第2章微型计算机系统的组成

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1、计算机导论计算机导论第第2章章 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成本章导读：本章导读：重点阐述了微机的中央处理器、存储器、输入重点阐述了微机的中央处理器、存储器、输入/输输出设备的类型、发展和主要性能指标。出设备的类型、发展和主要性能指标。重点内容：重点内容：计算机软、硬件系统构成、中央处理器的类型、性计算机软、硬件系统构成、中央处理器的类型、性能和指标能和指标、存储器的类型、性能和指标输入、存储器的类型、性能和指标输入/输出设备输出设备的类型、性能和指标。的类型、性能和指标。计算机导论计算机导论第第2章章 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成 2.1 2.1 概述概述 2.2 2.

2、2 中央处理器中央处理器CPU CPU 2.3 2.3 存储器存储器2.4 2.4 总线与输入总线与输入/输出输出 接口电路接口电路2.5 2.5 输入输入/输出设备输出设备计算机导论计算机导论2.1 概述概述2.1.1 硬件系统 微型计算机的硬件系统主要由CPU、存储器、系统总线、接口电路及I/O设备等部件组成。计算机导论计算机导论2.1 概述概述2.1.1 硬件系统（控制器控制器输入输入设备设备输出输出设备设备数据流数据流地地 址址控制流控制流运算器运算器计算机导论计算机导论光盘驱动器软盘驱动器主机箱显示器键盘鼠标计算机导论计算机导论微型计算机工作原理运算（处理）存储（记录）控制（协调）计

3、算机导论计算机导论计算机的语言二进制“逢逢 进进，借，借当当”十进制十进制=10，可使用，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9二进制二进制=2，可使用，可使用0,1八进制八进制=8，可使用，可使用0,1,2,3,4,5,6,7十六进制十六进制=16，可使用，可使用0,9,A,B,C,D,E,F计算机导论计算机导论二进制概念128128瓦瓦3232瓦瓦6464瓦瓦1616瓦瓦8 8瓦瓦4 4瓦瓦1 1瓦瓦2 2瓦瓦信息复制的精确性信息复制的精确性运算规则简单运算规则简单电子线路制造计算机成为可能电子线路制造计算机成为可能计算机导论计算机导论程序和指令是对计算机进行程序控制的是对计算机进行

4、程序控制的。所有的指令的所有的指令的称为计算机的称为计算机的机器指令格式机器指令格式操作码操作码 操作数操作数机器执行什么操作机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）执行对象（具体数、存放位置）是为完成一项特定任务而用某种语言是为完成一项特定任务而用某种语言编写的编写的。计算机导论计算机导论信息的存储单位位（位（BitBit）：度量数据的最小单位）：度量数据的最小单位字节（字节（ByteByte）：最常用的基本单位）：最常用的基本单位K K 字节字节1K=1024 byte1K=1024 byteM M（兆）字节（兆）字节1M=1024 K1M=1024 KG G（吉）（吉）字节字节1G=

5、1024 M1G=1024 M T T（太）字节（太）字节1T=1024 G1T=1024 Gb7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0=计算机导论计算机导论2.1 概述2.1.2 软件系统 软件是提高计算机使用效率、扩大计算机功能的程序总称，它由各种程序和数据组成。软件系统由系统软件和应用软件组成。在硬件基础上的系统软件是对硬件功能的扩充与完善，而操作系统是配置在硬件上的第一层软件，它是对硬件功能的第一次扩充，从而构成了一个比硬件裸机功能更强大、使用更方便的虚拟计算机。所有系统实用程序以及更上层的应用程序都在操作系统虚拟机上运行，他们受操作系统的统一管理和控制。硬件和软件的整体称为计算机

