大學計算機基礎：第3章 計算機系統(tǒng)的基本組成和基本工作原理第2次課

1.計算機系統(tǒng)的組成2.計算機的邏輯組成3.馮·諾依曼的設計思想4.微型計算機系統(tǒng)的主要性能指標5.CPU的主要技術參數(shù)復習上節(jié)課內容：13.3.2微機主板及其主要部件主板（又稱系統(tǒng)板、母板）2ATX主板規(guī)范兩個標準（了解）BTX主板規(guī)范3主板上都有什么？PCI總線插槽BIOS芯片南橋鋰電池CPU插座北橋內存條插槽4

集中了主板上幾乎所有的控制功能，把以前復雜的控制電路和元件最大限度地集成在幾個芯片內，是構成主板電路的核心。一定意義上講，它決定了主板性能的好壞?！锇凑赵谥靼迳吓帕械奈恢貌煌ǔ７譃椋海?）芯片組主板的靈魂常見型號：Intel975、Intel965、Intel955等。5①北橋芯片:通常在主板上靠近CPU插槽的位置。主板性能的高低主要由北橋芯片決定。②南橋芯片:通?？拷黀CI總線插槽的位置。主板功能的多少，往往取決于南橋芯片與主板上的一些專用芯片。③BIOS芯片：將決定主板兼容性的好壞。主橋CPU類型不同，通常需要不同的芯片組。注意：6操作系統(tǒng)的最底層部分的可執(zhí)行程序代碼代碼存放在只讀存儲器芯片(ROM)中，故稱為BIOS芯片BIOS芯片電池CMOS芯片（2）BIOS（BasicInput/OutputSystem）7

BIOS主要包含4部分程序:POST程序基本外圍設備的驅動程序系統(tǒng)裝入程序CMOS設置程序一般情況下是不能被修改的!8①

POST（PowerOnSelfTest，加電自檢）程序。當接通微機的電源時，系統(tǒng)將首先執(zhí)行BIOS的POST程序，測試系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài)是否正常，確定計算機的下一步操作。9③系統(tǒng)裝入（自舉）程序。當自檢完成后，若系統(tǒng)無致命錯誤，將轉入BIOS的下一步驟：執(zhí)行BIOS中的裝入程序。自舉程序讀出引導程序，然后將控制權交給引導程序，由引導程序繼續(xù)啟動操作系統(tǒng)。②基本外圍設備的驅動程序。也稱“驅動程序”，他們必須預先存放在ROM中，成為BIOS的組成部分，因為鍵盤、顯示器、軟驅和硬盤等外圍設備在自舉時都需要工作。10④CMOS設置程序系統(tǒng)在加電時，BIOS的自舉程序讀取CMOS信息，初始化機器各部件的狀態(tài)。

CMOS靠系統(tǒng)電源或主板上的后備電池供電，系統(tǒng)掉電后，其信息不會丟失。按住熱鍵設置，機器啟動時屏幕上有提示。11BIOS程序修改CMOS中的參數(shù)BIOS是一段可執(zhí)行程序代碼；CMOS中存儲了重要參數(shù)

通過CMOS設置程序（BIOS中的一段）可以對CMOS芯片中的參數(shù)進行設置。注意：CMOS芯片與BIOS芯片的關系。CMOS設置程序是BIOS的一部分。POST程序系統(tǒng)裝入程序基本外圍設備的驅動程序CMOS設置程序123.3.3存儲器的層次結構內存儲器：按與主機的關系，存儲器可以分為：直接與CPU交換信息。在主機內部，存放當前運行的程序和數(shù)據(jù)；存取速度快、容量小；由稱為存儲器芯片的半導體集成電路組成。133.3.3存儲器的層次結構按與主機的關系，存儲器可以分為：外存儲器：不能直接與CPU交換信息。在主機外部，存放當前暫時不用的信息；存取速度慢、容量大；3.4節(jié)詳細介紹使用磁介質記錄信息。14內存儲器（內存、主存）的組成：內存儲器SRAMDRAMRAMROM15①只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）通常存放固定不變不需修改的程序，如BIOS程序。注意：并不是所有的ROM都是“ReadOnly”，這里只是沿用歷史名稱。斷電后，其中的信息不丟失。ROM掩膜式ROM可編程ROM（PROM）可擦除PROM（EPROM）快擦除存儲器（FlashROM）電可擦除PROM（EEPROM）BIOS存儲器、MP3、數(shù)碼相機、手機……16②隨機存取存儲器RAM(RandomAccessMemory)只能在電源電壓正常時才能工作，其中的信息可以隨時改寫，斷電后，里面的信息會丟失。既能讀出也能寫入，存放用戶程序和數(shù)據(jù)。17動態(tài)隨機存儲器(DynamicRAM)：

