計算機基本結(jié)構(gòu)及原理常識-fyf

完整的計算機系統(tǒng)包括兩大部分，即硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件是指構(gòu)成計算機的物理設(shè)備。軟件是指系統(tǒng)中的程序以及開發(fā)、使用和維護程序所需的所有文檔的集合。我們平時講到“計算機”一詞，都是指含有硬件和軟件的計算機系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相輔相成，缺一不可。1硬件系統(tǒng)1.1硬件組成與結(jié)構(gòu)人們通常把內(nèi)存儲器、運算器和控制器合稱為計算機主機。而把運算器、控制器做在一個大規(guī)模集成電路塊上稱為中央處理器，又稱CPU(CentralProcessingUnit)。也可以說主機是由CPU與內(nèi)存儲器組成的，而主機以外的裝置稱為外部設(shè)備，外部設(shè)備包括輸入/輸出設(shè)備，外存儲器等。1.2計算機的5大組成部分詳解

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。運算器又稱算術(shù)邏輯單元，是計算機對數(shù)據(jù)進行加工處理的部件，它的主要功能是對二進制數(shù)碼進行加、減、乘、除等算術(shù)運算和與、或、非等基本邏輯運算，實現(xiàn)邏輯判斷。控制器是用來控制計算機各部件協(xié)調(diào)工作，并使整個處理過程有條不紊地進行。它的基本功能就是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令，然后根據(jù)該指令功能向有關(guān)部件發(fā)出控制命令，執(zhí)行該指令。另外，控制器在工作過程中，還要接受各部件反饋回來的信息。存儲器具有記憶功能，用來保存信息，如數(shù)據(jù)、指令和運算結(jié)果等。輸入／輸出設(shè)備簡稱I／O設(shè)備。用戶通過輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)輸入計算機，輸出設(shè)備將計算機處理的結(jié)果(如數(shù)字、字母、符號和圖形)顯示或打印出來。CPUCPU(CentralPrecessingUnit)即中央處理器，其功能是執(zhí)行算，邏輯運算，數(shù)據(jù)處理，傳四舍五入，輸入/輸出的控制電腦自動，協(xié)調(diào)地完成各種操作。作為整個系統(tǒng)的核心，CPU也是整個系統(tǒng)最高的執(zhí)行單元，因此CPU已成為決定電腦性能的核心部件，很多用戶都以它為標準來判斷電腦的檔次。中央處理器是一塊超大規(guī)模的集成電路，它由運算器，控制器，寄存器等組成,主要負責對數(shù)據(jù)的加工和處理。計算機求解問題是通過執(zhí)行程序來實現(xiàn)的。程序是由指令構(gòu)成的序列，執(zhí)行程序就是按指令序列逐條執(zhí)行指令。一旦把程序裝入主存儲器（簡稱主存）中，就可以由CPU自動地完成從主存取指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。計算機的性能在很大程度上由CPU的性能所決定，而CPU的性能主要體現(xiàn)在其運行程序的速度上。影響運行速度的性能指標包括CPU的工作頻率、Cache(緩存)容量、指令系統(tǒng)和邏輯結(jié)構(gòu)等參數(shù)。（1）主頻也叫時鐘頻率，單位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用來表示CPU的運算、處理數(shù)據(jù)的速度。通常，主頻越高，CPU處理數(shù)據(jù)的速度就越快。（2）緩存大小也是CPU的重要指標之一，而且緩存的結(jié)構(gòu)和大小對CPU速度的影響非常大，CPU內(nèi)緩存的運行頻率極高，一般是和處理器同頻運作，工作效率遠遠大于系統(tǒng)內(nèi)存和硬盤。實際工作時，CPU往往需要重復讀取同樣的數(shù)據(jù)塊，而緩存容量的增大，可以大幅度提升CPU內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)的命中率，而不用再到內(nèi)存或者硬盤上尋找，以此提高系統(tǒng)性能。但是由于CPU芯片面積和成本的因素來考慮，緩存都很小。1.2.2存儲器（內(nèi)/外）存儲器分為主存儲器和輔助存儲器，主存儲器又稱內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存），輔助存儲器又稱外存儲器。（1）內(nèi)部存儲器存儲器的功能是用來存儲程序和數(shù)據(jù)。存儲器的存儲容量以字節(jié)為基本單位，每個字節(jié)都有自己的編號，稱為“地址”，如要訪問存儲器中的某個信息，就必須知道它的地址，然后再按地址存入或取出信息。（如同房間編號）只讀存儲器ROM，通常存放固定不變的程序、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)軟件；存儲的信息只能讀出(取出)，不能改寫(存入)，由廠家在生產(chǎn)芯片時，固化在里面；斷電后信息不會丟失。隨機存儲器RAM，里面的內(nèi)容內(nèi)容可以隨時讀出或?qū)懭耄珨嚯姾髢?nèi)容會消失（易失性存儲器），即為我們通常所說的內(nèi)存，是溝通CPU與硬盤之間的橋梁。