6、系统资源，其系统构成示意图见图2-2。计算机导论计算机导论2.1 概述 软件 系统软件 程序设计语言 应用软件：如软件包、数据库等 机器语言 汇编语言 高级语言 监控程序 操作系统 编辑程序 解释程序 编译程序 诊断程序 2.1.2 软件系统计算机导论计算机导论硬件系统硬件系统软件系统软件系统主机主机外部设备外部设备系统软件系统软件应用软件应用软件中央处理器中央处理器内存储器内存储器输入设备输入设备输出设备输出设备外存储器外存储器操作系统操作系统语言处理系统语言处理系统系统服务程序系统服务程序数据库管理系统数据库管理系统文字处理软件文字处理软件表格处理软件表格处理软件辅助设计软件辅助设计软件实

7、时控制软件实时控制软件运算器运算器控制器控制器只读存储器只读存储器随机存储器随机存储器计算机导论计算机导论2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 1、CPU主要性能指标（1）CPU字长：CPU的字长（位数）通常是指CPU内部数据总线宽度或位数。它是CPU数据处理能力的重要指标。（2）CPU主频。CPU主频也叫CPU的工作频率或CPU内部总线频率，是CPU内核（整数和浮点运算器）电路的实际运行频率，亦是CPU自身工作频率。计算机导论计算机导论2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展（3）CPU外频。CPU的外频也是指CPU从主板上获得的工作频率。

8、它是由主板上晶体震荡电路为CPU提供的基准时钟频率，也就是主板的工作频率。（4）CPU倍频系数 CPU主频、外频和倍频系数关系如下：CPU主频=CPU外频 倍频系数（5）前端总线频率。前端总线（FSB：Front Side Bus）指主板芯片组中的北桥芯片与CPU之间传输数据的通道，因此也可以称为是CPU的外部总线。计算机导论计算机导论2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 2、CPU技术（1）CPU字长：CPU的字长（位数）通常是指CPU内部数据总线宽度或位数。它是CPU数据处理能力的重要指标。（2）CPU主频。CPU主频也叫CPU的工作频率或CPU内部总线频率，是

9、CPU内核（整数和浮点运算器）电路的实际运行频率，亦是CPU自身工作频率。计算机导论计算机导论2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 2、CPU技术（4）指令与数据分开。经典奔腾有两个高速缓存，一个用于缓存指令，一个用于缓存数据，这种把指令与数据分开存取结构称为哈佛结构（5）固化常用指令。奔腾把常用指令，例如把MOV、ADD、INC、DEC、PUSH等指令改用硬件实现，而不用微代码操作，使指令的运行速度进一步加快。（6）增强的32位数据总线。（7）采用PCI局部总线。（8）错误检测及功能冗余校验技术。（9）能源效率技术。（10）支持多重处理。计算机导论计算机导论2.2

10、 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展 CPU从最初发展至今已经有三十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：4位处理器、8位处理器、16位处理器、32位处理器以及64位处理器，可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的，甚至可以说英特尔的发展史就是CPU的发展史。计算机导论计算机导论2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展几种CPU的外观图如下所示。图 2-3 4004CPU 图 2-4 80386 计算机导论计算机导论2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、

11、CPU的发展几种CPU的外观图如下所示。图 2-5 80486 图 2-6 Pentium Pro 计算机导论计算机导论2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展几种CPU的外观图如下所示。图 2-7 Celeron 图 2-8 Pentium 4 图 2-9 Itanium 计算机导论计算机导论2.2 中央处理器中央处理器CPU2.2.2 CPU的基本组成1、控制单元 控制单元（Contral Unit）是硬件系统的控制部件。它能自动、逐条地从内存储器中取出指令，将指令翻译（转换）成控制信号（电脉冲），并按时间顺序和节拍，发往其他部件，指挥各部件有条不

12、紊地协同工作。2运算单元 运算单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）又称为算术逻辑单元，是负责处理数据的部件。它既能进行加、减、乘、除等算术运算，又能进行与、或、非、比较等逻辑运算。可以把它比做数据的加工厂。计算机导论计算机导论2.2 中央处理器CPU2.2.2 CPU的基本组成3、摩尔定律 在芯片制造技术中，有一条摩尔定律（Moores Law），即每十八个月集成电路的密度翻一番，表示它的功能要翻一番。摩尔是英特尔公司的创始人之一，20多年来，该定律在业界一直正确，带动着微机不停地更新换代，总的趋势是CPU字长“位”数不断增多，速度指标“主频”不断加快，功能不断增强，而价

