大學計算機基礎（第四版） 第2章 計算機硬件平臺

計算機硬件平臺第2章〖本章教學重點〗掌握計算機系統(tǒng)的組成與工作原理掌握微型計算機的硬件組成掌握微型計算機的總線與接口了解計算機主要技術指標及性能評價計算機系統(tǒng)的組成與工作原理微型計算機的硬件組成2.12.22.3微型計算機的總線與接口2.4計算機的主要技術指標及性能評價2.1計算機系統(tǒng)的組成與工作原理隨著計算機技術的快速發(fā)展，計算機應用已滲透到社會的各個領域。為了更好地使用計算機，必須對計算機系統(tǒng)有個全面的了解。下面介紹計算機系統(tǒng)的基本組成和它的工作原理。2.1.1計算機系統(tǒng)的組成一個完整的計算機系統(tǒng)是由計算機硬件系統(tǒng)和計算機軟件系統(tǒng)兩部分組成的，如圖所示。圖

計算機系統(tǒng)的組成2.1.1計算機系統(tǒng)的組成計算機硬件系統(tǒng)是組成計算機系統(tǒng)的各種物理設備的總稱，是計算機系統(tǒng)的物質基礎，如CPU、存儲器、輸入設備、輸出設備等。計算機硬件系統(tǒng)又稱為裸機，裸機只能識別由0、1組成的機器代碼，沒有軟件系統(tǒng)的計算機幾乎是沒有用的。計算機軟件系統(tǒng)是指為使計算機運行和工作而編制的程序和全部文檔的總和。硬件系統(tǒng)的發(fā)展給軟件系統(tǒng)提供了良好的開發(fā)環(huán)境，而軟件系統(tǒng)的發(fā)展又給硬件系統(tǒng)提出了新的要求。2.1.2計算機的工作原理在介紹計算機的基本工作原理之前，先說明幾個相關的概念。所謂指令，是指揮計算機進行基本操作的命令，是計算機能夠識別的一組二進制編碼。通常一條指令由兩部分組成：第一部分指出應該進行什么樣的操作，稱為操作碼；第二部分指出參與操作的數(shù)據(jù)本身或該數(shù)據(jù)在內存中的地址。在計算機中，可以完成各種操作的指令有很多，計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)。把能夠完成某一任務的所有指令(或語句)有序地排列起來，就組成程序，即程序是能夠完成某一任務的指令的有序集合。2.1.2計算機的工作原理現(xiàn)代計算機的基本工作原理是存儲程序和程序控制。這一原理是美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾伊曼于1946年提出的，因此，又稱為馮·諾伊曼原理。其主要思想是：(1)計算機硬件由5個基本部分組成：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。(2)在計算機內采用二進制的編碼方式。(3)程序和數(shù)據(jù)一樣，都存放在存儲器中(即存儲程序)。(4)計算機按照程序逐條取出指令加以分析，并執(zhí)行指令規(guī)定的操作(即程序控制)。2.1.2計算機的工作原理在上圖中，實線為數(shù)據(jù)和程序，虛線為控制命令。首先，在控制器的作用下，計算所需的原始數(shù)據(jù)和計算步驟的程序指令通過輸入設備送入計算機的存儲器中。然后，控制器向存儲器發(fā)送取指命令，存儲器中的程序指令被送入控制器中。控制器對取出的指令進行譯碼，接著向存儲器發(fā)送取數(shù)指令，存儲器中相關的運算數(shù)據(jù)被送到運算器中。控制器向運算器發(fā)送運算指令，運算器執(zhí)行運算，并得到結果，并把運算結果存入存儲器中?？刂破飨虼鎯ζ靼l(fā)出取數(shù)指令，數(shù)據(jù)被送往輸出設備。最后，控制器向輸出設備發(fā)送輸出指令，輸出設備將計算結果輸出。一系列的操作完成以后，控制器再從存儲器中取出下一條指令，進行分析，執(zhí)行該指令，周而復始地重復“取指令、分析指令、執(zhí)行指令”的過程，直到程序中的全部指令執(zhí)行完畢為止。2.1.2計算機的工作原理按照馮·諾伊曼原理構造的計算機稱為馮·諾伊曼計算機，其體系結構稱為馮·諾伊曼體系結構。馮·諾伊曼計算機的基本特點如下：(1)程序和數(shù)據(jù)在同一個存儲器中存儲，二者沒有區(qū)別，指令與數(shù)據(jù)一樣可以送到運算器中進行運算，即由指令組成的程序是可以修改的；(2)存儲器采用按地址訪問的線性結構，每個單元的大小是一定的；(3)通過執(zhí)行指令直接發(fā)出控制信號控制計算機操作。指令在存儲器中按順序存放，由指令計算器指明將要執(zhí)行的指令在存儲器中的地址。指令計算器一般按順序遞增，但執(zhí)行順序也可以隨外界條件的變化而改變；(4)整個計算過程以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送都要經過運算器。2.2微型計算機的硬件組成微型計算機是發(fā)展最快的一類計算機，被廣泛地應用在各個方面。一臺典型微型計算機系統(tǒng)的硬件，宏觀上可分為主機箱、顯示器、鍵盤、鼠標、打印機等幾個部分，主機箱內部有電源、系統(tǒng)主板、光盤驅動器、硬盤等，系統(tǒng)主板上插有CPU、內存和各種適配器。2.2.1主板1.主板是微型計算機的主體。主板上布滿了各種電子元件、插槽、接口等。它為CPU、內存和各種功能卡(聲、圖、通信、網絡、TV、SCSI等)提供安裝插座(槽)；為各種存儲設備、I/O設備、多媒體和通信設備提供接口。2.2.1

