过程即一条一条指令自动执行分析指令执行指令取指令循环执行指令——执行程序的过程

指令是计算机进行操作的命令，是设计时产生的二进制编码指令的集合称为指令系统，指令系统兼容的计算机是系列机有序指令的集合称为程序，计算机解决问题的过程就是：什么是指令？？一条指令的执行过程四、中央处理器五、存储器内存储器(内存、主存)位于主计算机内、微处理器之外。外存储器(辅助存储器)存储器的分类:大型的数据存储仓库功能：直接与CPU相连，临时存放要执行的程序、所需的数据和有关信息。1.内存内存分类：随机存储器

RAM(RandomAccessMemory)只读存储器

ROM(ReadOnlyMemory)高速缓冲存储器(Cache)CMOS存储器(1)随机存储器RAM(RandomAccessMemory)RAM也称读写存储器，存放当前使用的程序和数据。目前计算机通常使用半导体RAM，掉电后数据会丢失。

①随机存储器的种类根据半导体存储元件的结构RAM可分为动态RAM静态RAM动态RAM(DRAM--DynamicRAM)，电容记忆信息,(电容上有无电荷来表示“0”和“1”）,由于电荷随电容漏电会逐渐消失，所以需周期性对电容充电(刷新)。这种存储器容量大、价格低，需刷新、电路复杂、速度较慢。目前普遍使用的一种新型的DRAM—SDRAM及DDRAM由于采用与系统时钟同步的技术，比DRAM快的多。

静态RAM（SRAM—StaticRAM），利用触发器的两个稳态记忆信息，这种存储器不需要定期刷新，所以工作稳定，速度快，但是价格高，用于微机的高速缓存。

按字节编址：称为字节寻址按字长编址：称为字寻址01512字1011010111010001字节地址内容③内存的编址方式字长通常是字节的整数倍：8位16位32位64位普通内存（内存条）高速缓冲存储器（CACHE）

②随机存储器的形式(1)随机存储器RAM(RandomAccessMemory)即一根内存条可以容纳的二进制信息量。现代计算机存储容量的计算方法以字节来计算：1KB=1024×8个二进制位1MB=1024KB1GB=1024MB

位容量(b)：

位—一个二进制信息单位字节容量(B)：字节—

8位二进制数字叫一个字节④存储容量目前常用内存条的存储容量一般多为512M、1G～

4G(1)随机存储器RAM(RandomAccessMemory)⑤RAM的存取时间（或存取速度）RAM1011010111010001内存取数存数RAM启动一次内存,完成一次存或取操作的时间寄存器从启动内存读数，到将该数放到寄存器中的时间10110101以纳秒（ns）为单位表示存取时间。1ns=10-9sDRAM的存取时间：50—70nsSRAM的存取时间：7—20nsROM的存取时间：55—250ns硬盘的存取时间：8—15ms用70ns从内存中存取数据比硬盘需用15ms快20万倍(1)随机存储器RAM(RandomAccessMemory)为了缓和CPU与主存储器之间速度的矛盾，在CPU和主存储器之间设置一个缓冲性的高速存储部件，它的工作速度接近CPU的工作速度，但其存储容量比主存储器小得多。它存储的是CPU当时需要的一部分程序和数据。现在多数计算机都配有二级缓存.一级缓存设计在CPU内部，容量小，通常为：16～128KB二级缓存为外部缓存，独立的SRAM芯片，速度比一级缓存慢，但容量大，通常为：64～xMB。CPU读取指令或数据的顺序一级缓存—二级缓存—RAM⑥高速缓冲存储器随着CPU制造工艺的发展，二级缓存也能轻易的集成在CPU内核中，容量也在逐年提升。现在再用是否集成在CPU内部来定义一、二级缓存，已不确切。目前的较高端的CPU中，还会带有三级缓存，在拥有三级缓存的CPU中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率。

