第2章微型計算機系統(tǒng)的組成

1、第第2章章 微型計算機系統(tǒng)的組成微型計算機系統(tǒng)的組成本章導(dǎo)讀：本章導(dǎo)讀： 重點闡述了微機的中央處理器、存儲器、輸入重點闡述了微機的中央處理器、存儲器、輸入/輸輸出設(shè)備的類型、發(fā)展和主要性能指標。出設(shè)備的類型、發(fā)展和主要性能指標。 重點內(nèi)容：重點內(nèi)容： 計算機軟、硬件系統(tǒng)構(gòu)成、中央處理器的類型、性計算機軟、硬件系統(tǒng)構(gòu)成、中央處理器的類型、性能和指標能和指標 、存儲器的類型、性能和指標輸入、存儲器的類型、性能和指標輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備的類型、性能和指標。的類型、性能和指標。 第第2章章 微型計算機系統(tǒng)的組成微型計算機系統(tǒng)的組成 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.2 中央處理器中央處理器CPU

2、 CPU 2.3 2.3 存儲器存儲器2.4 2.4 總線與輸入總線與輸入/ /輸出輸出 接口電路接口電路2.5 2.5 輸入輸入/ /輸出設(shè)備輸出設(shè)備2.1 概述概述2.1.1 硬件系統(tǒng) 微型計算機的硬件系統(tǒng)主要由CPU、存儲器、系統(tǒng)總線、接口電路及I/O設(shè)備等部件組成。 2.1 概述概述2.1.1 硬件系統(tǒng)（控制器控制器輸入輸入設(shè)備設(shè)備輸出輸出設(shè)備設(shè)備數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流地地 址址控制流控制流運算器運算器光盤驅(qū)動器軟盤驅(qū)動器主機箱顯示器鍵盤鼠標微型計算機工作原理運算（處理） 存儲（記錄） 控制（協(xié)調(diào)）計算機的語言二進制“逢逢 進進，借，借當(dāng)當(dāng) ”十進制十進制=10，可使用，可使用0,1,2,3,4

3、,5,6,7,8,9二進制二進制=2 ，可使用，可使用0,1八進制八進制=8 ，可使用，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六進制十六進制=16 ，可使用，可使用0,9,A,B,C,D,E,F二進制概念128128瓦瓦3232瓦瓦6464瓦瓦1616瓦瓦8 8瓦瓦4 4瓦瓦1 1瓦瓦2 2瓦瓦信息復(fù)制的精確性信息復(fù)制的精確性運算規(guī)則簡單運算規(guī)則簡單電子線路制造計算機成為可能電子線路制造計算機成為可能程序和指令是對計算機進行程序控制的是對計算機進行程序控制的。所有的指令的所有的指令的稱為計算機的稱為計算機的機器指令格式機器指令格式操作碼操作碼 操作數(shù)操作數(shù)機器執(zhí)行什么操作機器執(zhí)行什么操作執(zhí)行對

4、象（具體數(shù)、存放位置）執(zhí)行對象（具體數(shù)、存放位置）是為完成一項特定任務(wù)而用某種語言是為完成一項特定任務(wù)而用某種語言編寫的編寫的。信息的存儲單位位（位（BitBit）：度量數(shù)據(jù)的最小單位）：度量數(shù)據(jù)的最小單位字節(jié)（字節(jié)（ByteByte）：最常用的基本單位）：最常用的基本單位K K 字節(jié)字節(jié)1K = 1024 byte1K = 1024 byteM M（兆）字節(jié)（兆）字節(jié)1M = 1024 K1M = 1024 KG G（吉）（吉） 字節(jié)字節(jié)1G = 1024 M1G = 1024 M T T（太）字節(jié)（太）字節(jié)1T = 1024 G1T = 1024 Gb7 b6 b5 b4 b3 b2 b1

5、 b0=2.1 概述2.1.2 軟件系統(tǒng) 軟件是提高計算機使用效率、擴大計算機功能的程序總稱，它由各種程序和數(shù)據(jù)組成。軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件組成。 在硬件基礎(chǔ)上的系統(tǒng)軟件是對硬件功能的擴充與完善，而操作系統(tǒng)是配置在硬件上的第一層軟件，它是對硬件功能的第一次擴充，從而構(gòu)成了一個比硬件裸機功能更強大、使用更方便的虛擬計算機。所有系統(tǒng)實用程序以及更上層的應(yīng)用程序都在操作系統(tǒng)虛擬機上運行，他們受操作系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和控制。硬件和軟件的整體稱為計算機系統(tǒng)資源，其系統(tǒng)構(gòu)成示意圖見圖2-2。 2.1 概述 軟件 系統(tǒng)軟件 程序設(shè)計語言 應(yīng)用軟件：如軟件包、數(shù)據(jù)庫等 機器語言 匯編語言 高級語言 監(jiān)控程序

