四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)本節(jié)重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成難點(diǎn)：1.計(jì)算機(jī)硬件的基本組成及原理2.馮.諾依曼計(jì)算機(jī)的工作原理本節(jié)主要內(nèi)容一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)二、計(jì)算機(jī)的硬件基本組成

一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本構(gòu)成1、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)簡介

1945年美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼(VonNeumann)為美軍研制了電子離散變量自動(dòng)計(jì)算機(jī)（EDVAC），采用了二進(jìn)制數(shù)，并創(chuàng)立了“存儲(chǔ)程序式”的設(shè)計(jì)思想，EDVAC被認(rèn)為是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的原型。目前的計(jì)算機(jī)工作原理都是基于馮·諾依曼提出的“存儲(chǔ)過程控制”的原理。計(jì)算機(jī)根據(jù)程序中的指令來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)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(fù)始，直到程序執(zhí)行完畢。

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

⑴采用二進(jìn)制數(shù)的形式表示數(shù)據(jù)和指令。

⑵能存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，并能自動(dòng)控制程序的執(zhí)行⑶計(jì)算機(jī)硬件由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)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(xiàn)是2點(diǎn)：2進(jìn)制思想與程序內(nèi)存思想其工作原理的核心是“程序存儲(chǔ)”和“程序控制”。馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機(jī)外部設(shè)備中央處理器（CPU）主板內(nèi)存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器RAM（內(nèi)存）ROM輸入設(shè)備：（鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等）輸出設(shè)備：（顯示器、打印機(jī)等）外存儲(chǔ)器硬盤光盤U盤軟盤操作系統(tǒng)：（DOS、Windows、Unix等）程序設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成二、計(jì)算機(jī)的硬件基本組成主機(jī)主機(jī)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(jì)算機(jī)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(biāo)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(kuò)展槽的種類與數(shù)量、擴(kuò)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(jì)算機(jī)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(shí)候，它和電解電容的壽命同樣為2000小時(shí)，在溫度降低后，它們的壽命會(huì)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(gè)時(shí)候固態(tài)電容的壽命可能會(huì)達(dá)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(jì)算機(jī)的核心部件，由運(yùn)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(jì)算機(jī)各部件自動(dòng)協(xié)調(diào)地工作。計(jì)算機(jī)工作時(shí)，由CPU控制，將數(shù)據(jù)由輸入設(shè)備傳送到存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，再將要參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中取出送往CPU處理，最后將計(jì)算機(jī)處理的信息由輸出設(shè)備輸出。CPU的性能指標(biāo)主要有字長和時(shí)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(jìn)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(shí)鐘的“嘀嗒”的意思，一個(gè)嘀嗒代表著一秒，而在Intel的處理器發(fā)展戰(zhàn)略上，每一個(gè)嘀嗒代表著2年一次的工藝制程進(jìn)步。每個(gè)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)行，一方面避免了同時(shí)革新可能帶來的失敗風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)持續(xù)的發(fā)展也可以降低研發(fā)的周期，并可以對(duì)市場(chǎng)造成持續(xù)的刺激，并最終提升產(chǎn)品的競(jìng)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(jìn)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(chǎng)已經(jīng)沒有競(jìng)爭對(duì)手。Z77、Z75、H77三款消費(fèi)級(jí)芯片組，另有Q77、Q75、B75三款商用芯片組。消費(fèi)級(jí)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(yùn)算器計(jì)算機(jī)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件，由算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ArithmeticLogicUnit，簡稱ALU）和加法器及通用寄存器構(gòu)成。主要負(fù)責(zé)對(duì)各類信息進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算及邏輯運(yùn)算。工作時(shí)運(yùn)算器不斷地從存儲(chǔ)器中得到要加工的數(shù)據(jù)，運(yùn)算后將結(jié)果送回存儲(chǔ)器中。主要由指令寄存器、譯碼器、程序計(jì)數(shù)器、操作控制器等組成，是計(jì)算機(jī)的指揮中心，根據(jù)指令控制計(jì)算機(jī)的各部件在它的指揮下協(xié)調(diào)工作。自動(dòng)地、有序地從存儲(chǔ)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(hào)指揮各執(zhí)行部件工作。（2）、控制器（ControlUnit）

