《大学计算机》第3章 计算平台-计算机硬件

第3章计算机硬件知识导图硬件基础1计算机系统结构2微型计算机系统3学习内容综合实验4思考与练习图灵机模型冯•诺依曼计算机计算机体系结构计算机实现1.硬件基础学习内容硬件平台阿兰•图灵是英国著名的数学家，1936年他发表了《论可计算数及其在判定问题中的应用》，提出了对数字计算机具有深远影响的“图灵机”模型，这一模型对于计算机领域的发展奠定了理论基础。“图灵机”不是一种具体的设备，而是一种抽象的机器。①图灵机模型硬件基础6图灵机一条在两个方向上都为无限长的磁带一个控制器一个读写磁头图灵机模型将输入集合、输出集合、内部状态和程序结合成一种抽象计算模型，可以精确定义可计算函数。可以将多个图灵机进行组合，从最简单的图灵机构造出复杂的图灵机，也可以构建通用图灵机。图灵机模型理论是计算学科最核心的理论之一；图灵机模型是算法分析和程序语言设计的基础理论；

图灵机模型为计算机设计指明了方向。控制器读写头无限延长的带子硬件基础图灵机模型概念①图灵机模型硬件基础

以美籍匈牙利数学家冯.诺依曼为首的研制小组与参与研制ENIAC主要人员联名发表了一篇长达101页纸的报告，即计算机史上著名的101页报告，提出了存储程序控制的计算机结构（即诺依曼机）；从此，奠定了现代计算机的体系结构。②冯•诺依曼计算机计算机由五个基本部件组成数据和指令采用二进制代码采用“存储程序”方式运算器控制器存储器输入设备输出设备即事先编制程序（包括指令和数据），将程序预先存入存储器中，使计算机在工作中能自动地从存储器中取出程序代码和操作数，并加以执行。硬件基础②冯•诺依曼计算机冯•诺依曼计算机体系结构存储器运算器控制器输入设备输出设备控制线和反馈线数据线图灵是计算机理论奠基人（图灵奖）冯•诺依曼是计算机奠基人（计算机之父）硬件基础③计算机体系结构在机械计算机的时代，人们将一些零件（如算盘珠子）移动到合适的位置来表示数字。但对电子计算机来说，需要用电信号来表示数字、实现计算。用电信号表示数字计算机采用二进制主要原因是可靠性高、方便硬件的实现，因为电流的通、断，或电压的高、低正好能够表示二进制的0和1两个数码。硬件基础④计算机实现电子管晶体管集成电路大/超规模集成电路每一次变革在技术上都是一次新的突破，在性能上都是一次质的飞跃。元器件发展集成电路晶体管电子管硬件基础④计算机实现系统组成硬件系统

软件系统计算机系统层次结构计算机工作基础学习内容2.计算机系统结构硬件平台计算机系统结构硬件是物理设备软件是支撑物理设备工作的灵魂①系统组成计算机系统硬件软件运算器控制器存储器输入设备输出设备硬件计算机系统结构基于冯•诺依曼计算机体系结构②硬件系统┅┅诊断程序语言处理程序操作系统系统软件应用软件┅┅用户程序与文档应用程序工具软件计算机系统结构操作系统③软件系统用户程序与文档层应用程序层操作系统层硬件层计算机系统结构系统软件应用软件冯·诺依曼体系结构用户④系统层次结构计算机系统结构计算模型指令与指令系统构建计算环境⑤计算机工作基础计算机工作原理计算机处理数据的抽象方式：数据流计算模型控制流计算模型指程序的执行顺序依据执行的控制标志是否齐备，当执行某种操作的控制标志齐备时，则该操作可以执行。指程序的执行顺序依据执行的数据是否齐备，当执行某种操作的必要操作数齐备时，则该操作可以执行。计算模型计算机工作原理指令和指令系统

指令：是指计算机完成某个基本操作的命令，是程序设计的最小语言单位。指令系统：是一台计算机所能执行的全部指令的集合。地址码操作码指令构成运行命令结束命令结束执行命令分析命令？取一条命令开始指令的执行过程认识微型计算机

主机系统存储系统 输入输出系统3.微型计算机系统学习内容硬件平台微型计算机系统微机硬件系统微机软件系统微机系统配置微机性能指标①认识微型计算机微机系统微型计算机硬件主机存储系统外部设备UNIX、Linux、Windows、Mac

