大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)：第3章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成和基本工作原理第2次課

1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成2.計(jì)算機(jī)的邏輯組成3.馮·諾依曼的設(shè)計(jì)思想4.微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)5.CPU的主要技術(shù)參數(shù)復(fù)習(xí)上節(jié)課內(nèi)容：13.3.2微機(jī)主板及其主要部件主板（又稱系統(tǒng)板、母板）2ATX主板規(guī)范兩個標(biāo)準(zhǔn)（了解）BTX主板規(guī)范3主板上都有什么？PCI總線插槽BIOS芯片南橋鋰電池CPU插座北橋內(nèi)存條插槽4

集中了主板上幾乎所有的控制功能，把以前復(fù)雜的控制電路和元件最大限度地集成在幾個芯片內(nèi)，是構(gòu)成主板電路的核心。一定意義上講，它決定了主板性能的好壞。★按照在主板上排列的位置不同，通常分為：（1）芯片組主板的靈魂常見型號：Intel975、Intel965、Intel955等。5①北橋芯片:通常在主板上靠近CPU插槽的位置。主板性能的高低主要由北橋芯片決定。②南橋芯片:通常靠近PCI總線插槽的位置。主板功能的多少，往往取決于南橋芯片與主板上的一些專用芯片。③BIOS芯片：將決定主板兼容性的好壞。主橋CPU類型不同，通常需要不同的芯片組。注意：6操作系統(tǒng)的最底層部分的可執(zhí)行程序代碼代碼存放在只讀存儲器芯片(ROM)中，故稱為BIOS芯片BIOS芯片電池CMOS芯片（2）BIOS（BasicInput/OutputSystem）7

BIOS主要包含4部分程序:POST程序基本外圍設(shè)備的驅(qū)動程序系統(tǒng)裝入程序CMOS設(shè)置程序一般情況下是不能被修改的!8①

POST（PowerOnSelfTest，加電自檢）程序。當(dāng)接通微機(jī)的電源時，系統(tǒng)將首先執(zhí)行BIOS的POST程序，測試系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài)是否正常，確定計(jì)算機(jī)的下一步操作。9③系統(tǒng)裝入（自舉）程序。當(dāng)自檢完成后，若系統(tǒng)無致命錯誤，將轉(zhuǎn)入BIOS的下一步驟：執(zhí)行BIOS中的裝入程序。自舉程序讀出引導(dǎo)程序，然后將控制權(quán)交給引導(dǎo)程序，由引導(dǎo)程序繼續(xù)啟動操作系統(tǒng)。②基本外圍設(shè)備的驅(qū)動程序。也稱“驅(qū)動程序”，他們必須預(yù)先存放在ROM中，成為BIOS的組成部分，因?yàn)殒I盤、顯示器、軟驅(qū)和硬盤等外圍設(shè)備在自舉時都需要工作。10④CMOS設(shè)置程序系統(tǒng)在加電時，BIOS的自舉程序讀取CMOS信息，初始化機(jī)器各部件的狀態(tài)。

CMOS靠系統(tǒng)電源或主板上的后備電池供電，系統(tǒng)掉電后，其信息不會丟失。按住熱鍵設(shè)置，機(jī)器啟動時屏幕上有提示。11BIOS程序修改CMOS中的參數(shù)BIOS是一段可執(zhí)行程序代碼；CMOS中存儲了重要參數(shù)

