2.3 微型計算機(jī)硬件構(gòu)成

大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)廣西民族大學(xué)公共計算機(jī)教研室第2章：計算機(jī)系統(tǒng)組成教學(xué)目標(biāo)掌握計算機(jī)系統(tǒng)的基本構(gòu)成；掌握計算機(jī)硬件系統(tǒng)的主要組成部分和軟件的分類；掌握存儲器的基本原理以及計算機(jī)的指令、指令系統(tǒng)和程序等概念；了解CPU、內(nèi)存、外存等硬件的作用及計算機(jī)的主要性能指標(biāo)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)計算機(jī)系統(tǒng)組成計算機(jī)硬件組成存儲器原理輸入/輸出設(shè)備軟件分類微型計算機(jī)的性能指標(biāo)2.1計算機(jī)系統(tǒng)的組成2.2計算機(jī)硬件的構(gòu)成2.3微型計算機(jī)硬件的構(gòu)成2.4計算機(jī)軟件本章小節(jié)微型計算機(jī)硬件的構(gòu)成

無論計算機(jī)的外觀如何變化，其內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)都大同小異，都屬于馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)，均擁有輸入設(shè)備、控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸出設(shè)備五大核心部件。各種計算機(jī)的外觀筆記本電腦桌面一體機(jī)平板電腦智能手機(jī)2.3微型計算機(jī)硬件構(gòu)成2.3微型計算機(jī)硬件構(gòu)成計算機(jī)硬件是指計算機(jī)中看得見、摸得著的一些實(shí)體設(shè)備。從臺式機(jī)（或稱臺式計算機(jī)、桌面電腦）、筆記本電腦到上網(wǎng)本和平板電腦以及超級本等都屬于個人計算機(jī)的范疇。顯示器鍵盤主機(jī)鼠標(biāo)臺式計算機(jī)外觀計算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.3微型計算機(jī)硬件構(gòu)成2.3.1中央處理器

(1)CPU構(gòu)成運(yùn)算器（ALU，ArithmeticLogicUnit）控制器（CU，ControlUnit）寄存器

（R，Registers）內(nèi)部總線。2.3.1中央處理器CPU的主頻（2）決定CPU的幾個參數(shù)CPU制造工藝CPU核心電壓CPU的位數(shù)CPU的FSBCPU的緩存2.3.1中央處理器A.CPU的主頻主頻，也就是主時鐘頻率，即CPU運(yùn)算時的工作的頻率（1秒內(nèi)發(fā)生的同步脈沖數(shù)），單位MHZ。用來衡量一款CPU性能非常關(guān)鍵的指標(biāo)之一。主頻=外頻×倍頻系數(shù)外頻是CPU與主板之間同步運(yùn)行的速度。倍頻是主頻與外頻之比的倍數(shù)。2.3.1中央處理器B.CPU的位數(shù)CPU的位數(shù)即CPU的位寬，指的指微處理器一次執(zhí)行指令的數(shù)據(jù)帶寬。處理器的尋址位寬增長很快，從4、8、16位尋址到32位，現(xiàn)在64位尋址浮點(diǎn)運(yùn)算已經(jīng)逐步成為CPU的主流產(chǎn)品。CPU位數(shù)=CPU的字長=通用寄存器位數(shù)2.3.1中央處理器C.CPU的FSBFSB即前端總線頻率，是處理器與主板北橋芯片或內(nèi)存控制集線器之間的數(shù)據(jù)通道。其頻率高低直接影響CPU訪問內(nèi)存的速度。選購主板和CPU時要注意兩者搭配問題，一般來說，前端總線是由CPU決定的，如果主板不支持CPU所需要的前端總線，系統(tǒng)就無法工作。2.3.1中央處理器D.CPU的緩存高速緩存指內(nèi)置在CPU中進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換的儲存器。它優(yōu)先于內(nèi)存與CPU交換數(shù)據(jù)分一級緩存（L1Cache）、二級緩存（L2Cache）以及三級緩存（L3Cache）。一般情況下緩存的大小為：三級緩存＞二級緩存＞一級緩存。緩存大小也是衡量CPU性能的重要指標(biāo)。CoreCPUCacheMainMemory最多2-4納秒最少120納秒2.3.1中央處理器E.CPU的制造工藝制作工藝指在生產(chǎn)CPU過程中，要加工各種電路和電子元件，制造導(dǎo)線連接各個元器件等。單位是微米和納米（1納米=10-9米）。

