四、計算機系統(tǒng)的基本組成

計算機系統(tǒng)的基本組成教學重點與難點本節(jié)重點：計算機系統(tǒng)的組成難點：1.計算機硬件的基本組成及原理2.馮.諾依曼計算機的工作原理本節(jié)主要內(nèi)容一、計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)二、計算機的硬件基本組成

一、計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成1、馮·諾依曼計算機簡介

1945年美籍匈牙利科學家馮·諾依曼(VonNeumann)為美軍研制了電子離散變量自動計算機（EDVAC），采用了二進制數(shù)，并創(chuàng)立了“存儲程序式”的設(shè)計思想，EDVAC被認為是現(xiàn)代計算機的原型。目前的計算機工作原理都是基于馮·諾依曼提出的“存儲過程控制”的原理。計算機根據(jù)程序中的指令來進行數(shù)據(jù)的存儲和運算。概括言之，中央處理器不斷地從內(nèi)存取指令，分析指令，再執(zhí)行指令，周而復始，直到程序執(zhí)行完畢。

我們把按照這一原理設(shè)計的計算機稱為“馮·諾依曼型計算機”直到現(xiàn)在，計算機的整體結(jié)構(gòu)仍保持著馮·諾依曼計算機的基本特征：

⑴采用二進制數(shù)的形式表示數(shù)據(jù)和指令。

⑵能存儲程序和數(shù)據(jù)，并能自動控制程序的執(zhí)行⑶計算機硬件由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大部分組成。

最簡單的來說他的精髓貢獻是2點：2進制思想與程序內(nèi)存思想其工作原理的核心是“程序存儲”和“程序控制”。馮·諾依曼型計算機的基本結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機外部設(shè)備中央處理器（CPU）主板內(nèi)存儲器運算器控制器RAM（內(nèi)存）ROM輸入設(shè)備：（鍵盤、鼠標、掃描儀等）輸出設(shè)備：（顯示器、打印機等）外存儲器硬盤光盤U盤軟盤操作系統(tǒng)：（DOS、Windows、Unix等）程序設(shè)計語言解釋、編譯系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件：（Office、Photoshop等）系統(tǒng)軟件2、計算機系統(tǒng)的組成二、計算機的硬件基本組成主機主機內(nèi)部部件主板（Motherboards）又稱系統(tǒng)板或母板，包括了微處理器接口模塊、IDE接口、內(nèi)存接口模塊、BIOS模塊、基本I/O模塊、中斷控制器、DMA控制器及局部總線等，計算機中的各種設(shè)備，都必須與主板相互合作，才能發(fā)揮完整的功能。

主板主要性能指標就是主板上的芯片組。主板芯片組幾乎決定著主板的全部功能，其中CPU的類型、主板的系統(tǒng)總線頻率，內(nèi)存類型、容量和性能，顯卡插槽規(guī)格是由芯片組中的北橋芯片決定的；而擴展槽的種類與數(shù)量、擴展接口的類型和數(shù)量（如USB2.0/3.0，IEEE1394，串口，并口，筆記本的VGA輸出接口）等，是由芯片組的南橋決定的。還有些芯片組由于納入了3D加速顯示（集成顯示芯片）、AC'97聲音解碼等功能，還決定著計算機系統(tǒng)的顯示性能和音頻播放性能等。主板主板上的電容（固態(tài)電容和電解液電容）在105攝氏度的時候，它和電解電容的壽命同樣為2000小時，在溫度降低后，它們的壽命會增加，但是固態(tài)電容壽命增加的幅度更大，一般情況下電容的工作溫度在70度或更低，這個時候固態(tài)電容的壽命可能會達到23年，幾乎是電解電容的6倍多！主板三大品牌1、中央處理器

