计算机硬件基础

>第二章计算机硬件基础

学习目标:

■2.1集成电路基础

■2.2计算机系统组成

■23PC机的组成

・2.4微型计算机常用外部设备

■2.5计算机的分类

2.1集成电路基础

集成电路的发展概况

m

F、G

-真空电子管9012

C飞TrtoMW1"

Q1E3BF

86C765

■晶体管9702BC212

三「TAIWAN

■集成电路(IC)

■根据所包含的晶体管数目划分:

■小规模集成电路(SSI)

-中规模集成电路(MSI)

■大规模集成电路(LSI)

■超大规模集成电路(VLSI)

-极大规模集成电路(ULSI)厦皿

YM62HIU0MIVUSITY

集成电路的分类

■按所用晶体管结构、电路和工艺划分：

■双极型(bipolar)集成电路

■金属一氧化物一半导体(MOS)集成电路

■双极一金属一氧化物一半导体(bi-MOS)集成电路

■按功能划分

■数字集成电路&模拟集成电路

■按用途划分

■通用集成电路&专用集成电路(ASIC)

集成电路的制透过程

1.制作单晶硅

2.切割抛光硅衬底

3.制作晶圆

4.晶圆检测「单列直插式(SIP)

5.封装y双列直插式(DIP)

、阵列式(PGA)

6.成品测试

集成句路的发展越势

♦摩尔定律：Intel公司创建人之一戈登•摩尔的

经验法则，他预言集成电路的集成度平均

每18个月到24个月将增加一倍。

♦集成电路技术发展的几个方面:

设计工具与设计方法制造工艺与相关设备

测试封装

材料基础研究

2.2计算机系统组成

计算机余统组成

计算机的硬件结构

■冯•诺依曼(VonNeumann)

■“存储程序”的思想

■“二进制”的思想

-硬件系统由五大部件组成：

输入设备

输出设备

控制器

计算机的硬件结构

■运算器:

-完成对数据的算术运算、逻辑运算和逻辑

判断等操作。

■控制器：

控制各部件的工作，使计算机自动地执行

程序。

★控制器和运算器合在一起成为中央处理器

CPU,它是计算机的核心。：：fe

计算机的硬件结构

■存储器：

-用来存储程序和数据的部件；存储器还负责

向控制器提供指令，与运算器交换数据。

衡量存储器的三个指标：

存储容量、存储速度、单位价格

-存储系统采用典型的存储层次：

高速缓冲存储器、主存储器、

辅助存储器及海量存储器。

计算机的硬件结构

单

存

存

位

储

储

价

速

容

格

度

量

更

更

更

高

快

大

Mal•・

★CPU与内存合起来称为计算机的主机工汆泊

计算机的破件结构

■输入设备：

.把程序、数字、图形、图像声音、控制现场

的模拟量等数据，通过输入接口转换成计算

机可以接收的电信号。

常用的有：键盘、鼠标、操纵杆、光笔等。

■输出设备:

把计算机运行结果或过程，通过输出接口转

换成人们所要求的直观形式或控制现场能接

受的形式。

常用的有：显示器、打印机、

绘图仪等。

计算机硬件组成框图

原始数据1------------------------

口输入设备.

程序-----------取数

存储器运算器

计算结果-----------

■输出设备<

输

输

存

回

回

操

取

反

出

入

取

作

出

馈

答

答

命

命

命

信

指

信

信

信

令

令

令

号

令

号

号

号■

一

一

控制器

微型机的硬件结构

ControlBus(CB)址总线

啜据总线

CB用来传送控制信号。一

喉制总线

两类：

由CPU向内存或外设发送的控制信号；

由外设有关接口电路向CPU送回的信号及

内存的应答信号。

■1、总线(Bus)

