计算机硬件体系结构

计算机系统由两大部分组成，一部分是存储数据并执行各种运算和处理的电子设备，称为计算机的硬件；另一部分是指挥计算机一步一步完成任务的指令序列，称为计算机的软件。本章介绍计算机硬件体系结构的基础知识。包括：计算机系统的构成；微型计算机主机结构；外部存储器；常用外部设备；并简单介绍计算机指令系统。第三章计算机硬件体系结构

3.1计算机系统的构成

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成。计算机的硬件系统一般由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中：中央处理器(简称CPU)=运算器+控制器主机=中央处理器+主存储器软件是指各类程序和数据，计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。3.1计算机系统的构成3.1.1计算机的硬件系统3.1计算机系统的构成

冯·诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在存储器中，使计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令并执行。根据冯·诺依曼计算机体系结构，在执行程序和处理数据时必须将程序和数据先要从外存储器装入主存储器中，然后使计算机在工作时自动地从存储器中取出指令并加以执行，这就是存储程序概念的基本原理。3.1.2冯·诺依曼型计算机的结构

3.1计算机系统的构成典型的计算机硬件体系结构如下：地址总线（AB）RAMI/O接口I/O设备ROM数据总线（DB）控制总线（CB）CPU（含运算器和控制器）3.1计算机系统的构成

冯·诺依曼计算机体系结构的主要特点是：

(1)计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

(2)程序和数据以二进制形式存放在存储器中。

(3)控制器根据存放在存储器中的指令(程序)工作。

3.1.3微型计算机的诞生与发展

微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机。微型机与其它几类计算机并没有本质上的差别。所不同的是微机将组成计算机硬件系统的两大核心部分一运算器和控制器，集成在一片集成电路芯片上，即中央处理器CPU。

CPU按照处理信息的字长分为：4位或8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器等。现在微机的CPU一般是32位或64位的处理器。3.1计算机系统的构成3.2微型计算机主机结构

微型机基本是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有中央处理器CPU、主板、硬盘驱动器、CDROM驱动器、软盘驱动器、电源、显示适配器(显示卡)等。主机外部设备运算器控制器内存储器外存储器存储器输出设备硬件CPU输入设备3.2微型计算机主机结构3.2.1中央处理器CPUCPU：运算器部件、寄存器部件和控制器部件。

1.

CPU的主要性能指标：

(1)主频/外频（主频=外频×倍频，即CPU工作频率）

(2)数据总线宽度（即字长，指CPU传输数据的位数）

(3)地址总线宽度（决定了CPU可访问的地址空间）

(4)工作电压（低电压可减少CPU过热，降低功耗）

(5)高速缓存Cache（加速CPU与其它设备间数据交换）

(6)运算速度（CPU每秒能处理的指令数）3.2微型计算机主机结构1)计算机指令系统

指令：是指计算机执行特定操作的命令。是程序设计的最小语言单位。指令构成：操作码+地址码指令系统：是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。不同型号的计算机有不同的指令系统。它反映了计算机的处理能力。

操作码

操作数

数据传送指令数据处理指令程序控制指令输入输出指令其它指令

IfGoto……＋－×÷AndOr……CPU内存I/O设备主机对计算机的硬件进行管理等指令

结构分类操作码要完成的操作类型或性质操作数操作的内容或所在的地址3.5

计算机指令及执行2)指令的执行过程

开始取一条指令执行指令取数分析指令停止停机指令执行指令

取指令分析指令取操作数执行回送结果

通常把CPU从内存并中取出一条指令并执行这条指令的时间总和称为指令周期。3.运算器运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是:(1)运算逻辑部件

(2)寄存器部件4.控制器控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。

控制器主要由以下部件组成：①程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址；②指令寄存器。在一条指令执行期间保存现在正在执行的指令；③指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求；④时序部件。产生计算机工作中所需的各种时序信号，以协调各部件的工作顺序；⑤微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列的微操作。3.2微型计算机主机系统

内存储器在主机内部(简称内存)，一般由半导体材料构成。内存储器可分为只读存储器的随机读定存储器。

内存储器分类

3.2.2内存储器3.2微型计算机主机结构1.只读存储器

特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。ROM分类

(1)掩膜式ROM(MaskROM)(2)可编程PROM(ProgrammableROM)(3)可擦除EPROM(ErasablePROM)(4)电可擦EEPROM(ElectricallyEPROM)(5)快擦写ROM(FlashROM)3.2微型计算机主机结构2.随机存取存储器特点：随机存贮器(存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失)。

RAM分类:(1)SRAM：静态RAM。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般高速缓冲存储器。

(2)DRAM：动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整性，通常所说的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型：①SDRAM---同步动态存储器②DDR---双倍速率内存

