《計算機信息技術》第二章計算機組成原理

第2章計算機組成原理12.1

計算機的組成和分類2.1.1

計算機的發(fā)展與作用計算機的發(fā)展人類最早利用手，后來利用石子、貝殼、繩結、木棒等作為計數工具，并用它們來統(tǒng)計、存儲計數結果。計算機是信息處理(計算)工具，是20世紀最偉大的發(fā)明之一2唐朝末年，中國人發(fā)明了世界上最早的計算

工具——算盤。

原始的算盤用小棒和石子排放在不同位置上，表示不同的位權。可見那時人類已經具有了位權、進位，借位的概念。3

1622年，英國數學家奧特瑞德

(William

Oughtred

)發(fā)明了計算尺。手動計算尺手搖計算器4

1642年，法國數學家布萊斯

·

帕斯卡(

BaisePascal）發(fā)明了能夠做兩位十進制數加減法的機械加法器。一個圓輪代表一位數，輪上等分刻有0～9十個數字,做加法時，順時針轉動圓輪,當轉到0刻度時自動將高位圓輪帶一格。帕氏加法器用機械運動代替人的思考和計數。程序設計語言Pascal就是為紀念Pascal而命名的。5

1822年，英國數學家查爾斯·

巴貝奇(CharlesBabbage)發(fā)明了稱之為“differential

analyzer”(差分機)

的自動機械計算工具。6

輸入部分——送入需處理的數據

存儲庫

——保存數據，以便使用

運算室

——進行各種實際運算

機械器

——指揮機器按指定的順序工作

輸出部分——送出處理結果

據其思想120年后才發(fā)明了計算機。巴貝奇的發(fā)明由一位女伯爵、著名的女詩人AugustaAdaByron詳細地記載下來。為紀念她，著名的程序設計語言Ada以她的名字命名。

他指出，自動計算工具必須具有5個獨立部分：7

1937年，英國數學家阿倫.圖靈

(AlanTuring)提出計算機的數學模型（圖靈機）。

他在論文《論數字計算在決斷難題中的應用》中，提出了一種十分簡單但運算能力極強的理想計算裝置，可以用它來計算所有能想象得到的可計算函數。圖靈的思想奠定了現代計算機科學的理論基礎。8

17468個電子管，

60000個電阻，

10000個電容，

6000個開關，占地160平方米，重30噸，耗電150KW,研制期3年,耗資45萬美元，加法:5000次/s,乘法56次/s

1946年，美國賓州大學的艾克特J·Presper

Eckert)和毛其利(JohnMauchly

)研制出世界上第一臺電子數字計算機——ENIAC

(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator

)注意:ENIAC并不具備現代計算機的工作原理!9在計算機中采用二進制表示數據；把指令看成數據存儲在計算機內部，由計算機自動依次執(zhí)行;計算機由5個部分組成：控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備。

馮·諾依曼同時指出：這種計算機有它的固有的“脆弱性”，但并沒有解釋其原因。直到80年代,人們才明白這句話的含義。

1952年,美籍匈牙利數學家馮·諾依曼(JohnVonNeumman）在他的論文《電子計算機裝置邏輯結構初探》中提出了3個主要論點: （計算機病毒）（計算機結構體系）（工作原理）(二進制)10

按馮.諾依曼思想設計的第一臺計算機稱之為EDVAC(

TheElectronicDiscrateVariableAutomaticComputer),運算速度是ENIAC的240倍。迄今為止的計算機仍都是按馮.諾依曼的思想設計的——馮.諾依曼和他的EDVAC計算機馮.諾依曼結構計算機11

60多年來，計算機發(fā)展速度之快，大大超出人們的預料：早期，每10年速度提高10倍，成本與體積卻是原來的1/10;

從70年代開始，由于集成電路技術和微處理器的發(fā)展,計算機的性能幾乎每3年提高4倍，成本下降一半?？傊?2性能不斷提高體積不斷變小功耗不斷降低價格越來越便宜軟件越來越豐富使用越來越容易應用領域越來越普遍13到目前為止，計算機的發(fā)展共經歷4代：

（以使用的電子元器件作為劃代的依據）代別年代使用的元器件使用的軟件類型主要應用領域第1代20世紀40年代中期～50年代末期CPU：電子管內存：磁鼓使用機器語言和匯編語言編寫程序科學和工程計算第2代20世紀50年代中、后期～60年代中期CPU：晶體管內存：磁芯使用FORTRAN等高級程序設計語言開始廣泛應用于數據處理領域第3代20世紀60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內存：SSI，MSI的半導體存儲器操作系統(tǒng)、數據庫管理系統(tǒng)等開始使用在科學計算、數據處理、工業(yè)控制等領域得到廣泛應用第4代20世紀70年代中期以來CPU：LSI、VLSI內存：LSI、VLSI的半導體存儲器軟件開發(fā)工具和平臺、分布式計算、網絡軟件等開始廣泛使用深入到各行各業(yè)，家庭和個人開始使用計算機14

現在的所有計算機都是第四代計算機，目前正在向第五代計算機過渡,但已不再沿用第幾代計算機的說法，而是稱為“新一代計算機”或“未來型計算機”（FGCS,FutureGenerationComputerSystem)

而FGCS究竟是什么樣的計算機？有許多不同的觀點和看法，但基本目標是確定的：智能化知識處理為核心自然的人機通信能力（邏輯推理、具有人的智能活動）15未來可能的新型計算機

基于量子效應開發(fā)，利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開關的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動，從而進行運算量子計算機以光子代替電子，光互連代替導線互連，光硬件代替計算機中的電子硬件，光運算代替電運算。光子計算機16使用生物芯片構造的計算機。生物芯片是由生物工程技術產生的蛋白分子為主要原材料的芯片，能以波的形式傳輸信息。數據處理速度比當今計算機要快百萬倍。而能量消耗僅為其10億分之一（10-9）。由于蛋白分子具有自我組合的特性，而可能使生物計算機具有自調節(jié)能力，自修復能力和再生能力，更易于模擬人的大腦的功能。不少科學家預測21世紀可能成為生物計算機時代。生物計算機17奧林巴斯光學工業(yè)公司開發(fā)出的生物計算機

18我國計算機的發(fā)展情況

1958年組裝調試成第一臺電子計算機(103或DJS-1型)

