第3章 計算機硬件軟件基礎

第3章計算機硬件基礎

教學目的:

?了解計算機的硬件構成，包括運算器、存儲器、控制器、

輸入和輸出設備

?理解馮?諾依曼體系計算機的工作原理

?了解存儲器的多級存儲體系結構

?了解外設分為輸入設備、輸出設備、外存儲器、數(shù)據通信

設備和過程控制設備

?掌握衡量個人計算機性能的技術指標

第3章計算機硬件基礎

3?1計算機系統(tǒng)的基本組成

3.1.1典型馮?諾依曼機體系結構

3.112計算機系統(tǒng)軟件組成

3.1.3計算機指令系統(tǒng)簡介

3.1.4計算機系統(tǒng)的層次結構

3.1.5硬軟件在邏輯上的等價性

3.2微型計算機

3?2.1微處理器

3.2.2存儲器

3.2.3輸入輸出設備接口

3.3微機常用外部設備

3.3.1輸人/輸出系統(tǒng)概述

3?3.2常用輸入設備

3?3.3常用輸出設備

3.3.4其他常用外設

3.3.5外部存儲器

3.1計算機硬件基本組,

二

主機M

鼠標

鍵盤

3.1.1典型馮?諾依曼機體系結構

1.馮,諾依曼結構特點

?采用二進制形式表示數(shù)據和指令

?采用存儲程序的方式

?有運算器、存儲器、控制器、輸入和輸出設備等

五大部件組成

2.計算機硬件系統(tǒng)組成

'1）微型計算機

個人電腦（PC）

便攜計算機

單片計算機

臺式電腦

掌上電腦筆記本電腦

小型機比微型機稍大，它可以同時為多個用戶執(zhí)行任

務。目前在計算機領域中，小型機的概念逐漸淡化，被分

化或融合為不同規(guī)模的工作站或服務器。

工作站服務器

大型機體積大，速度快，并且價格昂貴。一般用在需

要對大量的數(shù)據進行存儲、處理和管理工作的大型企業(yè)、大

公司或科研院所等機構。

大型機

巨型機又稱超級計算機，是運算速度最快、功能最強、

存儲容量和體積最大、價格最貴的一類計算機。它主要用于

國家級高科技領域和國防尖端技術中的科學計算和科學研究,

如天氣預報、地震分析以及核武器試驗等。

每秒運行次數(shù)12.3萬億次的ASCI白色超級計算機

3.1.2計算機系統(tǒng)軟件組成

運算器

中央處理器

CPU控制器

r高速緩存catch

（硬件系統(tǒng)存儲器＜只讀存儲器ROM

I隨機讀寫存儲器RAM

微

機

系輸入設備（鍵盤、鼠標、掃描儀等）

統(tǒng)

輸出設備（顯示器、打印機等）

系統(tǒng)軟件

I軟件系統(tǒng)，應用軟件包

應用軟件

用戶編寫的程序

1.系統(tǒng)軟件：管理、使用計算機系統(tǒng)的程序，主要實現(xiàn)

計算機系統(tǒng)的管理、調度和監(jiān)視服務

①操作系統(tǒng)：管理計算機各種資源，調度用戶作業(yè)，處理中斷

②語言處理程序：如匯編、編譯和解釋等程序

③服務性程序:如診斷、排錯、練習等程序，標準程序庫

④標準庫程序：函數(shù)庫等

⑤數(shù)據庫管理系統(tǒng)：SQL-Server,Oracle等程序

⑥網絡管理軟件：網絡配置程序，對網絡資源進行組織管理

①用戶軟件：按照任務的需要編制的各種程序，為

用戶解決某種應用問題而設計編制的。例如：科學

計算程序，自動控制程序，情報檢索程序，MIS系

統(tǒng)等等。

②通用軟件：殺毒軟件，辦公軟件

3.1.3計算機指令系統(tǒng)簡介

1.指令基本執(zhí)行過程

V——取指周期————取數(shù)周期——?AV——執(zhí)行周期——?