集成度高、功耗低，成本低；

內存條通常使用這種動態(tài)RAM；

動態(tài)：指內存需持續(xù)地存取。SRAMDRAMRAM分類：靜態(tài)隨機存儲器(StaticRAM)：

采用了與制作CPU相同的半導體工藝；運行速度快、集成度低，功耗大，容量小，價格高；適用于各級緩存；靜態(tài)：內存資料不需持續(xù)地存取，相對DRAM而言。18具體工作：計算機系統(tǒng)裝載程序時，先加載一部分數(shù)據(jù)到內存條中以供程序運行使用。內存條內存是僅次于CPU的決定計算機性能的一個重要標志。金手指內存芯片PCB塑膠板19微機中所用的內存條發(fā)展情況：SDRAMDDR(DoubleDataRate)SDRAMDDRⅡDDRⅢ同一時鐘周期內，DDRSDRAM能傳輸兩次數(shù)據(jù)，而SDRAM只能傳輸一次數(shù)據(jù)。同一時鐘周期內，DDRⅡ傳輸四次數(shù)據(jù)性能指標①容量：一般為1G、2G。②類型：DDR、DDRⅡ、DDRⅢ20SDRAMDDRDDRⅡ

2個缺口

1個缺口

1個缺口

168pin

184pin

240pin外觀區(qū)別：21實例322Cache（SRAM）存儲控制器CPU內存條（DRAM）將內存中經常被CPU訪問到的那部分程序的內容拷貝到Cache存儲器中（該工作由系統(tǒng)自動完成），以后CPU執(zhí)行這部分程序時，可以用較快的速度從Cache中存取。高速緩沖存儲器Cache23訪問順序：

CPU讀取數(shù)據(jù)時先訪問Cache后訪問內存條。

Cache介于內存條和CPU之間，速度快、容量小。24

Intel從Pentium開始將Cache分開，通常分為一級高速緩存L1和二級高速緩存L2。注意：目前CPU的L1Cache與L2Cache惟一區(qū)別在于讀取順序：先讀取L1后讀取L2。Cache25為了保證CPU訪問時有較高的命中率，Cache中的內容應該按一定的算法替換。一種較常用的算法是“最近最少使用算法”（LRU算法），它是將最近一段時間內最少被訪問過的淘汰出局。Cache命中Cache命中：CPU在Cache中找到要讀取的數(shù)據(jù)Cache缺失：Cache中沒有CPU所需的數(shù)據(jù)時，

CPU才訪問內存。26小結：ROM內存儲器SRAMDRAMRAMBIOS存儲器Cache內存條27容量<1KB幾MB幾GB幾GB~1TB時間1ns2ns10ns10msCPU寄存器Cache存儲總線主存儲器（內存條）I/O總線外存(U盤、硬盤等)內存存儲器外存儲器微機存儲器層次結構End3.3.3283.3.4I/O操作、I/O控制器與I/O端口I/O操作I/O控制器I/O端口29對I/O設備的讀寫操作（1）I/O操作①什么叫I/O操作？CPU與I/O設備進行數(shù)據(jù)交換的操作②I/O操作有哪些特點？速度差異大信號類型不同信息格式不同與微機系統(tǒng)連接方式各不相同差異如此多，如何管理呢？30正因為I/O設備的多樣性及I/O操作的差異性，外設與CPU相連，必須通過中間環(huán)節(jié)——I/O接口電路實現(xiàn)信息交換，也稱I/O控制器。

中央處理器內存儲器系統(tǒng)總線I/O控制器外存儲器輸出設備輸入設備I/O控制器I/O控制器I/O端口I/O端口外存儲器接口主機外設（2）I/O控制器31①傳送數(shù)據(jù)提供緩沖功能，用以協(xié)調主機與外設間的數(shù)據(jù)傳輸速度的差異。②

