計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)及原理常識(shí)-fyf

完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括兩大部分，即硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件是指構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理設(shè)備。軟件是指系統(tǒng)中的程序以及開(kāi)發(fā)、使用和維護(hù)程序所需的所有文檔的集合。我們平時(shí)講到“計(jì)算機(jī)”一詞，都是指含有硬件和軟件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)相輔相成，缺一不可。1硬件系統(tǒng)1.1硬件組成與結(jié)構(gòu)人們通常把內(nèi)存儲(chǔ)器、運(yùn)算器和控制器合稱(chēng)為計(jì)算機(jī)主機(jī)。而把運(yùn)算器、控制器做在一個(gè)大規(guī)模集成電路塊上稱(chēng)為中央處理器，又稱(chēng)CPU(CentralProcessingUnit)。也可以說(shuō)主機(jī)是由CPU與內(nèi)存儲(chǔ)器組成的，而主機(jī)以外的裝置稱(chēng)為外部設(shè)備，外部設(shè)備包括輸入/輸出設(shè)備，外存儲(chǔ)器等。1.2計(jì)算機(jī)的5大組成部分詳解

計(jì)算機(jī)硬件由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大部分組成。運(yùn)算器又稱(chēng)算術(shù)邏輯單元，是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件，它的主要功能是對(duì)二進(jìn)制數(shù)碼進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算和與、或、非等基本邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)邏輯判斷?？刂破魇怯脕?lái)控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，并使整個(gè)處理過(guò)程有條不紊地進(jìn)行。它的基本功能就是從內(nèi)存中取指令和執(zhí)行指令，然后根據(jù)該指令功能向有關(guān)部件發(fā)出控制命令，執(zhí)行該指令。另外，控制器在工作過(guò)程中，還要接受各部件反饋回來(lái)的信息。存儲(chǔ)器具有記憶功能，用來(lái)保存信息，如數(shù)據(jù)、指令和運(yùn)算結(jié)果等。輸入／輸出設(shè)備簡(jiǎn)稱(chēng)I／O設(shè)備。用戶(hù)通過(guò)輸入設(shè)備將程序和數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果(如數(shù)字、字母、符號(hào)和圖形)顯示或打印出來(lái)。CPUCPU(CentralPrecessingUnit)即中央處理器，其功能是執(zhí)行算，邏輯運(yùn)算，數(shù)據(jù)處理，傳四舍五入，輸入/輸出的控制電腦自動(dòng)，協(xié)調(diào)地完成各種操作。作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，CPU也是整個(gè)系統(tǒng)最高的執(zhí)行單元，因此CPU已成為決定電腦性能的核心部件，很多用戶(hù)都以它為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷電腦的檔次。中央處理器是一塊超大規(guī)模的集成電路，它由運(yùn)算器，控制器，寄存器等組成,主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的加工和處理。計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題是通過(guò)執(zhí)行程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。程序是由指令構(gòu)成的序列，執(zhí)行程序就是按指令序列逐條執(zhí)行指令。一旦把程序裝入主存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱(chēng)主存）中，就可以由CPU自動(dòng)地完成從主存取指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。計(jì)算機(jī)的性能在很大程度上由CPU的性能所決定，而CPU的性能主要體現(xiàn)在其運(yùn)行程序的速度上。影響運(yùn)行速度的性能指標(biāo)包括CPU的工作頻率、Cache(緩存)容量、指令系統(tǒng)和邏輯結(jié)構(gòu)等參數(shù)。