通過CMOS設(shè)置程序（BIOS中的一段）可以對CMOS芯片中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。注意：CMOS芯片與BIOS芯片的關(guān)系。CMOS設(shè)置程序是BIOS的一部分。POST程序系統(tǒng)裝入程序基本外圍設(shè)備的驅(qū)動程序CMOS設(shè)置程序123.3.3存儲器的層次結(jié)構(gòu)內(nèi)存儲器：按與主機(jī)的關(guān)系，存儲器可以分為：直接與CPU交換信息。在主機(jī)內(nèi)部，存放當(dāng)前運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)；存取速度快、容量?。挥煞Q為存儲器芯片的半導(dǎo)體集成電路組成。133.3.3存儲器的層次結(jié)構(gòu)按與主機(jī)的關(guān)系，存儲器可以分為：外存儲器：不能直接與CPU交換信息。在主機(jī)外部，存放當(dāng)前暫時不用的信息；存取速度慢、容量大；3.4節(jié)詳細(xì)介紹使用磁介質(zhì)記錄信息。14內(nèi)存儲器（內(nèi)存、主存）的組成：內(nèi)存儲器SRAMDRAMRAMROM15①只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）通常存放固定不變不需修改的程序，如BIOS程序。注意：并不是所有的ROM都是“ReadOnly”，這里只是沿用歷史名稱。斷電后，其中的信息不丟失。ROM掩膜式ROM可編程ROM（PROM）可擦除PROM（EPROM）快擦除存儲器（FlashROM）電可擦除PROM（EEPROM）BIOS存儲器、MP3、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)……16②隨機(jī)存取存儲器RAM(RandomAccessMemory)只能在電源電壓正常時才能工作，其中的信息可以隨時改寫，斷電后，里面的信息會丟失。既能讀出也能寫入，存放用戶程序和數(shù)據(jù)。17動態(tài)隨機(jī)存儲器(DynamicRAM)：

集成度高、功耗低，成本低；

內(nèi)存條通常使用這種動態(tài)RAM；

動態(tài)：指內(nèi)存需持續(xù)地存取。SRAMDRAMRAM分類：靜態(tài)隨機(jī)存儲器(StaticRAM)：

采用了與制作CPU相同的半導(dǎo)體工藝；運(yùn)行速度快、集成度低，功耗大，容量小，價格高；適用于各級緩存；靜態(tài)：內(nèi)存資料不需持續(xù)地存取，相對DRAM而言。18具體工作：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)裝載程序時，先加載一部分?jǐn)?shù)據(jù)到內(nèi)存條中以供程序運(yùn)行使用。內(nèi)存條內(nèi)存是僅次于CPU的決定計(jì)算機(jī)性能的一個重要標(biāo)志。金手指內(nèi)存芯片PCB塑膠板19微機(jī)中所用的內(nèi)存條發(fā)展情況：SDRAMDDR(DoubleDataRate)SDRAMDDRⅡDDRⅢ同一時鐘周期內(nèi)，DDRSDRAM能傳輸兩次數(shù)據(jù)，而SDRAM只能傳輸一次數(shù)據(jù)。同一時鐘周期內(nèi)，DDRⅡ傳輸四次數(shù)據(jù)性能指標(biāo)①容量：一般為1G、2G。②類型：DDR、DDRⅡ、DDRⅢ20SDRAMDDRDDRⅡ

2個缺口

1個缺口

1個缺口

168pin

184pin

240pin外觀區(qū)別：21實(shí)例322Cache（SRAM）存儲控制器CPU內(nèi)存條（DRAM）將內(nèi)存中經(jīng)常被CPU訪問到的那部分程序的內(nèi)容拷貝到Cache存儲器中（該工作由系統(tǒng)自動完成），以后CPU執(zhí)行這部分程序時，可以用較快的速度從Cache中存取。高速緩沖存儲器Cache23訪問順序：

CPU讀取數(shù)據(jù)時先訪問Cache后訪問內(nèi)存條。

Cache介于內(nèi)存條和CPU之間，速度快、容量小。24

Intel從Pentium開始將Cache分開，通常分為一級高速緩存L1和二級高速緩存L2。注意：目前CPU的L1Cache與L2Cache惟一區(qū)別在于讀取順序：先讀取L1后讀取L2。Cache25為了保證CPU訪問時有較高的命中率，Cache中的內(nèi)容應(yīng)該按一定的算法替換。一種較常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算法），它是將最近一段時間內(nèi)最少被訪問過的淘汰出局。Cache命中Cache命中：CPU在Cache中找到要讀取的數(shù)據(jù)Cache缺失：Cache中沒有CPU所需的數(shù)據(jù)時，