1956年國家制定12年科學規(guī)劃時，把發(fā)展計算機、半導體技術作為研究重點。與此相應相繼籌建了中國科學院“計算機及計算技術研究所”及“半導體研究所”。機器字長：31位內存容量：1024字節(jié)運算速度：450次/s計算所與738廠生產（38臺）191959年研制成功大型通用電子管計算機(104機)機柜個數:22個機器字長:39位內存容量：4K每秒運算速度：1萬次/s占地面積：200平方米共用電子管:4200個晶體二極管:4000個無故障穩(wěn)定運行時間:2小時201964年研制成功晶體管計算機(109乙,108乙,320)哈軍工（國防科大前身）研制738廠等五家工廠生產(40臺)我國第一顆原子彈1964.10.16下午3時新疆·羅布泊211971年研制成功集成電路計算機（150機）北京大學研制221997年研制成功向量計算機(130億次,銀河III)1992年研制成功向量計算機(10億次,銀河II)1983年研制成功向量計算機(億次,銀河I)2009年全球第5名天河一號巨型計算機性能:1.206千萬億次;6144個通用處理器;5120個加速處理器;內存總容量98TB;點點通信帶寬40Gbps;共享磁盤總容量1PB;23計算機的特點

計算機之所以發(fā)展如此迅速，應用面如此之廣，是因為作為一種工具，它具有很多顯著的特點：運算速度快當今達到千萬億次!

PC機內存已達GB級，巨型機的內存達TB級，外存更是大得驚人，幾片光盤就可以保存一座圖書館的全部藏書內容存儲容量大24

可達到任意的計算精度。在計算機發(fā)明之前，π的計算只能算到小數點后幾百位，而在ENIAC上很短時間便可算到2000位,在PII上，計算百位數的階乘只要幾分鐘。計算精度高利用邏輯運算可實現推理和證明。如百年數學難題“四色問題”(任意復雜的地圖，使相鄰區(qū)域的顏色不同，最多只要四種顏色),1976年兩位專家在IBM370上花了1200個小時便證明了該難題，震驚了數學界。具有邏輯判斷能力25能自動執(zhí)行處理問題的程序。如數控車床，通過程序控制可以達到任意加工精度，生產的零件不會有任何區(qū)別，保證質量。自動執(zhí)行能力

不僅能進行數學運算，還能處理文字、圖象、聲音等多媒體信息。具有多媒體信息處理能力

現在的計算機越來越易于操作。方便的使用方式

計算機網絡解決了信息傳播與交流的時空障礙，實現了信息和設備的交流與共享。具有互連、互通、互操作特性

26計算機應用模式的變遷50～70年代依賴大型計算機應用模式80年代PC機為主的計算機應用模式

90年代以來的局域網和Internet為主的計算機應用模式。人們可以從這種應用模式中獲得所需要的信息處理能力（硬件、軟件和數據資源）

集中計算模式

分散計算模式

網絡計算模式27計算機的發(fā)明對社會的影響進一步利用和開發(fā)了“信息”資源，促進了生產力的提高。增加了科學研究的“計算”手段。這種研究手段能夠獲得依賴傳統(tǒng)的理論推導和科學實驗手段難以得到的效果。拓寬了文化領域，計算機已成為人類必需的文化內容。引起了人類工作與生活方式的變化。積極影響28負面影響導致失業(yè)利用計算機犯罪(個人隱私、信息欺騙、知識產權保護、不良信息傳播和泛濫等）計算機系統(tǒng)崩潰和病毒帶來的嚴重后果教育的影響（沉迷于計算機游戲、網絡聊天等影響青少年的成長）大量電子垃圾造成的環(huán)境污染……29計算機的作用與應用

現代社會的各行各業(yè)都離不開計算機，可把計算機的應用歸納為如下幾個方面：科學計算（數值計算）數據處理（非數值計算，約占全部應用的2/3）過程控制（實時控制，指用計算機及時采集、信息，對被控制對象進行自動調節(jié)以提高效率、精度和質量。輔助系統(tǒng)（即用計算機輔助人類的各種設計、制造、教育等系統(tǒng)）如：30

CADComputerAidedDesignCAMComputerAidedManufacturingCAIComputerAidedInstructionCAEComputerAidedEngnerringCATComputerAidedTesting人工智能（AIArtificialIntelligence)；如機器人；專家系統(tǒng)ES；模式識別；語言識別。網絡應用辦公自動化（OA）電子商務312.1.2計算機的邏輯組成計算機系統(tǒng)構成計算機的所有實際物理裝置的總稱（完成基本功能、運行程序的基礎）各種程序、數據及相關文檔。(擴展硬件功能、提高效率)32

計算機系統(tǒng)中的硬件、軟件相互依存，缺一不可。但它們在邏輯上有等價性，軟件功能可以用硬件實現（代價昂貴），硬件功能也可以用軟件模擬(節(jié)約硬件,減少成本,如軟解壓)。

具有硬件性質、又有軟件特性的器件稱之為“固件”（Firmware)。例如,BIOS

芯片。33經典的計算機邏輯結構(馮·諾依曼計算機)運算器和控制器輸入設備輸出設備存儲器中央處理器CPU(CentralProcessing

Unit)邏輯結構指概念(功能)上的結構主機34現代計算機的邏輯結構中央處理器CPU(運算器及其控制)外存儲器內存儲器輸出設備總線(bus)輸入設備I/O接口I/O接口外存接口控制器控制器控制器控制器現代計算機與經典計算機結構相比有3個變化：集中控制分散控制存儲器內存儲器＋外存儲器通過CPU通信通過總線進行通信I/O設備、CPU、存儲器之間交換數據都必須經控制器，再通過系統(tǒng)總線交換(不能直接交換)主機35輸入設備輸入(input)把數據送入計算機(內存儲器)的過程。輸入設備(inputdevices)用來向計算機輸入數據的裝置。如：鍵盤—輸入文字、符號和命令鼠標器—輸入位置信息及按鈕命令掃描儀—輸入圖片麥克風—輸入聲音

輸入設備的共性：無論何種形式的原始信息，輸入到計算機中都以二進位表示！36中央處理器什么是處理器(processor)？能高速執(zhí)行指令，完成二進制數據的算術或邏輯運算和數據傳送等操作的部件。可將其看作為“運算控制器”。將處理器的所有電路都制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾個平方厘米)，稱為“微處理器”(microprocessor)37什么是中央處理器(CPU)現代計算機中一般包含有多個(微)處理器，它們各有不同的分工和任務：

用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應用軟件的處理器稱中央處理器(CPU),CPU是計算機必不可少的核心組成部件顯卡中用于加速圖形繪制的繪圖處理器聲卡中用于數字聲音信號的處理器DSP……38存儲器