中央處理器(CentralProcessingUnit，簡稱CPU),又稱微處理器，它是計算機的核心部件，由運算器和控制器組成。中央處理器的主要功能按照指令的要求控制數(shù)據(jù)的加工處理并使計算機各部件自動協(xié)調(diào)地工作。計算機工作時，由CPU控制，將數(shù)據(jù)由輸入設(shè)備傳送到存儲器存儲，再將要參與運算的數(shù)據(jù)從存儲器中取出送往CPU處理，最后將計算機處理的信息由輸出設(shè)備輸出。CPU的性能指標主要有字長和時鐘頻率。部分CPU產(chǎn)品Intel8086Intel80286Intel80386Intel80486IntelPentium部分CPU產(chǎn)品IntelPentium2IntelPentium3IntelPentium4部分CPU產(chǎn)品AMD系列CPU

●Athlon

●Duron

●AthlonXP部分CPU產(chǎn)品VIA系列CPU

●VIAC3

●VIAC4Tick-Tock（工藝年-構(gòu)架年）Tick-Tock：偶數(shù)年更新制作工藝，奇數(shù)年更新微架構(gòu)。

Tick指每隔兩年的奇數(shù)年推出核心面積更小、制程更先進的處理器；Tock指每隔兩年的偶數(shù)年推出新架構(gòu)的處理器。Tick-Tock就是時鐘的“嘀嗒”的意思，一個嘀嗒代表著一秒，而在Intel的處理器發(fā)展戰(zhàn)略上，每一個嘀嗒代表著2年一次的工藝制程進步。每個Tick-Tock中的“Tick”，代表著工藝的提升、晶體管變小，并在此基礎(chǔ)上增強原有的微架構(gòu)，而Tick-Tock中的“Tock”，則在維持相同工藝的前提下，進行微架構(gòu)的革新，這樣在制程工藝和核心架構(gòu)的兩條提升道路上，總是交替進行，一方面避免了同時革新可能帶來的失敗風險，同時持續(xù)的發(fā)展也可以降低研發(fā)的周期，并可以對市場造成持續(xù)的刺激，并最終提升產(chǎn)品的競爭力。IvyBridge的最大變化莫過于制造工藝，這一次Intel使用了最先進的22納米工藝和革命性的3D晶體管技術(shù)，這是目前人類的最高科技水平。i5系列之后，Intel在高端處理器市場已經(jīng)沒有競爭對手。Z77、Z75、H77三款消費級芯片組，另有Q77、Q75、B75三款商用芯片組。消費級的三款芯片組中，主要增加了USB3.0的支持，以及全線支持SATA6Gbps，全線支持核芯顯卡功能，其中只有Z系列支持超頻和多卡系統(tǒng)。（1）、運算器計算機進行算術(shù)運算和邏輯運算的部件，由算術(shù)邏輯運算單元（ArithmeticLogicUnit，簡稱ALU）和加法器及通用寄存器構(gòu)成。主要負責對各類信息進行數(shù)學運算及邏輯運算。工作時運算器不斷地從存儲器中得到要加工的數(shù)據(jù)，運算后將結(jié)果送回存儲器中。主要由指令寄存器、譯碼器、程序計數(shù)器、操作控制器等組成，是計算機的指揮中心，根據(jù)指令控制計算機的各部件在它的指揮下協(xié)調(diào)工作。自動地、有序地從存儲器中逐條取出指令、分析指令，并按指令要求發(fā)出相應(yīng)的控制信號指揮各執(zhí)行部件工作。（2）、控制器（ControlUnit）

2、主存儲器用來存放程序和數(shù)據(jù)，是計算機的記憶單元。存儲器分為內(nèi)部（主）存儲器和外部（輔助）存儲器兩種。主存儲器用于存放正在處理中的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲器則用于存放暫時不用的大量程序和數(shù)據(jù)。使用時，可以從存儲器中取出信息，不破壞原有內(nèi)容，這樣的操作稱為存儲器的讀操作

可以把信息寫入存儲器,原來的內(nèi)容被抹掉，這樣的操作稱為存儲器的寫操作存儲器按其功能特征可分為：隨機存儲器、只讀存儲器、高速緩沖存儲器（1）、隨機存儲器RAM