13、格又不断下降。计算机导论计算机导论计算机第一定律摩尔定律单单位位时时间间执执行行的的指指令令数数百万条百万条/每秒每秒每每18个月芯片能力增长一倍。个月芯片能力增长一倍。晶体管数晶体管数计算机导论计算机导论2.3 存储器2.3.1 存储器的分类1、按存储介质分类（1）半导体存储器（2）磁表面存储器（3）光存储器2、按存储器的读写功能分类（1）只读存储器ROM（2）随机存储器RAM计算机导论计算机导论2.3 存储器2.3.1 存储器的分类3、按信息的可保存性分类（1）非永久性记忆的存储器。（2）永久性记忆的存储器4按在微机系统中的作用分类（1）主存储器（2）辅助存储器（3）高速缓冲存储器计算机导

14、论计算机导论2.3 存储器2.3.2 存储器的基本性能指标1、存储容量存储器可以存储的二进制信息总量称为存储容量。存储容量通常以字节（B）为单位来表示，对于大容量存储器还可以用千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）、太字节（TB）等表示。其换算关系为：1KB=210B=1024B1MB=220B=1024KB1GB=230B=1024MB1TB=240B=1024GB计算机导论计算机导论2.3 存储器2.3.2 存储器的基本性能指标2、存取速度 存储器的存取速度可以用存取时间和存取周期来衡量。（1）存取时间。存取时间是指启动一次存储器操作到完成该操作所用的时。（2）存取周期。存取周期是

15、指连续两次独立的存储器操作之间的最小时间间隔。通常存取周期略大于存取时间，其差别与存储器的物理实现细节有关。3、价格存储器的价格常用每位的价格来衡量。计算机导论计算机导论2.3 存储器 2.3.3 存储系统的层次结构 所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中。目前，在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成，如图2-10所示。计算机导论计算机导论 CPU 高 速 缓 存 主 存 储 器

16、I/O 控 制 电 路 高 速 缓 存 辅 存 磁 盘 光 盘 磁 带 图 2-10 存 储 系 统 的 多 级 层 次 结 构 计算机导论计算机导论2.4 总线与输入/输出接口电路 2.4.1 总线 总线：计算机系统中传输信息的公共通道。按位置可将总线分为以下三类：（1）片内总线：片内总线是指在微处理器芯片内部各单元之间传输信息的总线，它主要用于芯片级的互连。（2）系统总线：也称内总线，用以实现微机系统与各种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的总线，一般用于模板之间的连接，系统总线有时也称为板级总线。目前这类总线已基本上实现了标准化，例如STD总线、ISA总线、VESA总线、PCI总

17、线等。在微型计算机主板上的各种扩展插槽都属于内总线。计算机导论计算机导论2.4 总线与输入/输出接口电路 2.4.1 总线（3）外部总线 这是微型计算机之间或微型计算机与外部设备之间进行通信的总线，主要用于设备级的互连。外部总线也称为通信总线。其种类比较多，通常与特定的设备有关，例如：RS-232C总线、RS-458总线、USB总线等。图2-11所示即为常见的微型计算机总线层次的典型结构。计算机导论计算机导论扩充存储器打印机接口通信接口网络接口仪表接口计算机打印机智能仪表局域网络ROMRAMI/O接口CPU内总线芯片总线外总线主机板计算机导论计算机导论2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.2

18、 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线1ISA（Industry Standary Architecture）总线（1）数据宽度：16位（2）工作频率：8MHZ（3）数据传输率：8Mb/S（4）寻址空间：1M2PCI（Peripheral Component Interconnect）总线（1）数据宽度：32位，可扩展到64位（2）工作频率：33MHZ（3）数据传输率：133Mb/S计算机导论计算机导论2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线3、AGP（Advanced Graphics Port）总线 AGP是Int