主板芯片組(Chipset)是主板的靈魂，決定了主板的性能和價格。北橋芯片提供對CPU的類別和主頻、內存的類型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯等支持。南橋芯片則提供對KBC(鍵盤控制器)、RTC(實時時鐘控制器)、USB(通用串行總線)、ACPI(高級能源管理)等的支持。其中北橋芯片起著主導性的作用，也稱為主橋(HostBridge)。(a)南橋芯片(b)北橋芯片2.2.2

中央處理器2.中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)又稱微處理器。它包括運算器和控制器兩個部件，是計算機系統(tǒng)的核心。CPU的主要功能是按照程序給出的指令序列分析指令、執(zhí)行指令，完成對數(shù)據(jù)的加工處理。計算機所發(fā)生的全部動作都受CPU的控制?？刂破饔脕韰f(xié)調和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作，本身不具有運算功能，而是通過讀取各種指令，并對其進行翻譯、分析，然后對各部件作出相應的控制。它主要由指令寄存器、譯碼器、程序計算器、時序電路等組成。運算器主要完成算術運算和邏輯運算，是對信息加工和處理的部件，它主要由算術邏輯部件和寄存器組成。2.2.2

中央處理器中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)，又稱微處理器。它包括運算器和控制器兩個部件，是計算機系統(tǒng)的核心。CPU的主要功能是按照程序給出的指令序列分析指令、執(zhí)行指令，完成對數(shù)據(jù)的加工處理。計算機所發(fā)生的全部動作都受CPU的控制。衡量CPU的性能有以下幾個主要指標。(1)主頻(2)內部數(shù)據(jù)總線(3)外部數(shù)據(jù)總線(4)地址總線(a)第1代Intel處理器4004(b)Intel486(c)Core2Duo2.2.3

存儲器存儲器是計算機的記憶和存儲部件，用來存放信息。對存儲器而言，容量越大，存取速度越快越好。計算機的操作，大量是與存儲器之間交換信息，存儲器的工作速度相對CPU的運算速度要低得多，因此存儲器的工作速度是制約計算機運算速度的主要因素之一。目前計算機的存儲系統(tǒng)由各種不同的存儲器組成。通常至少有兩級存儲器：一個是包含在計算機中的內存儲器，它直接和運算器、控制器聯(lián)系，容量小，但存取速度快，用于存放那些急需處理的數(shù)據(jù)或正在運行的程序；另一個是外存儲器，它間接和運算器、控制器聯(lián)系，存取速度慢，但存取容量大，價格低廉，用來存放暫時不用的數(shù)據(jù)。2.2.3

