计算机硬件组成与原理

计算机硬件组成与原理

宋燕林

songyl@

644677,

计算机硬件组成与原理

第一部分计算机基本工作原理

第二部分微型计算机硬件系统

第一部分计算机基本工作原理

第一章计算机系统

第二章计算机硬件系统

，、计算机系统

・计算机系统由硬件系统和软件系统组成。

•硬件系统指由电子部件和机电装置组成的

实体，分为主机和外围设备。

•软件系统指装在硬件中的各种程序以及全

部的应用技术资料，分为系统软件和应用

软件。

中央处理箭

生板）内存体器

fee

件

夕卜奇储能S

r系

统输入设备

夕卜国设备

输出设备

计

,输入输中接口

机V

系（撵作系统

统

系统较f牛1系统服务软件

［荣评及好释程疗

较

I件广文字理车文件

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统图形处理较仔

［应用软/牛Y考娱《本软件

数据库轨仔

（铺劭设计较件

图i-i计算机系统白勺组成

二、冯・诺依曼计算机

•采用二进制形式表示数据和指令

•采用存储程序方式

•由运算器、存储器、控制器、输入装置和

输出装置等五大部件组成计算机系统，并

规定了这五部分的基本功能

图1-2冯・塔依曼计算机结构

二冯・诺依曼计算机

计算机应该由五个基本部分组成：

•运算器进行算术（加、减、乘、除）和逻

辑（与、或、非、比较、移位）等运算操

作

•控制器控制、协调计算机各部件的工作

•存储器存储程序和数据

•输入设备输入程序和数据

•输出设备输出程序执行结果

:、冯・诺依曼计算机

A控制器和运算器往往集成在一块芯片上，

称为CPU(CentralProcessorUnit),中

央处理单元，是计算机的核心器件。

:、冯・诺依曼计算机

工作原理：

•程序开始启动后，控制器将从存储器中逐条

顺序取出指令分析并执行，指令执行的结果

可以放到存储器中，然后通过输出设备输出。

•输入设备输入的数据放入存储器中，运算器

需要数据时从存储器读取，并把结果放回存

储器。

▲、计算机软件系统

1.系统软件

2.应用软件

3.用户软件

图1-3计算机软件系统的组成和层次结构

1、系统软件

系统软件是用于计算机的管理、维护、控制

和服务的基本程序，负责和硬件系统直接

沟通。

•操作系统

•设备驱动程序

•维护工具软件

•语言处理程序

操作系统

•OperatingSystem—OS

•是用来控制和管理计算机硬件和软件资源,

合理组织计算机工作流程并方便用户充分

且有效使用计算机资源的程序的集合。

•计算机启动后，会自动把OS最基本的部分

调入内存并运行，管理计算机硬件，并为

其它程序提供基础支持，其它程序都是建

立在OS之上，并通过OS访问硬件系统。

操作系统

•OS避免了其它程序直接访问系统硬件，为

它们提供了更简单的访问硬件的方式。

•常见的OS：DOS、Window2000>Unix、

Linux,OS/2等。

语言处理程序

•计算机语言是人和计算机交换信息的工具，

处理计算机语言的程序被称为语言处理程序。

•计算机语言分类：

»机器语言

＞汇编语言

»高级语言(Basic,PASCAL,C,C++,Java)

数据库管理软件

•Oracle

•IBMDB2

•MSSQLServer

•Sybase

•Access

2、应用软件

是人们为解决各种实际问题而编写的各种计算机程序。

•文字处理软件

•电子表格软件

•绘图软件

•计算机辅助设计软件

•统计软件

•信息与参考软件

•网络通信软件

第二章计算机的硬件系统

第一节系统概述

第二节中央处理器

第三节存储器

第四节输入输出设备

第五节微型计算机硬件系统

第六节多媒体计算机

第一节系统概述

信息流

二指令系统

三.总线结构

计算机硬件基本组成

数据流

地址

控制流

工信息流

•数据信息

•一般数据

•指令数据

•控制信息

•地址信息

:、指令系统

•指令系统是计算机硬件的语言系统，是

CPU能够接受并执行的基本任务，也称指

令集，代表了计算机所能完成的基本功能。

1.指令格式

2.指令系统的种类

3.指令的分类

4.指令的执行

1.指令格式

一般指令包含四部分：

・操作码（加法，乘法）

•源操作数

•目的操作数

•下一条指令的地址

2.指令系统的种类

•CISC复杂指令集

•RISC精简指令集

3.指令的分类

•数据传送类

•算术运算类

•逻辑类

•数据变换类

•输入/输出类

•系统控制类

•控制权转移类

4.指令的执行

•计算下一条要执行的指令地址

•根据指令地址从内存中取出指令

•对指令进行译码来确定指令要实现的功能

•计算操作数的地址

•根据地址读取操作数

•执行操作

•把执行后的结果保存起来

5、程序

•计算机程序是指在计算机系统上为完成某

一个特定任务而编制的指令的序列。

•源程序：人编写的某种指令的序列（例如:

C语言编写的程序，汇编，机器码。

•可运行程序：机器指令的序列，就是机器

码（一般扩展名是：COM或EXE。

•源程序通过编译链接程序可以转换成可运

行程序（机器码）

三、总线结构

•计算机的各个部分之间需要传递信息流，

信息流的传递一般就是通过一些连线来完

成，为了降低电路的复杂性，这些连线一

般是公用的，多个部件同时连接在上面，

称为总线。

•计算机内有内部总线和系统总线、接口总

线。

1.系统总线概述

•系统总线（外部总线）是连接CPU、存储

器和输入输出设备的一组信号线，是各个

部件的公共信息通路，在一个时刻只能有

一个设备发送数据到总线上。

•系统总线有大约50・100根信号线组成，这

些信号线可分成3组，分别传输数据信息、

地址信息和控制信息。

图3-2总线结构示意图

1.系统总线概述

•地址总线AB(AddressBus)

•根数代表了所能访问的存储的大小

・20(8086)32(386)

•数据总线DB(DataBus)

・32位机

•控制总线CB(ControlBus)

总线的主要参数

1.总线的带宽

2.总线的位宽

3.总线的工作时钟频率

夕卜设

3.常用的微机总线简介

•ISA工业标准体系结构

•EISA扩展的工业标准体系结构

•VESA局部总线

•PCI总线

•接口总线：IDE、SCSI、USB、AGP

第二节中央处理器

•中央处理器（CPU）是计算机的大脑，由

它根据程序指令指挥计算机的各个部分完

成信息处理和计算。

第二节中央处理器

・中央处理器（CPU）能完成的工作:

•读取指令

•解释指令

・读取数据

•处理数据

•保存结果

第二节中央处理器

•CPU由三部分组成：

•算术逻辑运算单元（ALU）

•控制单元（CU）

•寄存器组（Register）

控制单元（CU）

•控制器是计算机的核心。

•控制器从存储器读取指令码并进而对该指

令码翻译识别、安排操作时序，向计算机

各有关部件发出一系列执行该指令所需要

的微操作控制信号，使指令得到执行。

•控制器是计算机按程序控制原理有条不紊

工作的关键部件。

控制器

控制器是计算机的神经中枢。

•控制器按照计算机的工作节拍（主频）产

生各种控制信号，以指挥整个计算机有条

不紊地自动执行程序。

•工作节拍是由计算机内的时钟电路产生的,

它的频率称为主频。

寄存器组

・用户可见的寄存器

•通用寄存器

•数据寄存器

•地址寄存器

•标志寄存器

•状态控制寄存器

寄存器组

•状态控制寄存器

•程序计数器（PC）

•指令寄存器（旧）

・存储器缓冲寄存器（MBR）

•存储器地址寄存器（MAR）

•程序状态字（PSW）

•进位标志

•相等标志

•符号位

影响CPU性能的因素

•字长

位,16位,32位，64位

・王频

4.77MHz

100MHz

2.4G,3.2GP4

位、字节和字长

•位：在数字电路和微机技术中采用二进制，代码

只有“0”和其中无论是“0”或是"1”在

CPU中都是一“位”。

•字节和字长：微机技术中对CPU在单位时间内（同

一时间）能一次处理的二进制数的位数叫字长。所

以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的

CPUo同理32位的CPU就能在单位时间内处理字

长为32位的二进制数据。

•由于常用的英文字符用8位二进制就可以表示，所

以通常就将8位称为一个字节。

位、字节和字长

•位和字节的长度是固定的，对于不同的

CPU、字长的长度则不一样。

•8位的CPU一次只能处理一个字节，而32位

的CPU一次就能处理4个字节，同理字长为

64位的CPU一次可以处理8个字节。

第三节存储器

•在主机里，用来存放数据的部件是存储器。

•存储器分为两种，内存储器和外存储器，简称内

存（主存）和外存（辅存）。

•主存储器是能由CPU直接编程访问的存储器，它

存放需要执行的程序与需要处理的数据。因为它

通常位于所谓主机的范畴之内，所以常称为内存。

第三节存储器

•由于主存容量有限（受地址位数、成本、

速度等因素制约），在大多数计算机系统

中设置一级大容量存储器，如磁盘、磁带、

光盘等，作为对主存的补充与后援。它们

位于传统主机的逻辑范畴之外，常称为外

存储器，简称外存。

第三节存储器

它们的区别在于：

•内存的数据存储速度快，而外存相对比较

慢；

•内存的容量比较小，而外存的容量可以很

大；内存中的数据在关闭计算机后就消失

了，外存中的数据可以永久保存。

1级存储系统

CPU

主存储器

外存储器

高速缓冲存储器

•为了解决CPU与主存之间的速度匹配问题,

许多计算机设置一种高速缓冲存储器

(Cache),高速缓存中存放着最近要使

用的程序与数据，作为主存中当前活跃信

息的副本。

高速缓冲存储器

•通常所指的高速缓冲存储器是在CPU的外部，但

80386以上的微处理器中为了进一步提高CPU的

运行效率，在CPU的内部又设置了一个高速缓存。

•为了与传统意义上的高速缓存加以区别，我们将

CPU内部的高速缓存称为一级高速缓存（L1

Cache）,而将CPU外部的高速缓存称为二级高

速缓存（L2Cache）。

、内存

1.内存的种类

2.内存编址和寻址能力

3.对内存的操作

1.内存的种类

内存主要分成两种

・只读存储器（ROM）

•随机读写存储器（RAM）。

(1).只读存储器(ROM)

是一种只能读出而不能写入和修改信息的存

储器。其存储信息在制作该存储器时被写入。计算

机断电后，ROM中的数据不会丢失。

ROM、PROM、EPROM、E2PROMxFM闪存

(2).随机存储器(RAM)

是一种随机读写存储器，其内容可以读出，也可

以随时重新写入。计算机断电后，RAM中数据全部

消失。

随机存储器可以分为静态随机存储器和动态随

机存储器。

只读存储器与随机存储器的区别

类别对信息的修改断电后信息情况用途

ROM只读不丢失永久存放特殊专用信息

RAM可读、可写全部丢失存放临时程序和数据

2.内存编址和寻址能力

•内存中以一个字节(Byte)为存储单位，存

取的最小单位也是字节，内存中的每个字节都

有一个地址来标识，CPU要存取某个单元里

的数据，必须先发出一个地址。

•内存地址从0开始编，如果系统中有64M内存

(226),贝IJ内存的编址是从0至IJ3FFFFFFH。

•4G贝IJ是：0至UOFFFFFFFFH232个Byte。

2,内存编址和寻址能力

•计算机所能管理的内存大小由计算机总线中地

址线的根数决定，可称为计算机的寻址能力,

例如：086机器地址线是20根，则它的寻址

能力为22。，能编址的最大内存量为1MB。

•32位奔腾机器的地址线都是32位的，它的寻

址能力贝I」是：4GB,0至ij0FFFFFFFFH232个

Byteo

3、对内存的操作

•读取数据

•写入数据

•堆栈和堆栈操作

堆栈和堆栈操作

•堆栈是一种按特定顺序进行存取的存储区,

这种特定顺序可归结为“后进先出”

(LIFO)或“先进后出”(FILO)o

•堆栈操作包括进栈和出栈操作。

•演示用堆栈保护寄存器，以及交换寄存器

内容。

二、外存

外存用于存放暂时不需要使用的信息。分

为两种：

•磁表面存储器

•光存储器

1.磁表面存储器

•磁表面存储器是将磁性材料涂在载体上，利

用磁头和磁表面的磁化效应，在磁表面形成

很多小的磁化单元，每一个单元可以有两种

不同的磁化方向，分别表示0和1,以此来存

储数据。

•写数据时，用磁头按照数据磁化每个磁化单

元，改变每个单元的磁化方向。

•读数据时，通过磁头在不同单元感应到的电

流，转化成0、1数据。

1.磁表面存储器

•磁带

•磁盘

•软磁盘

•硬磁盘

软盘驱动器安装在机箱的前面。

软盘直径是3.5英寸的软盘,

简称3寸盘。

3寸盘的存储容量是L44MB。

硬盘及其内部结构

2.光存储器

也叫光盘驱动器，介质是光盘

•CD

•CD-ROM

•CD-RW

•DVD-ROM

•DVD-RW

3.磁盘空间的划分

•软盘

・硬盘

软磁盘格式化（1.44M）

•磁道（cylinders,同心圆）

>==»磁道

0-79,最外圈是0道。

•扇区（Sectors,为512字节）。

0-17

•软盘有两个面。

•磁道和扇区是在格式化时划分的

磁盘结构及磁道扇区划分

软磁盘容量

容量二磁盘面数X磁道数/面X扇区数/磁道X字节数/扇区

容量=2X80X18X512(字节)