取指令\

PC+1J

K/仄行指爰、\廠最下二

（指令譯碼［＞6取操作數(shù)

機器語言和匯編語言、高級語言

#include飛tda僅h”

#includeI,MCUPJ31'

IDtmain()

{int怎hQ,

a=1;

b=2;

c=0士b；

-dc=%d\n*);

return0;

)

機器語言和匯編語言、高級語言

mQVa,1

datasegmentCHQVb,2

adb?mpyaLa

bdb?addMb

cdb?mQVG)

stringdb'c=$'leadx,string

dataendsmoyah,09

iJlt21h

codesegmentaddc,30h

mainprocfarmpydhc

assumec^zcode,d§;data,e?：dataU1QVah,2

start:int2ih

pushmPYdlfOah

sub加ini2ih

pushaxmQVdl,Odh

nwv0黑。就&int21h

mpy於四ret

mpy夠熬mainendp

codeends

endstart

000111100010101111000000010100001011100010001001

000010101000111011011000100011101100000011000110

0000011000000000Q0QQQQQ0000000011100011000000110

0000000100000000000000101010000000000000OOQOOOOO

000000100000011000000001000000001010001000000010

000000001000110100010110000000110000000010110100

000010011100110100100001100000000000011000000010

000000000011000010001010000101100000001000000000

101101000000001011001101001000011011001000001010

110011010010000110110010000011011100110100100001

1100101101100000

計算機系統(tǒng)層次結構

5級

硬

軟

1級件

在

邏

3級輯

上

的

等

2級

價

I級

運算器：運算器是一個對數(shù)據信息進行加工處理的部件，主要

執(zhí)行算術運算和邏輯運算。

控制器：控制器是計算機的指揮中心，它使計算機各部件自動協(xié)