可由CPU直接寫入或讀出信息存儲的信息將因斷電或機器重新啟動而丟失（2）、只讀存儲器ROM

不能寫入信息

存儲的信息不會因斷電而丟失。（3）、高速緩沖存儲器Cache

常見內(nèi)存條的型號(1)SDRAM（SynchronousDRAM，同步動態(tài)隨機存儲器）內(nèi)存條

(2)DDRSDRAM（DoubleDataRateSDRAM，雙倍數(shù)據(jù)速度SDRAM）內(nèi)存條

(3)DRDRAM（DirectRambusDRAM）內(nèi)存條3、外存儲器外存儲器又稱輔助存儲器，常用的有磁盤（分軟磁盤、硬磁盤）、光盤、磁帶、U盤等。4、I/O總線和擴展槽總線是計算機中的傳輸數(shù)據(jù)信號的通道，總線的傳輸方式是并行的，所以也稱并行總線?？偩€結(jié)構(gòu)示意圖存儲器硬件的金字塔結(jié)構(gòu)寄存器高速緩存主存儲器軟磁盤硬盤其它外存設(shè)備速度越來越快容量越來越大外部存儲設(shè)備軟盤硬磁盤磁帶及磁帶機光盤外部存儲設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和工作原理磁盤旋轉(zhuǎn)，形成相對高速運動磁頭的電磁感應(yīng)線圈鐵磁薄膜介質(zhì)，磁化方向表示0、1鐵磁體的工作原理外部存儲設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和工作原理外部存儲設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)面surface，道track，扇區(qū)sector，柱面cylinder讀寫頭外部存儲設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和工作原理軟盤外觀（圖示）金屬片滑門驅(qū)動磁盤旋轉(zhuǎn)的卡子寫保護磁道，扇區(qū)和柱面尺寸、容量5.25：360K/1.2M3.5：1.44M/2.88M軟盤外觀與結(jié)構(gòu)軟盤的結(jié)構(gòu)：①塑料外殼；②金屬環(huán)；③盤片；④快門；⑤寫保護口。

原理：盤片是軟盤的核心，是記錄數(shù)據(jù)的載體，它由一種塑料物構(gòu)成，外面涂著一層由鐵氧化物構(gòu)成的磁性材料。這與錄音機中使用的磁帶有點相似，軟驅(qū)旋轉(zhuǎn)盤片并通過磁頭來讀寫盤片上的信息，寫的過程是以電脈沖將磁頭下方磁道上那一點磁化，而讀的過程則將磁頭下方磁道上那一點的磁化信息轉(zhuǎn)化為電信號，并通過電信號的強弱來判斷為“0”還是“1”。格式化的原理軟盤被劃分為磁道，磁道又被劃分為扇區(qū)。如圖所示。3寸盤共被劃分成160個磁道，每個磁道又被分為18個扇區(qū)，每個扇區(qū)占512個字節(jié)，合起來總?cè)萘縿偤脼?.44M。寫保護及其原理外部存儲設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和工作原理硬盤外觀硬盤結(jié)構(gòu)

顯卡顯卡全稱顯示接口卡（Videocard，Graphicscard），又稱為顯示適配器（Videoadapter），顯示器配置卡簡稱為顯卡，是個人電腦最基本組成部分之一。顯卡的用途是將計算機系統(tǒng)所需要的顯示信息進行轉(zhuǎn)換驅(qū)動，并向顯示器提供行掃描信號，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和個人電腦主板的重要元件，是“人機對話”的重要設(shè)備之一。顯卡作為電腦主機里的一個重要組成部分，承擔輸出顯示圖形的任務(wù)，對于從事專業(yè)圖形設(shè)計的人來說顯卡非常重要。民用顯卡圖形芯片供應(yīng)商主要包括AMD(超威半導體)和Nvidia(英偉達)2家。數(shù)據(jù)（data）一旦離開CPU，必須通過4個步驟，最后才會到達顯示屏：