存儲器1.內存儲器內存儲器又稱為主存儲器，實質上是一組或多組具備數(shù)據(jù)輸入輸出和存儲功能的集成電路。內存儲器的主要作用是用來存放計算機系統(tǒng)執(zhí)行時所需要的數(shù)據(jù)，存放各種輸入、輸出數(shù)據(jù)和中間計算結果，以及與外部存儲器交換信息時作為緩沖。內存儲器存取速度較快，由于價格上的原因，一般容量較小。(1)內存儲器的主要技術指標①存儲器容量

②讀寫時間2.2.3

存儲器（2）內存的分類a.只讀存儲器ROM存儲在ROM中的數(shù)據(jù)理論上是永久的，即使在關機后保存在ROM中的數(shù)據(jù)也不會丟失。因此，ROM中常用于存儲微型機的重要信息，如主板上的BIOS等。b.隨機存取存儲器(RAM)RAM主要用來存放系統(tǒng)中正在運行的程序、數(shù)據(jù)和中間結果，以及用于與外部設備的信息交換。它的存儲單元根據(jù)需要可以讀出、也可以寫入，但它只能用于暫時存放信息，一旦關閉電源或發(fā)生斷電，其中的數(shù)據(jù)就會丟失。2.2.3

存儲器(a)SDRAM內存條(b)DDRSDRAM內存條(c)RDRAM內存條2.2.3存儲器C.高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器是位于CPU和主內存DRAM之間的規(guī)模較小但速度很高的存儲器，通常由SRAM組成。把在一段時間內一定地址范圍被頻繁訪問的信息集合，成批地從主存中讀到一個能高速存取的小容量存儲器中存放起來，供程序在這段時間內隨時采用，而減少或不再去訪問速度較慢的主存，就可以加快程序的運行速度。這個介于CPU和主存之間的高速小容量存儲器就稱之為高速緩沖存儲器，簡稱Cache。顯然，程序訪問的局部化性質是Cache得以實現(xiàn)的基礎。目前，CPU一般設有一級緩存(L1Cache)和二級緩存(L2Cache)。2.2.3

存儲器2.外存儲器內存由于技術及價格上的原因，容量有限，不可能容納所有的系統(tǒng)軟件及各種用戶程序，因此，計算機系統(tǒng)都要配置外存儲器。外存儲器又稱為輔助存儲器，它的容量一般都比較大，而且大部分可以移動，便于不同計算機之間進行信息交流。目前常見的外存儲器有硬盤、光盤以及可移動磁盤等。2.2.3

存儲器（1）

硬盤硬盤(HardDisk)是計算機中不可缺少的存儲設備。由一組大小相同、涂有磁性材料的鋁合金或玻璃片環(huán)繞一個共同的軸心組成。通常，硬盤盤片和驅動裝置合為一體，盤片完全密封在驅動器內，不可更換。每個磁盤的表面都裝有一個讀寫磁頭，在控制器的統(tǒng)一控制下沿著磁盤表面徑向同步移動。硬盤的外觀及內部結構如圖所示。(a)硬盤外形(b)硬盤的內部結構2.2.3

存儲器硬盤的結構和軟盤差不多，是由磁道(Tracks)、扇區(qū)(Sectors)、柱面(Cylinders)和磁頭(Heads)組成的。硬盤的性能指標：a.硬盤容量b.硬盤轉速c.平均尋道時間d.高速緩存e.硬盤接口類型2.2.3

存儲器目前比較流行的新型硬盤是固態(tài)硬盤。固態(tài)硬盤(SolidStateDrives，SSD)，簡稱固盤，它是用固態(tài)電子存儲芯片陣列制成的硬盤，由控制單元和存儲單元(Flash芯片、DRAM芯片)組成。固態(tài)硬盤在接口的規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤完全相同，在產品外形和尺寸上也完全與普通硬盤一致。被廣泛應用于軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網絡監(jiān)控、網絡終端、電力、醫(yī)療、航空、導航設備等領域。固態(tài)硬盤的存儲介質分為兩種，一種是采用閃存(Flash芯片)作為存儲介質；另外一種是采用DRAM作為存儲介質。2.2.3