用以存儲二進位形式表示的程序和數據。存儲器分為內存儲器與外存儲器。內存儲器(簡稱內存或主存)外存儲器(簡稱外存或輔存)存取速度很快較慢存儲容量小(因成本較高)

大(因成本低)性質斷電后信息消失斷電后信息保持用途存放已啟動運行的程序和數據長期存放計算機系統(tǒng)中幾乎所有的信息與CPU關系CPU處理的指令及數據直接從內存中取出程序及數據必須先送入內存后才能被CPU處理39輸出設備輸出(output)把信息送出計算機的過程(內存外設）輸出設備(outputdevices)用來從計算機中送出數據的裝置。如：顯示器—輸出文字、符號和圖形打印機—打印文字、符號和圖形揚聲器—輸出聲音輸出設備的共性:

把計算機中的二進位信息轉換成人可感知的形式(文字、符號、圖形、聲音等)40總線(bus)

用于連接CPU、內存、外存和各種I/O設備并在它們之間傳輸信息的一組共享的傳輸線及其控制電路

CPU總線(或前端總線)CPU與內存儲器之間傳輸數據的總線

I/O總線內存儲器與I/O設備(包括外存儲器)之間傳輸數據的總線41巨型計算機（Supercomputer）

（超級計算機、并行陣列計算機）數萬臺處理器并行處理結構速度：數十～數千萬億次/s用于軍事、氣象、石油勘探等部門2.1.3計算機的分類計算機有多種分類方法，如按邏輯結構有單處理器計算機/多處理器計算機；16位/32位/64位計算機；RISC、SISC計算機等。但通常按計算機的性能、價格、用途進行分類：42NEC地球模擬器天河一號(千萬億次/秒)IBMASCIWhite神州（江南計算技術研究所）

銀河（國防科技大學）曙光（中科院計算所）深騰（聯(lián)想集團）43大型計算機(Mainframe)通常指支持許多用戶、同時運行多個程序速度快(千萬次以上)

、存儲容量大、通信功能強、可靠性高有豐富的軟件可能由多處理器組成，如4/8/16/32個處理器通常用于提供數據存儲、管理、處理，作為主服務器。44小型計算機（Minicomputer）支持多用戶、多任務(量少)各方面的性能比大型機低一般用作企業(yè)、公司、實驗室的服務器，承擔信息處理任務45臥式個人計算機

立式個人計算機

一體式個人計算機筆記本計算機個人數字助理(PDA)上網本個人計算機（PersonalComputer）

適合個人使用軟件豐富、價格便宜、攜帶方便

TabletPC(平板式電腦)46速度快存儲容量大網絡通信功能強可靠性好服務器(Server)服務器是網絡中運行專門的網絡操作系統(tǒng)，為其他計算機提供服務和資源(數據、存儲空間、處理能力、軟件等)的一類計算機

原理上任何計算機都可以作為服務器,但由于網絡中需要大量服務器，因此一些計算機廠家專門設計生產“服務器”產品，其特點是：47常見服務器的物理形式：48嵌入式計算機(Embeddedsystem)嵌入在其他設備（如數碼相機、MP3播放器、手機、汽車等），把運算器、控制器、存儲器、輸入/輸出控制、接口電路全部集成在一塊集成電路芯片上的“單片計算機”。專用軟件固化在芯片上，功能不能輕易改變用于實時信息處理容量小、功耗低、成本低、適應性好嵌入式計算機的特點：492.2

CPU的結構與工作原理

CPU的任務是執(zhí)行指令，即按照指令的要求完成對數據的基本運算和處理。存儲器中央處理器指令，數據處理結果存儲數據和指令執(zhí)行指令處理數據

CPU的任務50計算機工作原理——存儲程序與程序控制指令與數據的存儲、運算都采用二進制；把程序作為數據存儲，要執(zhí)行的程序必須時要先調入主存儲器中；(存儲程序)計算機自動依次執(zhí)行由指令組成的程序,

計算機要執(zhí)行何種操作完全由程序控制。51如此往復，直到程序的所有指令執(zhí)行完為止；完成程序的一次運行。(程序控制)計算機執(zhí)行程序時：分析指令的功能(指令譯碼)；按指令中的要求從內存取出數據(取數)；對數據進行運算處理(運算)；CPU依次從主存中取出各條指令(取指令)；保存運算結果52外存儲器內存儲器CPU①程序啟動時，先將程序和數據從外存成批傳送到內存⑤程序執(zhí)行完成后，將處理得到的結果成批傳送到外存以長久保存②CPU從內存中逐條讀取該程序的指令及相關的數據④將指令的運算處理結果送回內存保存③逐條執(zhí)行指令,按指令要求完成對數據的運算和處理指令１指令2指令n…程序數據2數據１數據m…數據程序數據53CPU由寄存器、運算器、控制器等部件組成。數據

操作數地址寄存器組運算器中央處理器指令計數器指令寄存器控制器操作命令存放待執(zhí)行指令的地址存放待執(zhí)行的指令暫存待處理的數據完成規(guī)定的運算內存儲器程序指令1指令2指令k指令n數據1數據2數據已經啟動運行的程序和數據指令

指令地址2.2.1CPU的結構54

通用寄存器GPR

GPR是CPU中存放操作數、運算中間結果、運算結果的臨時存儲器

GPR是計算機中容量最少、存取速度最快的存儲裝置

GPR是程序中可直接使用的寄存器

CPU中通常有一組GPR，個數隨機器而異通用寄存器組012345

……寄存器的大小(長度)決定了處理器可以操作數據的大小和精度。55運算器

進行算術運算和邏輯運算的部件，故稱之為ALU(ArithmeticLogicUnit)，也稱為“執(zhí)行單元”在CPU中可能含有多個ALU（如ALU1、ALU2、浮點運算部件等）。

運算的結果可以存放在GPR、內存單元參加ALU運算的操作數通常來自：通用寄存器GPR內存儲器單元指令本身56例1:取數指令LOADR3內存地址ALOADR5內存地址B例2：加法指令ADDR1R3R5(3#寄存器內容與5#寄存器內容相加，并把和數寫入1#寄存器)STORER1內存地址C例3：存數指令通用寄存器GPR0123456736ALU279AB內存儲器C2793657控制器控制器是CPU的指揮中心，主要作用是：控制ALU和其他部件的工作解釋指令的含義記錄機器內部的各種狀態(tài)控制器中有兩個重要的寄存器：