在两个以上设备之间提供传送信息的

公用通道。

微型机的硬件结构

•总线的发展

数据线数据传输速度

ISA/AT：系统总线16位5MB/s

EISA：扩展ISA总线32位33MB/S

MCA：微通道32位33MB/S

PCI：局部总线32/64位132/264MB/S

点葬抽

USB:通用串行总线32/64位120/240Mbps••三••

■*WrfnIIBfliiu*■

微型机的硬件结构

■2、中央处理器（CPU）

计算机的核心部件，完成计算机的运算和控制功能。

CPU的内部结构包括：

算术逻辑部件（ALU）

程序计数器（PC）

指令寄存器（IR）

指令译码器（ID）_

控制信号发生器及其他寄存器组二士二

微型机的硬件结构

I________1______

•3、内存储器

特点：可读可写；

厂随机存取存储器RAM

断电信息丢失。

J只读存储器ROM特点：只读不写；

断电后信息不丢失。

4、I/O接口

■由LSI组成的I/O器件构成，用来

连接主机和相应的I/O设备。

计算机的基本工作原理

■冯・诺伊曼机的工作原理：

存储程序和程序控制

■1、指令的基本概念及执行过程

-指令与指令系统

-指令：是计算机完成某个基本操作的命令。

-一台计算机所能执行的全部指令的集合.后

称为这台计算机的指令系统。一二

计算机的基本工作原理

•指令分类（按操作功能分）

»算术逻辑指令、数据传送指令、程序控制指令、

输入输出指令、CPU控制指令。

•一条计算机的指令用一串二进制代码表示。

指令的一般格式如下：

操作码|操作数（地址）

或^_____________________________________

操作码目的地址操作数（地址）…

计算机的基本工作原理

•常用寻址方式

•立即寻址、直接寻址、间接寻址、相对寻址、

变址寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、寄

存器相对寻址、相对变址寻址…

•引发的两个问题：

•指令系统的兼容性

•RISC

计算机的基本工作原理

•指令的执行过程

指令周期：一条指令在计算机中的执行过程

分为：取指周期和执行周期两个阶段

•例：将立即数OCH送寄存器AL的指令BOOCH

存储内容

存储地址

二进制十六进制

100H10110000B0H

101H000011000CH••••Ip；；：：

、计算机的基本工作原理

取指周期执行周期

①把PC的值100H送到地址总线①把PC的值101H送到地址总

AB上，PC+1=1O1H线AB上，PC+l=102H

②存储器100H单元的内容（即操②存储器101H单元的内容（即

作码BOH）经DB送指令寄存器IR立即数OCH）经DB送寄存器AL

③指令译码器ID对IR中的操作码

进行译码分析，经控制信号发生

器发出控制信号

计算机的基本工作原理

・一个简单程序的执行过程

程序：指完成一定任务的一个有序的指令序列，

程序的运行最终是在CPU中一条一条地执行机器指令。

•例：下列三条指令组成的程序

⑴两字节指令BOOCH,把立即数OCH送寄存器AL;

⑵两字节指令2c05H,把寄存器AL中内容减去立即数05H,

结果送回AL；

⑶单字节指令F4H,停机操作。

BOOCH

2C05H

F4H

2.3PC机的组成

PC机的外观构成

主机

键盘

鼠标

PC机的硬件结构

■CPU芯片的发展过程

■1971年Intel公司顺利开发出全球第一块微处

理器—4004芯片

■1974年Intel公司又推出了新一代8位微处理

器——8080

■1976年Intel公司发布了8位的MCS-48单片机

■1978年Intel公司推出了16位CPU——8086

■1982年2月1日Intel公司正式发布80286芯片

■1985年10月Intel推出了32位

80386DX微处理器

PC机的硬件结构

■1989年4月80486微处理器正式发布

■1993年Intel推出了全新一代的高性能处理机

Pentium

■1995年Intel推出了PentiumPro

■1996年底Intel又推出了PentiumMMX（多能奔腾）

■1997年5月，Intel推出了与PentiumPro同一个档

次的PentiumH

■Intel于1999年2月发布了PentiumlH芯片

■2000年6月，Intel发布了Pentium4

新一代高性能32位微处理器

■2003年,Intel发布了PentiumM

主板、芯片组与BIOS

广CPU插座

CPU调压器

主板4主板芯片组

存储器插座

总线插槽

-ROM(BIOS)