在所有存儲器中，存取速度最快，俗稱內(nèi)存條。它直接與CPU相連接，存儲容量較小，但速度快，用來存放當前運行程序的指令和數(shù)據(jù)，并直接與CPU交換信息。如果不特別說明，我們通常所說的內(nèi)存所指為隨機存儲器RAM內(nèi)部存儲器,主存，內(nèi)存外部存儲器，輔存，外存訪問速度快訪問速度慢信息暫時性信息永久性容量小容量大相對價格高相對價格低（2）外部存儲器：外存儲器又稱輔助存儲器(簡稱輔存)，外存存儲容量大，價格低，但存儲速度較慢，一般用來存放大量暫時不用的程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，需要時可成批地和內(nèi)存進行信息交換。主要包括軟盤、硬盤、光盤、U盤。1.2.3輸入設(shè)備1.2.4輸出設(shè)備1.3主板(各功能)介紹部件載體。電腦重要的部件CPU、內(nèi)存、芯片組和功能卡等都安插在主板的插座和插口上，通過主板上的接口連接鍵盤、鼠標、顯示器、音箱、打印機等外部設(shè)備。溝通部件，主板上有密密麻麻的線路，負責各個部件之間的信息傳輸。1.3.1CPU插座1.3.2主板芯片組主板芯片組（Chipset）是主板的核心組成部分，可以比作CPU與周邊設(shè)備溝通的橋梁。按芯片數(shù)量可分為單芯片芯片組，標準的南、北橋芯片組【其中北橋芯片起著主導性的作用，也稱為主橋（HostBridge）?！浚?）北橋芯片提供對CPU類型和主頻的支持、系統(tǒng)高速緩存的支持、主板的系統(tǒng)總線頻率、內(nèi)存管理（內(nèi)存類型、容量和性能）、顯卡插槽規(guī)格，ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯等支持；（2）南橋芯片提供了對I/O的支持，提供對KBC（鍵盤控制器）、RTC（實時時鐘控制器）、USB（通用串行總線）、UltraDMA/33(66)EIDE數(shù)據(jù)傳輸方式和ACPI（高級能源管理）等的支持。以及決定擴展槽的種類與數(shù)量、擴展接口的類型和數(shù)量（如USB2.0/1.1，IEEE1394，串口，并口，筆記本的VGA輸出接口）等；1.3.3內(nèi)存插槽目前流行的內(nèi)存條有DDRSDRAM、DDR2SDRAM和DDR3SDRAM。1.3.4BIOS單元BIOS是英文"BasicInputOutputSystem"的縮略語，直譯過來后中文名稱就是"基本輸入輸出系統(tǒng)"。其實，它是一組固化到計算機內(nèi)主板上一個ROM芯片上的程序，它保存著計算機最重要的基本輸入輸出的程序、系統(tǒng)設(shè)置信息、開機后自檢程序和系統(tǒng)自啟動程序。其主要功能是為計算機提供最底層的、最直接的硬件設(shè)置和控制。BIOS設(shè)置程序是儲存在BIOS芯片中的，BIOS芯片是主板上一塊長方型或正方型芯片，只有在開機時才可以進行設(shè)置。主板上的BIOS芯片或許是主板上唯一貼有標簽的芯片，一般它是一塊32針的雙列直插式的集成電路，上面印有"BIOS"字樣。1.3.5電源插座1.3.6外部接口（I/O接口背板）2軟件系統(tǒng)計算機軟件(ComputerSoftware)是指計算機系統(tǒng)中的程序、數(shù)據(jù)及其文檔。程序是計算任務(wù)的處理對象和處理規(guī)則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料。程序必須裝入機器內(nèi)部才能工作，文檔一般是給人看的，不一定裝入機器。計算機軟件總體分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。2.1系統(tǒng)軟件一般來講，系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和一系列基本的工具（比如編譯器，數(shù)據(jù)庫管理，存儲器格式化，文件系統(tǒng)管理，用戶身份驗證，驅(qū)動管理，網(wǎng)絡(luò)連接等方面的工具）。2.2應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是為了某種特定的用途而被開發(fā)的軟件。它可以是一個特定的程序，比如一個圖像瀏覽器。也可以是一組功能聯(lián)系緊密，可以互相協(xié)作的程序的集合，比如微軟的Office軟件。也可以是一個由眾多獨立程序組成的龐大的軟件系統(tǒng)，比如數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。3計算機總線總線（Bus）是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導線組成的傳輸線束，按照計算機所傳輸?shù)男畔⒎N類，計算機的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號。總線是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是cpu、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統(tǒng)。如果說主板（MotherBoard）是一座城市，那么總線就像是城市里的公共汽車（bus），能按照固定行車路線，傳輸來回不停運作的比特（bit）。這些線路在同一時間內(nèi)都僅能負責傳輸一個比特。