提供主機與外設間有關信息的相容性變換。③

反映外設當前的工作狀態(tài)、接收CPU的控制信號。④

數(shù)據(jù)輸入、輸出功能。在CPU和外設間提供雙向的數(shù)據(jù)傳送，這是I/O控制器的最基本功能。⑤

進行設備選擇。判斷當前CPU啟動的是否是與該控制器所連接的外設。主要有以下功能：32

I/O設備和I/O控制器要實現(xiàn)互聯(lián)，必須通過插頭/插座。把用于連接各種I/O設備的各種插頭/插座，統(tǒng)稱為I/O端口（也稱I/O接口，I/OPort）。（3）I/O端口并行接口USB接口串行接口鍵盤接口鼠標接口音源插口33

I/O總線是各類I/O控制器與CPU、存儲器之間相互交換信息、傳輸數(shù)據(jù)的一組公用信號線，這些信號線與主板上擴充槽中的各種I/O控制器（擴展卡）直接連接。鍵盤鼠標器打印機顯示器麥克風…I/O總線I/O端口硬盤，光驅I/O設備CPU主板I/O設備I/O控制器（擴展卡）機箱插座板卡插座I/O控制器PCI插槽內存主板插槽機箱芯片組IDE接口34I/O端口分類從數(shù)據(jù)傳輸方式來分：串行（一次只傳輸1位）并行（8位或者16位、32位一起進行傳輸）從數(shù)據(jù)傳輸速率來分：高速、低速從是否能連接多個設備來分：總線式（可連接多個設備，被多個設備共享）獨占式（只能連接1個設備）從是否符合標準來分：標準接口（通用接口）專用接口（專用接口）35串行傳輸36并行傳輸37通用串行總線式接口（UniversalSerialBus）高速、可連接多個設備、串行傳輸傳輸速率：USB1.1版：1.5Mb/s和12Mb/sUSB2.0版：高達480Mb/s即插即用USB把不同的接口統(tǒng)一起來，使用一個4針插頭作為標準插頭，將取代當前PC上的串口和并口。USB接口End3.3.4383.3.5微機總線總線分類總線性能總線標準39（1）總線分類按照層次結構分為：

片內總線：用于連接CPU內部的各個組成部件；

片總線：各種板卡上實現(xiàn)芯片間相互連接的總線；

系統(tǒng)總線：I/O控制器與CPU、存儲器之間相互交換信息、傳輸數(shù)據(jù)的信號線；

外部總線：用于計算機與計算機之間、計算機與外部設備之間的通信，也稱通信總線。

按照系統(tǒng)總線上傳遞信號類型不同分為：地址總線、控制總線、數(shù)據(jù)總線40總線最重要的性能是它的數(shù)據(jù)傳輸速率,稱為總線帶寬,指單位時間內總線上可傳送的數(shù)據(jù)量。（2）總線的性能總線帶寬(MB/s)＝(總線位寬/8)×總線工作頻率(MHz)總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，如32位、64位。41（3）系統(tǒng)總線標準ISA、EISA、MCA（了解）PCI總線擴展插槽，一般為乳白色可插接顯卡、聲卡、網卡等等名副其實的“萬用”擴展插槽AGP（加速圖形端口）在PCI總線基礎上發(fā)展起來的通常都是棕色專門用于掛接顯卡42注意：有些I/O控制器和總線都集成在主板上。End3.343總結1.CPU的主要技術參數(shù)2.微機的主板（芯片組、BIOS、CMOS）3.存儲器的層次結構（ROM、RAM、Cache）4.I/O操作、I/O控制器和I/O端口5.微機總線（分類、性能、PCI總線）443.4.1外部存儲器軟盤存儲器硬盤存儲器移動存儲光盤存儲器3.4微型計算機的外部設備45PC機中的外存儲器硬盤存儲器軟盤驅動器CD-ROM驅動器46（1）軟盤存儲器47軟盤片軟盤驅動器軟盤控制器3.5英寸軟盤片

CPU與軟盤驅動器的接口電路，通常集成在主板的芯片組中。

3.5英寸軟驅軟盤存儲器組成：48作用：長期保存各類信息特點：可讀可寫，便于攜帶，容量小寫保護口讀寫窗口軸盤連接孔軟盤片（floppydisk）49未寫保護寫保護50磁盤存儲器的信息存儲原理磁頭，用于寫入和讀出信息“0”“1”盤片旋轉方向磁盤片51使用注意52每條磁道有若干扇區(qū)磁盤表面有若干磁道每個磁道都有一個編號，最外面的是0磁道磁盤的磁道和扇區(qū)格式化作用：劃分磁道和扇區(qū)清除原有的全部信息53共2個記錄面（雙面記錄）每個記錄面80個磁道