（1）主頻也叫時(shí)鐘頻率，單位是兆赫（MHz）或千兆赫（GHz），用來(lái)表示CPU的運(yùn)算、處理數(shù)據(jù)的速度。通常，主頻越高，CPU處理數(shù)據(jù)的速度就越快。（2）緩存大小也是CPU的重要指標(biāo)之一，而且緩存的結(jié)構(gòu)和大小對(duì)CPU速度的影響非常大，CPU內(nèi)緩存的運(yùn)行頻率極高，一般是和處理器同頻運(yùn)作，工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)內(nèi)存和硬盤(pán)。實(shí)際工作時(shí)，CPU往往需要重復(fù)讀取同樣的數(shù)據(jù)塊，而緩存容量的增大，可以大幅度提升CPU內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)的命中率，而不用再到內(nèi)存或者硬盤(pán)上尋找，以此提高系統(tǒng)性能。但是由于CPU芯片面積和成本的因素來(lái)考慮，緩存都很小。1.2.2存儲(chǔ)器（內(nèi)/外）存儲(chǔ)器分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器，主存儲(chǔ)器又稱(chēng)內(nèi)存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)存），輔助存儲(chǔ)器又稱(chēng)外存儲(chǔ)器。（1）內(nèi)部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的功能是用來(lái)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量以字節(jié)為基本單位，每個(gè)字節(jié)都有自己的編號(hào)，稱(chēng)為“地址”，如要訪問(wèn)存儲(chǔ)器中的某個(gè)信息，就必須知道它的地址，然后再按地址存入或取出信息。（如同房間編號(hào)）只讀存儲(chǔ)器ROM，通常存放固定不變的程序、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)軟件；存儲(chǔ)的信息只能讀出(取出)，不能改寫(xiě)(存入)，由廠家在生產(chǎn)芯片時(shí)，固化在里面；斷電后信息不會(huì)丟失。隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，里面的內(nèi)容內(nèi)容可以隨時(shí)讀出或?qū)懭耄珨嚯姾髢?nèi)容會(huì)消失（易失性存儲(chǔ)器），即為我們通常所說(shuō)的內(nèi)存，是溝通CPU與硬盤(pán)之間的橋梁。在所有存儲(chǔ)器中，存取速度最快，俗稱(chēng)內(nèi)存條。它直接與CPU相連接，存儲(chǔ)容量較小，但速度快，用來(lái)存放當(dāng)前運(yùn)行程序的指令和數(shù)據(jù)，并直接與CPU交換信息。如果不特別說(shuō)明，我們通常所說(shuō)的內(nèi)存所指為隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM內(nèi)部存儲(chǔ)器,主存，內(nèi)存外部存儲(chǔ)器，輔存，外存訪問(wèn)速度快訪問(wèn)速度慢信息暫時(shí)性信息永久性容量小容量大相對(duì)價(jià)格高相對(duì)價(jià)格低（2）外部存儲(chǔ)器：外存儲(chǔ)器又稱(chēng)輔助存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱(chēng)輔存)，外存存儲(chǔ)容量大，價(jià)格低，但存儲(chǔ)速度較慢，一般用來(lái)存放大量暫時(shí)不用的程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，需要時(shí)可成批地和內(nèi)存進(jìn)行信息交換。主要包括軟盤(pán)、硬盤(pán)、光盤(pán)、U盤(pán)。1.2.3輸入設(shè)備1.2.4輸出設(shè)備1.3主板(各功能)介紹部件載體。電腦重要的部件CPU、內(nèi)存、芯片組和功能卡等都安插在主板的插座和插口上，通過(guò)主板上的接口連接鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器、音箱、打印機(jī)等外部設(shè)備。溝通部件，主板上有密密麻麻的線路，負(fù)責(zé)各個(gè)部件之間的信息傳輸。1.3.1CPU插座1.3.2主板芯片組主板芯片組（Chipset）是主板的核心組成部分，可以比作CPU與周邊設(shè)備溝通的橋梁。按芯片數(shù)量可分為單芯片芯片組，標(biāo)準(zhǔn)的南、北橋芯片組【其中北橋芯片起著主導(dǎo)性的作用，也稱(chēng)為主橋（HostBridge）。】