第二章 计算机组成原理
一. 计算机的发展（4代）
代 别 第1代 年 代 1940’s中期 ～1950’s末期 1950’s中、后期 ～1960’s中期 1960’s中期 ～1970’s初期 使用的元器件 CPU：电子管 存：磁鼓 CPU：晶体管 存：磁芯 CPU：SSI，MSI 存：SSI，MSI的半导体存储器 CPU：LSI、VLSI 存：LSI、VLSI的半导体存储器 使用的软件类型 使用机器语言和汇编语言编写程序 主要应用领域 科学和工程计算 第2代 使用FORTRAN等高级程序设计语开始广泛应用于数据处理领言 域 第3代 操作系统、数据库管理系统等开始在科学计算、数据处理、工使用 业控制等领域得到广泛应用 第4代 1970’s中期以来 软件开发工具和平台、分布式计各行各业，家庭和个人开始算、网络软件等开始广泛使用 使用计算机（如PC机） (一) “代”的划分是以计算机的主机所使用的元器件为依据
(二) 1946年，世界上第一台电子数字计算机——“埃尼阿克”(ENIAC)
(三) 计算机能力：处理数值、图像和声音等数据；数据的计算、分析和推理；极大的信息存储能力；与其它计
算机方便迅速交换信息；
(四) 计算机应用模式发展阶段：集中计算模式、分散计算模式、网络计算模式（目前） (五) 计算机积极作用：增添新手段、提供新工具、引起新变化 (六) 计算机信息处理优点：
1. 能够储存大量信息，可按照程序自动高速进行计算 2. 能处理数值数据以及图像和声音等非数值数据 3. 数据计算（处理）、分析推理 4. 极大的信息存储能力
5. 方便迅速与其它计算机交换信息
二. 计算机的组成
(一) 组成：硬件（物理装置的总称）与软件（程序+数据+文档） (二) 硬件有：
1. 五大部件：中央处理器CPU、存储器、外存储器、I/O设备、总线
1) 输入设备（Input）：
A. 将信息送入计算机的设备
B. 例如：键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风和传感器等 2) 中央处理器CPU：
A. 组成：运算器、控制器、寄存器
B. 计算机中有多个处理器，其中用于承担系统软件和应用软件运行的处理器称为CPU C. 意义：计算机必不可少的核心组成部件 D. 大多数计算机只包含一个CPU
E. 多处理器系统：包含了多个中央处理器的计算机系统
F. 并行处理：使用多个（≥2）CPU实现超高速计算机的技术
3) 存储器＝存＋外存（、外存储器划分：是否直接与CPU相连，是否可以长期存放信息。详见下
表）
简称 存取速度 成本 存储容量
外存储器 外存或辅存 慢 低 很大 存储器 存或主存 快 高 相对较小 1
性质 与CPU直接连接 工作方式 断电后信息保持 否 断电后信息消失 是 计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据CPU(指令)对存中的指令及必须先传送到存，然后才能被CPU使用 长久存放系统中几乎所有的信息 数据进行读、写操作 临时存放正在运行的程序和数据 信息存放时间 4) 输出设备(Output)：
A. 定义：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式； B. 例如：显示器、打印机、绘图仪 5) 系统总线与I/O端口
A. BUS
a) 功能：硬件各部分的公共信息通道 b) 组成：控制器+公共传输线 c) 代表：CPU总线、I/O总线 B. I/O端口
a) 作用：海纳百川各种I/O设备；信息的缓冲处理等。 b) 类型：并、串、视频、USB等（不同设备，不同规则）
2. 主机：中央处理器CPU、存储器、总线等 3. 外围设备（外设）：I/O设备和外存储器等
三. 计算机分类：
(一) 按部逻辑结构分类：单处理机、多处理机；16位、32位…
(二) 按计算机整体性能分类：巨型机、大型机、小型计算机、PC机
1. 巨型计算机采用大规模并行处理（为提高计算机处理能力配置多个CPU）的体系结构，速度达到每秒
数万亿次以上 2. PC机
A. 分类：台式机、便携机
B. 工作站：一种具有高速的运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX操作系统，特别适合
于工程与产品设计使用的特殊的高档PC
(三) 单片计算机/嵌入式计算机：
1. 单片计算机：运算器、控制器、存储器、I/O控制与接口电路等集成在同一块芯片的超大规模集成电
路
2. 嵌入式计算机：嵌在其他设备中的计算机，广泛应用于数码相机、手机和MP3等产品中 (四) 处理器≠微处理器≠CPU
1. 微处理器：把CPU和一组寄存器（Registers）集成在一片大规模集成微处理器 电路或超大规模集成电路封装之中的器件