指令計數器指令寄存器

用來存放正在執(zhí)行或下一條要執(zhí)行的指令在主存中的存儲地址。CPU按該地址取指令

用來存放正在執(zhí)行或下一條要執(zhí)行的指令58一臺計算機可以有多個處理器（2，4，8或更多），若一臺計算機有2個以上的處理器，并能同時地執(zhí)行指令，實現超高速計算的技術稱為“并行處理”，采用這種技術的計算機系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。關于CPU的幾個基本概念592.2.2

指令與指令系統(tǒng)指令也是構成程序的基本單位

規(guī)定CPU執(zhí)行的操作及操作對象的位置

CPU直接執(zhí)行的基本操作單位，由一系列二進制數字組成的數字串。程序一個程序是指令的有序集合60指令的格式

一條指令一般由兩部分組成：操作碼操作數指出該指令所操作的數據或數據所在位置,可有多個，且可以是：主存地址寄存器名/號直接量操作數主存地址的地址指出執(zhí)行何種作。如加、減、乘、除、取數、存數等。表示位數的多少決定有多少種不同的操作功能61指令的執(zhí)行過程

CPU逐條執(zhí)行完組成程序的指令串便完成了程序的功能。一條指令的執(zhí)行大體如下：⒈取指令

CPU的控制器按指令計數器從內存中讀取一條指令，并放入指令寄存器中⒉

指令譯碼分析指令、何種操作、操作數在哪里等62⒊

執(zhí)行指令

按操作碼的要求取操作數、執(zhí)行指定的操作、并根據執(zhí)行的結果設置一些狀態(tài)（如數據錯、溢出、條件碼等）⒋修改指令計數器

決定下一條指令的地址取指令12

指令譯碼3

執(zhí)行指令修改指令計數器463指令系統(tǒng)

CPU所能執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令系統(tǒng)，也是這臺計算機的“機器語言”。指令系統(tǒng)的設置原則操作功能要簡單，不宜太多、太復雜指令的格式要統(tǒng)一，長度要固定操作數的來源要有限制（來自寄存器）精簡指令集計算機(RISCReducedIinstrutionSetComputer)復雜指令集計算機(CISCComplexInstrutionSetComputer)64指令的種類轉移指令按指令中給出的操作數的個數分：有單、雙、多操作數指令；數據傳送指令算術運算指令邏輯運算指令移位指令位（位串）操作指令輸入/輸出指令另外，按操作數的所在位置分：寄存器-寄存器型、

寄存器-存儲器型、存儲器-存儲器型指令等。65指令系統(tǒng)的兼容問題

每種類型的CPU都有自己的指令系統(tǒng)，某一類計算機的可執(zhí)行程序代碼未必能在其他計算機上運行，這個問題稱之為計算機的“兼容性”問題。

同一公司的微處理器產品，新型號通?！跋蛳拢嫒荩迸f型號。老型號的處理器能執(zhí)行的程序在新型號處理器中一定能夠正確執(zhí)行；反之則未必。66

總線接口部件負責控制、管理、協(xié)調系統(tǒng)總線的工作。一般來說：

接收預取指令的請求；接收執(zhí)行單元傳送數據的請求；接收對CPU中的多個部件同時提出的請求進行排隊協(xié)調。67指令快存與數據快存（cache)

是一種高速緩沖存儲器（簡稱緩存、快存）,讀寫速度幾乎與CPU一樣快。解決高速CPU(1ns)與慢速的主存儲器(10ns)之間的速度差異。當計算機執(zhí)行程序時，

CPU預測可能需要的數據和指令，并將這些數據和指令預先從主存讀出送到cache。一旦需要時,首先檢查

cache，若有就從cache中讀取，若無再訪問主存。是一種SRAM（StaticRandomAccessMemory)型存儲器。由雙極型電路或晶體管組成的易失性存儲器件。68CPU性能的性能指標

計算機的性能在很大程度上由CPU決定。而CPU的性能主要由它的運算速度所體現。

運算速度通常用每秒鐘可執(zhí)行的指令數目衡量，度量單位是：

MIPS

(MillionInstructionsPerSecond)

百萬條定點指令／秒

MFLOPS(MillionFLOatinginstructionsPerSecond）

百萬條浮點指令／秒

TFLOPS(TrillionFLOatinginstructionsPerSecond

)

萬億條浮點指令／秒

69指通用寄存器和定點運算器的寬度（即二進制整數運算的位數)字長

CPU在單位時間內一次處理的二進制數的位數。因此，位數越多傳輸越快。不同的CPU、字的寬度也不一樣，通常有:

8/32/64位等。影響CPU性能的主要因素指令系統(tǒng)指令的類型、數目和功能等都會影響程序的執(zhí)行速度。體系結構70邏輯結構

CPU包含的執(zhí)行部件的數目、采用的流水線結構和級數、指令分支預測的機制等高速緩存（cache）的容量與結構

Cache的大小也直接影響CPU的性能。Cache容量越大訪問Cache的命中率就越高，

執(zhí)行指令的速度也就越快。邏輯實現71主頻（CPU內部時鐘頻率）

指CPU芯片中電子線路(門、觸發(fā)器)的工作頻率，它決定著CPU芯片內部數據傳輸與操作速度的快慢

CPU總線速率CPU總線(前端總線)的傳輸速率：決定著CPU與內存之間傳輸數據的速度快慢物理實現72

提高CPU性能的3大措施提高IC速度(主頻)增加CPU/(核)的數目改進CPU結構(增加邏輯復雜度)1980’1990’2005201020154核

80x86

Pentium

8核

雙核年代性能增加邏輯復雜度提高主頻增加內核數目性能與復雜性的平方根成正比,若復雜性提高一倍,至多能提高40%的性能散熱是最大問題。如3.2GHz的P4的功耗超過100W，溫度達70度！采用兩個處理器構成一個雙核處理器可以提高70%～80%的性能73雙核/4核處理器概念

所謂雙核心處理器，就是在一塊CPU基板上集成兩個功能完全相同的處理器，并通過并行總線將各處理器核心連接起來。是一種單芯片多處理器CMP(ChipMultiProcessors)

而將兩個雙核晶片封裝在一起即成為4核處理器。雙核處理器物理結構雙核處理器邏輯結構74

雙CPU計算機的概念

前面所說的雙核心是在一個處理器芯片里擁有兩個處理器核心，核心是兩個，但是其他硬件還都是兩個核心所共同擁有。而雙CPU則是真正意義上的雙核心，不光是處理器核心是兩個，其他例如緩存等硬件配置也都是雙份的。75為什么“多核”處理器可提高計算機性能？并行處理3.