=1474560(字节B)+1024

=1440(KB)

=1.44(MB)

硬盘划分

•硬盘和软盘的划分基本类似。

•硬盘包含多个盘片，所以它的面数更多，可

以看成多个软盘的叠加，每个面上都有磁头。

•硬盘上不同面上的相同磁道一起称为柱面。

•每个磁道包含的扇区数为63o

•硬盘因为空间很大，可以划分出若干个逻辑

磁盘。

4.数据在磁盘上的存储

•文件系统

•FAT12、FAT16、FAT32

•NTFS、NTFS5.0

•Winfs

•Ext2、Ext3

磁盘低级格式化和高级格式化

・在低级格式化过程中，格式化程序将磁盘的磁道

分成特定数量的扇区，创建扇区间和磁道间的间

隙并写入扇区头和尾信息。

•在高级格式化过程中，操作系统（例如windows

95、WindowsNT或DOS）将管理文件和数据必

需的结构写入磁盘。FAT分区在每个己格式化的

逻辑盘上有一个卷自举扇区（VBS）、两份文件

分配表（FAT）和一个根目录。利用这些数据结

构，操作系统管理磁盘空间及文件，甚至管理那

些有缺陷的区域以免出现问题。

第四节输入输出设备

一、输入设备

二、输出设备

三、输入输出接口

、输入设备

•键盘上的每个键有一个键开关。键开关有

机械触点式、电容式、薄膜式等多种，其

作用是检测出使用者的击键动作，并转换

成编码，输入到计算机的键盘缓冲区，由

CPU处理。

＞输入设备

•鼠标、轨迹球、操纵杆

•鼠标器是一种控制显示器屏幕上光标位置

的输入设备，有机械式和光电式。

一、输入设备

•图像输入设备：数码相机、摄像机、扫

描仪等。

•声音采集设备：

•光学字符识别（OCR）设备

•条形码读入器

•触摸屏

二输出设备

•显示器：

•CRT（阴极射线管）显示器

•LCD液晶显示器

显示器有关的几个术语

•分辨率

•640*480800*6001024*7681280*1024

•灰度级（颜色数）

•用几个bit表示一个像素：

・8位（256色）,16位（65535色），24位

（16777216色,真彩）

•刷新频率:60Hz、70Hz、75、0、90

•显存（存放屏幕显示内容的存储器）

二输出设备

•打印机：打印机也是计算机中最常用的输

出设备。按输出方式可分为击打式和非击

打式，击打式以针式打印机为主要代表，

非击打式以激光打印机和喷墨打印机为主

二输出设备

针式打印机(wireprinter)用一组细针，在电

路的驱动下击打色带，在纸上留下墨迹。由打

印机针头的数量可分为9针打印机和24针打印机。

一个西文字符可以由8义9点阵组成，用9针打印

机一次就可以打印一行。一个汉字则需要由

16x16^24义24或更多的点阵组成

二输出设备

喷墨式打印机（ink-jetphnter）是将墨水通过细小

的喷嘴喷到纸上，打印质量较点阵式打印机好，噪音

也较小。但是，它只能使用质量较好的单页纸，有的

更限制为一种规格（一般是A4）的复印纸。

激光打印机（loserphnterH吏用电子照相及静电复

印的原理打印，打印质量最好，速度快，噪声低，但

价格比前两种高。

输入输出设备

•调制解调器

・网络适配卡（网卡）

・硬盘驱动器

•软盘驱动器

・光盘驱动器

三、输入输出接口

•输入输出设备通过输入输出接口和计算机

连接。

・不同的设备有不同的数据传输速度，可能

使用不同的I/O接口和计算机相连。

三、输入输出接口

•并行接口：并口，25芯D型插座，8根数据线，一

次传送8位二进制数，常用来连接打印机，设备名

称为LPT,多个并口时：LPT1,LPT2o

•串行接口：用来连接串行设备，一次传输一个位,

为9针或者25针插座，常用来连接调制解调器或

者串行打印机、串口鼠标等，可有多个串口，设

备名依次为C0M1,COM2……

3、输入输出接口

•USB接口，可连接127台各种设备。

•1/1标准传输速度为：12Mbps

•2.0标准传输速度为：480Mbps

二输入输出接I

•ISA总线扩展接口：连接在ISA系统总线上

的接口，ISA扩展槽。

•PCI总线扩展接口：PCI扩展槽。

二输入输出接I

•AGP扩展槽：是显示卡和CPU和内存之间

的高速通道。

.一——一---------______________，_____A4_二一

■・4・・，・•

三、输入输出接口

•IDE,EIDE接口：连接硬盘

・微机里一般有2个或者4个IDE接口，成为

IDE1>IDE2……；每个接口可以连接2个

IDE设备，分别称为主设备和从设备。

•SCSI接口，连接SCSI设备，SCSI硬盘，

SCSI磁带机等。

•SATA接口(SATAII)