……编译方式（C）、解释方式（Python）……SQLServer、MySql、Oracle

……Office、WPS、Edit

……Photoshop、AutoCAD

……Dreamweaver、Flash

……IE、HTML、Email

……微机系统微型计算机软件操作系统系统配置：是指对计算机系统参数的设置过程，通常是由厂家在出厂前配置好。微机系统微型计算机系统配置系统参数：作为BIOS的一部分通常存放在主板的CMOS芯片中，每次开机加电时，BIOS都要自动检测计算机的主要部件，并将相应的参数提供给操作系统，CMOS由机内的专用可充电电池供电，以保证在关机时CMOS中的参数不丢失。如何进入BIOS设置由于CMOSRAM芯片本身只是一块存储器，只具有保存数据的功能，所以对CMOS中各项参数的设定要通过专门的程序进行。现在多数厂家将CMOS设置程序做到了BIOS芯片中，在开机时通过按下某个特定键（如：Del键、F2、F12等）就可进入CMOS设置程序，可以非常方便地对系统进行设置，这种CMOS设置通常又被称作BIOS设置。BIOS设置程序主界面

外围设备的配置指令系统的功能系统软件的配置情况

┅┅……内存容量字长主频其它运算速度微机系统微型计算机性能指标请牢记主机系统内存ROM/RAM

/Cache主板CPUCPU运算器/控制器微型计算机系统接口总线……②主机系统主机系统中央处理器（CPU）

概述

CPU分类

CPU组成与功能结构

CPU的主要技术参数中央处理器（CPU）概述CPU（CentralProcessingUnit:中央处理器）：是计算机的运算核心和控制核心，相当于人的心脏，在计算机上的所有工作都要经过CPU的处理。双核处理器：一个是指在一个处理器上集成两个运算核心，即两个晶片集成在一个CPU上；另一个是指两个CPU并行工作；都是用于提高计算能力。中央处理器（CPU）CPU的分类从品牌上分：intel

与AMD

两种

赛扬、奔腾、酷睿……闪龙、速龙、炫龙……主要功能：控制计算机的操作和处理数据。中央处理器结构(CPU)CPU内部总线寄存器控制器运算器数据路径控制路径组成：由控制器、运算器、寄存器及实现它们之间联系的CPU总线组成。中央处理器（CPU）CPU的组成与功能中央处理器（CPU）CPU的主要技术参数字长：8位、16位、32位、64位等。CPU频率（主频）：高速缓冲存储器的速率：提高CPU运行效率（L1Cache和L2Cache……）指CPU的时钟频率，即CPU运算时的工作频率（1秒内发生的同步脉冲数）的简称。

单位是Hz。它决定计算机的运行速度，随着计算机的发展，过去从MHz发展到了GHz。

1GHz=103MHz=106kHz=109Hz主机系统内存内存分类

只读存储器

随机读写存储器

高速缓冲存储器

只读存储器（ROM：ReadOnlyMemory）随机读/写存储器（RAM：RandonAccessMemory）高速缓冲存储器（Cache）只读存储芯片：ROM随机读写存储器（内存条）：RAM内存分类内存只读存储器（ROM）只能读数据不能写数据的存储器，放在主板上；由设计者和制造商事先编制好的一些程序固化在里面；主要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基本的输入/输出控制程序，如存储BIOS参数的CMOS芯片。特点：计算机断电后存储器中的数据仍然存在内存分类存储器中的数据可以反复使用，只有向存储器写入新数据时，存储器中的内容才被更新；存储器中的信息会随着计算机的断电自然消失。随机读/写存储器（RAM）既能读又能写数据的存储器，是计算机工作的存储区，一切要执行的程序和数据都要装入该存储器内，是以内存条方式插在主板的内存插槽上。特点内存分类

在CPU与内存之间设置一级或两级高速小容量存储器，固化在CPU或主板上。计算机工作时，先将数据由外存读入RAM中，再由RAM读入Cache中，然后CPU直接从Cache中取数据。

设置目的：解决CPU速度与RAM的速度不匹配问题高速缓冲存储器（Cache）主机系统概述

主板类型

主板的功能

主板上的核心部件主机系统：主板主机系统：主板概述主板，又叫主机板(mainboard)、系统板(systemboard)或母板(motherboard)；它安装在机箱内，是微机最基本的也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、键盘和面板控制开关接口、扩充插槽、及插卡的直流电源供电接插件等元件。主板是维系CPU与外部设备之间协同工作的重要部件，是支撑并连接主机内其它部件的一个平台，也是微机系统中最大的一块电路板。主机系统：主板主板类型按主板上使用的CPU分按主板上I/O总线的类型分按主板结构分……AT，标准尺寸的主板；BabyAT，袖珍尺寸的主板；ATX127，改进型的AT主板；一体化(Allinone)，主板上集成了声音、显卡等多种电路，不需再插卡就能工作（在原装品牌机中采用较多）；NLXIntel最新的主板结构，最大特点是主板、CPU的升级灵活方便有效；