每個CPU負責執(zhí)行分配給它的線程中的指令注：“線程”可被理解為程序中可獨立且并發(fā)地執(zhí)行的一串指令1.“線程”排隊等候CPU處理2.哪一個CPU空閑，就把等候的線程交給它執(zhí)行76小結：提高CPU性能的具體措施擴展CPU的字長：32位－>64位擴充CPU指令系統(tǒng)提高CPU主頻：從1.5GHz－>3GHz以上，目前最高已經接近4GHz；加快CPU前端總線的數據傳輸速率增大cache存儲器容量、增加cache的級數改進CPU內部的邏輯結構超標量結構（多個執(zhí)行部件）指令流水線執(zhí)行技術超線程技術采用多內核結構77

微處理器

簡稱μP或MP。使用單片大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路制成的、具有運算和控制功能的處理器。例如，Pentium

。從71年Intel生產出第一片微處理器4004至今，已推出了8代微處理器。各代微處理器的主要標志是：字長、結構、功能、晶體管數目、工作頻率的變化。78

Intel公司微處理器產品的主要技術參數生產微處理器的著名公司有：Intel、AMD、AthlonXP、Duron、Sempron、Athlon64等。79

微控制器（Microcontroller)

把處理器、存儲器、輸入／輸出接口電路等都集成在單塊芯片上的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路芯片。微控制器一般以嵌入方式嵌入在智能儀表、玩具、計算機外圍設備、家用電器、通信設備中，控制它們的工作。80

微處理器的應用目前微處理器有三個主要應用方面：

服務器應用服務器應用商用事務處理和Web服務器為主。這種應用的特點與關鍵點是：（１）系統(tǒng)的可用性（２）系統(tǒng)的可擴展性（３）系統(tǒng)的高吞吐率生產服務器的著名公司有：IBM、HP、SGI、SUN等81個人計算機應用個人計算機應用包括式計算機、筆記本電腦、高端工作站。這種應用的特點與關鍵點是：（１）多媒體應用（占90%以上）（２）交互性能（３）計算能力（４）性能／價格比82

嵌入式應用嵌入式應用指把微處理／微控制器作為各種系統(tǒng)或設備的核心控制部件的應用（如手機、數碼照相機等）。這種應用的特點、要求、限制是：

(1)功耗小

(2)體積小

(3)成本低

(4)可靠性高

(5)速度快

(6)處理能力強

(7)電磁兼容性好83

L2Cache(48GB/s)L1數據cache(8KB)256位,時鐘頻率前端總線主存總線接口部件預取控制部件6４位,時鐘頻率指令預取部件動態(tài)分支預測器指令譯碼器微碼ROM執(zhí)行跟蹤cache(1200微操作)執(zhí)行跟蹤cache

分支預測器微操作隊列微操作隊列整數寄存器組浮點數寄存器組復雜指令簡單指令簡單指令存地址取地址浮點數存/取浮點數加乘除SSE／SSE2MMX慢ALU2XALU2XALU2XAGU2XAGU

Pentium4微處理器

Pentium4的邏輯結構84

Pentium

微處理器內部主要部件的功能總線接口部件和處理器總線總線接口部件負責控制、管理、協(xié)調處理器總線的工作。處理器總線(FSB前端總線)是CPU和主存之間的數據通路。數據傳輸寬度64位（即一次可以傳輸8個字節(jié)），包含36根地址線(即CPU可訪問的內存的最大地址為236，或者說最大內存空間可達64GB）。85流水線處理

P4采用了超流水線技術(hyperpipeline)，即同一時刻允許多條指令同時執(zhí)行。P4的流水線上最多允許有126條指令同時進行處理。指令譯碼預取指令執(zhí)行指令存儲結果時間T時刻CPU同時處理4條不同的指令862.3PC主機的組成8788

主板主板上安裝所有的電子器件、電路與連接件。主要部件有：CPU插座CPU調壓器芯片組高速緩存(在CPU中)存儲器插座

I/O端口CMOS芯片2.3.1主板、芯片組與BIOS

BIOS芯片總線擴展槽

時鐘發(fā)生器,電池—存放最基礎的軟件(I/0系統(tǒng))—存放硬件配置信息和系統(tǒng)參數892.3.1主板、芯片組與BIOS

主板主板上安裝所有的電子器件、電路與連接件

為了便于不同PC機主板的互換，行業(yè)部門對主板的物理尺寸進行了標準化：

ATX規(guī)格

BTX規(guī)格主板的作用主板的物理尺寸標準90主板上安裝的主要內容

處理器插槽

I/O接口光驅及硬盤IDE連接器電源連接器PCI總線槽CPU插座顯示卡插槽南橋芯片組ROMBIOS內存儲器插座CMOS北橋芯片組91

硬盤IDE連接器電源連接器CPU插座內存條插座

I/O接口

PCI總線插槽

芯片組

連接顯示器、打印機、鼠標、鍵盤I/O端口部分主板實例92芯片組芯片組的作用芯片組是PC機各組成部分相互連接和通信的樞紐。芯片組決定主板的級別和檔次；不同類型的CPU需要使用不同的芯片組。集中了主板上幾乎所有的控制功能

(存儲器控制、I/O控制等)提供各種I/O接口及控制實現了PC機系統(tǒng)總線功能決定所能安裝的主存的最大容量、速度及可使用的內存條類型集成了網卡、顯卡、聲卡等功能93芯片組的結構與組成芯片組由北橋芯片與南橋芯片組成。北橋芯片1.存儲器控制功能；2.連接CPU、存儲器、顯卡、南橋芯片的樞紐南橋芯片1.多種I/O設備的控制功能；2.I/O總線(PCI總線)功能；3.提供了各種I/O接口94CPUCPU(前端)總線主存儲器顯卡擴展槽PCI接口磁盤控制器以太網卡USB控制器和接口鼠標器鍵盤網線disk聲卡視頻卡光驅存儲器總線I/O總線I/O總線南橋芯片北橋芯片芯片組的作用95注意：北橋芯片的發(fā)展變化更新速度比南橋芯片要快；北橋芯片更靠近CPU；北橋芯片支持的數據傳輸速度更快；利用北橋芯片的數據傳輸更頻繁。96Intel芯片(如X48、P43、P45和G41、G43、

