计算机导论第2章 微型计算机系统的组成

《计笄机导论》世矣师5.：

第2章微型计算机系统的组成

条本章导读：

重点阐述了微机的中央处理器、存储器、输入/输

出设备的类型、发展和主要性能指标。

票重点内容：

计算机软、硬件系统构成、中央处理器的类型、性

能和指标、存储器的类型、性能和指标输入输出设备

的类型、性能和指标。

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《计算机导论》z世绍荷孽制触函

第2章微型计算机系统的组成

2.1概述

2.2中央处理器CPU

2.3存储器

2.4总线与输入/输出接口电路

2.5输入/输出设备

《计算机导论》

2.1概述

2.1.1硬件系统

微型计算机的硬件系统主要由CPU、存

储器、系统总线、接口电路及I/O设备等部件组

成。

《计算机导论》

2.1概述

2.1.1硬件系统

《计算机导论》

A世知师孰箸旧炉国到番：

显示器

鼠标

《计算机导论》

微型计算机工作原理

运算逻辑控制

单元单元预

取

单

译

寄

元

码

单

元

I■

2j±J3JrJ5j

描iA

I底

运算（处理）存储（记录）控制（协调）

《计算机导论》A世知师孰箸

计算机的语言——二进制

进制的概念

“逢R进一，借一当R”

十进制R=10,可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

二进制R=2,可使用0」

八进制R=8,可使用012,3,4,5,6,7

十六进制R=16,可使用0,……,9,A,B,C,D,E,F

《计算机导论》

二进制概念

信息复制的精确性

运算规则简单

电子线路制造计算机成为可能

《计算机导论》&世领赫洛

程序和指令

指令是对计算机进行程序控制的最小单位。

所有的指令的集合称为计算机的指令系统。

机器指令格式

操作码操作数

匚执行对象（具体数、存放位置）

机器执行什么操作

程序是为完成一项特定任务而用某种语言

编写的一组指令序列。

《计算机导论》

信息的存储单位

位(Bit):度量数据的最小单位

字节(Byte):最常用的基本单位

loo10101=27+24+22+2°

K字节1K=1024byte

M（兆）字节1M=1024K

G（吉）字节1G=1024M

T（太）字节1T=1024G

《计算机导论》

2.1概述

2.1.2软件系统

软件是提高计算机使用效率、扩大计算机功能的

程序总称，它由各种程序和数据组成。软件系统由系

统软件和应用软件组成。

在硬件基础上的系统软件是对硬件功能的扩充与

完善，而操作系统是配置在硬件上的第一层软件，它

是对硬件功能的第一次扩充，从而构成了一个比硬件

裸机功能更强大、使用更方便的”虚拟计算机”。所

有系统实用程序以及更上层的应用程序都在操作系统

虚拟机上运行，他们受操作系统的统一管理和控制。

硬件和软件的整体称为计算机系统资源，其系统构成

示意图见图2-2。

《计算机导论》

2.1概述

2.1.2软件系统

「监控程序

操作系统

编辑程序

广系统软件解释程序

编译程序

I诊断程序

软件＜'机器语言

程序设计语言I汇编语言

高级语言

L应用软件：如软件包、数据库等

《计算机导论》

输入设备

系统服务程序

实时控制软件

《计笄机导论》世矣师5.：

2.2中央处理器CPU

2.2.1CPU主要指标、技术和发展

1、CPU主要性能指标

(1)CPU字长：CPU的字长(位数)通常是指

CPU内部数据总线宽度或位数。它是CPU数据

处理能力的重要指标。

(2)CPU主频。CPU主频也叫CPU的工作频率

或CPU内部总线频率，是CPU内核(整数和浮

点运算器)电路的实际运行频率，亦是CPU自

身工作频率。

《计笄机导论》世矣师5.：

2.2中央处理器CPU

2.2.1CPU主要指标、技术和发展

(3)CPU外频。CPU的外频也是指CPU从主板上获得的

工作频率。它是由主板上晶体震荡电路为CPU提供的

基准时钟频率，也就是主板的工作频率。

(4)CPU倍频系数

CPU主频、外频和倍频系数关系如下：

CPU主频=CPU外频X倍频系数

(5)前端总线频率。前端总线(FSB：FrontSideBus)