6、 操作系統(tǒng) 編輯程序 解釋程序 編譯程序 診斷程序 2.1.2 軟件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機主機外部設(shè)備外部設(shè)備系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件中央處理器中央處理器內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備外存儲器外存儲器操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)語言處理系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)程序系統(tǒng)服務(wù)程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)文字處理軟件文字處理軟件表格處理軟件表格處理軟件輔助設(shè)計軟件輔助設(shè)計軟件實時控制軟件實時控制軟件運算器運算器控制器控制器只讀存儲器只讀存儲器隨機存儲器隨機存儲器2.2 中央處理器CPU 2.2.1 CPU主要指標、技術(shù)和發(fā)展 1、CPU主要性能指標（1）CPU字長

7、：CPU的字長（位數(shù)）通常是指CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度或位數(shù)。它是CPU數(shù)據(jù)處理能力的重要指標。（2）CPU主頻。CPU主頻也叫CPU的工作頻率或CPU內(nèi)部總線頻率，是CPU內(nèi)核（整數(shù)和浮點運算器）電路的實際運行頻率，亦是CPU自身工作頻率。 2.2 中央處理器CPU 2.2.1 CPU主要指標、技術(shù)和發(fā)展 （3）CPU外頻。CPU的外頻也是指CPU從主板上獲得的工作頻率。它是由主板上晶體震蕩電路為CPU提供的基準時鐘頻率，也就是主板的工作頻率。（4）CPU倍頻系數(shù) CPU主頻、外頻和倍頻系數(shù)關(guān)系如下： CPU主頻 = CPU外頻 倍頻系數(shù)（5）前端總線頻率。前端總線（FSB：Front Sid

8、e Bus）指主板芯片組中的北橋芯片與CPU之間傳輸數(shù)據(jù)的通道，因此也可以稱為是CPU的外部總線。2.2 中央處理器CPU 2.2.1 CPU主要指標、技術(shù)和發(fā)展 2、CPU技術(shù)（1）CPU字長：CPU的字長（位數(shù)）通常是指CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)總線寬度或位數(shù)。它是CPU數(shù)據(jù)處理能力的重要指標。（2）CPU主頻。CPU主頻也叫CPU的工作頻率或CPU內(nèi)部總線頻率，是CPU內(nèi)核（整數(shù)和浮點運算器）電路的實際運行頻率，亦是CPU自身工作頻率。 2.2 中央處理器CPU 2.2.1 CPU主要指標、技術(shù)和發(fā)展 2、CPU技術(shù)（4）指令與數(shù)據(jù)分開。經(jīng)典奔騰有兩個高速緩存，一個用于緩存指令，一個用于緩存數(shù)據(jù)，這

9、種把指令與數(shù)據(jù)分開存取結(jié)構(gòu)稱為哈佛結(jié)構(gòu)（5）固化常用指令。奔騰把常用指令，例如把MOV、ADD、INC、DEC、PUSH等指令改用硬件實現(xiàn)，而不用微代碼操作，使指令的運行速度進一步加快。（6）增強的32位數(shù)據(jù)總線。（7）采用PCI局部總線。（8）錯誤檢測及功能冗余校驗技術(shù)。（9）能源效率技術(shù)。（10）支持多重處理。2.2 中央處理器CPU 2.2.1 CPU主要指標、技術(shù)和發(fā)展 3、CPU的發(fā)展 CPU從最初發(fā)展至今已經(jīng)有三十多年的歷史了，這期間，按照其處理信息的字長，CPU可以分為：4位處理器、8位處理器、16位處理器、32位處理器以及64位處理器，可以說個人電腦的發(fā)展是隨著CPU的發(fā)展而前