G45、B43、Q43、Q45；ICH7、ICH8、

ICH9和ICH10等）VIA（威盛，中國臺灣）nVIDIA（美國）AMD（美國）生產芯片組的公司與廠家97BIOS

芯片BIOS是基本輸入/輸出系統(tǒng)(BasicInput/OutputSystem)的意思，是操作系統(tǒng)的最底層部分的可執(zhí)行程序代碼。BIOS的功能啟動計算機診斷計算機故障控制基本外設(鍵盤、鼠標、磁盤、顯示器等)的輸入輸出操作98BIOS存放在只讀存儲器芯片（ROM）中，一般情況下是不能被修改的，故稱為只讀存儲器芯片。是一種固化軟件。BIOS的特點99BIOS芯片中包含的程序自檢程序（POSTPowerOnSelfTest)用于加電時時檢測計算機硬件故障自舉程序（Boot）,用于啟動計算機系統(tǒng)CMOS設置程序,

設置系統(tǒng)參數。設備驅動程序,驅動鍵盤、顯示器、軟驅、硬盤等常用外部設備I/O操作的控制程序。100

PC機的啟動過程(1)接通電源時，自動執(zhí)行BIOS中的POST程序，測試各部件的工作狀態(tài)是否正常，按CMOS中的內容來識別硬件的配置、測試和初始化CPU、內存、ROM、主板、CMOS、顯示卡、鍵盤、軟驅和硬盤等，若有錯系統(tǒng)將不能繼續(xù)工作。(2)執(zhí)行自舉（裝入）程序。按照CMOS中預先設定的啟動順序，搜尋軟、硬盤或CD-ROM，從中讀出引導程序并裝入到內存，然后將控制權交給引導程序，由引導程序繼續(xù)安裝操作系統(tǒng)。然后由操作系統(tǒng)控制使用計算機。101CMOS芯片

作用存放用戶對計算機硬件所設置的一些參數(配置信息)，包括當前的日期和時間、顯示卡的類型、cache的使用狀況、從外存啟動OS的設備順序等。

特性CMOS是一種半導體存儲器芯片，易失性存儲器。使用電池供電,即使計算機關機后它也不會丟失所存儲的信息。102

CMOS設置程序的使用加電時按住Del鍵便自動啟動CMOS設置程序，用戶便可以修改/配置系統(tǒng)硬件參數。修改/配置系統(tǒng)硬件參數的情況PC機組裝好之后第一次加電；系統(tǒng)增加、減少或更換硬件或I/O設備；CMOS芯片因掉電、病毒侵害、放電等原因造成其內容丟失或被錯誤修改；用戶希望更改或設置系統(tǒng)的口令；系統(tǒng)因某種需要而調整某些設置參數。1032.3.2內存儲器

在計算機中用于存儲程序和數據的部件統(tǒng)稱之為存儲器。在主板各個部件中的存儲器稱內存儲器，在機器外部的存儲器稱外存儲器。內存儲器(簡稱內存)存取速度快成本高、容量相對較小直接與CPU連接，CPU可以對內存中的指令及數據進行讀寫操作屬于揮發(fā)性存儲器(volatile)，用于臨時存放正在運行的程序和數據(臨時性存儲器)104外存儲器(簡稱外存或輔存)存取速度慢成本低、容量很大不與CPU直接連接,計算機運行程序時,外存中的程序及相關數據必須先傳送到內存，然后才能被CPU使用。屬于非揮發(fā)性存儲器(Nonvolatile),用于長久存放系統(tǒng)的所有信息(永久性存儲器)105存取時間指從CPU給出存儲地址開始到從存儲器中取出數據并送給CPU所經歷的時間。cache存儲器主存儲器(RAM和ROM)外存儲器(軟盤、硬盤、光盤)后備存儲器(磁帶庫、光盤庫)內存外存寄存器典型容量<1KB幾個MB幾個GB100GB~1TB10TB~100TB典型存取時間1ns2ns10ns10ms10s存儲器的層次注：106內存儲器分類內存儲器都是半導體存儲器，按能否讀寫分為兩大類：半導體存儲器只讀存儲器(ROM)隨機存取存儲器(RAM)靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM動態(tài)隨機存取存儲器DRAM

不可在線改寫內容的ROM快擦除存儲器FlashROM(用作Cache)

(用作主存儲器)(用作BIOS等)107

RAM就是平時所講的主存儲器，可在任何時刻存/取它的任何位置的存儲單元。可讀可寫、易失性是CPU的工作存儲器，要執(zhí)行的程序必須先調入其中。讀(取)RAM，指從RAM中取出數據(取的僅是存儲在其中數據的副本，原來的內容依然存在)；寫(存)RAM，指改變RAM存儲單元的內容(新的總是代替老的)。RAM

以存儲單元(字節(jié))為單位讀/寫。隨機存取存儲器RAM(RandomAccessMemory)108需要定時充電(刷新，約每隔15ms),以保持信息不會丟失。存取時間一般<10ns(比CPU慢得多),但是比ROM的速度快(ROM<20ns)。主存儲器都使用DRAM(DynamicRAM)芯片用一個晶體管和一個電容表示一位二進位芯片小、功耗低、密度高109只能讀出其中的數據和程序，不能寫入；是一種永久保存數據的存儲器(非易失性)或半永久(可通過特殊技術改寫其中的內容)的存儲器。因此，按內容是否能改寫可分為：MaskROM

(掩膜ROM)

存儲的數據由工廠在生產過程中直接在半導體芯片上制成的硬模硅片，此后無法進行修改。只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)110

可編程只讀存儲器，生產時為空(所有的位全為1)。此后可以用專用寫入器(在芯片所需改變處加上高電壓(12v)，將1變成0，加電時間幾秒到幾分鐘。PROM(ProgrammableROM)只能寫一次，不可回復。所以PROM芯片又稱為OPT芯片（一次可編程芯片）。注意：111EPROM芯片(ErasablePROM)

可擦除、可編程只讀存儲器，通過紫外線照射芯片上的信息（發(fā)生化學反映，實際上是“熔結”，把0變成1）。因紫外線照射會擦除EPROM中的內容,而陽光中有紫外線，所以含有EPROM

的設備應避免在陽光下暴露太久。注意：EEPROM芯片

(ElectronicEPROM)

電可擦除、可編程只讀存儲器,可直接用電子線路擦除（如FlashROM）。112PC機中使用的ROM在PC機中有幾個地方使用了ROM存儲器：用于存放微程序（實現指令的程序）控制卡中的ROM用于存放相應設的備驅動程序（如顯卡中的ROM）主板中的ROM用于存放BIOSCPU中的ROM