指主板芯片组中的北桥芯片与CPU之间传输数据的通

道，因此也可以称为是CPU的外部总线。

《计笄机导论》世矣师5.：

2.2中央处理器CPU

2.2.1CPU主要指标、技术和发展

2、CPU技术

(1)CPU字长：CPU的字长(位数)通常是指

CPU内部数据总线宽度或位数。它是CPU数据

处理能力的重要指标。

(2)CPU主频。CPU主频也叫CPU的工作频率

或CPU内部总线频率，是CPU内核(整数和浮

点运算器)电路的实际运行频率，亦是CPU自

身工作频率。

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《计算机导论》世纪当趟富用青热怙与彳二三产比;三二上

2.2中央处理器CPU

2.2.1CPU主要指标、技术和发展

2、CPU技术

(4)指令与数据分开。经典奔腾有两个高速缓存，一个

用于缓存指令，一个用于缓存数据，这种把指令与数

据分开存取结构称为哈佛结构

(5)固化常用指令。奔腾把常用指令，例如把MOV、

ADD、INC、DEC、PUSH等指令改用硬件实现，而不

用微代码操作，使指令的运行速度进一步加快。

(6)增强的32位数据总线。

(7)采用PCI局部总线。

(8)错误检测及功能冗余校验技术。

(9)能源效率技术。

(10)支持多重处理。

《计算机导论》2/域负筑孝|

2.2中央处理器CPU

2.2.1CPU主要指标、技术利发展,

3、CPU的发展

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位处理器、8位处理器、16位处理器、32

位处理器以及64位处理器，可以说个人电脑的

发展是随着CPU的发展而前进的，甚至可以说

英特尔的发展史就是CPU的发展史。

《计算机导论》

2.2中央处理器CPU

2.2.1CPU主要指标、技术和发展

3、CPU的发展

几种CPU的外观图如下所示。

图2-34004CPU图2-480386

《计算机导论》利般

2.2中央处理器CPU

2.2.1CPU主要指标、技术和发展

3、CPU的发展

几种CPU的外观图如下所示。

TEXAS

INSTRUMENTS

486DX2・80

VCC*XMSV

・FOHX”USECNif

图2-6PentiumPro

图2-580486

《计算机导论》

2.2中央处理器CPU

2.2.1CPU主要指标、技术和发展

3、CPU的发展

几种CPU的外观图如下所示。

图2-8Pentium4图2-9Itanium

图2-7Celeron

《计笄机导论》世矣师5.：

2.2中央处理器CPU

2.2.2CPU的基本组成

1、控制单元

控制单元(ContralUnit)是硬件系统的控制部件。

它能自动、逐条地从内存储器中取出指令，将指令翻

译(转换)成控制信号(电脉冲)，并按时间顺序和

节拍，发往其他部件，指挥各部件有条不紊地协同工

作。

2.运算单元

运算单元(ArithmeticLogicUnit,ALU)又称为

算术逻辑单元，是负责处理数据的部件。它既能进行

力口、减、乘、除等算术运算，又能进行与、或、非、

比较等逻辑运算。可以把它比做数据的加工厂。

《计算机导论》

2.2中央处理器CPU

2.2.2CPU的基本组成

3、摩尔定律

在芯片制造技术中，有一条摩尔定律（Moore飞

Law）,即每十八个月集成电路的密度翻一番，

表示它的功能要翻一番。摩尔是英特尔公司的

创始人之一，20多年来，该定律在业界一直正

确，带动着微机不停地更新换代，总的趋势是

CPU字长“位”数不断增多，速度指标“主频”

不断加快，功能不断增强，而价格又不断下降。

《计算机导论》

计算机第一定律——摩尔定律

单

19751^80198519901995位

时

晶

10M一Ik/Unrc500

体(tranfltstors)(mips)