10、進的，甚至可以說英特爾的發(fā)展史就是CPU的發(fā)展史。2.2 中央處理器CPU 2.2.1 CPU主要指標、技術(shù)和發(fā)展 3、CPU的發(fā)展幾種CPU的外觀圖如下所示。 圖 2-3 4004CPU 圖 2-4 80386 2.2 中央處理器CPU 2.2.1 CPU主要指標、技術(shù)和發(fā)展 3、CPU的發(fā)展幾種CPU的外觀圖如下所示。 圖 2-5 80486 圖 2-6 Pentium Pro 2.2 中央處理器CPU 2.2.1 CPU主要指標、技術(shù)和發(fā)展 3、CPU的發(fā)展幾種CPU的外觀圖如下所示。 圖 2-7 Celeron 圖 2-8 Pentium 4 圖 2-9 Itanium 2.2 中央處

11、理器CPU2.2.2 CPU的基本組成1、控制單元 控制單元（Contral Unit）是硬件系統(tǒng)的控制部件。它能自動、逐條地從內(nèi)存儲器中取出指令，將指令翻譯（轉(zhuǎn)換）成控制信號（電脈沖），并按時間順序和節(jié)拍，發(fā)往其他部件，指揮各部件有條不紊地協(xié)同工作。2運算單元 運算單元（Arithmetic Logic Unit，ALU）又稱為算術(shù)邏輯單元，是負責(zé)處理數(shù)據(jù)的部件。它既能進行加、減、乘、除等算術(shù)運算，又能進行與、或、非、比較等邏輯運算?？梢园阉茸鰯?shù)據(jù)的加工廠。2.2 中央處理器CPU2.2.2 CPU的基本組成3、摩爾定律 在芯片制造技術(shù)中，有一條摩爾定律（Moores Law），即每十八個

12、月集成電路的密度翻一番，表示它的功能要翻一番。摩爾是英特爾公司的創(chuàng)始人之一，20多年來，該定律在業(yè)界一直正確，帶動著微機不停地更新?lián)Q代，總的趨勢是CPU字長“位”數(shù)不斷增多，速度指標“主頻”不斷加快，功能不斷增強，而價格又不斷下降。計算機第一定律摩爾定律單單位位時時間間執(zhí)執(zhí)行行的的指指令令數(shù)數(shù)百萬條百萬條/每秒每秒每每18個月芯片能力增長一倍。個月芯片能力增長一倍。晶體管數(shù)晶體管數(shù)2.3 存儲器2.3.1 存儲器的分類1、按存儲介質(zhì)分類（1）半導(dǎo)體存儲器（2）磁表面存儲器（3）光存儲器2、按存儲器的讀寫功能分類（1）只讀存儲器ROM（2）隨機存儲器RAM2.3 存儲器2.3.1 存儲器的分類3

13、、按信息的可保存性分類（1）非永久性記憶的存儲器。（2）永久性記憶的存儲器4按在微機系統(tǒng)中的作用分類（1）主存儲器（2）輔助存儲器（3）高速緩沖存儲器2.3 存儲器2.3.2 存儲器的基本性能指標1、存儲容量存儲器可以存儲的二進制信息總量稱為存儲容量。存儲容量通常以字節(jié)（B）為單位來表示，對于大容量存儲器還可以用千字節(jié)（KB）、兆字節(jié)（MB）、吉字節(jié)（GB）、太字節(jié)（TB）等表示。其換算關(guān)系為：1KB=210B=1024B1MB=220B=1024KB1GB=230B=1024MB1TB=240B=1024GB2.3 存儲器2.3.2 存儲器的基本性能指標2、存取速度 存儲器的存取速度可以用存

14、取時間和存取周期來衡量。 （1）存取時間。存取時間是指啟動一次存儲器操作到完成該操作所用的時。 （2）存取周期。存取周期是指連續(xù)兩次獨立的存儲器操作之間的最小時間間隔。通常存取周期略大于存取時間，其差別與存儲器的物理實現(xiàn)細節(jié)有關(guān)。3、價格存儲器的價格常用每位的價格來衡量。2.3 存儲器 2.3.3 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 所謂存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，就是把各種不同存儲容量、存取速度和價格的存儲器按層次結(jié)構(gòu)組成多層存儲器，并通過管理軟件和輔助硬件有機組合成統(tǒng)一的整體，使所存放的程序和數(shù)據(jù)按層次分布在各種存儲器中。目前，在計算機系統(tǒng)中通常采用三級層次結(jié)構(gòu)來構(gòu)成存儲系統(tǒng)，主要由高速緩沖存儲器Cache、主存