90納米--65納米--45納米--32納米--28納米工藝越小，產(chǎn)品做的越精，功耗低，體積越小。2.3.1中央處理器F.CPU的核心電壓CPU的核心電壓指CPU正常工作所需的電壓。采用低電壓的CPU，芯片總功耗降低從而電池的使用壽命延長；發(fā)熱量減少，運(yùn)行溫度不過高的CPU可以與系統(tǒng)更好的配合。降低電壓是CPU主頻提高的重要因素之一。2.3.1中央處理器主頻FSB緩存工藝電壓2.3.2主板

主板，又叫主機(jī)板(mainboard)、系統(tǒng)板(systemboard)或母板(motherboard)，安裝在機(jī)箱內(nèi)。主板是計算機(jī)主機(jī)與外圍設(shè)備連接的通道，主板上布置有各部件聯(lián)系的總線（BUS）電路，滿足各部件間的通訊需求。主板的核心是識別各種設(shè)備，連接和控制各種設(shè)備，布滿很多元器件2.3.2主板

主板的各種指標(biāo)及相互關(guān)系：主板中最重要的指標(biāo)是前端總線頻率和外頻頻率，頻率越高則主板性能越好。CPU是大腦，芯片組是心臟由南橋，北橋組成。（1）主板總線圖Pentium4北橋（MCH）82875P南橋（ICH）82801EB顯卡SATA硬盤IDE硬盤CD/DVDPCI設(shè)備內(nèi)存IEEE1394口USB2.0接口10/100MBps網(wǎng)卡聲卡前端總線若倍頻為16則主頻為3.2GHz頻率=外頻*4=800MHz位寬為64位266MBpsIEEE1394口50MBpsUSB2.060MBps20MBps1MBps3.2GBpsDIMMDDR400MHzAGP8XSATAIDE150MBps100MBps100MBpsIDEPCI132MBps假設(shè)：外頻為200MHz2.3.2主板

（3）總線頻率和外頻外頻是CPU與主板之間同步運(yùn)行的速度。100MHz外頻特指數(shù)字脈沖信號在每秒鐘震蕩一千萬次；100MHz前端總線指的是每秒鐘CPU可接受的數(shù)據(jù)傳輸量是100MHz×64bit=6400Mbit/s=800MByte/s（1Byte=8bit）。前端總線的速度指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣惹岸丝偩€頻率則是指CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，它反映了CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸量或者說帶寬。目前PC機(jī)上所能達(dá)到的前端總線頻率有266MHz、333MHz、400MHz、533MHz、800MHz、1066MHz、1333MHz、1600MHz幾種，最高到2000MHz。存儲器可容納的數(shù)據(jù)總量稱為存儲容量。存儲器（Memory）:由存儲單元組成，是計算機(jī)中存儲數(shù)據(jù)和程序的設(shè)備。位（bit）：二進(jìn)制代碼串中的每一個“0”或“1”稱為“位”，位是計算機(jī)信息表示的最小單位。字節(jié)（B）：8位稱為1字節(jié)，字節(jié)為計算存儲器容量的基本單位。2.3.3存儲器單

位換

算

結(jié)

