大学计算机基础（第六版）课件 03 计算机硬件系统

第3章计算机硬件系统目录

3.1计算机系统组成3.2计算机硬件基础

3.2.1计算机硬件构成

3.2.2计算机的指令系统与工作原理

3.3微型计算机概述

3.3.1微型计算机的类型

3.3.2微型计算机的硬件组成

3.4主机系统和外围设备

3.4.1中央处理器

3.4.2主板

3.4.3存储器

3.4.4总线与接口

3.4.5其他外围设备

3.1计算机系统组成一个完整的计算机系统包含硬件系统和软件系统两大部分。硬件通常是指一切看得见、摸得着的实体设备，是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础。软件系统通常泛指各类程序和文件，实际上是由一些算法及其在计算机中的表示所构成的。计算机系统的整体构成3.2计算机硬件基础

所谓计算机硬件，是指组成计算机的各种物理设备，也就是看得见、摸得着的实际物理设备，是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和计算机设备。这些部件和设备依据计算机系统结构的要求构成一个有机整体，成为计算机硬件系统。未配置任何软件的计算机硬件整体称为裸机，它是计算机完成工作的物质基础。3.2.1计算机硬件构成

目前，计算机的种类很多，其制造技术也发生了极大的变化，但在基本的硬件结构方面，它一直沿袭着冯·诺依曼的计算机体系结构，从功能上都可以划分为五大基本组成部分，即输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器，如图

下图

所示：运算器运算器是对信息进行处理和运算的部件，主要功能是进行算术运算或者逻辑运算。运算器是计算机的核心部件之一，它的性能高低直接影响着计算机的运算速度和整机性能。控制器控制器是整个计算机的控制指挥中心，其功能是控制计算机各部件自动协调地工作。控制器负责从存储器中取出指令，然后进行指令的译码和分析，并产生一系列控制信号。这些控制信号按照一定的时间顺序发往各部件，控制各部件协调工作，并控制程序的执行。

存储器存储器的功能是用于存储以内部形式表示的各种信息，包括程序、数据、运算的中间结果及最终结果。根据存储设备在计算机中所处的位置不同，可以分为主存储器和辅助存储器；根据存储介质的不同可以分为磁性存储器、半导体存储器和光介质存储器等。输入设备输入设备的任务是把编好的程序和原始数据送到计算机中，并且将其转换成计算机内部能够识别和接收的信息方式。按输入信息的形式可分为字符（包括汉字）输入、图形输入、图像输入及语音输入等。输出设备输出设备的功能是将信息从计算机的内部形式转换为使用者所要求的形式，以便为人们识别或被其他设备所接收。常用的输出设备包括打印机和显示器等。3.2.2计算机的指令系统与工作原理

现代计算机的基本元器件是晶体管，并由其组成的数字电路来实现二进制和二进制运算。简单地看，如果是一个任务、一个操作或一个数据，如何用二进制的0和1组成的字符串表示其格式和执行？这就是计算机的指令系统。

1．计算机的指令系统

指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，规定了计算机能完成的某一种操作，也是对计算机进行程序控制的最小单位。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。CPU就是根据一系列指令来指挥和控制计算机各个部件协调工作，以完成给定的操作任务。

一条指令通常由两部分组成：操作码和操作数，它们存放在指令寄存器中。（1）操作码操作码指明该指令要完成的操作的类型或性质，如获取数据、做加法或输出数据等。操作码的位数决定了一个机器操作指令的条数。当使用定长操作码格式时，若操作码位数为n，则指令条数可有2n条。（2）操作数操作数指明操作对象的内容或所在的单元地址，操作数在大多数情况下是地址码，地址码可以有0～3个。从地址码得到的仅是数据所在的地址，可以是源操作数的存放地址，也可以是操作结果的存放地址。