第二部分微型计算机硬件系统

鼠标

主机箱

卧式机箱内部构造

立式机箱

厂一■

第二部分微型计算机硬件系统

•主机箱面板结构：

•电源开关，复位开关，软驱口，光驱口，电源

指示灯，硬盘指示灯等。

•主机箱背面接口：

•电源接口

•键盘接口，鼠标接口

•显示器接口

•串口，并口，USB接口

・音频接口

第二部分微型计算机硬件系统

•主机箱内部包括：

•主机板

•电源

•CPU

•内存条

•各种扩展卡（显卡，网卡，Modem卡，声卡）

•软驱

•光驱（刻录机等）

第二部分微型计算机硬件系统

•电源：为主机板和各种部件提供电力，

把220伏交流电转换为12伏和5伏直流电o

•AT电源，ATX电源

•带有一个风扇。

•电源的稳定性对微机的稳定性有重要作

用。

第二部分微型计算机硬件系统

•主机板（母板）：是微机的核心部件，微

机所有其它的部件都是要连接在主机板上

的，由主机板上的CPU指挥各个部件。

•CPU接口

•内存接口（内存扩展槽）

•软驱接口、硬盘IDE接口

•串口、并口、USB接口、音频接口

•ISA扩展槽，PCI扩展槽，AGP扩展槽

•电源接口（插槽）

•电源开关接口，复位开关接口，指示灯

主板控制芯片组

•控制芯片组（chipset）与主板的关系就象CPU

与整机一样，它提供主板上的核心逻辑。

•芯片组是由北桥芯片与南桥芯片所组成的。中北

桥芯片控制的是系统总线、L2cache、AGP总线、

内存以及PCI总线，决定着支持内存的类型及最

大容量，是否支持AGP高速图形接口及ECC数据

纠错等等。

•南桥则是负责对USB（通用串行总线），Ultra

DMA/33/66日DE传输和ACPI（高级能源管理）

和大部分的I/O设备（包括键盘、鼠标、串并口、

软驱的控制，RTC〔实时时钟模块）和flash

bios）控制和支持。

芯片组

•Intel系列

•VIA系列

•AMD系歹！J

•Sis系列

微机性能指标

•字长

•主存容量

・运算速度

•时钟周期（主频）

•数据输入输出最高速度

・性能价格比

微机CPU（MPU微处理器）

•微机CPU的发展

•微机CPU的接口

微处理器的发展:

•计算机的中央核心部件称为

中央处理单元

CPU(CentralProcessingUnit)

•微机的CPU称为微处理器

MPU(MicroProcessingUnit)

1.第一代微处器：年代71〜73

特点：字长为4位或8位

集成度：2000管/片

时钟频率：1MH,

平均指令执行时间：20Pls

Intel的4004,4040,8008（8位）

2.第二代MPU：年代73〜77

产品：Intel的8080,8085

Zilog的Z80

Motorola的6800/6802等

特点：字长：8位

集成度：5000管/片〜10000管/片

时钟：2〜4MH7

Lt

平均指令执行时间：1〜2JLIS

3.第一代VLSI微处理器78〜79

年

产品：Intel的8086/8088

Zilog的Z8000

Motorola的68000

特点：字长：16位

集成度：20000〜60000管/片

时钟：4〜8MHZ

指令时间：0.5那

4.80286类高性能16位MPU（82年）

产品：Intel的80286

Motorola的68010

特点：字长：16位

集成度：100000管/片

时钟：10MHZ

指令时间：0.15gs

5.386类（85年）〜486类（89年）

产品：Intel80386

Motorola68020

特点：字长：32位

集成度：15万〜50万管/片

时钟：16〜40MHZ

指令时间0.05]ns

486时钟可达100MH%集成度160万

6.奔腾MPU（准64位芯片）93年

特点：32位地址总线，64位数据总线。

时钟:60,66,75,90,100,120,133,150,

166,200

MMX