15、儲器和輔助存儲器組成，如圖2-10所示。 CPU 高 速 緩 存 主 存 儲 器 I/O 控 制 電 路 高 速 緩 存 輔 存 磁 盤 光 盤 磁 帶 圖 2-10 存 儲 系 統(tǒng) 的 多 級 層 次 結(jié) 構(gòu) 2.4 總線與輸入/輸出接口電路 2.4.1 總線 總線：計算機系統(tǒng)中傳輸信息的公共通道。按位置可將總線分為以下三類： （1）片內(nèi)總線：片內(nèi)總線是指在微處理器芯片內(nèi)部各單元之間傳輸信息的總線，它主要用于芯片級的互連。 （2）系統(tǒng)總線：也稱內(nèi)總線，用以實現(xiàn)微機系統(tǒng)與各種擴展插件板之間的相互連接，是微機系統(tǒng)所特有的總線，一般用于模板之間的連接，系統(tǒng)總線有時也稱為板級總線。目前這類總線已基本

16、上實現(xiàn)了標準化，例如STD總線、ISA總線、VESA總線、PCI總線等。在微型計算機主板上的各種擴展插槽都屬于內(nèi)總線。2.4 總線與輸入/輸出接口電路 2.4.1 總線（3）外部總線 這是微型計算機之間或微型計算機與外部設(shè)備之間進行通信的總線，主要用于設(shè)備級的互連。外部總線也稱為通信總線。其種類比較多，通常與特定的設(shè)備有關(guān)，例如：RS-232C總線、RS-458總線、USB總線等。 圖2-11所示即為常見的微型計算機總線層次的典型結(jié)構(gòu)。擴充存儲器打印機接口通信接口網(wǎng)絡(luò)接口儀表接口計算機打印機智能儀表局域網(wǎng)絡(luò)ROMRAMI/O接口CPU內(nèi)總線芯片總線外總線主機板2.4 總線與輸入/輸出接口電路2

17、.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394總線1ISA（Industry Standary Architecture）總線（1）數(shù)據(jù)寬度：16位（2）工作頻率：8MHZ（3）數(shù)據(jù)傳輸率：8Mb/S（4）尋址空間：1M2PCI（Peripheral Component Interconnect）總線（1）數(shù)據(jù)寬度：32位，可擴展到64位（2）工作頻率：33MHZ（3）數(shù)據(jù)傳輸率：133Mb/S2.4 總線與輸入/輸出接口電路2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394總線3、AGP（Advanced Graphics Port）總線 AGP是Intel公司配合

18、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(jié)構(gòu)。（1）數(shù)據(jù)寬度：32位（2）工作頻率：33MHZ或133MHZ（3）數(shù)據(jù)傳輸率：266Mb/S或533Mb/S4、通用串行總線USB（Universal Serial Bus）總線 通用串行總線是一種新型的輸入/輸出總線接口。USB接口為外部設(shè)備提供電源， USB設(shè)備可以起集線器作用，通過集線器可同時連接127臺輸入/輸出設(shè)備。最大數(shù)據(jù)傳輸率為12Mb/S。2.4 總線與輸入/輸出接口電路2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394總線5、IEEE l394總線 IEEE l394是一種連接外部設(shè)備的機外總

19、線，按串行方式通信。這種接口標準允許把計算機、計算機外部設(shè)備（如硬盤、打印機、掃描儀）、各種家電（如數(shù)碼相機、DVD播放機、視頻電話等）非常簡單地連接在一起。2.4 總線與輸入/輸出接口電路2.4.3 輸入/輸出接口電路1、硬盤接口 目前在微機中使用最廣泛的硬盤接口標準是IDE和SCSI標準。（1）IDE由Compaq開發(fā)并由Western Digital公司生產(chǎn)的硬盤控制器接口。它的最大特點是把控制器集成到硬盤驅(qū)動器內(nèi)。（2）EIDE（Enhanced IDE）接口標準。EIDE是Western Digital為取代IDE而開發(fā)的接口標準。采用EIDE接口的微機系統(tǒng)中，己直接將EIDE接口集

20、成在主板上，不再需要單獨的適配卡。2.4 總線與輸入/輸出接口電路2.4.3 輸入/輸出接口電路（3）SCSI（Small Computer System Interface，小型計算機系統(tǒng)接口）接口標準。SCSI由美國國家標準協(xié)會（ANSI）1986年6月公布的接口標準（稱為SCSI-1），1990年又推出了SCSI-2標準?？膳c各種采用SCSI接口標準的外部設(shè)備相連，如硬盤驅(qū)動器、掃描儀、光盤、打印機和磁帶驅(qū)動器等。2.4 總線與輸入/輸出接口電路2.4.3 輸入/輸出接口電路2、RS-232-C接口 RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Ass