⑥高速缓冲存储器用于存放系统配置信息系统设备或设置变化时可修改信息关机后信息仍可保留(电池供电)除ROM外，还有PROM（可编程只读存储器），EPROM（可擦除、可编程的只读存储器），FlashROM（闪存）可用电擦除，重新编程。(2)只读存储器（ReadOnlyMemory—ROM）

制造时一次写入，常用于存放不变且重复使用的程序、数据或信息。如：ROMBIOS(3)CMOS存储器五、存储器?为什么要使用外部存储器?内存的两个突出缺点是：信息不能永久性保存存储容量受CPU地址线的限制外存采用两种方式弥补内存的不足：采用磁性材料或光学方式取代半导体材料，作到信息永久性保存。存取信息则利用电磁转换或光电转换原理进行。外存不直接挂在CPU的地址总线上，而是通过接口电路与内存交换信息，其容量不受CPU地址线的限制。

2.辅助存储器(1)外存的分类磁介质：磁带磁盘（硬盘、软盘）软盘存储系统硬盘软盘软盘驱动器光盘存储系统

光盘：只读光盘（CD－ROM）一次性写入光盘（WORM）可擦写型光盘盘＋驱动器＋接口电路＝磁盘存储系统磁带存储系统2.辅助存储器软盘的内部的逻辑结构磁道磁道扇区磁盘扇区每片磁盘分为上下2个磁表面许多同心圆环称为磁道(track)

圆环的一部分称为扇区(sector)

扇区是磁盘最小的物理存储单位，具有固定大小，每个扇区可容纳512字节

簇(cluster)：簇是一个磁盘存储单位，包含固定数量（一般2到8个）的扇区，用于操作系统读写信息簇(包括两个磁道扇区)整个磁盘分为18个扇区=2面×80道×18×512B=1.474560B约1.44MB软盘存储容量的计算:磁道数×扇区数×扇段字节数×面数软盘按磁道和扇区组织存储(2)软盘(3)硬盘②硬盘存储容量的计算磁道数×扇区数×扇段字节数×面数×磁盘片数①硬盘的工作原理读写磁头驱动机构盘片磁盘数据按柱面存放初始化格式化2.辅助存储器根据性能光盘分为三类：①只读光盘(与ROM相似),CD-ROM（CompactDiskROM)②一次性写入光盘,CD-R（CompactDiskRecordable)

可一次完成，也可分批写入。③可擦除型光盘,CD-RW（CompactDiskRewritable)

需要专用的CD-RW驱动器和相应的软件与标准CD-ROM不兼容(4)光盘③活动硬盘一种外置式硬盘，使用方便。常用于文件、数据备份。2.辅助存储器④DVD-ROM

DVD

的容量和播放质量远远好于CD-ROM。使用DVD-ROM需要DVD驱动器和DVD播放器。DVD也有一次性写入DVD可擦除型DVD。(5)闪存（U盘）-Flashmemory

对于光盘、硬盘是基于光学和磁学技术的存储系统，需要通过物理运动来存储和读取信息，例如旋转磁盘、移动读/写磁头和扫描激光束等。这就意味着数据存储和读取的速度比电子电路的速度要慢。闪存技术有克服这个缺点的潜力。在闪存系统中用电子信号将二进制位直接送到存储介质中，该介质中电子信号使得二氧化硅的微小晶格截获电子，从而转换微电子电路的性质。2.辅助存储器闪存设备称为闪存驱动器，使用USB（UniversalSerialBus—通用串行总线）接口，使用方便即插即用，不受电磁干扰,读写速度比硬盘快。闪存的存储介质二氧化硅的微小晶格能够保持截获的电子很多年，所以闪存技术适合存储脱机数据。目前闪存设备，使用USB2.0（USB1.1）标准的接口，它的传输速度为480Mbps。（USB1.1数据传输速度12Mbps），比USB1.1标准快40倍左右。