2000间

百

管

1MPentltmfW25万

执

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行/

10OKsoaae1.0每

秒

•,--'30286的

1OK■0.1

指

■•Soao

令

,40040.01

数

每18个月芯片能力增长一倍。

《计算机导论》21世经斯孽

2.3存储器

2.3.1存储器的分类

1、按存储介质分类

(1)半导体存储器

(2)磁表面存储器

(3)光存储器

2、按存储器的读写功能分类

(1)只读存储器ROM

(2)随机存储器RAM

《计算机导论》2,世季

2.3存储器

2.3.1存储器的分类

3、按信息的可保存性分类

(1)非永久性记忆的存储器。

(2)永久性记忆的存储器

4.按在微机系统中的作用分类

(1)主存储器

(2)辅助存储器

(3)高速缓冲存储器

《计算机导论》

2.3存储器

2.3.2存储器的基本性能指标

1、存储容量

存储器可以存储的二进制信息总量称为存储容量。

存储容量通常以字节（B）为单位来表示，对于大容量存

储器还可以用千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字

节（GB）、太字节（TB）等表示。其换算关系为：

1KB=21OB=1O24B

1MB=22OB=1024KB

1GB=23OB=1024MB

1TB=24OB=1024GB

《计算机导论》

2.3存储器

2.3.2存储器的基本性能指标

2、存取速度

存储器的存取速度可以用存取时间和存取周期来衡量。

（1）存取时间。存取时间是指启动一次存储器操作到

完成该操作所用的时。

（2）存取周期。存取周期是指连续两次独立的存储器

操作之间的最小时间间隔。通常存取周期略大于存取

时间，其差别与存储器的物理实现细节有关。

3、价格

存储器的价格常用每位的价格来衡量。

《计算机导论》

2.3存储器

2.3.3存储系统的层次结构

所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存

储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构

组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件

有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数

据按层次分布在各种存储器中。目前，在计算

机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系

统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器

和辅助存储器组成，如图2-10所示。

《计算机导论》&世领赫洛

图2-10存储系统的多级层次结构

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《计算机导论》世纪当趟富用青榆怙•«与*.・・彳******二*«■・三・・产MB*.•据**;■三二•■上

2.4总线与输入/输出接口电路

2.4.1总线

总线：计算机系统中传输信息的公共通道。按位置可

将总线分为以下三类：

(1)片内总线：片内总线是指在微处理器芯片内部各

单元之间传输信息的总线，它主要用于芯片级的互连。

(2)系统总线：也称内总线，用以实现微机系统与各

种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的

总线，一般用于模板之间的连接，系统总线有时也称

为板级总线。目前这类总线已基本上实现了标准化，

例如STD总线、ISA总线、VESA总线、PCI总线等。在

微型计算机主板上的各种扩展插槽都属于内总线。

《计算机导论》2/世绍靛毒翎倒蹈却瞳皆

2.4总线与输入/输出接口电路

241总线

(3)外部总线

这是微型计算机之间或微型计算机与外部

设备之间进行通信的总线，主要用于设备级的

互连。外部总线也称为通信总线。其种类比较

多，通常与特定的设备有关，例如：RS-232C

总线、RS-458总线、USB总线等。

图2-11所示即为常见的微型计算机总线层次的

典型结构。

《计算机导论》

《计算机导论》

2.4总线与输入/输出接口电路

2.4.2ISA、PCLAGP、USB、IEEE1394总线

1.ISA(IndustryStandaryArchitecture)总线

(1)数据宽度：16位+，

(2)工作频率：8MHZ

(3)数据传输率：8Mb/S-

(4)寻址空间：1M

2.PCI(PeripheralComponentInterconnect)总线

(1)数据宽度：32位，可扩展到64位

(2)工作频率：33MHZ

(3)数据传输率：133Mb/S

《计算机导论》

2.4总线与输入/输出接口电路

2.4.2ISA、PCLAGP、USB、IEEE1394总线

3、AGP(AdvancedGraphicsPort)总线

AGP是Inte1公司配合Pentium处理器开发的总线标准，

它是一种可自由扩展的图形总线结构。

(1)数据宽度：32位

(2)工作频率：33MHz或133MHz

(3)数据传输率：266Mb/S或533Mb/S

4、通用串行总线USB(UniversalSerialBus)总线

通用串行总线是一种新型的输入/输出总线接口。USB

接口为外部设备提供电源，USB设备可以起集线器作

用，通过集线器可同时连接127台输入/输出设备。最

大数据传输率为12Mb/S。

《计算机导论》

2.4总线与输入/输出接口电路

2.4.2ISA、PCLAGP、USB、IEEE1394

总线

5、IEEE1394总线

IEEE1394是一种连接外部设备的机外总线，按

串行方式通信。这种接口标准允许把计算机、

计算机外部设备（如硬盘、打印机、扫描仪）、

各种家电（如数码相机、DVD播放机、视频电

话等）非常简单地连接在一起。

《计算机导论》

2.4总线与输入/输出接口电路

2.4.3输入/输出接口电路

1、硬盘接口

目前在微机中使用最广泛的硬盘接口标准是IDE和

SCSI标准。

(1)IDE由Compaq开发并由WesternDigital公司生产的

硬盘控制器接口。它的最大特点是把控制器集成到硬

盘驱动器内。

(2)EIDE(EnhancedIDE)接口标准。EIDE是Western

Digital为取代IDE而开发的接口标准。采用EIDE接口的

微机系统中，己直接将EIDE接口集成在主板上，不再

需要单独的适配卡。

《计算机导论》

2.4总线与输入/输出接口电路

2.4.3输入/输出接口电路

（3）SCSI（SmallComputerSystemInterface,小

型计算机系统接口）接口标准。SCSI由美国国

家标准协会（ANSI）1986年6月公布的接口标

准（称为SCSI-1）,1990年又推出了SCSI-2标

准。可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相

连，如硬盘驱动器、扫描仪、光盘、打印机和

磁带驱动器等。

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《计算机导论》世纪当趟富用青榆怙•«与*.・・彳******二*«■・三・・产MB*.•据**;■三二•■上