一台计算机的所有指令集合称为该计算机的指令系统。不同类型的计算机，指令系统的指令条数有所不同。但无论哪种类型的计算机，指令系统都应具有以下功能的指令

：分类指令

操作码

操作数

IfGoto……＋－×÷AndOr……CPU内存I/O设备主机对计算机的硬件进行管理等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指令系统2．计算机的工作原理计算机的工作过程实际上是快速执行指令的过程。计算机工作时，有两种信息在执行指令的过程中流动：数据流和控制流。指令的执行过程分为以下4个步骤：（1）取指令，按照程序计数器中的地址（0100H），从内存储器中取出指令（070270H），并送往指令寄存器。（2）分析指令，对指令寄存器中存放的指令（070270H）进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号，由地址码（0270H）确定操作数地址。（3）执行指令，由操作控制线路发出完成该操作所需的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。例如做加法指令，取内存单元（0270H）的值和累加器的值相加，结果还是放在累加器中。（4）一条指令执行完毕，程序计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到步骤（1）。一般把计算机完成一条指令所花费的时间称为一个指令周期，指令周期越短，指令执行越快。通常所说的CPU主频就反映了指令执行周期的长短。运行时，计算机从内存读出一条指令到CPU内执行，指令执行完，再从内存读出下一条指令到

CPU内执行。CPU不断地取指令、分析指令、执行指令，这就是程序执行过程。3.3微型计算机概述

3.3.1微型计算机的类型单片机单板机台式个人微机（卧式、立式）笔记本计算机液晶一体机平板计算机（掌上计算机）智能手机单片机

将微处理器、一定容量的存储器以及I/O接口电路等集成在一个芯片上，就构成了单片机，也可以说，单片机就是具有计算机功能的集成电路芯片。单板机将微处理器、存储器和I/O接口电路安装在一块印制电路板上，就成为单板机。一般在这块电路板上还有简易键盘、液晶或者数码管显示器，以及外存储器接口等，只要再外加电源便可直接使用。单板机价格低廉且易于扩展，广泛应用于工业控制、微机教学和实验，或者作为计算机控制网络的前端执行机。台式个人微机（卧式、立式）

台式个人微机又称桌面机，它是相对于笔记本计算机而言的，体积较大，主机和显示器等设备分离、相对独立，并需要放置在专门的工作台（计算机桌）上工作，因此命名为台式机。液晶一体机

所谓一体机，就是把微机主要配件内置到特制的液晶显示器中，省去了台式微机机箱的累赘，使用时只需插上键盘和鼠标即可。笔记本计算机

笔记本计算机是一种小型、可携带的个人计算机，通常质量为1～3kg。笔记本计算机把特制的显示器、主机、各种驱动器、键盘和鼠标等部件组装在一起，体积只有手提包大小，并能使用锂电池供电，可以像笔记本一样随身携带，是最流行的便携式计算机平板计算机（掌上计算机）

平板计算机又称便携式计算机（TabletPersonalComputer，TabletPC），是一种小型、携带方便的个人计算机，以触摸屏作为基本输入设备。有时也叫掌上计算机（PersonalDigitalAssistant，PDA），即个人数字助手，它们都是一款无须翻盖、没有键盘、尺寸小但功能完整的PC。智能手机

智能手机是指像个人计算机一样，具有独立的操作系统、独立的运行空间，可以由用户自行安装软件、游戏、导航等第三方服务商提供的程序，并可以通过移动通信网络来实现无线网络接入的一类手机的总称。由于微型计算机是一种“开放式”“积木式”的体系结构，各部件制造遵循一定的标准和规范，因此各厂家都可以按标准制造微机的各个部件，包括主板扩展槽内的可选插件（如内存、显卡、USB设备等）。目前，常用的多媒体微机，如台式计算机，基本配置有CPU、主板、内存、硬盘、声卡、显卡、网卡、键盘、鼠标、机箱、电源、扬声器和显示器等13个部件，现在很多主板上都集成了显卡和网卡。3.3.2微型计算机的硬件组成3.4主机系统和外围设备

主机系统主要由中央处理器、主板、主存储器、总线及输入/输出接口组成。外围设备主要由外存储器（硬盘、光驱）、键盘、鼠标、扫描仪、显示卡、显示器、打印机等组成。3.4.1中央处理器中央处理器（CPU，CentralProcessingUnit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心。主要包括运算器（ALU，ArithmeticandLogicUnit）和控制器（CU，ControlUnit）两大部件。此外，还包括若干个寄存器和高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线。CPU是整个微机硬件系统的核心，负责对信息和数据进行运算和处理，并实现本身运行过程的自动化。其作用相当于人的大脑，控制着整台计算机的运行。1．CPU的功能（1）处理指令（2）执行操作（3）控制时间（4）处理数据2．CPU的性能指标（1）字长（2）CPU外频（3）CPU主频（4）CPU制造工艺（5）CPU缓存

