第三讲 计算机硬件系统组成

大学计算机基础第三章计算机硬件系统组成本章学习重点计算机系统的组成及冯·诺依曼原理计算机硬件系统的基本结构和工作过程计算机各部分的作用和总线结构微型计算机的构成及部件冯诺依曼原理⑴计算机的硬件由五部分组成：

运算器控制器存储器输入设备输出设备⑵计算机的内部数据是以二进制表示的;⑶程序存储在存储器后自动执行（存储程序原理）。计算机系统硬件系统软件系统主机外设微处理器(CPU)内存储器控制器运算器系统软件应用软件操作系统语言处理程序数据库管理系统网络通信管理程序应用软件包用户程序总线系统3.1.1计算机系统3.1计算机系统外存储器输入设备输出设备计算机的层次结构

计算机的硬件是通用的。在同样的硬件条件下，通过执行不同的软件，实现了计算机丰富多样的功能。

软件系统运行于硬件系统之上，软件是需要处理的信息、以及信息处理规则、方法、文档等的集合，软件分为系统软件和应用软件。

系统软件是为了提高硬件的使用效率并方便用户使用而专门设计的软件，其中最重要的是操作系统，操作系统包裹在硬件之外掩盖了计算机硬件的复杂特征，管理计算机的资源，增强计算机的易用性。

应用软件是实现某个专门功能的软件。应用软件、用户程序都是通过操作系统的调度进而通过硬件才能实现其功能。计算机系统结构图APPLICATIONOSHARDWARE二进制的计算机操作系统下的虚拟机USER管理计算机的硬件和软件资源提供用户使用计算机的接口3.1.2计算机硬件模型⒈计算机的硬件模型

运算器和控制器的集合又称为中央处理单元CPU。(CentralProcessingUnit)运算器控制器存储器输入装置输出装置CPU中央处理器主机+外设（I/O设备）3.1.3计算机指令与程序⒉指令系统：指令系统是某种CPU能够执行的所有指令的集合，不同类型的CPU结构其指令系统也不同。

⒈指令：用来规定计算机的一个基本操作的二进制代码。一条指令对应着CPU的一种基本操作。

一条指令一般由两个部分组成：操作码和操作数。操作码：操作码指明了操作的性质，如加、减等。操作数：操作数指明了操作的对象，如两个加数。

计算机完成某个功能的过程实际是执行一个程序的过程，而程序是由一条条指示CPU完成某一个基本操作的指令组成。

⒊程序：是计算机能够识别和执行的指令序列。是由一连串指令按一定顺序组成的能完成某种任务的指令序列。⒋软件：是计算机的程序、数据、方法、规则、文档的总称。程序示例例：

MOVR1，2;将2存放到CPU内部的寄存器R1中

ADDR1，3;将R1的内容加上3，结果5再存放到R1中

HLT ;结束3.2计算机的主机2.3.1中央处理器(CPU)

组成：ALU 算术逻辑单元

CU 控制单元

Register 寄存器硬件系统Hardware主机外设CPU内存InputDeviceOutputDevice中央处理器(CPU)的构成

⒈算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicalUnit)

⒉通用寄存器(GeneralRegister)

存放ALU运算的原始数据、中间结果、最终结果等。

⒊专用寄存器(SpecialRegister)

①

指令寄存器(IR)

②程序计数器(PC)③

标志寄存器(FR)⒋指令译码器（ID）

翻译指令寄存器中的指令并发出控制信号CUP的模型及基本工作过程下面以一个简单的单总线模型机介绍CPU的工作过程CUP内部总线MAR存储器MDRALUTRTRFRGRAC运算器PC+1IRIDC命令信号时序发生控制器CPU的工作过程CUP内部总线MAR存储器MDRALUTRTRFRGRACPC+1IRIDC命令信号时序发生10001000100010001000100010001000100010001000+[1]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]2000200020002000200020002000222222222221000：MOVAC, [2000]CPU的工作过程CUP内部总线MAR存储器MDRALUTRTRFRGRACPC+1IRIDC命令信号时序发生2100110011001100110011001100110011001100110011001+[1]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,2001ADDAC,[2001]20012001200120012001200120012001200120012001200133333333333333323+55555555551001：ADDAC, [2001]CPU的工作过程CUP内部总线MAR存储器MDRALUTRTRFRGRACPC+1IRIDC命令信号时序发生2100110011001100110011001100110011001100110011001+[1]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,2001ADDAC,[2001]20012001200120012001200120012001200120012001200133333333333333323+55555555551001：ADDAC, [2001]3.2.2指令的执行过程