19、el公司配合Pentium处理器开发的总线标准，它是一种可自由扩展的图形总线结构。（1）数据宽度：32位（2）工作频率：33MHZ或133MHZ（3）数据传输率：266Mb/S或533Mb/S4、通用串行总线USB（Universal Serial Bus）总线 通用串行总线是一种新型的输入/输出总线接口。USB接口为外部设备提供电源，USB设备可以起集线器作用，通过集线器可同时连接127台输入/输出设备。最大数据传输率为12Mb/S。计算机导论计算机导论2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线5、IEEE l394总线 IEEE l3

20、94是一种连接外部设备的机外总线，按串行方式通信。这种接口标准允许把计算机、计算机外部设备（如硬盘、打印机、扫描仪）、各种家电（如数码相机、DVD播放机、视频电话等）非常简单地连接在一起。计算机导论计算机导论2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.3 输入/输出接口电路1、硬盘接口 目前在微机中使用最广泛的硬盘接口标准是IDE和SCSI标准。（1）IDE由Compaq开发并由Western Digital公司生产的硬盘控制器接口。它的最大特点是把控制器集成到硬盘驱动器内。（2）EIDE（Enhanced IDE）接口标准。EIDE是Western Digital为取代IDE而开发的接口标准。采

21、用EIDE接口的微机系统中，己直接将EIDE接口集成在主板上，不再需要单独的适配卡。计算机导论计算机导论2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.3 输入/输出接口电路（3）SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）接口标准。SCSI由美国国家标准协会（ANSI）1986年6月公布的接口标准（称为SCSI-1），1990年又推出了SCSI-2标准。可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连，如硬盘驱动器、扫描仪、光盘、打印机和磁带驱动器等。计算机导论计算机导论2.4 总线与输入/输出接口电路2.4.3 输入/输出接口电路2、RS-232-C接口

22、 RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般的通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。最大通信距离为15m。串行接口目前最普遍的用途是连接鼠标和调制解调器，常被称为异步通信适配器接口，串行端口插座分为9针或25针两种。串行接口被赋予专门的设备名COMl和COM2。计算机导论计算机导论2.5 输入/输出设备2.5.1

23、 输入设备1、键盘 微型机的键盘是从英文打字机演变而来的。键盘是微型计算机不可缺少的输入设备，如图2-12所示。任何一台微机首先必须具备一个标准的通用键盘，在这个键盘上应有26个英文字母键，“0”到“9”十个阿拉伯数字键和其他一些功能键。图 2-12 键盘 计算机导论计算机导论2.5 输入/输出设备2.5.1 输入设备2鼠标 由于Windows操作系统的盛行，因此在和计算机沟通方式中，鼠标这类指向装置便有其重要的地位。鼠标能方便地将光标准确定位在要指定的屏幕位置，很方便地完成各种操作。因此，在Windows操作系统中鼠标是必不可少的输入设备。如图2-13所示。鼠标分为机械式、光学式、光学机械式

24、、光电式几种，对鼠标的操作可分为左击、右击、双击及拖动，这四种不同的操作可以实现不同的功能。鼠标器最常用接口有3种：串行口、专用鼠标器端口（PS/2）、USB接口。计算机导论计算机导论图 2-13 鼠标 计算机导论计算机导论2.5 输入/输出设备2.5.1 输入设备3、扫描仪 扫描仪是计算机输入图片使用的主要设备，它内部有一套光电转换系统，可以把各种图片信息转换成计算机图像数据，并传送给计算机，再由计算机进行图像处理、编辑、存储、打印输出或传送给其他设备。按色彩来分，扫描仪分成单色和彩色两种；按操作方式分，可分为手持式和台式扫描仪。扫描仪的主要技术指标有分辨率、灰度层次、扫描速度等。扫描仪如图