CPU制造工艺又叫做CPU制程，它的先进与否决定了CPU的性能优劣。CPU的制造是一项极为复杂的过程，当今世上只有美国和日本等少数几家厂商具备研发和生产CPU的能力。CPU制造工艺是指CPU核心中线路的宽度和制造晶体管图形的尺寸，一般用微米（µm）或纳米（nm）表示。从早期的0.13µm到0.022µm（22纳米）制造工艺，以及目前广泛应用的0.005µm（5纳米）制造工艺，晶体管电路最大限度地缩小，集成度越来越高，能耗也越来越低，CPU更省电，为CPU的速度提升提供了有力保障。计算机界第一定律--摩尔定律：P26摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。计算机界第二定律-梅特卡夫定律P27以计算机网络先驱、3Com公司的创始人罗伯特·梅特卡夫的姓氏命名，以表彰他在以太网上的贡献。其内容是：一个网络的价值等于该网络内的节点数的平方，而且该网络的价值与联网的用户数的平方成正比。即网络的价值V=K×N2；（K为价值系数，N为用户数量。）联网的用户越多，网络的价值越大3.4.2主板

主板安装在机箱内，是微机最基本也是最重要的部件之一。主板一般为矩形电路板，是整个微机内部结构的基础，为各种磁和光存储设备、打印机和扫描仪、数码相机等I/O设备提供接口；还为CPU、内存、显示卡和其他各种功能卡提供安装插槽。微机是通过主板将CPU等各种功能部件和外部设备有机地结合在一起而形成的一套完整的系统。主板组成1．CPU插座2．芯片组3．内存插槽4．PCI以及PCI-E扩展槽5．BIOS和CMOS6．SATA硬盘数据线接口7．外部输入及输出接口

芯片组（Chipset）是构成主板电路的核心。一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。它就是“南桥”和“北桥”的统称，就是把以前复杂的电路和元件最大限度地集成在几颗芯片内的芯片组，主板芯片组几乎决定着主板的全部功能，其中CPU的类型、主板的系统总线频率、内存类型、容量和性能、显卡插槽规格是由芯片组中的北桥芯片决定的；而扩展槽的种类与数量、扩展接口的类型和数量（如USB3.0/2.0，IEEE1394，串口，并口，笔记本的VGA输出接口）等，是由芯片组的南桥决定的。3.4.3存储器

存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）1．内存

内存是微机的重要部件之一。外部设备（硬盘、软驱、光驱）将数据送给CPU的速度太慢（相对CPU的运算速度而言），为了解决CPU与外部设备速度不匹配的问题，在主板上设置了内存。外部设备先将数据送给内存，然后内存再将数据送给CPU，CPU再将运算结果回送给内存，内存再将数据送到外部设备存储起来。内存包括RAM、ROM、Cache等。人们习惯将RAM直接称为内存或内存条。（1）随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）

随机存取存储器RAM是计算机的主存，CPU对其既可读出数据又可写入数据。一旦关机断电，RAM中的信息将全部消失。（2）只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）

只读存储器ROM是一种内容只能读出而不能写入和修改的存储器。CPU对ROM只取不存，ROM中存储的信息一般由主板制造商写入并固化处理，普通用户是无法修改的，即使断电，ROM中的信息也不会丢失。ROM一般存储一些固定程序、数据和系统软件等，如主板的BIOS程序（3）Cache（高速缓冲存储器）

目前主流CPU都有一级、二级缓存和三级缓存，缓存容量越大，CPU运行速度越快。历年来Intel都是通过二级缓存或三级缓存的大小来划分产品线，比如赛扬、奔腾、酷睿1、酷睿2、酷睿3等等。2．外存（1）硬盘（HardDiskDrive简称HDD）。硬盘是电脑主要的存储媒介之一，其主要作用是存放操作系统和其它程序以及电脑所有的资料。①机械式硬盘②固态硬盘③混合硬盘内部结构

