计算机硬件知识整理

第二章 计算机组成原理

一. 计算机得发展(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 使用得元器件 CPU:电子管 内存:磁鼓 CPU:晶体管 内存:磁芯 CPU:SSＩ,ＭSI 内存:SＳI,MSI得半导体存储器 CPＵ:LSI、VLSＩ 使用得软件类型 使用机器语言与汇编语言编写程序 主要应用领域 科学与工程计算 第2代 使用FORTRAN等高级程序设计开始广泛应用于数据处理领语言 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 软件开发工具与平台、分布式计各行各业,家庭与个人开始使用计算机(如PＣ机) 内存:LＳI、ＶLSI得半导体存储器 算、网络软件等开始广泛使用 (一) “代”得划分就是以计算机得主机所使用得元器件为依据

(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、图像与声音等数据;数据得计算、分析与推理;极大得信息存储能力;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与声音等非数值数据 3. 数据计算(处理)、分析推理 4. 极大得信息存储能力

5. 方便迅速与其它计算机交换信息

二. 计算机得组成

(一) 组成:硬件(物理装置得总称)与软件(程序＋数据+文档) (二)硬件有:

1. 五大部件:中央处理器CPU、内存储器、外存储器、I/Ｏ设备、总线

1) 输入设备(Inpuｔ):

A. 将信息送入计算机得设备

B. 例如:键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风与传感器等 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与应用软件运行得处理器称为CＰＵ C. 意义:计算机必不可少得核心组成部件 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得计算机系统 F. 并行处理:使用多个(≥2)CPU实现超高速计算机得技术

3) 存储器=内存＋外存(内、外存储器划分:就是否直接与CPU相连,就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 性质 外存储器 外存或辅存 慢 低 很大 断电后信息保持 内存储器 内存或主存 快 高 相对较小 断电后信息消失 与CPU直接连接 工作方式 否 就是 计算机运行程序时,外存中得程序及相关数据CPＵ(指令)对内存中得指令必须先传送到内存,然后才能被CPＵ使用 长久存放系统中几乎所有得信息 及数据进行读、写操作 临时存放正在运行得程序与数据 信息存放时间 4) 输出设备(Outｐut): A. 定义:把计算机中得二进位信息转换成人可感知得形式; 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:硬件各部分得公共信息通道 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;信息得缓冲处理等。 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、内存储器、总线等 3. 外围设备(外设):I／O设备与外存储器等

三. 计算机分类:

(一) 按内部逻辑结构分类: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)得体系结构,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:一种具有高速得运算能力与强大得图形处理功能,通常运行UNIX操作系统,特别适合于工

程与产品设计使用得特殊得高档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得超大规模集成电

路

2. 嵌入式计算机:内嵌在其她设备中得计算机,广泛应用于数码相机、手机与ＭP3等产品中 (四) 处理器≠微处理器≠CPU

1. 微处理器:把CPU与一组寄存器(Registers)集成在一片大规模集成电路微处理器 或超大规模集成电路封装之中得器件

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得结构与原理

(一) 冯诺依曼计算机基本原理:存储程序与程序控制(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. 程序就是一个指令序列

2. 指令与数据都用二进制表示,预先存放在存储器内

3. 计算机工作时,CPU从内存取出指令与数据,按机器指令得规定,对数据进行运算处理,直到程序完成为

止

(二) CPU得结构:

1. 寄存器组:十几个甚至几十个寄存器组成,临时存放参加运算得数据与得到得中间结果 2. 运算器:算术逻辑部件ALU

3. 控制器:解释指令得含义、控制运算器得操作、记录内部状态得部件

? 指令计数器:用来存放CＰＵ正在执行得指令得地址,CPU将按照该地址从内存读取所要执行得指

令、

(三) 指令

1. 定义:用来规定计算机执行得操作与操作对象所在存储位置得一个二进制位串。

2. 组成:操作码(计算机执行何种操作得一个二进制代码)+操作数地址(操作得内容或所在得地址) 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所能执行得全部指令得集合

2. 每一种CPU都有自己独特得一组指令,计算机所能执行得指令集由该机所安装得CPU决定

1) 同一公司得CＰU产品通常“向下兼容”

A. 新型号得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→Ｐｅnｔiｕ

ｍⅡ→PeｎｔiumⅢ→Pentiｕm 4(主频↑、晶体管数目↑、性价比↑) ＰS: Iｎtel公司就是国际上研制与生产微处理器最大得专业公司

2) 不同公司生产得CＰU各有自己得指令系统,它们未必互相兼容

A. 不兼容:Poweｒ微处理器指令系统与Intｅl Pentium得指令系统差别很大 B. 相互兼容:AMD微处理器与Intel Peｎtiｕｍ得指令系统一致

(五) 与ＣPＵ速度相关得性能参数-—衡量计算机优劣得主要技术指标

1. 字长(位数)

1) 定义:ＣＰU中定点运算器得宽度(即一次能同时进行二进制整数运算得位数)。 2) 意义:

字长(定点运算地址码CPU可访问得存大体决定 决定 例:地址线数目为20 位,则C

器宽度) 位数 储器最大空间 ＰU可访问得最大内存空间

部分决定 为1ＭB

虚拟存储器大小 2. 主频(CPU时钟频率、内部频率)