113主存儲器CPU可通過FSB直接存取其中的數據；用來存放正在執(zhí)行和已進入主存等待執(zhí)行的程序和數據，是一種工作存儲器；以字節(jié)為單位編址，字節(jié)訪問的基本單位，

CPU可按地址訪問主存儲器的任意單元；包括ROM和RAM(由兩者組成)；

存取時間一般小于10ns114地址碼存儲單元地址寄存器地址譯碼器地址線讀寫控制電路數據線控制線讀/寫的數據讀寫控制信號

(64位)(36位)115PC機主存儲器的物理結構

在物理上，主存儲器由若干“內存條”組成?！皟却鏃l”是將一些RAM芯片焊接在一小條印刷電路板上的部件。目前流行的是DDR2和DDR3內存條：均采用雙列直插式(DIMM)均有240個引腳，但不可互換使用PC機主板中一般都配備有2～4個DIMM插槽DoubleDataRateSynchronousDynamicRAM116DDR存儲器的類型、速率及相關參數存儲器時鐘頻率存儲器芯片名稱存儲器內部頻率內存條名稱每秒傳輸次數最大傳輸速率100MHzDDR-200100MHzPC-1600200M1.6GB/sDDR2-400200MHzPC2-3200400M3.2GB/sDDR3-800400MHzPC3-6400800M6.4GB/s133MHzDDR-266133MHzPC-2100266M2.1GB/sDDR2-533266MHzPC2-4200533M4.2GB/sDDR3-1066533MHzPC3-85001066M8.5GB/s167MHzDDR-333167MHzPC-2700333M2.7GB/sDDR2-667333MHzPC2-5300667M5.3GB/sDDR3-1333667MHzPC3-106001333M10.6GB/s200MHzDDR400200MHzPC-3200400M3.2GB/sDDR2-800400MHzPC2-6400800M6.4GB/sDDR3-1600800MHzPC3-128001600M12.8GB/s117

內存條使用注意事項：25次插/拔次數；但內存條必須定期插/拔，長期氧化會導致讀/寫錯誤；內存條有鍍金引腳和鍍錫引腳之分，插槽也是這樣，材料不同“腐蝕效應”也不同，氧化物表面會形成不同的電阻值，導致讀/寫錯誤；內存條必須一致，不能混用。118高速緩存(cache)因CPU工作速度快(1ns),內存存取速度慢(10ns),速度的差異導致CPU存取內存中的數據時往往需要等待，影響系統(tǒng)性能。解決辦法設立一個名為cache的高速緩沖存儲器：cache

CPURAM…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….預拷貝一部分若cache中有待執(zhí)行指令…….…….…….下一部分若cache中沒有待執(zhí)行指令…….119利用cache能提高性能的原理

cache速度快，與CPU速度匹配

并行工作原理。從RAM中將指令與數據送入cache

與CPU從cache中取指令及執(zhí)行指令的動作是同時進行的

程序的局部執(zhí)行原理(這是最重要的!

)…….…….…….…….…….…….…….…….程序在這段范圍內反復執(zhí)行。而這段程序只需送cache一次！120cache的特性物理上由SRAM芯片組成，是易失性存儲器電路復雜、集成度低、功耗大、成本高。直接制作在CPU芯片內(與CPU封裝在同一個芯片中)，速度幾乎與CPU一樣快cache的內容是主存儲器中部分內容的映象cache不能由程序直接訪問，即cache對程序是“透明”（看不見）的。一個程序的指令可能多次進入cache，而不是一次。121關于cache的命中率

cache的命中率是CPU從cache中獲得指令與數據的成功概率。概率越高則請求訪問主存儲器的機會就越小，程序執(zhí)行時間就越短。如何提高cache的命中率？增大cache容量采用快速的cache查找算法(判定是否命中)采用有效的淘汰算法采用多級cache技術(2級或3級等)編寫、優(yōu)化程序（cache-friendly的程序）1222.3.3I/O控制與I/O接口I/O控制設備主存儲器設備上的數據(輸入)主存中數據(輸出)注：I/O操作與CPU的運算可同時進行I/O操作概念123

I/O設備

I/O設備(包括外存儲器)是一個獨立的物理實體，通過不同的I/O接口與主機連接。系統(tǒng)中的I/O設備之間都可以同時工作。

DMA控制器（DirectionMemoryAccess）

實現設備與主存儲器之間的直接數據傳輸的控制。

I/O設備控制器I/O設備都有相應的控制器(即適配器、適配卡）,如聲卡、網卡等，由一組電子線路組成，用于控制設備的I/O操作，具體功能是：124向CPU反映設備的工作狀態(tài)速度匹配數據格式轉換接收啟動設備的命令獨立于CPU控制設備工作

鍵盤、鼠標器、打印機等設備的控制器比較簡單，已集成在芯片組內。顯示器之類的設備其控制器比較復雜，通常制成擴充卡插在主板的擴充槽內。隨著集成度的提高，各種擴充卡的功能也越來越多地被集成在芯片組內。125I/O操作的過程CPUI/O指令DMA地址計數控制盤控制器緩沖區(qū)硬盤主存儲器6

I/O操作完成2

請求傳輸4

數據傳輸

1要求控制I/O操作3應答總線5126

總線

總線(bus)是CPU、內存、外存、及各種I/O設備之間的數據傳輸通路，由一組公用的信號線（數據線、地址線、控制線)及控制線路組成。總線的基本概念………………數據線地址線控制線127總線的特點共享高速總線的性能數據通路寬度；總線工作頻率；每秒傳輸次數128總線的類型CPU總線（前端總線FSB）CPU與芯片組(北橋芯片)之間的數據通路。北橋芯片CPUCPU(前端)總線存儲器總線主存儲器與芯片組(北橋芯片)之間的數據通路。存儲器總線主存儲器129I/O總線I/O總線

I/O總線南橋芯片北橋芯片

也稱主板總線，是各類I/O設備控制器與CPU、存儲器之間傳輸數據的通路。130當前正在使用的I/O總線標準：PCI

工作頻率：33MHz

數據線寬度：32/64

傳輸速率：132MB/s或266MB/s早期的I/O總線標準：

PC總線

ISA

MCA

EISA

VESAPCI性能已跟不上實際應用需求。131新一代I/O總線標準：PCI-EPCI-E由英特爾提出，原名為“3GIO”（即第3代I/O總線標準的意思）,后改名為“PCI-Express”,簡寫為PCI-E或PCIe。