(5)闪存（U盘）-Flashmemory2.辅助存储器常用的几种外存的特点：硬盘：容量大（nGB

）、速度快（5400转/分钟、7200转/分钟）、使用方便。软盘：容量小（1.44MB

）、速度慢（几百转/分钟）

便于保存。光盘：容量大（600MB以上）、速度介于软盘和硬盘之间，

如果写入需要专用的CD-RW驱动器和相应的软件。与标准CD-ROM不兼容闪存（U盘）：容量居中（几十MB

～nGB

）、速度快U盘硬盘光盘软盘磁带速度内存槽六、扩展槽、扩展卡和接口这组扩展卡（如：显示卡、声卡、网卡等）可以为计算机增加新设备或扩展功能。是适配器于微机总线之间的物理连接装置。1.扩展槽和扩展卡扩展槽扩展卡

也叫适配器

是插在扩展槽中的电路板

扩展槽

固定在主板上的插槽2.接口接口—通常外设不能直接挂在内部总线上，它是通过接口完成和主机的信息交换。所以接口是将外设和主机连接起来构成微机系统的电路模块。它可以是扩展卡的一部分，也可以不通过扩展卡直接与主板相连

主机是统一标准的集成电路，而外设种类多，工作原理不同主机与外设使用的信号不同信息传输形式不同外设的速度比主机低的多外设与主机之间的问题是：

接口是为了缓解主机与外设之间的矛盾而设计的功能模块电路。接口应该包括硬件和软件两部分，软件就是设备驱动程序。？什么是接口？为什么要用接口？CPU插座打印机接口显示器接口硬盘接口软盘接口内存插槽PCI总线控制芯片I/O控制芯片时钟电池ISA总线扩展槽PCI总线扩展槽六、扩展槽、扩展卡和接口数据的各位同时由源到达目的地→快多根数据线→距离短、远程费用高

并行通信与串行通讯

并行通讯：

将数据的各位同时在多根并行传输线上进行传输。01010110

D0D1D2D3D4D5D6D7目的D0D1D2D3D4D5D6D7源并行通信适于短距离、高速通信数据的各位依次由源到达目的地→

慢数据线少→

远程,费用低

串行通信：数据的各位按时间顺序依次在一根传输线上传输。

01101010

RD目的TD源串行通信适于长距离、中低速通信七、总线的概念总线即数据的流动通道1.总线的类型

①内部总线——片内总线。同一个部件内部各逻辑单元之间传送数据的线路。

如：CPU内部连接运算部件与寄存器组的总线。②系统总线——CPU与内存及I/O接口之间的连接线路。

③扩展总线——CPU与外部设备的连接线路。

主要用于扩展槽或系统与外部设备之间的连接。 常用扩展总线类型：ISA总线、PCI总线、USB总线等。部件内部的数据流动；部件之间的数据传送根据所连接的部件可分为：

系统总线按信号的作用，总线分为三类：

地址总线、数据总线、控制总线存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU七、总线的概念地址总线：用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。地址总线的条数

决定CPU的寻址能力。10根→21010241K

20根→2201024K1M32根→232

22

×2304G36根→

23626

×23064G七、总线的概念数据总线DB

(DataBus)：双向用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。

8根→一次传送8位16根→一次传送16位32根→一次传送32位64根→一次传送64位七、总线的概念控制总线CB

(ControlBus)用于传送各种控制信号。有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。七、总线的概念微机中常用的几种扩展总线标准：

ISA总线工业标准体系统结构总线，适于8位和16位微处理器，传输速率为8MB/s

MCA32位微通道总线，适于32位CPU，速率40MB/s

EISA

适于32位微处理器，传输速率为33MB/s

VESAVL视频加速总线结构，适于32位，可扩展为64位微处理器,速率分别是：106MB/s和260MB/s

PCI

外部互连总线，适于32位和64位微处理器,速率分别是132MB/s和264MB/s，Pentium机普遍使用

七、总线的概念八、微机系统基本配置

键盘

显示器鼠标打印机显示卡并行接口卡串行接口卡主机板软硬盘适配器软盘驱动器硬盘驱动器电源扩展总线机箱?硬件系统＝主机＋外部设备输入设备＋输出设备＋外存储设备1.输入设备是指将外部信息转换为二进制编码传送到计算机主机中去的设备外部设备的组成九、输入/输出设备键盘输入指点输入扫描输入传感输入手写输入语音输入影象输入键盘鼠标、触摸屏、轨迹球等扫描仪、条型码传感器光笔麦克风数码相机、摄相机计算机主机与其它设备进行交换信息的工具输入定位设备鼠标：