1．從總線（bus）進入GPU（GraphicsProcessingUnit，圖形處理器）：將CPU送來的數(shù)據(jù)送到北橋（主橋）再送到GPU（圖形處理器）里面進行處理。2．從videochipset（顯卡芯片組）進入videoRAM（顯存）：將芯片處理完的數(shù)據(jù)送到顯存。3．從顯存進入DigitalAnalogConverter（=RAMDAC，隨機讀寫存儲數(shù)—模轉(zhuǎn)換器）：從顯存讀取出數(shù)據(jù)再送到RAMDAC進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作（數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號）。但是如果是DVI接口類型的顯卡，則不需要經(jīng)過數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號。而直接輸出數(shù)字信號。4．從DAC進入顯示器（Monitor）：將轉(zhuǎn)換完的模擬信號送到顯示屏顯卡分類一、集成顯卡集成顯卡是將顯示芯片、顯存及其相關(guān)電路都集成在主板上，與其融為一體；集成顯卡的顯示芯片有單獨的，但大部分都集成在主板的北橋芯片中；一些主板集成的顯卡也在主板上單獨安裝了顯存，但其容量較小，集成顯卡的顯示效果與處理性能相對較弱，不能對顯卡進行硬件升級，但可以通過CMOS調(diào)節(jié)頻率或刷入新BIOS文件實現(xiàn)軟件升級來挖掘顯示芯片的潛能集成顯卡的優(yōu)點：是功耗低、發(fā)熱量小、部分集成顯卡的性能已經(jīng)可以媲美入門級的獨立顯卡，所以不用花費額外的資金購買獨立顯卡。

集成顯卡的缺點：性能相對略低，且固化在主板或CPU上，本身無法更換，如果必須換，就只能和主板或顯卡一次性更換。二、獨立顯卡獨立顯卡是指將顯示芯片、顯存及其相關(guān)電路單獨做在一塊電路板上，自成一體而作為一塊獨立的板卡存在，它需占用主板的擴展插槽（ISA、PCI、AGP或PCI-E)。

獨立顯卡的優(yōu)點：單獨安裝有顯存，一般不占用系統(tǒng)內(nèi)存，在技術(shù)上也較集成顯卡先進得多，比集成顯卡能夠得到更好的顯示效果和性能，容易進行顯卡的硬件升級。

獨立顯卡的缺點：系統(tǒng)功耗有所加大，發(fā)熱量也較大，需額外花費購買顯卡的資金，同時（特別是對筆記本電腦）占用更多空間。當前性能最強的游戲用獨立顯卡分別是英偉達的GTX690和AMD的HD7990

三、核芯顯卡

核芯顯卡是Inte產(chǎn)品新一代圖形處理核心，和以往的顯卡設(shè)計不同，Intel憑借其在處理器制程上的先進工藝以及新的架構(gòu)設(shè)計，將圖形核心與處理核心整合在同一塊基板上，構(gòu)成一顆完整的處理器。智能處理器架構(gòu)這種設(shè)計上的整合大大縮減了處理核心、圖形核心、內(nèi)存及內(nèi)存控制器間的數(shù)據(jù)周轉(zhuǎn)時間，有效提升處理效能并大幅降低芯片組整體功耗，有助于縮小了核心組件的尺寸，為筆記本、一體機等產(chǎn)品的設(shè)計提供了更大選擇空間。需要注意的是，核芯顯卡和傳統(tǒng)意義上的集成顯卡并不相同。目前筆記本平臺采用的圖形解決方案主要有“獨立”和“集成”兩種，前者擁有單獨的圖形核心和獨立的顯存，能夠滿足復雜龐大的圖形處理需求，并提供高效的視頻編碼應(yīng)用；集成顯卡則將圖形核心以單獨芯片的方式集成在主板上，并且動態(tài)共享部分系統(tǒng)內(nèi)存作為顯存使用，因此能夠提供簡單的圖形處理能力，以及較為流暢的編碼應(yīng)用。相對于前兩者，核芯顯卡則將圖形核心整合在處理器當中，進一步加強了圖形處理的效率，并把集成顯卡中的“處理器+南橋+北橋（圖形核心+內(nèi)存控制+顯示輸出）”三芯片解決方案精簡為“處理器（處理核心+圖形核心+內(nèi)存控制）+主板芯片（顯示輸出）”的雙芯片模式，有效降低了核心組件的整體功耗，更利于延長筆記本的續(xù)航時間。顯卡接口PCI接口