(編號:0-79)每個磁道劃分為18個扇區(qū)

(編號:1-18)每個扇區(qū)的存儲容量為512字節(jié)3.5英寸軟盤片存儲容量的計算所以，每張盤片的總存儲容量為存儲容量=28018

512=1.44MB54（2）硬盤存儲器55內容提要硬盤組織結構硬盤格式化硬盤接口標準硬盤的主要性能指標5657

1973年，IBM推出第一臺采用“溫徹斯特(Winchester)”技術的硬盤：密封、固定、高速旋轉的鍍磁盤片，磁頭沿盤片徑向移動，磁頭懸浮在高速旋轉盤片上方(0.01μm），不與盤片直接接觸。IBM3340硬盤的誕生58磁盤片前置控制電路磁頭組件硬盤組織結構59硬盤包含多張盤片（1～5）每個盤片有兩個記錄面60每條磁道有若干扇區(qū)（100多個）每個記錄面有若干磁道（1000條以上）信息記錄格式與軟盤相同，按磁道和扇區(qū)進行存儲，但磁道和扇區(qū)數(shù)目要多得多61所有記錄面中半徑相同的所有磁道稱為柱面62存儲容量=每扇區(qū)字節(jié)數(shù)*每道扇區(qū)數(shù)*磁道數(shù)*磁頭數(shù)目前，硬盤的存儲容量一般為幾十～幾百GB。每個扇區(qū)存儲128*2N（N＝0,1,2,3）字節(jié)二進制數(shù)據(jù)硬盤存儲容量的計算：63低級格式化：在每個磁盤片上劃分出磁道扇區(qū)；物理格式化；一般在出廠前已經完成了這項工作；對硬盤壽命有一定的負面影響。高級格式化：我們平時所用的Windows下的格式化；清除硬盤上的數(shù)據(jù)，生成引導信息；初始化FAT表，標注邏輯壞道等。硬盤格式化64PC前幾年大多使用IDE(也稱ATA):

用一根電纜將它們與主板或接口卡連起來

ATA-1、ATA-2、ATA-3、ATA-4(UltraATA)硬盤接口標準：IDE接口65近幾年開始大量采用SATA接口66SCSI

SCSI接口并不是為硬盤而設計的接口，是一種總線型的系統(tǒng)接口，它可以同時掛接各種不同的設備。SCSI接口的優(yōu)勢在于支持多種設備；傳輸速率比ATA接口高；獨立的總線使得SCSI設備的CPU占用率很低。所以，SCSI更多地被用于服務器等高端應用場合。此種接口的硬盤較貴。光纖通道熱插拔、高速、高帶寬67硬盤主要性能指標存儲容量（單位：GB）轉速硬盤內電機主軸的轉動速度，即每分鐘盤片旋轉次數(shù)。主流硬盤的轉速為7200RPM。SCSI硬盤的主軸轉速一般可達7200~10,000RPM。68平均訪問時間硬盤找到數(shù)據(jù)所在扇區(qū)所需要的平均時間。約為：平均等待時間＋平均尋道時間平均等待時間：數(shù)據(jù)所在扇區(qū)轉到磁頭下的平均時間；約3ms～6ms,一般取盤片旋轉周期的一半平均尋道時間：磁頭移動到數(shù)據(jù)所在磁道所需要的平均時間；約5ms～10ms。磁頭磁道旋轉軸碟片69數(shù)據(jù)傳輸速率（DTR，DataTransferRate）單位MB/s

外部傳輸速率:

也稱接口傳輸速率，主機向硬盤緩沖讀寫數(shù)據(jù)的速度；

內部傳輸速率：硬盤在盤片上讀寫數(shù)據(jù)的速度，是評價硬盤整體性能的決定性因素。硬盤自帶Cache的容量：

容量越大，存取信息速度越快，如8MB、16MB。70實例171使用硬盤應注意什么?正在對硬盤讀寫時不能關掉電源；保持使用環(huán)境的清潔衛(wèi)生，注意防塵；控制環(huán)境溫度，防止高溫、潮濕和磁場的影響；防止硬盤受震動，工作時不要移動機器；及時對硬盤內容進行整理，包