机械式硬盘是集精密机械、微电子电路、电磁转换为一体的存储设备。它是由磁头、盘片、马达、以及控制电路板这四个主要的部分构成。其中盘片是一个或者多个铝制的，上面覆盖有非常小的铁磁性颗粒材料的盘片组组成，磁性颗粒材料有正反两极代表0与1，通过磁头改变其磁极，就可以起到存储数据的作用；通过磁头在确定位置读取其磁化编码状态，便可起到读取数据的作用，由此实现了磁头读写数据的功能。

硬盘在使用前，需要先分区然后进行格式化，将硬盘的磁盘盘片划分为若干级别的存储管理单位便于存储管理，一般为记录面（盘面）、磁道和扇区3级。其中，记录面（盘面）是指一个磁盘片的上、下两个面，都能记录信息。磁道（Track）是指磁盘盘片上划分的一系列同心圆环，一般有上千个磁道。由外向里编号，最外一个同心圆环为0磁道。所有记录面上同一编号的磁道就构成了柱面（Cylinder），柱面数就等同于每个盘面上的磁道数。磁盘上的每个

磁道被分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，也称存储单元，一个扇区存储容量为512字节。所以硬盘容量的计算机公式为：硬盘容量=柱面数（表示每面盘面上有几条磁道，一般总数是1024）×磁头数（表示盘面数）×扇区数（表示每条磁道有几个扇区，一般总数是64）×每扇区字节数。①机械式硬盘②固态硬盘③混合硬盘

固态硬盘（SSD，SolidStateDrive）用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。

固态硬盘具有传统机械硬盘不具备的快速读写、质量轻、能耗低以及体积小等特点，但是一旦硬件损坏，数据较难恢复。

随着固态硬盘技术的发展，容量逐步增大，价格逐步降低，大有取代机械式硬盘的趋势。①机械式硬盘②固态硬盘③混合硬盘

混合硬盘是一块基于传统机械硬盘诞生出来的新硬盘，除了机械硬盘必备的碟片、马达、磁头等等，还内置了NAND闪存颗粒，这颗颗粒将用户经常访问的数据进行储存，可以达到如SSD（就是固态硬盘）效果的读取性能。（2）光盘与光驱

光盘存储器是一种用光学原理进行读写信息的装置，由光盘和光盘驱动器（简称光驱）组成。光盘的基本存储原理是：当带有凹凸的一面向下对着激光头，激光透过表面透明基片照射到凹凸面上，然后聚焦在反射层的凹进面和凸起面上，凸起面将激光按原路程反射回去，同时不会减弱光的强度；凹进面则将光线向四面发射出去。光驱就是靠光的反射和发散来识别数据的。“1”代表光强度由高到低或由低到高的变化，“0”代表持续一段时间连续不变的光强度。（3）闪存

闪存（FlashMemory）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器。（4）移动硬盘

移动硬盘(MobileHarddisk)是强调便携性的硬盘存储产品，适合用于计算机之间大容量数据的保存和交换。市场上绝大多数的移动硬盘都是以标准笔记本硬盘为基础的，所以有机械式移动硬盘和固态移动硬盘两种类型，而只有很少部分的是以微型硬盘(1.8英寸硬盘等)。3．PC机的存储系统与层次结构

3.4.4I/O总线与I/O接口为了简化硬件电路设计、简化系统结构，常用一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路称为总线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，尤其制定了统一的总线标准则容易使不同设备间实现互联。总线（Bus）就是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，用于计算机各部件之间

的信息传输。总线是指将信息从一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线，是计算机中传输数据的公共通道。而接口是由部件接入总线的硬件接头与电路和软件编程两部分组成的。1．I/O总线

在计算机内部0和1比特流的二进制信号的传输是通过一条一条线路进行的，因信号量大、信号类型多，部件类型多、线路也多等因素，将一组连接各个部件的线路组织起来形成公共通信线称为总线。地址总线

传送地址信息的信号线，一般为单向传送。地址总线的数目决定了直接寻址的范围，例如10根地址线的寻址能力是210B=1KB，而32根地址线的寻址能力是232B=4GB。I/O总线通信总线

传送控制信息的信号线，一般是双向传送，用于实现命令或状态传送、中断请求以及提供系统使用的时钟和复位信号。数据总线

传送数据和指令代码的信号线，一般是双向传送。流行的总线技术（1）PCI总线（2）USB总线（3）PCIExpress串行总线PC