PCI(PeripheralComponentInterconnect)接口由英特爾（Intel）公司1991年推出的用于定義局部總線的標準。此標準允許在計算機內(nèi)安裝多達10個遵從PCI標準的擴展卡。最早提出的PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達到133MB/s(33MHz*32bit/s)，基本上滿足了當時處理器的發(fā)展需要。隨著對更高性能的要求，1993年又提出了64bit的PCI總線，后來又提出把PCI總線的頻率提升到66MHz。PCI接口的速率最高只有266MB/S，1998年之后便被AGP接口代替。不過仍然有新的PCI接口的顯卡推出，因為有些服務(wù)器主板并沒有提供AGP或者PCI-E接口，或者需要組建多屏輸出，選購PCI顯卡仍然是最實惠的方式AGP接口

AGP(AccelerateGraphicalPort，加速圖像處理端口)接口是Intel公司開發(fā)的一個視頻接口技術(shù)標準，是為了解決PCI總線的低帶寬而開發(fā)的接口技術(shù)。它通過將圖形卡與系統(tǒng)主內(nèi)存連接起來，在CPU和圖形處理器之間直接開辟了更快的總線。其發(fā)展經(jīng)歷了AGP1.0(AGP1X/2X)、AGP2.0(AGP4X)、AGP3.0(AGP8X)。最新的AGP8X其理論帶寬為2.1Gbit/秒。到2009年，已經(jīng)被PCI-E接口基本取代（2006年大部分廠家已經(jīng)停止生產(chǎn)）。PCIExpress接口

PCIExpress(簡稱PCI-E)是新一代的總線接口，而采用此類接口的顯卡產(chǎn)品，已經(jīng)在2004年正式面世。早在2001年的春季“英特爾開發(fā)者論壇”上，英特爾公司就提出了要用新一代的技術(shù)取代PCI總線和多種芯片的內(nèi)部連接，并稱之為第三代I/O總線技術(shù)。隨后在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在內(nèi)的20多家業(yè)界主導公司開始起草新技術(shù)的規(guī)范，并在2002年完成，對其正式命名為PCIExpress。顯卡基本組成GPU介紹

GPU全稱是GraphicProcessingUnit，中文翻譯為“圖形處理器”。NVIDIA公司在發(fā)GeForce256圖形處理芯片時首先提出的概念。GPU使顯卡減少了對CPU的依賴，并進行部分原本CPU的工作，尤其是在3D圖形處理時。GPU所采用的核心技術(shù)有硬件T&L（幾何轉(zhuǎn)換和光照處理）、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技術(shù)可以說是GPU的標志。GPU的生產(chǎn)主要由nVIDIA與AMD兩家廠商生產(chǎn)。顯存顯存是顯示內(nèi)存的簡稱。其主要功能就是暫時儲存顯示芯片要處理的數(shù)據(jù)和處理完畢的數(shù)據(jù)。圖形核心的性能愈強，需要的顯存也就越多。以前的顯存主要是SDR的，容量也不大。市面上的顯卡大部分采用的是GDDR3顯存，現(xiàn)在最新的顯卡則采用了性能更為出色的GDDR4或GDDR5顯存。顯卡BIOS與驅(qū)動程序之間的控制程序，另外還存有顯示卡的型號、規(guī)格、生產(chǎn)廠家及出廠時間等信息。打開計算機時，通過顯示BIOS內(nèi)的一段控制程序，將這些信息反饋到屏幕上。早期顯示BIOS是固化在ROM中的，不可以修改，而多數(shù)顯示卡則采用了大容量的EPROM，即所謂的FlashBIOS，可以通過專用的程序進行改寫或升級。

顯卡PCB板就是顯卡的電路板，它把顯卡上的其它部件連接起來。功能類似主板。聲卡聲卡(SoundCard)也叫音頻卡（港臺稱之為聲效卡）：聲卡是多媒體技術(shù)中最基本的組成部分，是實現(xiàn)聲波/數(shù)字信號