因此，必須同時采用多條線路才能傳送更多數(shù)據(jù)，而總線可同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)就稱為寬度（width），以比特為單位，總線寬度愈大，傳輸性能就愈佳?？偩€的帶寬（即單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)數(shù)）為：總線帶寬=頻率x寬度（Bytes/sec）。當總線空閑（其他器件都以高阻態(tài)形式連接在總線上）且一個器件要與目的器件通信時，發(fā)起通信的器件驅(qū)動總線，發(fā)出地址和數(shù)據(jù)。其他以高阻態(tài)形式連接在總線上的器件如果收到（或能夠收到）與自己相符的地址信息后，即接收總線上的數(shù)據(jù)。發(fā)送器件完成通信，將總線讓出（輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)）。3.1總線劃分總線按功能和規(guī)范可分為五大類型:（摘自百度百科：/view/1389.htm）數(shù)據(jù)總線（DataBus）：在CPU與RAM之間來回傳送需要處理或是需要儲存的數(shù)據(jù)。地址總線（AddressBus）：用來指定在RAM（RandomAccessMemory）之中儲存的數(shù)據(jù)的地址?？刂瓶偩€（ControlBus）：將微處理器控制單元（ControlUnit）的信號，傳送到周邊設(shè)備，一般常見的為

USBBus和1394Bus。擴展總線（ExpansionBus）：可連接擴展槽和電腦。局部總線（LocalBus）：取代更高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄U展總線。其中的數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）、地址總線AB（AddressBus）和控制總線CB（ControlBus）系統(tǒng)總線，也統(tǒng)稱為系統(tǒng)總線，即通常意義上所說的總線。有的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線和地址總線是復用的，即總線在某些時刻出現(xiàn)的信號表示數(shù)據(jù)而另一些時刻表示地址；而有的系統(tǒng)是分開的。51系列單片機的地址總線和數(shù)據(jù)總線是復用的，而一般PC中的總線則是分開的?！皵?shù)據(jù)總線DB”用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，即他既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲器或I/O接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計算機的一個重要指標，通常與微處理的字長相一致。例如Intel8086微處理器字長16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。需要指出的是，數(shù)據(jù)的含義是廣義的，它可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以是指令代碼或狀態(tài)信息，有時甚至是一個控制信息，因此，在實際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數(shù)據(jù)。常見的數(shù)據(jù)總線為ISA、EISA、VESA、PCI等?！暗刂房偩€AB”是專門用來傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲器或I/O端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，比如8位微機的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為2^16=64KB，16位微型機（x位處理器指一個時鐘周期內(nèi)微處理器能處理的位數(shù)（1、0）多少，即字長大?。┑牡刂房偩€為20位，其可尋址空間為2^20=1MB。一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2^n字節(jié)?！翱刂瓶偩€CB”用來傳送控制信號和時序信號?？刂菩盘栔?，有的是微處理器送往存儲器和I/O接口電路的，如讀/寫信號，片選信號、中斷響應(yīng)信號等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請信號、復位信號、總線請求信號、設(shè)備就緒信號等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號而定，(信息)一般是雙向的，控制總線的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實際控制需要而定。實際上控制總線的具體情況主要取決于CPU。按照傳輸數(shù)據(jù)的方式劃分，可以分為串行總線和并行總線。串行總線中，二進制數(shù)據(jù)逐位通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送到目的器件；并行