存儲器基于閃存的固態(tài)硬盤：基于閃存的固態(tài)硬盤(IDEFLASHDISK、SerialATAFlashDisk)采用Flash芯片作為存儲介質，這也是通常所說的SSD。云儲固態(tài)硬盤：基于DRAM的固態(tài)硬盤采用DRAM作為存儲介質，應用范圍較窄。它仿效傳統(tǒng)硬盤的設計，可被絕大部分操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)工具進行卷設置和管理，并提供工業(yè)標準的PCI和FC接口用于連接主機或者服務器，DRAM固態(tài)硬盤屬于比較非主流的設備。固態(tài)硬盤的優(yōu)點如下：讀寫速度快：采用閃存作為存儲介質，讀取速度相對機械硬盤更快。防振抗摔性：傳統(tǒng)硬盤都是磁盤型的，數(shù)據(jù)儲存在磁盤扇區(qū)里。低功耗：固態(tài)硬盤在功耗上要低于傳統(tǒng)硬盤。無噪聲：固態(tài)硬盤沒有機械馬達和風扇，工作時噪聲值為0dB。工作溫度范圍大：典型的硬盤驅動器只能在5~55℃范圍內工作。2.2.3

存儲器（2）

光盤光盤是近年來迅速發(fā)展的一種輔助存儲器，可以存放各種文字、圖形、圖像、聲音、動畫等信息，是多媒體技術迅速獲得推廣的重要推動力之一。光盤系統(tǒng)包括光盤盤片和光盤驅動器，其中光盤盤片由聚碳酸酯注塑而成，表面有大量凸凹，用來存儲數(shù)據(jù)信息；光盤驅動器通過激光束照射到帶凹坑的光盤上反射光的強弱不同來讀取光盤數(shù)據(jù)。光盤和光盤驅動器如圖所示。光盤

光盤驅動器2.2.3

存儲器目前比較流行的是藍光光盤。藍光光盤(Blu-rayDisc，BD)是DVD之后的下一代光盤格式之一，用以存儲高品質的影音以及高容量的數(shù)據(jù)。藍光光盤的命名是由于其采用波長405nm的藍色激光光束進行讀寫操作(DVD采用650nm波長的紅光讀寫器，CD則采用780nm波長)。一個單層的藍光光碟的容量為25GB或27GB，足夠錄制一個長達4h的高清晰影片。盡管藍光光盤有很高的存儲空間，但隨著網絡帶寬的不斷增加，其他存儲設備成本的不斷降低，未來高清電影的移動方案將主要由移動硬盤和大容量閃存盤來承擔，藍光DVD不大可能成為主流載體。2.2.3

存儲器（3）

可移動磁盤目前，一種用半導體集成電路制成的電子盤正在逐漸成為可移動外存的主流。這種電子盤又分為U盤和移動硬盤兩種，其中，U盤采用閃存(FlashMemory)作為存儲介質，可反復存取數(shù)據(jù)，使用時只要插入計算機中的USB插口即可。另外，移動硬盤是通過一個轉接電路把2.5或3.5英寸的硬盤連接到USB接口上，具有容量大、便于攜帶的優(yōu)點，適合大量數(shù)據(jù)的移動存儲或備份。(a)U盤(b)移動硬盤2.2.4

輸入/輸出設備1.輸入設備輸入設備用于將系統(tǒng)文件、用戶程序及文檔、計算機運行程序所需的數(shù)據(jù)等信息輸入到計算機的存儲設備中以備使用。常見的輸入設備有鍵盤、鼠標、光筆、掃描儀、數(shù)碼相機等。(1)鍵盤鍵盤是最常用的輸入設備，通過連線和主機的鍵盤接口相連接，計算機中大部分的輸入工作主要由鍵盤來完成。(2)鼠標鼠標也是主要的輸入設備，其主要功能用于移動顯示器上的光標并通過菜單或按鈕向主機發(fā)出各種命令，但不能輸入字符和數(shù)據(jù)。按照工作原理，鼠標可分為機械式鼠標和光電式鼠標兩種。2.2.4