采用高速串行傳輸,以點對點的方式與主機通信；多通道(1～32個)，對應的傳輸速率規(guī)格為x1、x4、x8、x16、x32；

支持熱插拔；132PCI-E分1.0版、2.0版、3.0版。后兩版的速率分別是1.0版的2倍、4倍。如各版本的x1的速率分別為250MB/s，500MB/s,1GB/s；

目前,北橋芯片已支持PCI-Ex16(5GB/s）取代AGP(2.1GB/s),南橋芯片支持PCI-E

x1。PCI-Ex1PCIPCI-Ex16AGP133顯卡插槽

(PCI-Ex16)(16個串行傳輸通道；最高傳輸速率:5GB/s)

PCI-Ex1插槽(1個串行傳輸通道；最高傳輸速率:250MB/s)PCI插槽134

I/O總線控制器（ICH）位于主板的芯片組中，協(xié)調與管理I/O總線操作。I/O總線的帶寬總線帶寬＝通路寬度×工作頻率×傳輸次數

/8(B)/8/1000(KB)/8/1000/1000(MB)(最高傳輸速率)135總線帶寬(數據傳輸速率)＝32b×33MHz×1

＝32×33000000×1

＝1056000000b/s

＝132000000B/s＝132MB/s

PCI有32根數據線,總線工作頻率33MHz，每個總線周期傳輸1次，則：例如：136I/O接口（Interface)

I/O設備與主機之間的連接器。包括插頭/插座及通信規(guī)程和電氣特性。聲音輸入聲音輸出麥克風顯示器接口鍵盤接口并行口USB接口以太網接口串行口鼠標接口主板上的I/O設備接口137I/O接口分類按傳輸方式串行接口并行接口一次傳送一個字節(jié)，但每次僅傳送一個比特(一個字節(jié)分8次傳送)，用于連接鼠標、MODEM等慢速設備。

一次傳送一個字節(jié)，但8位同時傳送。138串行口一個字節(jié)...............一個字節(jié)并行口一個字節(jié)一個字節(jié)一個字節(jié)注意：按傳統(tǒng)概念并行接口比串行接口快，但現在這個概念已發(fā)生了變化。（未必！因為還存在傳輸速率問題）139按是否能連接多個設備獨占式接口總線式接口按是否符合標準標準接口專用接口只能連接專門設備。如視頻口只能連接一個設備?？蛇B接多個設備通用接口，可連接多種設備，例如

USB140常用的重要I/O接口

IDE/EIDE

ATA接口

(IntegratedDriveElectronics/Enhance)

(ATAATAttachment,AT嵌入式接口)

硬盤接口規(guī)范最大傳輸速率(MB/s)ATA-1

3.3ATA-2

16.6ATA-3

16.6ATA-4

33UltraATA/100

100UltraATA/133133141USB的特性

高速、串行傳輸；

即插即用P&P

(PlugandPlay)，熱插拔；

自動識別外設；

使用USB集線器，最多連接127個設備；

可外設提供電源(＋5V，100～500mA)。USB

接口（UniversalSerialBus）

通用串行總線式接口。142USB的版本及其數據傳輸速率USB

1.0版：低速

0.1875MB/sUSB

2.0版：60MB/s高速

1.5MB/s

USB

1.1版：USB

3.0版：400MB/s

USB標識USB3.0SS連接器外設接線器電纜長度5米143

USB的引腳信號黑地GND4綠數據＋＋DATA3白數據－－DATA2紅電源VCC1導線顏色名

稱信

號引

腳144

i.Link

(SONY)或FireWire(Apple)接口

即IEEE-1394。是用于連接需要高速傳輸大量數據的音頻和視頻設備,也是串行傳輸。1394的特點

傳輸速度快

即插即用，熱插拔；

級聯(lián)方式連接,最多可以連接63個設備；

最大電纜長度5米。

12.5、25、50MB/s100MB/s（1394a）（1394b）145

IEEE1394的插座形式連接器共有6根導線（4根傳送數據，2根傳導電源）1394數據線146紅外線數據傳輸接口IrDA(InfraredData)

使用紅外線通信不需要連接線。只需將兩設備的距離、方向放置在一定的范圍內就可以實施通訊。紅外線接口標準SIR(SerialInfrared，串行紅外)9.6K～115.2KbpsFIR(FastInfrared，快速紅外)1.152M和4MbpsVFIR(VeryFastInfrared，超速紅外)16Mbps147紅外適配器148

PC機常用I/0接口的性能、參數及作用名稱數據傳輸方式數據傳輸速率標準插頭/插座形式可連接的設備數目通常連接的設備串行口串行,雙向50～19200b/sEIA-232或EIA-422DB25F或DB9F1鼠標器，MODEM并行口(增強式)并行,雙向1.5MB/sIEEE1284DB25M1打印機，掃描儀USB(1.0)USB(1.1)串行,雙向1.5Mb/s(慢速)1.5MB/s(全速)USB-IFA型，B型最多127鍵盤，鼠標器，數碼相機，移動盤等USB(2.0)串行,雙向60MB/s(高速)USB-IFA，B，Mini型最多127外接硬盤，數字視頻設備，掃描儀等IEEE1394a1394b

串行,雙向50MB/s,100MB/s,200MB/sFireWire(i.Link)最多63數字視頻設備IDE并行,雙向100MB/s133MB/sUltraATA/100UltraATA/133(E-IDE)1~4硬盤，光驅，軟驅SATA串行,雙向150MB/s300MB/sSATA1.0SATA2.07針插頭/插座1硬盤顯示器輸出接口并行,單向200～500MB/sVGAHDB151顯示器PS/2接口串行,雙向低速IBM1鍵盤或鼠標器紅外線接口(IrDA)串行,雙向115,000bps或4Mbps紅外線數據協(xié)會不需要1鍵盤，鼠標器，打印機等149

I/O總線、I/O控制器、I/O接口與I/O設備之間的關系機箱打印機掃描儀顯示器麥克風網線

I/O總線I/O接口硬盤光驅I/O設備CPU主板I/O控制器(擴充卡)機箱插座板卡插座PCI插槽內存主板插槽芯片組IDE機箱插座I/O設備鍵盤鼠標器I/O控制器I/O設備CPU1502.4

常用輸入設備數字和文字輸入設備(鍵盤、寫字板等)位置和命令輸入設備(鼠標器、觸摸屏等)圖形輸入設備(掃描儀，數碼相機等)聲音輸入設備(話筒，MIDI演奏器)視頻輸入設備(攝像機)輸入設備是計算機中必不可少的部分,按設備功能分，有如下幾大類：溫度壓力輸入設備(溫度、壓力傳感器)1512.4.1鍵盤（Keyboar