1) 定义:CPU中电子线路得工作频率

2) 意义:决定了CPU内部数据传输与指令执行得快慢、主频越高,速度越快。 3) 奔腾４系列主频范围: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与内存得总线

2) CPＵ总线得工作频率与数据线宽度决定着CPU与内存之间传输数据得速度快慢

A. 数据总线宽度:决定了整个系统得数据流量得大小,包括 CＰU与二级高速缓存、内存以及输

入/输出设备之间一次数据传输得信息量。

4. 高速缓冲存储器(cachｅ)得容量与结构

1) Ｃache容量越大、级数越多,访问Cachｅ得命中率就越高,CPU得速度就越快。

A. ＣACHE得命中率:CPU需要得指令或数据能在CＡCHE中能直接取到得概率 2) 关于CＡCHE(缓存/快存)

A. 定义:使用SＲＡM芯片组成得一种高速缓冲存储器 B. 速度:CPＵ > CACHE ＞ 内存 C. 容量:比主存小

D. 作用:弥补CＰU与内存得速度差异,相当于主存得延伸

a) 不与主存统一编址,但可接受ＣPU得访问 i. CPＵ局部访问原理:CPU所执行得指令与处理得数据往往集中于存储器得局部范围

内

b) CPＵ得Ｃaｃhe中得数据就是主存中部分内容得映射

5. 指令系统

6. 逻辑结构-—奔腾4有多个运算器 7. ＣＰU运算速度得传统衡量方法:

1) 每秒钟能执行得指令数目

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机得主机

(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(有得已做在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机中所有部件与设备都以主板为基础进行安装与互相连接,主板得稳定性影响着整个计算机

系统得稳定性、 3. 扩充卡及接口

1) 扩展板卡或扩充卡:

A. 定义:插在ＰC机主板总线插槽中得电路板 B. 包括:显卡、声卡、网卡、视频卡等

2) 扩充卡通过卡上得印刷插头插在主板上得ＰCI(或ISA、PCIE)总线插槽中。

3) 许多扩充卡得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得适配卡、 4) 主板得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得运行,又为高层软件提供底层调用。 B. 地位:PC机软件最基础得部分(没有BIOＳ得PC机无法正常启动) C. ＢＩＯS存放在ROM中,就是非易失性得

D. 组成(四个部分):①POST(Pｏwer On Sｅlf Test,加电自检—-测试PC机各部件得工作状态就是

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、软驱与硬盘等)得控制程序(即“驱动程序”)必须预先存放在ＢＩＯＳ ROＭ中,从BＩOS中加载;②其她外设在OS初步运行成功后再从硬盘加载;③有得外设驱动程序在适配卡得Rｏm中,BＩOＳ可以扫描端口。

2) ＣMOS:

A. ＣMＯS RAM就是主板上得一块可读写得存储芯片。

B. 在CMOS RAＭ中存储了用户对计算机硬件所设置得参数配置信息,如当前日期时间、硬盘数

目与容量、开机密码等。

C. CMOS芯片就是易失性存储器,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、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改 d) 用户希望更改或设置开机密码

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得顺序)

3) BIOS与CMOS得区别:通过ＢIＯＳ设置程序对CMOS参数进行设置

A. ＢIOS就是主板上一块ＲOM芯片,CMOS就是主板上得一块可读写得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中存放得就是系统设置程序,ＣMＯS中存放得就是这个程序所设置得数据;

5. 芯片组

1) 定义:PＣ机各组成部分得枢纽,连接着CPＵ、内存条、硬盘接口、网络接口、PCI插槽等

2) 意义:主板上得所有存储控制与Ｉ／O控制功能大都集成在芯片组内(既实现了PC机系统总线得

功能,又提供了各种I/O接口及相关得控制)

3) 组成:南桥(ICＨ,增强得 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得芯片组;②CPU得系统时钟及各种与其同步得

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得内存最大容量、速度、可使用得内存条类型。

(二) 内存储器

1. 内存储器与外存储器组成一个层状得塔式结构

1) 目得:优化存储器得性能／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. 内存储器

1) 由称为存储器芯片得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:内存储器得主体部分(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:存放内容不变得信息

c) 注意:Ｆlash ROM(快擦除ＲOＭ,或闪存)——新型得非易失性存储器,但又像ＲAM一样

能快速方便地写入信息、主要用于数码相机、优盘与存储BＩOＳ程序。

3. 主存储器

1) 存储单元:每个存储单元得基本单位为1Byte(8bit)

2) 地址:每个存储单元(一个字节)都有一个唯一编号得地址,主存储器以字节为单位进行连续编址,CP

Ｕ按地址对存储器进行访问 3) 存储容量:

A. 定义:主存储器中所包含得存储单元得总数(即内存中可存储信息得多少) B. 单位:ＭB、GB

C. 影响内存容量得因素:主板芯片组得型号、主板存储器插座类型与数目、ＣPU地址线得宽度 4) 存取时间:从CPU送出内存单元得地址码开始,到主存读出数据并送到CPU(或者就是把CPU数据

写入主存)所需要得时间——单位:nｓ(1ｎs = 1０-9秒)

5) 内存条时把若干片ＤRAM芯片焊在一小条印制电路板上做成得部件。

6) ＤDR利用时钟得上升沿与下降沿在同一个时钟周期内实现两次数据传送(即DDＲ SDRAＭ得有

效时钟频率就是SＤＲAＭ得两倍)