果1B（１字節(jié)）=8bit1KB（１千字節(jié)）=1024B=210B1MB（１兆字節(jié)）=1024KB=1024

1024B=220B1GB（１吉字節(jié)）=1024MB=1024

1024KB=1024

1024

1024B=230B1TB（１太字節(jié)）=1024GB=1024

1024MB=1024

1024

1024KB=240B存儲單位換算存儲地址存儲器中每個存儲單元都指定一個編號，根據(jù)編號計算機(jī)就能快速地存取指定存儲單元中的數(shù)據(jù)，這個“編號”稱為存儲單元的“地址”。此單元存放A此單元存放B此單元存放C此單元存放D此單元存放E通過數(shù)據(jù)總線，可以取出存儲單元中的數(shù)據(jù)通過地址總線，可以定位任意一個存儲單元存儲器由若干連續(xù)的存儲單元組成，每個存儲單元都有唯一標(biāo)識的標(biāo)記——地址，可以存儲一個字節(jié)的數(shù)據(jù)…存儲器分類內(nèi)存儲器（主存儲器）,速度快，容量小，價格較高，可由CPU直接訪問。外存儲器（輔助存儲器）,速度慢，容量大，價格低，CPU不可以直接訪問。外存磁介質(zhì),軟盤和硬盤光盤Flash存儲器內(nèi)存隨機(jī)存儲器(RAM)只讀存儲器(ROM)高速緩沖存儲器(Cache)存儲器分類1.內(nèi)存內(nèi)存儲器又稱為主存儲器，簡稱內(nèi)存，一般用來存放當(dāng)前正在使用或即將使用的數(shù)據(jù)和程序，它可以直接與CPU交換信息。RAMRAM（randomaccessmemory）隨機(jī)存取存儲器,又稱作“隨機(jī)存儲器”，是與CPU直接交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲器，也叫主存(內(nèi)存)。通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運(yùn)行中的程序的臨時數(shù)據(jù)存儲媒介（中間橋梁）。特點(diǎn)：可讀寫，速度快，掉電，內(nèi)容將全部丟失。存儲器分類ROMROM(Read-OnlyMemory)只讀存儲器?？勺x，不可寫；掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。包含BIOS(BasicInputOutputSystem)

基本輸入輸出系統(tǒng)，被固化到主板ROM芯片上的程序。BIOS主要功能:識別各種硬件(包括型號)；引導(dǎo)操作系統(tǒng)；進(jìn)行硬件最直接的操作，如讀文件等。開機(jī)自檢執(zhí)行ROM中的啟動程序加載操作系統(tǒng)執(zhí)行操作系統(tǒng)1.內(nèi)存存儲器分類Cache高速緩存(Cache),高速緩沖存儲器。主要用來平衡CPU與內(nèi)存速度不一致的問題。Cache集成在CPU內(nèi)部，高速，容量小。CPU首先從Cache中查找，如果沒有找到，再從內(nèi)存中讀取，同時把這個數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)塊調(diào)入Cache中一級緩存L1Cache，容量小。二級緩存L2Cache，容量大。主要區(qū)別在于CPU查找數(shù)據(jù)的順序。一般由SRAM(靜態(tài)存儲器)構(gòu)成。CPUCache內(nèi)存1.內(nèi)存存儲器分類硬盤硬盤(HardDisk)微機(jī)中最主要的輔存，容量大。盤片：一個硬盤有多個盤片，每盤片有上下兩個面，都可以保存數(shù)據(jù)。磁道：盤片上不同半徑的同心圓為磁道。扇區(qū)：一個磁道被劃分為多個扇區(qū)。柱面：不同盤片相同磁道構(gòu)成的圓柱面即柱面。存儲容量＝盤片數(shù)×磁道（柱面）數(shù)×扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)。信息記錄可表示為：幾號磁頭（盤片），幾號磁道（柱面），幾號扇區(qū)。2.外存存儲器分類硬盤的幾個參數(shù)（1）硬盤接口IDE（并行）、SATA（串行）、SCSI、光纖通道。成熟廉價的是IDE，最新興的是SATA，穩(wěn)定價高的是SCSI和光纖通道。2.外存IDESATASCSI存儲器分類硬盤的幾個參數(shù)（2）硬盤的容量硬盤主流容量都是320GB、500GB、1TB，2TB等.（3）硬盤的尋道時間尋道時間就是指硬盤從電腦發(fā)生一個尋道址命令，到相應(yīng)目標(biāo)數(shù)據(jù)被找到所需的時間，速度越快硬盤讀取數(shù)據(jù)越快。2.外存（4）硬盤的高速緩存在讀取時，硬盤數(shù)據(jù)被存入高速緩存中，當(dāng)CPU需要數(shù)據(jù)時，再將高速緩存的數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存。（5）硬盤的轉(zhuǎn)速硬盤的轉(zhuǎn)速是硬盤電機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速，它是決定硬盤內(nèi)部傳輸率快慢的重要參數(shù)之一。目前硬盤的轉(zhuǎn)速主要是5400rpm、7200rpm。存儲器分類光盤和光驅(qū)2.外存CD的容量一般為700M,DVD的容量為4.7G~50G，采用更細(xì)的激光束，具有更高的磁道密度。光驅(qū)：CD-ROM光驅(qū)：只能讀取CD光盤。DVD-ROM光驅(qū)：可以讀取CD和DVD光盤COMBO光驅(qū)：“康寶”是一種集合了CD、DVD的讀取和CD的刻錄。DVD刻錄光驅(qū)：包括了CD、DVD的讀取和CD、DVD的刻錄。光驅(qū)的數(shù)據(jù)讀取速率用倍速來表示，CD光驅(qū)的1倍速是150KB/s,DVD光驅(qū)的1倍速是1350KB/sCD最高為64倍速,DVD為20倍速。對于40倍速的CD－ROM驅(qū)動器理論上的數(shù)據(jù)傳輸率應(yīng)為：150×40=6000K字節(jié)/秒。