輸入/輸出設備(3)掃描儀圖像掃描儀(ImageScanner)簡稱掃描儀，用于獲取照片、書籍上的文字和圖片，以圖片文件的形式保存在計算機中的一種輸入設備。(4)數(shù)碼相機數(shù)碼相機(DigitalCamera)，又叫數(shù)字照相機，簡稱DC。掃描儀

數(shù)碼相機2.2.4

輸入/輸出設備除了以上提到的常用輸入設備外，其他還有光筆、游戲手柄、數(shù)碼攝像頭和話筒等(a)光筆(b)游戲手柄(c)攝像頭(d)話筒2.2.4

輸入/輸出設備2.輸出設備輸出設備是將計算機內部以二進制代碼形式表示的信息轉換為用戶所需要并能識別的形式，如十進制數(shù)字、文字、符號、圖形、圖像、聲音，或者其他系統(tǒng)所能接受的信息形式輸出。在微型機系統(tǒng)中，主要的輸出系統(tǒng)是顯示器、打印機和繪圖儀等。（1）

顯示器系統(tǒng)顯示器系統(tǒng)是由顯示器和圖形適配器(Graphicsadapter，也稱為圖形卡或顯卡)組成。它們共同決定了圖像輸出的質量。(a)CRT顯示器(b)LCD顯示器2.2.4

輸入/輸出設備顯示器的技術參數(shù)主要有以下幾個。a.顯示模式b.點距c.刷新頻率d.分辨率e.可視角度f.帶寬g.輻射與環(huán)保2.2.4

輸入/輸出設備顯卡(VideoCard，GraphicsCard)全稱為顯示接口卡，又稱顯示適配器，是計算機最基本的配置，也是最重要的配件之一。顯卡作為計算機主機里的一個重要組成部分，是計算機進行數(shù)模信號轉換的設備，承擔輸出顯示圖形的任務。顯卡接在計算機主板上，它將計算機的數(shù)字信號轉換成模擬信號讓顯示器顯示出來，同時顯卡還具有圖像處理能力，可協(xié)助CPU工作，提高整體的運行速度。顯卡的分類核芯顯卡

集成顯卡

獨立顯卡顯卡2.2.4

輸入/輸出設備（2）

打印機打印機是計算機的重要輸出設備之一，可用來打印字符、數(shù)字、圖形和表格等。打印機的種類很多，按照打印原理，可分為擊打式打印機和非擊打式打印機。擊打式打印機是用機械方法，使打印針或字符錘擊打色帶，在打印紙上引出字符，其產品主要是針式打印機。非擊打式打印機是通過激光、噴墨、熱升華或熱敏等方式將字符印在打印紙上，其產品主要有噴墨打印機和激光打印機。(a)針式打印機(b)噴墨打印機(c)激光打印機2.2.4

輸入/輸出設備（3）

繪圖儀繪圖儀(Plotter)是一種輸出圖形硬拷貝的輸出設備。打印機雖然也能輸出圖形硬拷貝，但對復雜、精確的圖形無能為力。繪圖儀可以在繪圖軟件的支持下，繪制出各種復雜、精確的圖形，成為計算機輔助設計必不可少的設備。繪圖儀2.3微型計算機的總線與接口2.3.1微型計算機的總線總線總線(Bus)是計算機內部傳輸指令、數(shù)據(jù)和各種控制信息的高速通道，是微機中各組成部分在傳輸信息時共同使用的“公路”。微型計算機中的總線分為內部總線、系統(tǒng)總線和外部總線3個層次。內部總線位于CPU芯片內部，用于連接CPU的各個組成部件；而系統(tǒng)總線是指主板上連接微型計算機中各大部件的總線；外部總線則是微型計算機和外部設備之間的總線，通過該總線和其他設備進行信息與數(shù)據(jù)交換。2.3.1微型計算機的總線如果按總線內傳輸?shù)男畔⒎N類，可將總線分類為：（1）數(shù)據(jù)總線(DataBus，DB)用于CPU與內存或I/O接口之間的數(shù)據(jù)傳遞，它的條數(shù)取決于CPU的字長，信息傳送是雙向的(可送入到CPU，也可由CPU送出)。（2）地址總線(AddressBus，AB)用于傳送存儲單元或I/O接口的地址信息，信息傳送是單向的，它的條數(shù)決定了計算機內存空間的范圍大小，即CPU能管轄的內存數(shù)量。（3）