机械鼠标、光电鼠标；

有线鼠标、无线鼠标；

两键鼠标、三键鼠标。连接到串口上触摸屏幕、触摸板和游戏杆等触摸杆游戏杆常用的输入设备触摸板九、输入/输出设备显示输出打印输出绘图输出缩微音像输出投影输出输出显示器打印机绘图机缩微胶片音像输出投影机2.输出设备

将计算机内部的二进制信息转换为用户需要的结果信息并输出到计算机外部的设备。

九、输入/输出设备⑴显示器及其分类①CRT显示器：使用阴极射线管。分黑白、彩色两种。 屏幕有球面、平面直角和纯平的。②平板显示器液晶显示器、气体等离子显示器九、输入/输出设备显示器的性能指标常用的分辨率有：300×200低分辨率600×350中分辨率640×480、1024×768、1280×1024高分辨率

点距：两个相邻象素之间的距离通常点距<.28mm…………………尺寸：9，14，15，17，20英寸像素越多分辨率越高分辨率决定显示清晰度像素分辨率：象素的个数

刷新频率：

每秒钟重画图象的次数,通常>75HZ

扫描方式：隔行扫描、逐行扫描。九、输入/输出设备九、输入/输出设备问题：在显示器上显示图像，每个点用16位表示颜色或灰度等级，显示器的分辨率设置为800*600，占满显示器整个屏幕的图形所需要的存储容量是多少？答：需要的存储容量937.5KB（书中例：约960KB）显示器适配器（显示卡）

显示卡的作用是将主机输出的信号转换成监视器所能接受的形式。显示卡是显示器类型和性能的重要部件。主机显示卡的作用是什么？？显示卡转换信息九、输入/输出设备按印字方式：击打式和非击打式⑵打印机①打印机的技术指标印字质量、打印速度、噪音。②打印机的分类按字符形成方式：行式和点阵式九、输入/输出设备常见的几种打印机24针击打式打印机消耗小、噪音大激光非击打式打印机质量好、消耗小噪音低，价格高喷墨非击打式打印机质量好、噪音低价格低，消耗大适于连接小型设备的热敏打印机九、输入/输出设备⑶绘图机绘图机分为：常用图形输出设备平板式和滚筒式。绘制小型图形幅面最大为A3绘制大型工程图，幅面可为A0或更大九、输入/输出设备绘图仪将计算机屏幕的信息投射到大屏幕上。⑷其他输出设备②投影机③终端由键盘、显示器和视屏卡组成的具有输入输出功能的设备。投影机分为两类：LCD和DLP(数字式光处理)投影机分为三类：串非智能终端、智能终端和专用终端①音频输出设备不能独立使用带有处理器和存储器如ATM机零售终端指产生音乐、语音或其他声音的部件。如扬声器、耳机。九、输入/输出设备第二模块计算机基本理论第三章微型计算机系统3.1

冯.诺依曼的两个重要思想3.2

微机系统组成3.3

硬件系统组成3.4

软件系统组成3.5 微型计算机的性能指标什么是软件++文档程序数据软件是使用、管理和维护计算机的

？软件

学习软件为了使用计算机软件是逻辑实体不是物理实体3.4软件系统组成一、软件的分类系统软件应用软件1.系统软件操作系统：DOS、Windows、UNIX、Linux

语言处理系统：解释程序和编译程序服务程序(支撑软件)：用于软件开发和硬件维护的软件。使用、管理和维修计算机的所有程序

系统软件是由计算