參數(shù)說

明倍速指CD光驅(qū)的讀取速度，以150KB/s數(shù)據(jù)傳輸率的單倍速為基準(zhǔn)，如24倍速CD光驅(qū)的數(shù)據(jù)傳輸率為3

600

KB/s，而DVD光驅(qū)的單倍速則是指1

350KB/s，如8倍速DVD光驅(qū)的數(shù)據(jù)傳輸率為10800KB/s，但由于數(shù)據(jù)讀取方式的限制，高倍速光驅(qū)并不能總是運(yùn)行在其標(biāo)稱的速度下，只是在讀取某一位置時達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸率容錯性容錯性指光驅(qū)的讀盤能力。該指標(biāo)通常與光驅(qū)的速度有關(guān)系，通常速度較慢的光驅(qū)的容錯性要優(yōu)于高速產(chǎn)品。對于40倍速以上的光驅(qū)，最好選擇具有人工智能糾錯功能的光驅(qū)高速緩存緩存配置高不僅可以提高光驅(qū)的傳輸性能和傳輸效率，而且對于光驅(qū)的糾錯能力也有非常大的幫助。常見的光驅(qū)緩存大小介于256KB～1MB之間光驅(qū)的主要性能參數(shù)存儲器分類可移動存儲設(shè)備2.外存許多移動存儲設(shè)備在計算機(jī)上都顯示為“可移動磁盤”，大多通過USB接口傳輸數(shù)據(jù)，在Windows系統(tǒng)中可即插即用，而且具有高兼容性與跨平臺的特性。閃存盤閃存卡移動硬盤MP42.3.3存儲器CPU、內(nèi)存、外存間的關(guān)系CPU外存內(nèi)存交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)不能直接交換2.3.3存儲器各種存儲器特點(diǎn)比較cacheRAM外存：硬、光、U、軟速度容量慢快大小cpu總線結(jié)構(gòu)總線是連接CPU、存儲器和外圍設(shè)備的公共信息通道，它提供了一種多用途的、公用的通信通道，只要總線相同，主板插件就可以通用。擴(kuò)展插槽接口與主板連接的擴(kuò)展插槽接口主要包括ISA、EISA、VESA、PCI、AGP、PCIExpress等幾種。USB接口已成為計算機(jī)和大量智能設(shè)備必配的接口之一，支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB1.0傳輸速度1.5Mbit/s，USB2.0速度480Mbit/s，USB3.0速度可達(dá)5.0Gbit/s。硬盤接口硬盤接口是硬盤與主機(jī)系統(tǒng)間的連接部件，作用是在硬盤緩存和主機(jī)內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)。不同的硬盤接口決定著硬盤與計算機(jī)之間的連接速度2.3.4總線與接口總線的分類數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線輸入接口輸入設(shè)備中央處理器CPU存儲器ROMRAM輸出接口輸出設(shè)備按照總線內(nèi)所傳輸?shù)男畔⒖傤?，可將總線分為數(shù)據(jù)總線、控制總線和地址總線。常見接口