調地工作。

存儲器：存儲器是用來存儲程序和各種數(shù)據信息的記憶部件。

輸入設備：輸入器又稱輸入設備，是變換輸入形式的部件。它將

人們熟悉的信息形式變換成計算機能接受并識別的信息形式。

輸出設備：輸出器又稱輸出設備，是變化計算機輸出信息的部件。

它將計算機運算結果的二進制信息轉換成人類或其他設備所能接

受和識別的形式、如字符、文字、圖形、圖像、聲音等。

E機內部

是計算機硬件中最重要的部分，

內部結構。其中包括主板、微處理器芯片、內存、擴展板，還有軟盤

驅動器、硬盤及其驅動器、光盤驅動器以及電源。另外，為了在CPU、

內存儲器、外存儲器和外部設備之間傳遞數(shù)據和指令，主機中還有各

類通信總線。

電源

光驅

軟驅

硬盤

擴展板

數(shù)據線

主板

3.2.1微處理器

1.運算逐

通用寄存器組

令

操作控制命令立件反饋

形成口

▲

時序部件

指令部件

3.微處理器的工作原理

令取出指令：從存儲器中取出要執(zhí)行的指令到

CPU內部的指令寄存器暫存；

?分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指

令譯碼器，根據該指令中的操作碼譯出該指令對

應的操作；

?執(zhí)行指令：根據指令譯碼器向各個部件發(fā)出的控

制信號，完成指令規(guī)定的操作；

為執(zhí)行下一條指令做好準備，即形成下一條指令

地址。

主頻即CPU工作的時鐘頻率。CPU的工作是周期性的，

它不斷地取指令、執(zhí)行指令等操作。這些操作需要精確定

時，按照精確的節(jié)拍工作，因此CPU需要一個時鐘電路產

生標準節(jié)拍，一旦機器加電，時鐘電路便連續(xù)不斷地發(fā)出

節(jié)拍，就像樂隊的指揮一樣指揮CPU有節(jié)奏的工作，這個

節(jié)拍的頻率就是主頻。一般說來，主頻越高，CPU的工作

速度越快。

?工作電壓：

工作電壓是指CPU正常工作時所需要的電壓。早期CPU

的工作電壓一般為5V,而隨著CPU主頻的提高，CPUI

作電壓有逐步下降的趨勢，以解決發(fā)熱過高的問題。

中央處理器（CPU）

CPU是PC機的核心，它的主要功能是執(zhí)行程序指令，完成各

種運算和控制功能。

CPU的類型標志著PC類型。就INTELCPU而言，已從8088發(fā)展

到P4。除INTEL公司的CPU外，還有AMD、Cyrix>TI等公司的

CPUo目前較為流行的CPU是奔騰CPU。

主頻、總線寬度、速度等參數(shù)是CPU的常見指標。

AMDAthlon^64X2

ADA3800IAA5CU

i,―0603WPMW

1.35V

ASSEMBLEDINMALAYSIA

3.2.2存儲設備

A讀命令A寫命令

-器層次3|J

▲機采用的三級存儲與式一

CPU

I

存

單高速緩存

取

位

內存

速

價

度

格主存

越

越

快

高

小

外存

輔存（磁盤、光盤、磁帶》

o為什么要將存貯器分為內存和外存

存儲器是用來存放信息的地方，信息又分為臨時

和永久的，由于CPU的運行速度非?？欤枰洺?/p>

訪問存儲器。但存儲容量、讀寫速度、體積及價格不

可能同時滿足，為了解決上述矛盾，將急需處理的信

息放在內存，內存采用半導體電路器件，速度快、容

量小、價格高；外存采用機械設備，磁性材料，容量

無限、便宜、速度慢。

2.存儲器分類

「靜態(tài)RAM

fRAM

l動態(tài)RAM

r主存儲器「MROM掩模

PROM可編程

'ROMEPROM

存

儲LEEPROM

器FlashMemory

高速緩沖存儲器（Cache）

＜輔助存儲器——磁盤磁帶光盤

3.內存儲器

內存條是內存芯片焊接在一定規(guī)格的印刷電路板(PCB)上,

而今采用DIMM(168線)內存條。

特點：速度快，用納秒(ns)表示，可達10納秒以上；內存是計

算機的中心倉庫，需要處理的信息首先放入內存，再根據需要

調到其他部件中。

?■M

?.M

?

?W?e

lIm

-ws8

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e?■BJ-

H■

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x■g-L-

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Js:rw

x■=■

■?

D-fci.

一■

-n

三-

r.昌

W?

一

H，

1).隨機存取存儲器RAM

(ReadWriteRandomAccessMemory)

特點：用戶可隨時讀出、寫入；但斷電后，存儲

的內容立即消失。

作用：用戶作為臨時存放數(shù)據、結果、需運行的

程序等信息，占內存的90%容量。

2).只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)