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

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

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

不能寫入信息

存儲(chǔ)的信息不會(huì)因斷電而丟失。（3）、高速緩沖存儲(chǔ)器Cache

常見內(nèi)存條的型號(hào)(1)SDRAM（SynchronousDRAM，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(chǔ)器外存儲(chǔ)器又稱輔助存儲(chǔ)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(kuò)展槽總線是計(jì)算機(jī)中的傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)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(chǔ)器硬件的金字塔結(jié)構(gòu)寄存器高速緩存主存儲(chǔ)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(chǔ)設(shè)備軟盤硬磁盤磁帶及磁帶機(jī)光盤外部存儲(chǔ)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理磁盤旋轉(zhuǎn)，形成相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)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(chǔ)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理外部存儲(chǔ)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(chǔ)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理軟盤外觀（圖示）金屬片滑門驅(qū)動(dòng)磁盤旋轉(zhuǎn)的卡子寫保護(hù)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(hù)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(jī)中使用的磁帶有點(diǎn)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(diǎn)磁化，而讀的過程則將磁頭下方磁道上那一點(diǎn)的磁化信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過電信號(hào)的強(qiáng)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(gè)磁道，每個(gè)磁道又被分為18個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)占512個(gè)字節(jié)，合起來總?cè)萘縿偤脼?.44M。寫保護(hù)及其原理外部存儲(chǔ)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)人電腦最基本組成部分之一。顯卡的用途是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需要的顯示信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)，并向顯示器提供行掃描信號(hào)，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和個(gè)人電腦主板的重要元件，是“人機(jī)對(duì)話”的重要設(shè)備之一。顯卡作為電腦主機(jī)里的一個(gè)重要組成部分，承擔(dān)輸出顯示圖形的任務(wù)，對(duì)于從事專業(yè)圖形設(shè)計(jì)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(dǎo)體)和Nvidia(英偉達(dá))2家。數(shù)據(jù)（data）一旦離開CPU，必須通過4個(gè)步驟，最后才會(huì)到達(dá)顯示屏：

1．從總線（bus）進(jìn)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(jìn)行處理。2．從videochipset（顯卡芯片組）進(jìn)入videoRAM（顯存）：將芯片處理完的數(shù)據(jù)送到顯存。3．從顯存進(jìn)入DigitalAnalogConverter（=RAMDAC，隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)數(shù)—模轉(zhuǎn)換器）：從顯存讀取出數(shù)據(jù)再送到RAMDAC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作（數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)模擬信號(hào)）。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(hào)轉(zhuǎn)模擬信號(hào)。而直接輸出數(shù)字信號(hào)。4．從DAC進(jìn)入顯示器（Monitor）：將轉(zhuǎn)換完的模擬信號(hào)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(dú)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(dú)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(duì)較弱，不能對(duì)顯卡進(jìn)行硬件升級(jí)，但可以通過CMOS調(diào)節(jié)頻率或刷入新BIOS文件實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)來挖掘顯示芯片的潛能集成顯卡的優(yōu)點(diǎn)：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(jí)的獨(dú)立顯卡，所以不用花費(fèi)額外的資金購買獨(dú)立顯卡。

集成顯卡的缺點(diǎn)：性能相對(duì)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(dú)立顯卡獨(dú)立顯卡是指將顯示芯片、顯存及其相關(guān)電路單獨(dú)做在一塊電路板上，自成一體而作為一塊獨(dú)立的板卡存在，它需占用主板的擴(kuò)展插槽（ISA、PCI、AGP或PCI-E)。

獨(dú)立顯卡的優(yōu)點(diǎn)：單獨(dú)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(jìn)得多，比集成顯卡能夠得到更好的顯示效果和性能，容易進(jìn)行顯卡的硬件升級(jí)。

獨(dú)立顯卡的缺點(diǎn)：系統(tǒng)功耗有所加大，發(fā)熱量也較大，需額外花費(fèi)購買顯卡的資金，同時(shí)（特別是對(duì)筆記本電腦）占用更多空間。當(dāng)前性能最強(qiáng)的游戲用獨(dú)立顯卡分別是英偉達(dá)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(jì)不同，Intel憑借其在處理器制程上的先進(jìn)工藝以及新的架構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)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(jī)等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(tái)采用的圖形解決方案主要有“獨(dú)立”和“集成”兩種，前者擁有單獨(dú)的圖形核心和獨(dú)立的顯存，能夠滿足復(fù)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(dú)芯片的方式集成在主板上，并且動(dòng)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(duì)于前兩者，核芯顯卡則將圖形核心整合在處理器當(dāng)中，進(jìn)一步加強(qiáng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)允許在計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝多達(dá)10個(gè)遵從PCI標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展卡。最早提出的PCI總線工作在33MHz頻率之下，傳輸帶寬達(dá)到133MB/s(33MHz*32bit/s)，基本上滿足了當(dāng)時(shí)處理器的發(fā)展需要。隨著對(duì)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?yàn)橛行┓?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(shí)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(gè)視頻接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)公司開始起草新技術(shù)的規(guī)范，并在2002年完成，對(duì)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(shí)首先提出的概念。GPU使顯卡減少了對(duì)CPU的依賴，并進(jìn)行部分原本CPU的工作，尤其是在3D圖形處理時(shí)。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(diǎn)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(biāo)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(shí)儲(chǔ)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(qiáng)，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(dòng)程序之間的控制程序，另外還存有顯示卡的型號(hào)、規(guī)格、生產(chǎn)廠家及出廠時(shí)間等信息。打開計(jì)算機(jī)時(shí)，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(jìn)行改寫或升級(jí)。

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(tái)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(shí)現(xiàn)聲波/數(shù)字信號(hào)