PS/2鼠標(biāo)接口PS/2鍵盤接口并行接口網(wǎng)卡接口USB接口串行接口語音接口

輸入設(shè)備（InputDevice）是用來向計算機(jī)輸入各種原始數(shù)據(jù)和程序的設(shè)備。鍵盤、鼠標(biāo)是最主要的輸入設(shè)備，此外還有掃描儀、數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、傳聲器、攝像頭、操縱桿、觸摸屏、條形碼閱讀器等。

鍵盤和鼠標(biāo)

掃描儀

數(shù)碼照相機(jī) 數(shù)碼攝像機(jī) 攝像頭2.3.5輸入設(shè)備

鍵盤（Keyboard）是常用的輸入設(shè)備，它由一組開關(guān)矩陣組成，包括數(shù)字鍵、字母鍵、符號鍵、功能鍵及控制鍵等，每一個按鍵在計算機(jī)中都有它的惟一代碼。

輸入設(shè)備-鍵盤

輸入設(shè)備-鍵盤

功能鍵區(qū)主鍵盤區(qū)編輯鍵區(qū)小鍵盤區(qū)（1）功能鍵區(qū)：F1——F12F1——F12，每一個功能鍵往往對應(yīng)一串字符，不同軟件中功能鍵的定義不相同。

輸入設(shè)備-鍵盤

主鍵盤區(qū)字符鍵：每按一次字符鍵，屏幕顯示一個對應(yīng)的字符?？刂奇I：常用的控制鍵如下：Enter鍵:回車鍵Shift鍵:上下檔換檔鍵CapsLock鍵：大小寫字母鎖定鍵空格鍵：空格分隔BackSpace鍵：退格鍵Ctrl鍵：控制鍵Esc鍵：強(qiáng)行退出鍵Tab鍵：標(biāo)記鍵，制表鍵（2）主鍵盤區(qū)：分為字符鍵和控制鍵兩類

輸入設(shè)備-鍵盤

小鍵盤區(qū)（3）小鍵盤區(qū)：小鍵盤區(qū)的數(shù)字都有雙重功能開機(jī)后“NumLock”指示燈亮，這時按每個數(shù)字鍵，均可顯示數(shù)字。當(dāng)“NumLock”指示燈熄滅時，小鍵盤上的2，4，6，8等鍵變成了控制光標(biāo)移動的鍵。

輸入設(shè)備-鍵盤

編輯鍵區(qū)Insert鍵：插入轉(zhuǎn)換鍵Delete鍵：刪除光標(biāo)所在處字符Home鍵：把光標(biāo)移到所在行的開始位置End鍵：把光標(biāo)移到所在行的末尾PageUP鍵：顯示上一頁的內(nèi)容PageDown鍵：顯示下一頁的內(nèi)容。（4）光標(biāo)控制鍵區(qū)類

輸入設(shè)備-鍵盤

鍵盤的基本操作正確的指法注意手指鍵位擊鍵動作要快，不可按住不放擊鍵要輕，不可用力過猛注意組合鍵的擊法光電鼠標(biāo)機(jī)械鼠標(biāo)輸入設(shè)備-鼠標(biāo)鼠標(biāo)的工作原理是當(dāng)它在平面移動時，其底部傳感器把運(yùn)動的方向和距離檢測出來，從而控制光標(biāo)做相應(yīng)運(yùn)動。輸入設(shè)備-掃描儀掃描儀是最常用的圖像輸入設(shè)備，把圖像劃分為成千上萬個點(diǎn)，變成一個點(diǎn)陣圖，編碼后得到它們的灰度值或色彩編碼值，使其可以存入計算機(jī)并進(jìn)行處理。通過掃描儀可以把整幅的圖形或文字材料快速地輸入到計算機(jī)，如圖畫、照片、報刊或書籍上的文章等。

輸出設(shè)備（OutputDevice）是用來輸出計算機(jī)處理結(jié)果的設(shè)備。其主要功能是把計算機(jī)處理的數(shù)據(jù)、計算結(jié)果等內(nèi)部信息按人們需要的形式輸出。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、音箱和投影儀等。

顯示器打印機(jī)繪圖儀音箱