21、ociation）制定的一種串行接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標準設(shè)有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般的通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。最大通信距離為15m。串行接口目前最普遍的用途是連接鼠標和調(diào)制解調(diào)器，常被稱為異步通信適配器接口，串行端口插座分為9針或25針兩種。串行接口被賦予專門的設(shè)備名COMl和COM2。2.5 輸入/輸出設(shè)備2.5.1 輸入設(shè)備1、鍵盤 微型機的鍵盤是從英文打字機演變而來的。鍵盤是微型計算機不可缺少的輸入設(shè)備，如圖2-12所示

22、。任何一臺微機首先必須具備一個標準的通用鍵盤，在這個鍵盤上應(yīng)有26個英文字母鍵，“0”到“9”十個阿拉伯?dāng)?shù)字鍵和其他一些功能鍵。圖 2-12 鍵盤 2.5 輸入/輸出設(shè)備2.5.1 輸入設(shè)備2鼠標 由于Windows操作系統(tǒng)的盛行，因此在和計算機溝通方式中，鼠標這類指向裝置便有其重要的地位。鼠標能方便地將光標準確定位在要指定的屏幕位置，很方便地完成各種操作。因此，在Windows操作系統(tǒng)中鼠標是必不可少的輸入設(shè)備。如圖2-13所示。 鼠標分為機械式、光學(xué)式和光學(xué)機械式三種，對鼠標的操作可分為左擊、右擊、雙擊及拖動，這四種不同的操作可以實現(xiàn)不同的功能。 鼠標器最常用接口有3種：串行口、專用鼠標器

23、端口（PS/2）、USB接口。圖 2-13 鼠標 2.5 輸入/輸出設(shè)備2.5.1 輸入設(shè)備3、掃描儀 掃描儀是計算機輸入圖片使用的主要設(shè)備，它內(nèi)部有一套光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，可以把各種圖片信息轉(zhuǎn)換成計算機圖像數(shù)據(jù)，并傳送給計算機，再由計算機進行圖像處理、編輯、存儲、打印輸出或傳送給其他設(shè)備。 按色彩來分，掃描儀分成單色和彩色兩種；按操作方式分，可分為手持式和臺式掃描儀。 掃描儀的主要技術(shù)指標有分辨率、灰度層次、掃描速度等。 掃描儀如圖2-14所示圖 2-14 掃描儀 2.5 輸入/輸出設(shè)備2.5.2 輸出設(shè)備1、顯示設(shè)備（1）CRT顯示器 CRT顯示器可以依顯像管的顏色來分，如單色和彩色，彩色可以顯

24、示彩色，也可以顯示單色。但是，在實際使用中，人們習(xí)慣于以顯示器所連接主機的顯示卡來分。如MDA單色顯示器、CGA彩色顯示器、EGA彩色顯示器、VGA彩色顯示器、TVGA彩色顯示器等。 CRT顯示器如圖2-15所示。圖 2-15 CRT 顯示器 2.5.2 輸出設(shè)備CRT顯示器的主要技術(shù)指標： 屏幕尺寸。指屏幕對角線長度，一般有14、15、17、19、20、21英寸等多個尺寸。 點距：指CRT（陰極射線管）上兩個顏色相同的磷光點之間的距離，單位是mm 像素和分辨率。分辨率指屏幕上像素的數(shù)目，像素是指組成圖像的最小單位，也即上面提到的發(fā)光點。比如，800600的分辨率是說在水平方向上有800個像素

25、，在垂直方向有600個像素。為了控制像素的亮度和彩色深度，每個像素需要很多個二進制位來表示，如果要顯示256種顏色，則每個像素至少需要8位（一個字節(jié)）來表示。 帶寬。帶寬是指每秒鐘電子槍掃描過的圖像點的個數(shù)，以MHz為單位，它表明了顯示器電路可以處理的頻率范圍。2.5 輸入/輸出設(shè)備2.5 輸入/輸出設(shè)備2.5.2 輸出設(shè)備（2）LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）。有低眩目的全平面屏幕，低功耗（和普通監(jiān)視器的100W相比，只有5W）。有源陣列的LCD面板的色彩質(zhì)量實際上超過了大多數(shù)CRT顯示器。LCD顯示器提供比同尺寸CRT顯示器更大的可視圖像，有4種基本的LCD選擇：無源陣列單色、無源陣列彩色、有源陣列模擬彩色和最