CPU 2. 个人计算机一般都用单片微处理器作为CPU
3. 微处理器 = 通用微处理器（如CPU）+ 专用微处理器（绘图处理器、
通信处理器等）
四. CPU的结构与原理
(一) 诺依曼计算机基本原理：存储程序和程序控制（存储程序控制）——能储存大量信息，可按照程序自动高
速进行计算
1. 程序是一个指令序列
2. 指令与数据都用二进制表示，预先存放在存储器
3. 计算机工作时，CPU从存取出指令和数据，按机器指令的规定，对数据进行运算处理，直到程序完成
为止
(二) CPU的结构：
1. 寄存器组：十几个甚至几十个寄存器组成，临时存放参加运算的数据和得到的中间结果 2. 运算器：算术逻辑部件ALU
2
3. 控制器：解释指令的含义、控制运算器的操作、记录部状态的部件
? 指令计数器：用来存放CPU正在执行的指令的地址，CPU将按照该地址从存读取所要执行的指
令。
(三) 指令
1. 定义：用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存储位置的一个二进制位串。
2. 组成：操作码（计算机执行何种操作的一个二进制代码）＋操作数地址（操作的容或所在的地址） 3. 指令执行过程：取指令、指令译码、执行指令、保存结果。（注意顺序） (四) 指令系统（指令组）
1. 定义：CPU所能执行的全部指令的集合
2. 每一种CPU都有自己独特的一组指令，计算机所能执行的指令集由该机所安装的CPU决定
1) 同一公司的ＣＰＵ产品通常“向下兼容”
A. 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。
B. 8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→PentiumPRO→PentiumⅡ→PentiumⅢ→
Pentium 4（主频↑、晶体管数目↑、性价比↑）
PS: Intel公司是国际上研制和生产微处理器最大的专业公司
2) 不同公司生产的CPU各有自己的指令系统，它们未必互相兼容
A. 不兼容：Power微处理器指令系统与Intel Pentium的指令系统差别很大 B. 相互兼容：AMD微处理器与Intel Pentium的指令系统一致
(五) 与CPU速度相关的性能参数——衡量计算机优劣的主要技术指标
1. 字长（位数）
1) 定义：CPU中定点运算器的宽度（即一次能同时进行二进制整数运算的位数）。 2) 意义：
字长（定点运地址码CPU可访问的存大体决定 决定 例：地址线数目为20 位，
算器宽度） 位数 储器最大空间 则CPU可访问的最大存空间
部分决定 为1MB
虚拟存储器大小
2. 主频(CPU时钟频率、部频率)
1) 定义：CPU中电子线路的工作频率
2) 意义：决定了CPU部数据传输与指令执行的快慢。主频越高，速度越快。 3) 奔腾4系列主频围：1500 MHz ~3800MHz 4) 注意：主频提高一倍，PC机速度未必提高一倍 3. CPU总线速度
1) CPU总线（前端总线）：用于连接CPU和存的总线
2) CPU总线的工作频率和数据线宽度决定着CPU与存之间传输数据的速度快慢
A. 数据总线宽度：决定了整个系统的数据流量的大小，包括 CPU与二级高速缓存、存以及输
入/输出设备之间一次数据传输的信息量。
4. 高速缓冲存储器（cache）的容量与结构
1) Cache容量越大、级数越多，访问Cache的命中率就越高，CPU的速度就越快。
A. CACHE的命中率：CPU需要的指令或数据能在CACHE中能直接取到的概率 2) 关于CACHE（缓存/快存）
A. 定义：使用SRAM芯片组成的一种高速缓冲存储器 B. 速度：CPU > CACHE > 存 C. 容量：比主存小
D. 作用：弥补CPU与存的速度差异，相当于主存的延伸
a) 不与主存统一编址，但可接受CPU的访问
i. CPU局部访问原理：CPU所执行的指令和处理的数据往往集中于存储器的局部围 b) CPU的Cache中的数据是主存中部分容的映射
5. 指令系统
3
6. 逻辑结构——奔腾4有多个运算器 7. CPU运算速度的传统衡量方法：
1) 每秒钟能执行的指令数目
2) 例如：MIPS，单字长定点指令百万条数/秒；MFLOPS，单字长浮点指令百万条数/秒。
五. PC机的主机
(一) 主板
1. 又称母板，通常安装有CPU插座、CPU调压器、芯片组、第2级高速缓存（有的已做在CPU中）、存
储器插座（SIMM 或DIMM）、总线插槽（如PCI、AGP、IDE）、ROM BIOS、时钟/CMOS、电池、超级I/O芯片等。
2. 意义：PC机中所有部件和设备都以主板为基础进行安装和互相连接，主板的稳定性影响着整个计算
机系统的稳定性。 3. 扩充卡及接口
1) 扩展板卡或扩充卡：