(DDR2---四倍速率内存\DDR3)3.2微型计算机主机结构存储单元地址0000H0001H0002HFFFFH存储体结构图示意存储位存储单元（字节）存储体

512MB2GB存储单元特点：

地址与存储单元是一一对应的一个数据存放在一个或多个字节中

CPU通过单元地址访问存储单元中的数据往存储单元放新数据原数据被覆盖3.2微型计算机主机结构3.Cache(高速缓存)Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内Cache是集成在CPU芯片中，片外Cache是安插在主板上。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级，大体与CPU的处理速度相当。3.2微型计算机主机结构4.多级缓存

最早的CPU缓存是个整体的，而且容量很低。当集成在CPU内核中的缓存已不足以满足CPU的需求，而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量时出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓存，此时就把

CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二级缓存。5.双核心CPU的二级缓存

双核心CPU的二级缓存比较特殊，和以前的单核心CPU相比，最重要的就是两个内核的缓存所保存的数据要保持一致。3.2微型计算机主机结构3.2.3总线总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。总线按所传输信号不同可分为：

数据总线

地址总线

控制总线。3.2微型计算机主机结构①地址总线。传输的是地址信号，一般是单向传输。当CPU需要访问某个外设时，它向地址总线发出相应外设的地址信号，以选择某个外设。②数据总线。传输的是数据，一般是双向传输。CPU进行“读”时，数据由外设流向CPU，当CPU进行“写”时，数据由CPU流向外设。③控制总线。传输的是对外设进行控制和状态检测的信号，有的是CPU向内存或外部设备发出的信号；有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的。3.2微型计算机主机结构总线按处于计算机硬件系统中的位置来分：

①片内总线(又称内部总线)。是指CPU芯片内部的总线。②系统总线(又称输入/输出总线)。是微机中各插件板与系统主板之间的总线，用于插件板一级的互连。③外部总线(又称通信总线)。是微机和外部中低速外部设备之间或外设与主机连接的总线。3.2微型计算机主机结构微机各级总线的简易关系3.2微型计算机主机结构微机系统三层总线示意简图北桥CPU内存Cache局部总线南桥PCI接口（网卡、声卡等）键盘、鼠标、接口USB外部（通讯）总线前端总线AGP总线存储器总线AGP显卡PCI-E显卡系统总线3.2微型计算机主机结构

系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、PCIExpress三个阶段。①ISA总线。是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。②PCI总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。③PCIExpress总线。是新一代的总线接口。

系统总线标准3.2微型计算机主机结构ISAPCIAGP3.2微型计算机主机结构PCIExpress3.2微型计算机主机结构

常见的I/O总线种类：USB总线、IEEE1394总线等。①USB总线属串行接口总线。该总线是一种最多可连接127个设备的外部总线。具有支持热拔插，即插即用的优点，所以USB接口已经成为许多外设的标准接口。USB有两个规范，即USB1.1,USB2.0和USB3.0。

外部总线标准3.2微型计算机主机结构I/O接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由I/O接口电路、连接器(一般为连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。3.2.4I/O接口3.2微型计算机主机结构I/O接口将I/O接口电路内嵌在主板中，由主板直接提供外设接口电路插座，如1键盘鼠标接口、ps/22USB接口3串行接口RS-2324并行接口LPT3.3微型计算机主机物理构成1主板

主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了CPU、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。3.3微型计算机主机物理构成

主板的逻辑结构：3.3微型计算机主机物理构成

最早期的PC机主板连接简单，不足是由于快速的CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。CPU协处理器ROMBIOSDRAM控制器RAM8253定时/计数器8259中断控制器8250串行通信控制器8255并行接口8237DMA控制器DMA页面寄存器扩展总线缓冲8个扩展插槽PC总线3.3微型计算机主机物理构成486微机后到PentiumII期间，主板一般采用南北桥芯片结构主板。PentiumII处理器PentiumII处理器CPU总线82443BX（北桥）主存支持SDRAM66/100MHzPCIe总线图形设备82371EB（PIIX4E）（南桥）硬盘接口USB接口I/O芯片PCI总线PCI插槽系统BIOSROM网络接口网络接口3.3微型计算机主机物理构成PentiumII采用的南北桥芯片结构主板。3.3微型计算机主机物理构成PentiumIII以上的主板结构(采用中心结构的主板结构)。键盘鼠标串行口并行口处理器8XX系列存储控制中心中心高速接口I/O控制中心固件中心PCI槽PCI总线IDE驱动器USB端口AC’97编码SuperI/OLPCI/FAGP图形控制器主存储器处理器CPU总线LAN连接主极上的主要部件①cpu插座

②内存插槽

③总线扩展插槽

④芯片组。⑤时钟发生器⑥BIOS/CMOS⑦其他BIOS芯片是一块特殊的ROM芯片，保存的重要程序有加电自检程序(power

on

self

test,

简称POST)、

系统启动自举程序、CMOS参数设置程序和基本外围设

备的驱动程序等。其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。CMOS是主板上一块可读写的RAM芯片，用于保存系统初始化时要用到的参数.