CPU才訪問內(nèi)存。26小結(jié)：ROM內(nèi)存儲器SRAMDRAMRAMBIOS存儲器Cache內(nèi)存條27容量<1KB幾MB幾GB幾GB~1TB時間1ns2ns10ns10msCPU寄存器Cache存儲總線主存儲器（內(nèi)存條）I/O總線外存(U盤、硬盤等)內(nèi)存存儲器外存儲器微機(jī)存儲器層次結(jié)構(gòu)End3.3.3283.3.4I/O操作、I/O控制器與I/O端口I/O操作I/O控制器I/O端口29對I/O設(shè)備的讀寫操作（1）I/O操作①什么叫I/O操作？CPU與I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的操作②I/O操作有哪些特點(diǎn)？速度差異大信號類型不同信息格式不同與微機(jī)系統(tǒng)連接方式各不相同差異如此多，如何管理呢？30正因?yàn)镮/O設(shè)備的多樣性及I/O操作的差異性，外設(shè)與CPU相連，必須通過中間環(huán)節(jié)——I/O接口電路實(shí)現(xiàn)信息交換，也稱I/O控制器。

中央處理器內(nèi)存儲器系統(tǒng)總線I/O控制器外存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備I/O控制器I/O控制器I/O端口I/O端口外存儲器接口主機(jī)外設(shè)（2）I/O控制器31①傳送數(shù)據(jù)提供緩沖功能，用以協(xié)調(diào)主機(jī)與外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳輸速度的差異。②

提供主機(jī)與外設(shè)間有關(guān)信息的相容性變換。③

反映外設(shè)當(dāng)前的工作狀態(tài)、接收CPU的控制信號。④

數(shù)據(jù)輸入、輸出功能。在CPU和外設(shè)間提供雙向的數(shù)據(jù)傳送，這是I/O控制器的最基本功能。⑤

進(jìn)行設(shè)備選擇。判斷當(dāng)前CPU啟動的是否是與該控制器所連接的外設(shè)。主要有以下功能：32

I/O設(shè)備和I/O控制器要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，必須通過插頭/插座。把用于連接各種I/O設(shè)備的各種插頭/插座，統(tǒng)稱為I/O端口（也稱I/O接口，I/OPort）。（3）I/O端口并行接口USB接口串行接口鍵盤接口鼠標(biāo)接口音源插口33

I/O總線是各類I/O控制器與CPU、存儲器之間相互交換信息、傳輸數(shù)據(jù)的一組公用信號線，這些信號線與主板上擴(kuò)充槽中的各種I/O控制器（擴(kuò)展卡）直接連接。鍵盤鼠標(biāo)器打印機(jī)顯示器麥克風(fēng)…I/O總線I/O端口硬盤，光驅(qū)I/O設(shè)備CPU主板I/O設(shè)備I/O控制器（擴(kuò)展卡）機(jī)箱插座板卡插座I/O控制器PCI插槽內(nèi)存主板插槽機(jī)箱芯片組IDE接口34I/O端口分類從數(shù)據(jù)傳輸方式來分：串行（一次只傳輸1位）并行（8位或者16位、32位一起進(jìn)行傳輸）從數(shù)據(jù)傳輸速率來分：高速、低速從是否能連接多個設(shè)備來分：總線式（可連接多個設(shè)備，被多個設(shè)備共享）獨(dú)占式（只能連接1個設(shè)備）從是否符合標(biāo)準(zhǔn)來分：標(biāo)準(zhǔn)接口（通用接口）專用接口（專用接口）35串行傳輸36并行傳輸37通用串行總線式接口（UniversalSerialBus）高速、可連接多個設(shè)備、串行傳輸傳輸速率：USB1.1版：1.5Mb/s和12Mb/sUSB2.0版：高達(dá)480Mb/s即插即用USB把不同的接口統(tǒng)一起來，使用一個4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭，將取代當(dāng)前PC上的串口和并口。USB接口End3.3.4383.3.5微機(jī)總線總線分類總線性能總線標(biāo)準(zhǔn)39（1）總線分類按照層次結(jié)構(gòu)分為：