控制總線(ControlBus，CB)傳送控制器的各種控制信息，它的條數(shù)由CPU的字長決定。2.3.1

微型計算機的總線目前，微型計算機常用的系統(tǒng)總線標準有：(1)PCI(PeripheralComponentInterconnect，外部設備互連)總線PCI總線于1991年由Intel公司推出，它為CPU與外部設備之間提供了一條獨立的數(shù)據(jù)通道，讓每種設備都能與CPU直接聯(lián)系，使圖形、通信、視頻、音頻設備都能同時工作。PCI總線的數(shù)據(jù)傳送寬度為32位，可以擴展到64位，工作頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸可達133MB/s。微處理器、總線、存儲器、接口電路和外設邏輯關系2.3.1

微型計算機的總線(2)AGP(AdvancedGraphicsPort，加速圖形接口)總線AGP總線是Intel公司配合Pentium處理器開發(fā)的總線標準，它是一種可自由擴展的圖形總線結構，能增加圖形控制器的可用帶寬，并為圖形控制器提供必要的性能，有效地解決了3D圖形處理的瓶頸問題。AGP總線寬為32位，時鐘頻率有66MHz和133MHz兩種。2.3.2微型計算機的接口接口就是設備與計算機或其他設備連接的端口，主要用來傳送信號。一部分是數(shù)據(jù)信號，另一部分是控制信號，它們都是為傳輸數(shù)據(jù)服務的。數(shù)據(jù)傳輸方式可分為串行、并行兩種方式。用于串行傳輸?shù)慕涌诰徒写薪涌?SerialPort)。被傳送的數(shù)據(jù)排成一串，一次發(fā)送，其特點是傳輸穩(wěn)定、可靠、傳輸距離長，但數(shù)據(jù)傳輸速率較低。用于并行傳輸?shù)慕涌诰褪遣⑿薪涌?ParallelPort)。特點是數(shù)據(jù)傳輸速率較大、協(xié)議簡單、易于操作；由于并行傳輸在傳輸時容易受到干擾、傳輸距離短、有時會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失等問題，所以并口設備的連接電纜一般比較短，否則不能保證正常使用。2.3.2

微型計算機的接口在計算機行業(yè)中最早出現(xiàn)的串行接口標準是RS-232標準，這個標準直到現(xiàn)在還在個人計算機上使用，這就是用來外接鼠標或調制解調器(Modem)的COM1、COM2接口。隨著計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)在又出現(xiàn)了許多新的接口標準，如SCSI、USB和IEEE1394等。USB(UniversalSerialBus)是一種通用串行總線接口，其最大的好處在于能支持多達127個外設，并且可以獨立供電(可從主板上獲得500mA的電流)和支持熱插拔(開機狀態(tài)下的插拔)，真正做到即插即用。目前可以通過USB接口連接的設備有掃描儀、打印機、鼠標、鍵盤、移動硬盤、數(shù)碼相機和音箱，甚至還有顯示器，USB接口具有很好的通用性。2.3.3組裝微型計算機案例1.組裝電腦前的準備工作組裝計算機之前需要準備好裝機所需要的各種硬件：機箱、顯示器、主板、CPU、內存、顯卡、聲卡、網卡、硬盤、光驅、鍵盤鼠標、電源、各種數(shù)據(jù)線和電源線等。2.組裝過程中的注意事項(1)防止靜電(2)防止液體進入微機內部(3)運用正確的安裝方法2.3.3組裝微型計算機案例3.微機硬件組裝的步驟(1)將CPU安放在主板上(2)安裝CPU的散熱器(3)安裝內存(4)在機箱中固定主板(5)安裝硬盤、光驅的數(shù)據(jù)線與電源線(6)安裝電源(7)安裝顯卡(8)主板其余接口連線方法4.通電測試、安裝完畢2.4計算機的主要技術指標及性能評價