如硬件配置、启动盘顺序，开机密码、机器时间等。计算机启动过程主板的技术指标①处理器支持的能力，包括CPU种类、GPU插槽类型、外频范围、电压范围:

②芯片组类型。

③是否集成声卡、显卡、网卡。

④支持的内存类型、最大容量。

⑤BB〕S的生产厂家、版本和功能。

⑥扩展插槽及接口的类型和数量。

⑦附加的特色功能。

3.4外部设备3.4.1外部存储器外部存储器通常用来存放需要永久保存的或相对来说暂时不用而需要长期保护的各种程序和数据的存储器。当需要执行外存中的程序或处理外存中的数据时，必须将其调入RAM中才能被CPU执行处理，所以外存实际上属于输入／输出设备。

(1)磁盘目前微机常用的外存储器是软磁盘存储器、硬磁盘存储器和光盘存储器、U盘等。793.3外部存储器硬盘硬盘存储器是微机最重要的外部存储器，常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件，以及存储存储大量数据。硬盘由一个盘片组和硬盘驱动器组成，被固定在一个密封的金属盒内。柱面磁头臂1个扇区=512B硬盘容量计算:=盘面数(磁头数)*磁道/面*扇区/道*512B/扇区簇由若干扇区组成,文件格式、分区大小不同簇大小不同。1）FAT32、NTFS文件系统一般一簇为4KB分区越大簇越大。2）一个文件至少占一个簇，两个文件不能在同一个簇。磁盘技术指标：转速容量缓冲硬盘接口IDE曾经主流SCSI服务器用SATA前主流可靠高速简单热插拔光线接口高端服务器用硬盘格式化低级格式化：划分磁道与扇区分区：建立逻辑分区

分区步骤：创建主分区-创建扩展分区-创建逻辑分区-设置活动分区高级格式化：对磁盘分区进行初始化，清除数据，建立文件分配表硬盘启动过程启动数据存放磁盘0面0磁道1扇区开机启动BIOS—引导执行0面0磁道1扇区启动数据固态硬盘SSD采用闪存芯片作为存储器优点电子方式工作能耗低读写速度快抗干扰能力强固态+磁盘（2）

光盘存储器1．只读型光盘只读光盘中的数据是在制作时写入的，用户只能读数据，而不能写入或修改光盘中的数据。最常见的只读光盘为CD-ROM光盘，当然，数字音频光盘CD-DA、VCD、DVD等也都属于只读式光盘。2．一次写入光盘这种光盘允许用户一次写入数据，不能修改和擦除数据。如CD-R。3．可擦写光盘这种光盘具有和磁盘一样的可擦写性，可多次写入或修改光盘上的数据。如CD-RW。3.4外部设备

从光盘中读取数据的设备我们称之为光盘驱动器，简称光驱。光驱把经过聚焦后的激光投射到光盘上，利用光盘的凹坑或非凹坑边缘反射的激光强度不同而将其表示为不同的电信号。光驱倍数是指光盘的数据传输率（150KB/s为单倍，以此类推）。CD-ROM光盘驱动器能读CD-ROM、CD-DA、CD-R、CD-RW、VCD盘等，但不能读DVD。而DVD光盘要用DVD驱动器才能读，DVD驱动器兼容CD-ROM所能读的光盘。3.4外部设备3.4外部设备写入一次写入：有机染料高温发生不可逆变化多次擦写：相变合金材料受高温在晶态和非晶态之间切换，记录和重写数据光盘指标数据传输率存储容量平均存取时间

DVD光盘常规的CD盘只使用一个面并且只用一个记录层来记录信息。为了提高存储容量，DVD盘可分为单面单层、单面双层、双面单层以及双面双层4种结构。

单面单层(4.7GB)单面双层(8.5GB)

双面单层(8.5GB)双面双层(17GB)3.4外部设备DVD按用途可细分为5大类。①

DVD-ROM（只读DVD）用途类似CD-ROM，可存放任何数据信息，容量大。3.4外部设备②

DVD-R（一次可写DVD）用途类似CD-R，具有比CD-R更高的记录容量。③DVD-RAM（多次可写DVD）④

DVD-RW）可重写⑤DVD+RW（快擦写DVD⑥蓝光DVD

光盘刻录机是指可读写的光盘和光盘驱动器。包括CD和DVD两种刻录机。3.4外部设备①CD刻录机既具有CD-ROM光驱的功能，也能够向可刻录CD光盘刻写数据。其传输速率一般标注为A/B/C的形式（如20/10/40），其中A表示写CD-R盘的倍速，B表示写CD-RW盘的倍速，C表示读盘的倍速，并且3个倍速的基准速率都为150KB/s。②DVD刻录机既具有DVD-ROM光驱的功能，也能够向可刻录DVD光盘和可刻录CD光盘刻写数据。移动存储器