指令的执行过程分为以下几个步骤：

⒈取指令

⒉分析指令

⒊执行指令

⒋重复（取下条指令）

3.2.3存储器结构存储器由一个个大小相同的基本存储单元（Byte)组成。为了区分各个单元，给每个单元编号。称为存储单元的地址。各单元内存放的是数据。CPU对内存可以读（取）也可以写（存），要有控制信号控制。…01n因此，CPU对存储器的操作必须有三类信号：地址信号数据信号控制信号⒈存储器结构⒉存储器的种类

存储器是计算机的记忆部件，负责存储程序和数据。存储器分两大类：主存储器(内存)和辅助存储器(外存)。

内部存储器采用的是半导体存储器，其特点是：存取数据速度快，可随机存取，体积小，功耗低。内存容量有限。主存储器(内存)又分为随机存储器RAM和只读存储器ROM。RAM： 随机访问存储器。易失。ROM： 只读存储器。非易失。E2PROM： 可编程只读存储器。非易失。3.3输入输出系统

输入输出系统实现主机和用户之间的通讯，通讯是通过外部设备及其接口实现的。外部设备是输入和输出设备的总称，简称为外设，外设是计算机和用户之间或设备与主存储器之间交换数据的工具。

由于主机是由集成电路芯片连接而成，而I/O设备通常是机电结合的装置，在它们之间存在着速度、时序、信号电平、信号格式和类型等方面的差异。I/O接口的功能主要是解决上述的不匹配，使主机与I/O设备能协调地工作，并实现主机对外设的控制。3.3.1输入输出系统的概念3.3.2输入输出接口主机系统总线I/O接口外设数据状态命令3.3.3输入输出系统的控制方式主机与外设通讯的控制方式程序查询程序中断DMA传送3.4总线（BUS）3.4.1总线的概念总线计算机模型系统总线的分类：地址总线（AddressBus）数据总线（DataBus）控制总线（ControlBus）CPU内存I/O接口ABDBCB外设计算机各部件的公共连接线称为总线。系统总线：CPU、内存、I/O接口的公共连接线。设备总线：I/O接口与外设之间的公共连接线。3.4.2常见的系统总线简介

系统总线地址信号线的宽度决定了总线可访问的内存单元数量，如果地址总线宽度为32位可访问4G单元。数据总线的宽度决定了总线上一次传送的字节数。

总线标准包括了各种物理、电气等详细的规范。由计算机系统提供标准的总线接口(也称总线插槽)，系统总线从结构上提供了扩展设备的连接，只要按照总线标准设计的设备都可以连接到计算机系统中。微型计算机常用的总线标准有：ISA、VESA、PCI和AGP等。PCI是Intel公司为“奔腾”CPU制定的总线标准，是目前微型计算机的主流总线标准。PCI总线通过总线桥将速度不一致的部件隔离，实现了CPU和总线数据的异步传送，提高了数据传送的效率。PCI总线的数据总线宽度是32/64，数据传送率是132MB/s。常见的设备总线有：IDE接口软盘驱动器接口电路并行适配器接口电路异步通信适配器接口（串行口）USB(UniversalSerialBus)通用串行接口3.4.3常用设备总线

设备总线用于连接主机的I/O接口和外部设备。计算机的常用的设备总线有IDE、并行口、串行口、USB接口等。USB接口的主要优点是：系统提供标准的简单连接器，便于使用；系统采用星型拓扑结构，可以通过集线器方便的扩展接口；高速率，最高传送速率可达到的每秒480Mbit。计算机的主要指标字长：