25、2-14所示计算机导论计算机导论图 2-14 扫描仪 底座顶盖透明玻璃计算机导论计算机导论2.5 输入/输出设备2.5.2 输出设备1、显示设备（1）CRT显示器 CRT显示器可以依显像管的颜色来分，如单色和彩色，彩色可以显示彩色，也可以显示单色。但是，在实际使用中，人们习惯于以显示器所连接主机的显示卡来分。如MDA单色显示器、CGA彩色显示器、EGA彩色显示器、VGA彩色显示器、TVGA彩色显示器等。CRT显示器如图2-15所示。计算机导论计算机导论图 2-15 CRT 显示器 计算机导论计算机导论2.5.2 输出设备CRT显示器的主要技术指标：（1）屏幕尺寸：指屏幕对角线长度，一般有14、

26、15、17、19、20、21英寸等多个尺寸。（2）点距：指CRT（阴极射线管）上两个颜色相同的磷光点之间的距离，单位是mm（3）像素和分辨率：分辨率指屏幕上像素的数目，像素是指组成图像的最小单位，也即上面提到的发光点。比如，800600的分辨率是说在水平方向上有800个像素，在垂直方向有600个像素。为了控制像素的亮度和彩色深度，每个像素需要很多个二进制位来表示，如果要显示256种颜色，则每个像素至少需要8位（一个字节）来表示。2.5 输入/输出设备计算机导论计算机导论2.5 输入/输出设备2.5.2 输出设备（2）LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）。有低眩目的

27、全平面屏幕，低功耗（和普通监视器的100W相比，只有5W）。有源阵列的LCD面板的色彩质量实际上超过了大多数CRT显示器。LCD显示器提供比同尺寸CRT显示器更大的可视图像，有4种基本的LCD选择：无源阵列单色、无源阵列彩色、有源阵列模拟彩色和最新的有源阵列数字彩色。LCD显示器如图2-16所示。计算机导论计算机导论图 2-16 LCD 显示器 计算机导论计算机导论2.5.2 输出设备2、打印设备 打印机是微机的传统输出设备，它将微机中的数字信息以打印的方法转换为书面信息。按照打印机的工作原理，打印机分为击打式和非击打式两大类，其中击打式主要是针式打印机；非击打式种类较多，如激光打印机、喷墨打

28、印机、热敏式打印机等，其中常见的打印机有针打、喷墨打印机和激光打印机3类。（1）针式打印机见图2-17。2.5 输入/输出设备计算机导论计算机导论图 2-17 针式打印机 计算机导论计算机导论2.5 输入/输出设备 2.5.2 输出设备 针式打印机的主要技术指标：（1）打印机寿命：常用的有9针、24针的打印头，打印寿命一般为：2亿点/针。（2）打印速度：平均打印速度是评价打印机性能的一个重要指标，单位为字/秒。（3）打印宽度：常见的有132列和80列两种。（4）走纸速度：走纸速度影响打印平均速度，单位用英寸/秒表示。计算机导论计算机导论2.5 输入/输出设备 2.5.2 输出设备（2）喷墨打印

29、机。见图2-18。是在针式打印机之后发展起来的，采用非打击的工作方式。比较突出的优点有体积小、操作简单方便、打印噪音低、使用专用纸张时可以打出和照片相媲美的图片等。计算机导论计算机导论图 2-18 喷墨打印机 计算机导论计算机导论 2.5.2 输出设备 喷墨打印机的主要技术指标：（1）分辨率（DPI）：它本身表示在每英寸的范围内喷墨打印机可打印的点数（2）色彩调和能力：（3）打印速度。一般以每分钟平均打印的页数（PPM）来统计。2.5 输入/输出设备计算机导论计算机导论2.5.2 输出设备（3）激光打印机。见图2-19。是目前印字最好的一种打印机，属于非击打式打印机。它具有速度快、解析度高、无噪声等优点。激光打印机是采用电子成像技术进行打印的。激光打印机的主要技术指标：分辨率（DPI）：衡量激光打印机打印质量的一个最重要的标准。打印速度：一般以每分钟平均打印的页数（PPM）来统计。2.5 输入/输出设备计算机导论计算机导论图 2-19 激光打印机