A. 定义：插在PC机主板总线插槽中的电路板 B. 包括：显卡、声卡、网卡、视频卡等
2) 扩充卡通过卡上的印刷插头插在主板上的PCI（或ISA、PCIE）总线插槽中。
3) 许多扩充卡的功能可以部分或全部集成在主板上（例如，软盘、硬盘、串行口、并行口、声音、
图形显示、网络连接等控制电路都可以集成在主板上），因此不再需要插接相应的适配卡。 4) 主板的物理尺寸已经标准化；ATX规格主板正向BTX规格转换 4. BIOS与CMOS
1) BIOS（Basic I/O System，基本输入/输出系统）
A. 定义：最基本I/O机器语言程序；它控制着系统全部硬件的运行，又为高层软件提供底层调
用。
B. 地位：PC机软件最基础的部分（没有BIOS的PC机无常启动） C. BIOS存放在ROM中，是非易失性的 D. 组成（四个部分）：①POST（Power On Self Test，加电自检——测试PC机各部件的工作状
态是否正常） 程序；②系统Load（自举装入）程序；③CMOS设置程序；④基本外设驱动程序
特别说明：①基本外设（仅包括键盘、显示器、软驱和硬盘等）的控制程序（即“驱动程序”）必须预先存放在BIOS ROM中，从BIOS中加载；②其他外设在OS初步运行成功后再从硬盘加载；③有的外设驱动程序在适配卡的Rom中，BIOS可以扫描端口。
2) CMOS：
A. CMOS RAM是主板上的一块可读写的存储芯片。
B. 在CMOS RAM中存储了用户对计算机硬件所设置的参数配置信息，如当前日期时间、硬盘
数目与容量、开码等。
C. CMOS芯片是易失性存储器，需主板电池供电
D. 在下列情况下需要启CMOS设置程序对系统进行设置：
a) PC机组装好之后第一次加电
b) 系统增加、减少或更换硬件或I／O设备
c) CMOS芯片因更换电池、病毒侵害、放电等原因造成其容丢失或被错误修改 d) 用户希望更改或设置开码
e) 系统因某种需要而调整某些参数（改变启动系统时访问外存储器的顺序）
3) BIOS与CMOS的区别：通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置
A. BIOS是主板上一块ROM芯片，CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，靠后备电池供
电，即使系统掉电后信息也不会丢失
B. BIOS中存放的是系统设置程序，CMOS中存放的是这个程序所设置的数据；
5. 芯片组
1) 定义：PC机各组成部分的枢纽，连接着CPU、存条、硬盘接口、网络接口、PCI插槽等
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2) 意义：主板上的所有存储控制和I/O控制功能大都集成在芯片组（既实现了PC机系统总线的功
能，又提供了各种I/O接口及相关的控制） 3) 组成：南桥（ICH，增强的 I/O控制）、北桥（MCH，存储控制）两片VLSI集成电路组成。 4) 特别说明：①CPU类型或参数不同时需要配用不同的芯片组；②CPU的系统时钟及各种与其同步
的时钟均由芯片组提供；③芯片组（北桥芯片）决定了主板上所能安装的存最大容量、速度、可使用的存条类型。
(二) 存储器
1. 存储器和外存储器组成一个层状的塔式结构
1) 目的：优化存储器的性能／价格比
2) 存储器按读写速度由高到低排列：Cache、RAM、硬盘、光盘 2. 存储器
1) 由称为存储器芯片的半导体集成电路组成 2) 分类：
A. RAM（随机存取存储器，Random Access Memory）
a) 特点：易失性（断电后信息一般会立即丢失）、可读可写 b) 动态随机存取存储器DRAM
i. 特点：需要定时刷新、较慢、电路简单，集成度高，成本较低 ii. 用途：存储器的主体部分（主存）
c) 静态随机存取存储器SRAM
i. 不需要刷新、较快 ii. 用途：高速缓冲存储器Cache
B. ROM (Read Only Memory)即只读存储器
a) 特点：非易失性（断电后信息不会丢失）、可读不可写（一般情况下，除Flash ROM） b) 应用：存放容不变的信息
c) 注意：Flash ROM(快擦除ROM，或闪存)——新型的非易失性存储器，但又像RAM一样
能快速方便地写入信息。主要用于数码相机、优盘和存储BIOS程序。
3. 主存储器
1) 存储单元：每个存储单元的基本单位为1Byte（8bit）
2) 地址：每个存储单元（一个字节）都有一个唯一编号的地址，主存储器以字节为单位进行连续编
址，CPU按地址对存储器进行访问 3) 存储容量：
A. 定义：主存储器中所包含的存储单元的总数（即存中可存储信息的多少）
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计算机硬件知识整理