USB盘

通过USB接口与电脑连接，实现即插即用，具有小巧、可靠、易于操作等特点。闪存盘体积很小，重量极轻，特别适合随身携带。闪存盘中无任何机械式装置，抗震性能极强。

U盘中的存储模块其实就是Flash-ROM。移动硬盘一般由笔记本硬盘和硬盘盒组成。

3.4外部设备

（4）内外存储器的关系（5）存储器层次结构既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求合理，在目前技术条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。3.4外部设备3.４.2常用输入设备

(1)键盘按键分行列排列有专门处理器处理按键结果存放于端口寄存器。数据ASCII编码串行传输对编码的解释右接受软件决定按键包含四大分区域

(2)鼠标机械鼠标结构简单价格便宜准确度灵敏度差光电鼠标准确度灵敏度高寿命长需要专门垫板目前主流无线鼠标（无线原理：红外、蓝牙（无线电））

(3)扫描仪3.4.3常用输出设备

(1)显示器工作原理：CRT显示器在工作时，电子枪发出电子束,通过偏转线圈和荫罩板，轰击荧光粉层上的某一点，使该点发光，每个像素有红、绿、蓝三基色组成，通过对三基色的强度的控制就能合成各种不同颜色，在荧光屏另一面看到发光的图像。优缺点：亮度好，颜色鲜艳，视角广但是能耗高有辐射液晶显示器LCD的优点在于：工作原理：本身不发光，需要背光源；利用液晶在不同电场作用下偏转透光成像LCD优缺点①图像稳定。由于只有在画面内容发生变化时才需要刷新，因此没有闪烁感；②液晶底板整体发光，真正的完全平面；③LCD显示器基本上没有辐射；④能耗低。约为CRT显示器的三分之一。但是视角窄亮度低3.4.3常用输出设备

显示器的性能参数主要有：①显示器的点距。点距指屏幕上相邻两个像素单元之间的距离，点距越小，显示效果就会越好（0.31mm0.28mm0.25mm）。②像素和分辨率。分辨率指屏幕上像素的数目，一个像素是组成图像的最小单位，它是一个发光点。一般分辨率越高，则屏幕上能显示的内容越多。③刷新率。一秒钟内完成屏幕刷新次数，即垂直扫描频率，也叫刷新频率。当刷新率比较高时，人眼就能看到持续、稳定的画面。④显示器大小。显像管的大小通常以对角线的长度来衡量，以英寸单位。⑤可视角度⑥亮度⑦对比度⑧接口VGA

DVI

HDMI3.4.3常用输出设备显卡接口PCIe居多组成显示芯片（GPU）显存D/A转换器工作原理显卡接口VGA

DVI

HDMIDP3.4.3常用输出设备VGA接口还被称为D-Sub接口。对于模拟显示设备，比如说模拟CRT显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像；而对于LCD、DLP等数字显示设备，显示设备中需配置相应的Ａ/Ｄ（模拟/数字）转换器，将模拟信号转变为数字信号。不可避免地造成了一些图像细节的损失。DVI接口

3.4.3常用输出设备目前应用主要以DVI-D为主，同时DVI-D和DVI-I又有单通道（SingleLink）和双通道（DualLink）之分，我们平时见到的都是单通道版的，双通道版的成本很高，因此只有部分专业设备才具备，普通消费者很难见到。3.4.3常用输出设备3.4.3常用输出设备1、VGA接口由于是模拟信号，不可避免地造成了一些图像细节的损失，只适用于20吋以下的显示器使用；2、若显示器采用1920*1200以下分辨率，DVI-I，DVI-D，HDMI，DP接口均可，屏幕尺寸影响较小；3、若显示器采用超高分辨率，比如2560*1600或搭建多屏显示输出系统情况下，双通道DVI-D，HDMI，DP可以胜任；4、若采用的是3D显示器，1920*1080分辨率下，DVI-D、HDMI和DP没太大问题，若是2560*1600以上最好选用HDMI和DP输出接口3.４常用输出设备

(2)打印机

打印机常用的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等。①针式打印机特点。利用钢针击打色带把色带上的墨打印在纸上形成文本或图形。缺点是打印质量差、速度慢、噪声大；优点是可以打多联纸，消耗材料相对较便宜。②喷墨打印机特点。打印头上有若干个喷头，打印时，墨水以每秒近万次的频率喷射到纸上。与其它两类打印机相比，在打印质量、速度噪声及成本方面处于中等层次。