片內(nèi)總線：用于連接CPU內(nèi)部的各個組成部件；

片總線：各種板卡上實(shí)現(xiàn)芯片間相互連接的總線；

系統(tǒng)總線：I/O控制器與CPU、存儲器之間相互交換信息、傳輸數(shù)據(jù)的信號線；

外部總線：用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的通信，也稱通信總線。

按照系統(tǒng)總線上傳遞信號類型不同分為：地址總線、控制總線、數(shù)據(jù)總線40總線最重要的性能是它的數(shù)據(jù)傳輸速率,稱為總線帶寬,指單位時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量。（2）總線的性能總線帶寬(MB/s)＝(總線位寬/8)×總線工作頻率(MHz)總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，如32位、64位。41（3）系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)ISA、EISA、MCA（了解）PCI總線擴(kuò)展插槽，一般為乳白色可插接顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等等名副其實(shí)的“萬用”擴(kuò)展插槽AGP（加速圖形端口）在PCI總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的通常都是棕色專門用于掛接顯卡42注意：有些I/O控制器和總線都集成在主板上。End3.343總結(jié)1.CPU的主要技術(shù)參數(shù)2.微機(jī)的主板（芯片組、BIOS、CMOS）3.存儲器的層次結(jié)構(gòu)（ROM、RAM、Cache）4.I/O操作、I/O控制器和I/O端口5.微機(jī)總線（分類、性能、PCI總線）443.4.1外部存儲器軟盤存儲器硬盤存儲器移動存儲光盤存儲器3.4微型計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備45PC機(jī)中的外存儲器硬盤存儲器軟盤驅(qū)動器CD-ROM驅(qū)動器46（1）軟盤存儲器47軟盤片軟盤驅(qū)動器軟盤控制器3.5英寸軟盤片

CPU與軟盤驅(qū)動器的接口電路，通常集成在主板的芯片組中。

3.5英寸軟驅(qū)軟盤存儲器組成：48作用：長期保存各類信息特點(diǎn)：可讀可寫，便于攜帶，容量小寫保護(hù)口讀寫窗口軸盤連接孔軟盤片（floppydisk）49未寫保護(hù)寫保護(hù)50磁盤存儲器的信息存儲原理磁頭，用于寫入和讀出信息“0”“1”盤片旋轉(zhuǎn)方向磁盤片51使用注意52每條磁道有若干扇區(qū)磁盤表面有若干磁道每個磁道都有一個編號，最外面的是0磁道磁盤的磁道和扇區(qū)格式化作用：劃分磁道和扇區(qū)清除原有的全部信息53共2個記錄面（雙面記錄）每個記錄面80個磁道

(編號:0-79)每個磁道劃分為18個扇區(qū)

(編號:1-18)每個扇區(qū)的存儲容量為512字節(jié)3.5英寸軟盤片存儲容量的計(jì)算所以，每張盤片的總存儲容量為存儲容量=28018

512=1.44MB54（2）硬盤存儲器55內(nèi)容提要硬盤組織結(jié)構(gòu)硬盤格式化硬盤接口標(biāo)準(zhǔn)硬盤的主要性能指標(biāo)5657