2.4总线与输入/输出接口电路

2.4.3输入/输出接口电路

2、RS-232-C接口

RS-232-C是美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustry

Association)制定的一种窜行接口标准。RS是英文

“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。

RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道

和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对

于一般的通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发

送线、一条接收线及一条地线。最大通信距离为15m。

串行接口目前最普遍的用途是连接鼠标和调制解调器,

常被称为异步通信适配器接口，串行端口插座分为9针

或25针两种。串行接口被赋予专门的设备名C0M1和

COM2o

《计算机导论》

25输入/输出设备

2.5.1输入设备

1、键盘

微型机的键盘是从英文打字机演变而来的。键

盘是微型计算机不可缺少的输入设备，如图2-

12所示。任何一台微机首先必须具备一个标准

的通用键盘，在这个键盘上应有26个英文字母

键，"(T到"9"十个阿拉伯数字键和其他一些

功能键。

《计算机导论》2,增结嬴词崎述皿

图2-12键盘

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《计算机导论》世纪当趟富用青榆怙•«与*.・・彳******二*«■・三・・产MB*.•据**;■三二•■上

2.5输入/输出设备

2.5.1输入设备

2.鼠标

由于Windows操作系统的盛行，因此在和计算机沟通

方式中，鼠标这类指向装置便有其重要的地位。鼠标

能方便地将光标准确定位在要指定的屏幕位置，很方

便地完成各种操作。因此，在Windows操作系统中鼠

标是必不可少的输入设备。如图2-13所示。

鼠标分为机械式、光学式和光学机械式三种，对鼠标

的操作可分为左击、右击、双击及拖动，这四种不同

的操作可以实现不同的功能。

鼠标器最常用接口有3种：串行口、专用鼠标器端口

(PS/2)、USB接口。

《计算机导论》

图2-13鼠标

《计算机导论》

2.5输入/输出设备

2.5.1输入设备

3、扫描仪

扫描仪是计算机输入图片使用的主要设备，它

内部有一套光电转换系统，可以把各种图片信

息转换成计算机图像数据，并传送给计算机，

再由计算机进行图像处理、编辑、存储、打印

输出或传送给其他设备。

按色彩来分，扫描仪分成单色和彩色两种；按

操作方式分，可分为手持式和台式扫描仪。

扫描仪的主要技术指标有分辨率、灰度层次、

扫描速度等。

扫描仪如图2-14所示

《计算机导论》2,世系泼用皤

图2-14扫描仪

《计算机导论》

2.5输入/输出设备

2.5.2输出设备

1、显示设备

(1)CRT显示器

CRT显示器可以依显像管的颜色来分，如单色和彩色，

彩色可以显示彩色，也可以显示单色。但是，在实际

使用中，人们习惯于以显示器所连接主机的显示卡来

分。如MDA单色显示器、CGA彩色显示器、EGA彩色

显示器、VGA彩色显示器、TVGA彩色显示器等。

CRT显示器如图2-15所示。

《计算机导论》

图2-15CRT显示器

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《计算机导论》世纪当趟富用青榆怙•«与*.・・彳******二*«■・三・・产MB*.•据**;■三二•■上

2.5输入/输出设备

2.5.2输出设备

CRT显示器的主要技术指标：

屏幕尺寸。指屏幕对角线长度,一般有14、15、17、19、20、21

英寸等多个尺寸。

且距：指CRT（阴极射线管）上两个颜色相同的磷光点之间的距

离，单位是mm

像素和分辨率°分辨率指屏幕上像素的数目,像素是指组成图像

的最小单位，也即上面提到的发光点。比如，800X600的分辨率

是说在水平方向上有800个像素，在垂直方向有600个像素。为了

控制像素的亮度和彩色深度，每个像素需要很多个二进制位来表

示，四果要显示256种颜色，则每个像素至少需要8位（一个字节）

来表不。

带正带宽是指每秒钟电子枪扫描过的图像点的个数，以MHz为单

位，它表明了显示器电路可以处理的频率范围。

《计算机导论》

2.5输入/输出设备

2.5.2输出设备

（2）LCD（LiquidCrystalDisplay,液晶显示器）。有低

眩目的全平面屏幕，低