特點：只能讀出，不能寫入；斷電后信息不丟失。

作用：計算機出廠前，由廠家將系統(tǒng)軟件一次性永

久地寫入ROM中，以保證計算機能正常運

行；不受斷電的影響。

3).高速緩存cache

緩存是位于CPU和內存之間的容量較小但速

度很快的存儲器，存取速度比一般內存快3?8倍。

由于CPU的速度比內存和硬盤的速度要快得多,

0在存取數(shù)據時會使CPU等待，影響速度，有了高速

存，可以先把數(shù)據預寫到其中，需要時直接從

它讀出，這就縮短了CPU的等待時間。

高速緩存的容量一般在512KB?1M以上。

3.2.3輸入和輸出設備接I

顯示卡聲卡

調制解調器

￡主板

打開計算機的外殼，往往能發(fā)現(xiàn)一塊最大的印刷電路板,

這一塊印刷電路板被稱為主機板。主機板（簡稱主板，Main

board）又稱系統(tǒng)板或母板，是PC機的核心部件。

主板上的重要部件有：中央處理器插槽；內存儲器芯片條插

槽；高速緩沖芯片或插槽；BIOS芯片；CMOS芯片；鍵盤與鼠

標的插槽；插擴充板用的擴充槽；電池；固定在主板上的一些端

口插槽；管理主板系統(tǒng)的核心邏輯芯片組等。

主機板發(fā)生根本性改變有3個因素：新的微處理器、新的類

型以及日漸減少的芯片數(shù)量，也就是通常所說的CPU、芯片組與

總線。這些因素也構成了主機板分類的基礎。

主板

主板是計算機的調度中心，它負責協(xié)調各部件之間的工作。

主板的性能直接影響計算機的整體性能。

擴展插槽CPU插槽

北橋芯片

南橋芯片?內存插槽

3.3微機常用外部設備

工■輸入設備

輸入的信息有數(shù)字、字母、文字、圖形、圖像、

聲音等多種形式，送入計算機的只有一種形式，就

是二進制數(shù)據。一般的輸入設備只用于原始數(shù)據和

程序的輸入。

常用的輸入設備有鍵盤、電傳打字機、紙帶輸入

機、卡片輸入機、光筆、鼠標及模/數(shù)轉換器等。

過一根五芯電纜連接到機內主機板的鍵盤插座上。常用

的鼠標一般分兩類：機械式和光電式。

2）掃描儀：掃描儀是將圖片或文本通過掃描輸入計算機

的設備，它的出現(xiàn)，可以彌補鍵盤和鼠標輸入的不足。

*輸入指示定位設備

?:?其他十刖八設備

2.輸出設備

輸出設備，是變化計算機輸出信息的部件。它將計算機

運算結果的二進制信息轉換成人類或其他設備所能接受和識

別的形式，如字符、文字、圖形、圖像、聲音等。輸出設備

和輸入設備一樣，需要通過接口與主機連接。

常用的輸出設備有：打印機、顯示器、紙帶穿孔

機、數(shù)/模轉換器等。

____a

1）視頻顯示系統(tǒng)：視頻監(jiān)視器（Monitor）和顯示控制

適配器（Adapter,簡稱適配器、顯示卡、顯示或視頻控

制卡）組成。

2）打印機：常用的打印機分為點陣式打印機、噴墨打

印機和激光打印機。它們共同的性能指標是打印分辨率

（DPI）和打印速度。

輸出設

1.顯示器

CRT顯示器

打印機

其他輸出設備針式打印機激光打印機噴墨打印機

.3外存儲設備

外存儲設備一般可分為：軟磁盤、硬磁盤以及光盤等。

1)軟盤系統(tǒng)：由軟盤驅動器、適配卡和軟盤組成。

2)硬盤系統(tǒng)：類似于軟盤系統(tǒng)，硬盤系統(tǒng)由硬盤片、

硬盤驅動器和適配器組成，通過硬盤適配器與主機相連。

參數(shù)主要有容量、轉速等。

3)光存儲設備：光盤是近年來飛速發(fā)展起來的一種數(shù)據

存儲設備。開始是作為多媒體計算機的關鍵部件之一而被

使用的。目前，它不僅是多媒體數(shù)據的存儲設備，也是各

種程序和各種計算機文擋的存儲設備。光盤可分為：只讀

光盤(CD-ROM)、一次性寫光盤(WORM)、可讀寫光盤

(E-R/W)等。

外部存儲器

磁盤今

光盤

其他

1).軟盤存儲器：圓形塑料盤片上噴有磁性材料,

用硬塑料套封裝。

(a)反面(b)正面

軟盤的磁盤結構:

G軟盤在使用之前必須要先格式化，完成這一過程

—后，磁盤被分成若干個磁道，每個磁道又分為若干

個扇區(qū)，每個扇區(qū)存儲512個字節(jié)。

磁道是一