1973年，IBM推出第一臺采用“溫徹斯特(Winchester)”技術(shù)的硬盤：密封、固定、高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片，磁頭沿盤片徑向移動，磁頭懸浮在高速旋轉(zhuǎn)盤片上方(0.01μm），不與盤片直接接觸。IBM3340硬盤的誕生58磁盤片前置控制電路磁頭組件硬盤組織結(jié)構(gòu)59硬盤包含多張盤片（1～5）每個盤片有兩個記錄面60每條磁道有若干扇區(qū)（100多個）每個記錄面有若干磁道（1000條以上）信息記錄格式與軟盤相同，按磁道和扇區(qū)進(jìn)行存儲，但磁道和扇區(qū)數(shù)目要多得多61所有記錄面中半徑相同的所有磁道稱為柱面62存儲容量=每扇區(qū)字節(jié)數(shù)*每道扇區(qū)數(shù)*磁道數(shù)*磁頭數(shù)目前，硬盤的存儲容量一般為幾十～幾百GB。每個扇區(qū)存儲128*2N（N＝0,1,2,3）字節(jié)二進(jìn)制數(shù)據(jù)硬盤存儲容量的計(jì)算：63低級格式化：在每個磁盤片上劃分出磁道扇區(qū)；物理格式化；一般在出廠前已經(jīng)完成了這項(xiàng)工作；對硬盤壽命有一定的負(fù)面影響。高級格式化：我們平時所用的Windows下的格式化；清除硬盤上的數(shù)據(jù)，生成引導(dǎo)信息；初始化FAT表，標(biāo)注邏輯壞道等。硬盤格式化64PC前幾年大多使用IDE(也稱ATA):

用一根電纜將它們與主板或接口卡連起來

ATA-1、ATA-2、ATA-3、ATA-4(UltraATA)硬盤接口標(biāo)準(zhǔn)：IDE接口65近幾年開始大量采用SATA接口66SCSI

SCSI接口并不是為硬盤而設(shè)計(jì)的接口，是一種總線型的系統(tǒng)接口，它可以同時掛接各種不同的設(shè)備。SCSI接口的優(yōu)勢在于支持多種設(shè)備；傳輸速率比ATA接口高；獨(dú)立的總線使得SCSI設(shè)備的CPU占用率很低。所以，SCSI更多地被用于服務(wù)器等高端應(yīng)用場合。此種接口的硬盤較貴。光纖通道熱插拔、高速、高帶寬67硬盤主要性能指標(biāo)存儲容量（單位：GB）轉(zhuǎn)速硬盤內(nèi)電機(jī)主軸的轉(zhuǎn)動速度，即每分鐘盤片旋轉(zhuǎn)次數(shù)。主流硬盤的轉(zhuǎn)速為7200RPM。SCSI硬盤的主軸轉(zhuǎn)速一般可達(dá)7200~10,000RPM。68平均訪問時間硬盤找到數(shù)據(jù)所在扇區(qū)所需要的平均時間。約為：平均等待時間＋平均尋道時間平均等待時間：數(shù)據(jù)所在扇區(qū)轉(zhuǎn)到磁頭下的平均時間；約3ms～6ms,一般取盤片旋轉(zhuǎn)周期的一半平均尋道時間：磁頭移動到數(shù)據(jù)所在磁道所需要的平均時間；約5ms～10ms。磁頭磁道旋轉(zhuǎn)軸碟片69數(shù)據(jù)傳輸速率（DTR，DataTransferRate）單位MB/s

外部傳輸速率:

也稱接口傳輸速率，主機(jī)向硬盤緩沖讀寫數(shù)據(jù)的速度；

內(nèi)部傳輸速率：硬盤在盤片上讀寫數(shù)據(jù)的速度，是評價硬盤整體性能的決定性因素。硬盤自帶Cache的容量：

容量越大，存取信息速度越快，如8MB、16MB。70實(shí)例171使用硬盤應(yīng)注意什么?正在對硬盤讀寫時不能關(guān)掉電源；保持使用環(huán)境的清潔衛(wèi)生，注意防塵；控制環(huán)境溫度，防止高溫、潮濕和磁場的影響；防止硬盤受震動，工作時不要移動機(jī)器；及時對硬盤內(nèi)容進(jìn)行整理，包