计算机导论 安志远 第02章 微型计算机系统的组成.ppt

1、第2章 微型计算机系统的组成,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。 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。,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,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。,2.1 概述,2.1.1 硬件系统,光盘驱动器,软盘驱动器,主机箱,显示器,键盘,

2、鼠标,微型计算机工作原理,运算（处理） 存储（记录） 控制（协调）,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0,1 八进制R=8 ，可使用0,1,2,3,4,5,6,7 十六进制R=16 ，可使用0,9,A,B,C,D,E,F,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,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。,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。,信息的存储单位,位（Bit）：度量数据的最小单位

3、,字节（Byte）：最常用的基本单位,K 字节1K = 1024 byte M（兆）字节1M = 1024 K G（吉） 字节1G = 1024 M T（太）字节1T = 1024 G,b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0,1 0 0 1 0 1 0 1,=27+ 24+ 22+ 20,2.1 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

4、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。,2.1 概述,2.1.2 软件系统,计算机系统的组成,2.2 中央处理器CPU,2.2.1 CPU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。,2.2 中央处理

5、器CPU,2.2.1 CPU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 倍频系数 （5）前端总线频率。前端总线（FSB：Front Side Bus）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。,2.2 中央处理器CPU,2.2.1 CPU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

6、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。,2.2 中央处理器CPU,2.2.1 CPU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。

7、 （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。,2.2 中央处理器CPU,2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 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。,2.2 中央处理器CPU,2.2.1 CPU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。,2.2 中央处理器CPU,2.2.1 CPU主要指标、技术和发展

8、3、CPU的发展 几种CPU的外观图如下所示。,2.2 中央处理器CPU,2.2.1 CPU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。,2.2 中央处理器CPU,2.2.2 CPU的基本组成 1、控制单元 控制单元（Control Unit）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（Arithmetic Logic Unit，ALU）又称为算术逻辑单元，是负责处理数据的部件。它既能进行加、减、乘、除等算术运算，又能进行与、或

9、、非、比较等逻辑运算。可以把它比做数据的加工厂。,2.2 中央处理器CPU,2.2.2 CPU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（Moores 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。,计算机第一定律摩尔定律,晶体管数,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

10、 （1）只读存储器ROM （2）随机存储器RAM,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,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=210B=1024B 1MB=220B=1024KB 1GB=230B=10

11、24MB 1TB=240B=1024GB,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。,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

12、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。,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、I

13、SA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。,2.4 总线与输入/输出接口电路,2.4.1 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。,2.4 总线与输入/输出接口电路,2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线 1ISA（Industry Standary Architecture）总线 （1）数

14、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 2PCI（Peripheral Component Interconnect）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,2.4 总线与输入/输出接口电路,2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线 3、AGP（Advanced Graphics Port）总线 AGP是Intel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13

15、3MHZ （3）数据传输率：266Mb/S或533Mb/S 4、通用串行总线USB（Universal Serial Bus）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。,2.4 总线与输入/输出接口电路,2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线 5、IEEE l394总线 IEEE l394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、DV

16、D播放机、视频电话等）非常简单地连接在一起。,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Western Digital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（Enhanced IDE）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。,2.4 总线与输入/输出接口电路,2.4.3 输入/输出接口电路 （

17、3）SCSI（Small Computer System Interface，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。,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（Electronic Industry Association）制定的一种串行接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表

18、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COMl和COM2。,2.5 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，“0”

19、到“9”十个阿拉伯数字键和其他一些功能键。,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、光学机械式、光电式几种，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。,2.5 输入/输出设备,2.5.1 输入设备 3、扫描仪 扫

20、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,底座,顶盖,透明玻璃,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

21、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。,2.5.2 输出设备 CRT显示器的主要技术指标： （1）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。 （2）点距：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 （3）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，800600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，如果要显示256种颜色，则每个像素至少需要8位（一个字节）来表示。,2.5 输入/输出设备,2.5 输入/输出设备,2.5.2 输出设备 （2）LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）。有低眩目的全平面屏幕，低功耗（和普通监视器的100W相比，只有5W）。有源阵列的LCD面板的色彩质量实际上超过了大多数CRT显示器。LCD显示器提供比同尺寸CRT显示器更大的可视图像，有4种基本的LCD选择：无源阵列单色、无源阵列彩色、有源阵列模拟彩色和最新的有源阵列数字彩色。 LCD显示器如图2-16所示。,2.5.2 输出设备 2、打印设备 打印机是微机的传统输