……提供安装CPU、内存条和各种功能卡的插座；为各种常用外部设备提供通用接口。主机系统：主板主板功能芯片组扩展槽输入/输出接口（I/O接口）基本输入输出BIOS和CMOS……主机系统：主板主板核心部件芯片组是主板的灵魂，由一组超大规模集成电路芯片构成，它决定了主板的规格、性能和大致功能，控制和协调整个计算机系统的正常运转和各个部件的选型。主板：芯片组它被固定在主板上，不能像CPU、内存等进行简单的升级换代。芯片组通常包含北桥芯片和南桥芯片，但也有的主板芯片包含一块或三块芯片。

主板核心部件北桥芯片:主要决定主板的规格、对硬件的支持、以及系统的性能，它连接着CPU、内存、AGP总线。主板支持什么CPU，支持多少速的显卡，支持何种频率的内存，都是由北桥芯片决定的。47它被固定在主板上，不能像CPU、内存等进行简单的升级换代。芯片组通常包含北桥芯片和南桥芯片，但也有的主板芯片包含一块或三块芯片。

主板：芯片组主板核心部件

南桥芯片:主要决定主板的功能，负责I/O总线之间的通信，包括主板上的各种接口（如串口、USB）、PCI总线（接电视卡、内猫、声卡等）、IDE（接硬盘、光驱）以及主板上的其它芯片（如集成声卡、集成RAID卡、集成网卡等），都归南桥芯片控制。并行及串行接口键盘及鼠标接口CPU供电电路音频接口网络及USB接口PCI-eX16总线接口PCI-eX1总线接口ATX主板电源插座软盘驱动器接口北桥芯片CPU插座内存插座SATA磁盘接口BIOS芯片南桥芯片PCI总线接口USB连接口音频连接器IDE磁盘接口电池CMOS清除跳线典型的ECS精英915P-A2主机板物理结构北桥芯片南桥芯片内存条CPU独立显卡主机系统概述接口类型

输入/输出（I/O）接口

常用的接口主板：接口接口：是外部设备与微型计算机连接的端口，是一组电气连接和信号交换标准。

接口的作用：是使主机系统能与外部设备、网络以及其它的用户系统进行有效连接，以便进行数据和信息的交换。主板：接口概述主板：接口接口类型按设备分按工作方式分……键盘接口鼠标接口存储器接口……串行接口并行接口……主板：接口输入/输出接口I/O（input/output）：即输入输出端口，每个设备都会有一个专用的I/O地址，用来处理自己的输入输出信息。输入/输出接口：是CPU与外部设备之间交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。常用的接口串行接口串行接口(SerialInterface)：简称串口，也称串行通信接口或串行通讯接口（通常指COM接口），是指数据按位（bit）一位一位地顺序传输。例如：键盘采用串行方式与主机交换信息。常用的接口并行接口并行接口(SerialInterface)：简称并口，是指数据按字节（8位）或（16位）为单位进行数据传输，即用多条线路同时传输。例如：打印机就是采用并行方式与主机交换信息。SATA（SerialATA）接口：串行数据接口，即串口；

具有更快的外部接口传输速度，其硬盘外部传输速度最快可达250Mb/s；这是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，在实现技术的各个方面都大幅度提高，如：数据传输的可靠性、结构简单、支持热插拔等。常用的接口SATA接口USB（UniversalSerialBus）：通用串行总线，是一种新型通用接口标准，是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛地应用于个人计算机和移动设备等产品，并扩展至摄影器材、数字电视（机顶盒）、游戏机等其它相关领域。USB最大的特点是易于使用、快速灵活、即插即用。常用的接口USB接口键盘鼠标USB并行口串行口网络接口1394接口话筒插口耳机插口注意：不同设备连接不同的接口典型主板接口示意主机系统概述

总线分类

总线标准

总线示意主板：总线总线（bus）：是一组连接各个部件的公共通信线路，即两个或多个设备之间进行通信的路径，是一种可被共享的传输媒介、实现信息交换。主板：总线概述内部总线：连接CPU各个组成部件（芯片内部）系统总线：连接计算机中各大部件外部线：连接计算机和外部设备连接对象传输对象并行总线：通信速度快、实时性好串行总线：简易、方便、灵活通信方式

地址总线：传输地址信息数据总线：传输数据信息控制总线：传输控制信息主板：总线总线分类数据总线（DataBus：D