数据总线的宽度，表示计算机一次处理数据的二进制的位数。存储容量：主存储器单元的多少，受限于CPU的地址总线。主频：计算机在统一的时钟节拍下工作，时钟的频率为主频。运算速度：MIPS（每秒执行的兆指令数）写拍读拍周期T主频f=1/T3.5微型计算机(PC)基本知识3.5.1硬件系统组成主机CPU：Intel公司的80x86系列。内存：半导体存储器，RAM、ROM外设硬盘CD-ROM鼠标器输入设备键盘输入设备显示器输出设备串行口标准接口并行口标准接口USB接口外存（辅存）PC机外观PC机内部各单元主机板

主板是系统中最大的一块印刷电路板，由印刷电路板、CPU插座、控制芯片、CMOS存储器、CACHE存储器、各种扩展插槽、键盘插座、各种连接插座和各种开关及跳线组成的。4.5.2各部件简介Intel：8086/8088、80286、

80386、

80486、

Pentium、

PentiumMMX（多能奔腾）、

PentiumPro（高能奔腾）、

PentiumⅡ/Celeron（赛扬）

PentiumⅢ PentiumⅣ…IntelCore2Quad1.

CPU字长32位IntelAMDCPU⒉主存储器——内存

内存器件采用的是半导体存储器，其特点是速度快、功耗低，但价格相对较高。在计算机中有两类：RAM、ROM。⑴随机存取存储器

RAM：既可读又可写，断电后信息丢失。⑵只读存储器

ROM：只能读不能写，断电仍然能够保持数据。硬盘驱动器接口电路USB接口并行打印机适配器电路：插座25孔。异步通信适配器接口插座9针或25针两种，连接鼠标，绘图仪等串行设备。游戏操纵杆接口显示卡

PCI和AGP：都属于VGA卡，有3D加速功能，显存2MB以上，1280×1024以上，显示速度快。目前AGP最常用。3.

输入/输出接口电路各种外设都通过标准接口或标准总线与主机相连。总线标准有：

ISA、PCIPC机外设接口(1)

磁盘类存储器软盘：3.5英寸高密度容量

=2面×80磁道×18扇区×

512字节

=1.44MB

硬盘：由若干个磁性圆盘组成。

存储容量=磁头数×柱面数×扇区数×每扇区字节数(2)

磁带存储器顺序存取设备。(3)

光盘存储器

CD-ROM：CompactDisk-ROM，只读型光盘。一倍速率：150KB/s；24倍速率：24×150KB/s=3.6MB/s。3.5.3常用外设基本配置

⒈辅助存储器（外存储器）磁盘的结构磁盘采用同心圆结构分为面、道、扇区。磁盘容量为=面数道数扇区数扇区字节数。扇区字节数为512。

盘片：两个面磁道扇区转动轴移动臂磁头硬盘磁头盘片

硬盘存储器：简称为硬盘（Harddisk），由硬盘片、硬盘控制器、硬盘驱动器及连接电缆组成。其特点是：存储容量大、存取速度快，可靠性高。硬盘通常固定在主机箱内，是计算机必备的设备。目前微型机配备的硬盘存储容量大多在40-120GB。光驱、光盘

光盘（OpticalDisk）是利用激光进行读写信息的圆盘。光盘存储器系统是由光盘片、光盘驱动器组成。光盘存储容量大，常用的CD盘片可存储650~700MB的信息。光盘读取速度快，可靠性高，使用寿命长，携带方便。

CD-ROM：CompactDisk-ROM，只读型光盘。一倍速率：150KB/s；

52倍速率：52×150KB/s=7.8MB/s。常见的光盘存储器有CD-ROM，CD-R，CD-R/WDVD-ROM：DigitalVersatileDisc

DVD-ROM1倍速是1358KB/sec。

DVD5容量：4.7GU盘存储器(FLASH存储器)U盘又称为闪存(Fl