两块特殊的集成电路芯小

CMOS：；

iiiiiiiiiiiiiliummi

ROMS/N025890115100355

BIOS

CPU

ISA

PCI

CMOS

内存

主板、忠片组与BIOS

■芯片组（Chipset）

主板、忠片组与BIOS

■BIOS（BasicInput/OutputSystem）

■POST程序（PowerOnSelfTest,加电自检）

■系统自举（装入）程序

■CMOS设置程序

■基本外围设备的驱动程序-

主板，桧片组与BIOS

■内存储器

■随机存取存储器RAM

rDRAM动态RAM

LSRAM静态RAM

■只读存储器ROM

rPROM可编程只读存储器

EPROM可擦除可编程只读存储器

EEPROM电擦除可编程只读存储器

'FlashROM闪速存储器

主板，芯片组与BIOS

■内存储器

■高速缓冲存储器cache

rLlcache一级缓存

IL2cache二级缓存

■主存储器

■SDRAM、DDRSDRAM、双通道RDRAM

cSIMM单列直插式内存条

yDIMM双列直插式内存条

<RIMMRambus内存条

主板、桧片组与BIOS

LI/O总线与I/O接口

■I/O操作

-I/O总线（主板总线）

■I/O设备接口

■数据传输方式串行&并行

■数据传输速率低速&高速

.连接设备多少总线式&独占式

・标准化与否：标准接口&专用接口

■USB接口（通用串行总线）

■IEEE-1394接口

PC机的性能指标

■1、字长

-处理器内寄存器、运算器、内部数据总线等部件的

宽度，即CPU能同时处理的数据的二进制位数。

■2、速度

■主频：计算机的时钟频率。

-运算速度：计算机每秒钟能执行的指令数。

-存取速度：存储器完成一次读（取）或写（存）操

作所需的时间称为存储器的存取时间或者访问时间。

连续两次读（或写）所需的最短时间，称为

存储周期。

-系统总线的传输速率：与总线中的数一

据线宽度及总线周期有关，以MB/s为信」

单位。必』…

PC机的性能指标

■3、容量

■主存容量：主存储器能存储信息的总字节数。

■Cache存储器容量：一般由处理器芯片内的

cache（1级cache）和外加的cache（2级cache）两部

分组成，存取速度应与CPU主频匹配。

■硬盘存储器容量

■4、可靠性

-指在给定的时间内，计算机系统能正常运

转的概率。通常用平均故障间隔时间

MTBF表示，指系统能正常工作的

平均府间。

PC机的性能指标

■5、可维护性

-指计算机的维修效率。通常用平均修复时间MTTR

表示，即从故障发生到故障修复所需的平均时间。

■6、可用性

-指计算机的使用效率，它以系统在执行任务的任意

时刻所能正常工作的概率来表示。

■7、外部设备配置

■8、软件配置

■9、性能价格比

.2.4微型计算机常用外部设备

输入设备

键盘及其正确使用

■键盘的物理结构：

机械式键盘、薄膜式键盘、电容式键盘

■键盘按键分类：

1）主键盘区：也称字符键区或大键盘

2）功能键区：包括〈F1〉〜〈F12〉及〈ESC〉键

3)编辑键区：也称光标移动键区

4)数字键区：又称小键盘区

功能键区（16个键）

F1|F2F3F4F5F6k7卜8

主键盘区（58个键）▼数字键区（17个）

编辑键区（10个键）

输入设备

!常用键说明

■区另U：数字0与字母。，数字1与大写字母I、小写字母i,

数字2与字母Z,退格键一与光标移动键一

■上档键vTShift>：针对键面上有两个字符的键

■大写字母锁定键〈CapsLock>

■退格键〈―Backspace〉：用于删除光标左边的字符

■册1J除键〈Delete〉：用于删除光标右边电字符

输入设备

!回车键＜」Enter＞：用于结束一行命令或字符的输入

■数字锁定键〈NumLock＞：这也是一个开关键

.vCtrl＞和＜Alt＞两个键：也称为组合键

■跳格键＜Tab＞：一般在编辑软件下作为制表符使用,

使插入点从一个区域移至下一个区域

空格键＜Space＞：可使插入点向右移一个字符位置,

屏幕上不显示任何字符

插入键〈Insert〉：插入/改写转换

输入设备

<Home>键：光标定位于一行字符的最左边

<End>键：光标定位于一行字符的最右边

(PageUp>键：向前移动一页

(PageDown〉键：向后移动一页

<Esc>键：退出键

<Fh~<F12>功能键

正确的键盘操作指派

■指法分区

-键盘操作的基准键如图所示

左手右手

-大拇指轻置于空格键上

键篮上曲典@@0典0001八ilia

基本it,在打字畤曼手要放在造八他it上，如下^

维,.然可-割分卷左右丽部份-，左手打左部，右手打右

部，且每佃字维皆有固定的手指负责，如下圜。

左食指-

端

由

输入设备

姿势

背部嶷椅子成垂直

要脚平放於地上

输入设备

■鼠标及其分类

-机械式、光学式、光学机械

■2键（左右）、3键（左中右）、2+指控轮

-串行口、并行口、USB接口

■操作

■移动（指向、定点）

■单击（左键/右键）

■双击（左键）,E.

■拖动（拖曳、拖放）笨B;

输入设备

■笔输入设备

■扫描仪

-数码相机

输出设备

显I—I于----瑞□□

1.显示器件分类

■阴极射线管(CRT)显示器

■液晶显示器(LCD)

■发光二极管(LED)显示器

-等离子体显示器

■电致发光显示器件

■真空荧光显示器件

输出设备

2.显示器的分辨率

■显示器上输出的文字、数字、图像、表格等所

有的内容都是通过光点(像素)构成的

■分辨率在显示器横纵方向上最多所能显现出的

所有像素点的集合(如1024X768),是衡量显示

器性能的一个重要指标。

■分辨率受限于硬件，用户可调

输出设备

3•显示器的适配器（显示卡）

显示标准分辨率

低分辨率的彩色图形和字

CGA（彩色图形适配器）

符显示640X200

EGA（增强型图形适配器）中分辨率640X350

VGA（视频图形阵列）高分辨率640X480以上

输出设备

■打印机

「链式打印机

击打式打印机

1点阵打印机

喷墨印字机

非击打式打印机

激光印字机

■绘图仪

辅助存储设备

外存储器

■概念

■即辅助存储器，一般用来存放需要永久保存的

或相对来说暂时不用的各种程序和数据。

■分类

■磁存储技术：硬盘，软盘，磁带存储器

-光存储技术：CD,DVD等

■常用

■软盘、硬盘、光盘

■U盘

辅助存储设备

软磁盘

按软盘驱动器磁头工作方式:

单面(SS)和双面(DS)

分类V

按数据纪录方式：

单密度(SD)、双精度(DD)、高密度(HD)

♦如：3.5inDSHD(2HD)

表示3.5英寸双面高密度软盘

(目前最常用)

磁盘结构图

辅助存储设备

软盘的存储格式

■格式化操作：Format图

■软盘存储容量：