（1）北橋芯片提供對(duì)CPU類(lèi)型和主頻的支持、系統(tǒng)高速緩存的支持、主板的系統(tǒng)總線頻率、內(nèi)存管理（內(nèi)存類(lèi)型、容量和性能）、顯卡插槽規(guī)格，ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯(cuò)等支持；（2）南橋芯片提供了對(duì)I/O的支持，提供對(duì)KBC（鍵盤(pán)控制器）、RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器）、USB（通用串行總線）、UltraDMA/33(66)EIDE數(shù)據(jù)傳輸方式和ACPI（高級(jí)能源管理）等的支持。以及決定擴(kuò)展槽的種類(lèi)與數(shù)量、擴(kuò)展接口的類(lèi)型和數(shù)量（如USB2.0/1.1，IEEE1394，串口，并口，筆記本的VGA輸出接口）等；1.3.3內(nèi)存插槽目前流行的內(nèi)存條有DDRSDRAM、DDR2SDRAM和DDR3SDRAM。1.3.4BIOS單元BIOS是英文"BasicInputOutputSystem"的縮略語(yǔ)，直譯過(guò)來(lái)后中文名稱(chēng)就是"基本輸入輸出系統(tǒng)"。其實(shí)，它是一組固化到計(jì)算機(jī)內(nèi)主板上一個(gè)ROM芯片上的程序，它保存著計(jì)算機(jī)最重要的基本輸入輸出的程序、系統(tǒng)設(shè)置信息、開(kāi)機(jī)后自檢程序和系統(tǒng)自啟動(dòng)程序。其主要功能是為計(jì)算機(jī)提供最底層的、最直接的硬件設(shè)置和控制。BIOS設(shè)置程序是儲(chǔ)存在BIOS芯片中的，BIOS芯片是主板上一塊長(zhǎng)方型或正方型芯片，只有在開(kāi)機(jī)時(shí)才可以進(jìn)行設(shè)置。主板上的BIOS芯片或許是主板上唯一貼有標(biāo)簽的芯片，一般它是一塊32針的雙列直插式的集成電路，上面印有"BIOS"字樣。1.3.5電源插座1.3.6外部接口（I/O接口背板）2軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件(ComputerSoftware)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的程序、數(shù)據(jù)及其文檔。程序是計(jì)算任務(wù)的處理對(duì)象和處理規(guī)則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料。程序必須裝入機(jī)器內(nèi)部才能工作，文檔一般是給人看的，不一定裝入機(jī)器。計(jì)算機(jī)軟件總體分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類(lèi)。2.1系統(tǒng)軟件一般來(lái)講，系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和一系列基本的工具（比如編譯器，數(shù)據(jù)庫(kù)管理，存儲(chǔ)器格式化，文件系統(tǒng)管理，用戶(hù)身份驗(yàn)證，驅(qū)動(dòng)管理，網(wǎng)絡(luò)連接等方面的工具）。2.2應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是為了某種特定的用途而被開(kāi)發(fā)的軟件。它可以是一個(gè)特定的程序，比如一個(gè)圖像瀏覽器。也可以是一組功能聯(lián)系緊密，可以互相協(xié)作的程序的集合，比如微軟的Office軟件。也可以是一個(gè)由眾多獨(dú)立程序組成的龐大的軟件系統(tǒng)，比如數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。3計(jì)算機(jī)總線總線（Bus）是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束，按照計(jì)算機(jī)所傳輸?shù)男畔⒎N類(lèi)，計(jì)算機(jī)的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號(hào)。總線是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是cpu、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機(jī)的各個(gè)部件通過(guò)總線相連接，外部設(shè)備通過(guò)相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。如果說(shuō)主板（MotherBoard）是一座城市，那么總線就像是城市里的公共汽車(chē)（bus），能按照固定行車(chē)路線，傳輸來(lái)回不停運(yùn)作的比特（bit）。這些線路在同一時(shí)間內(nèi)都僅能負(fù)責(zé)傳輸一個(gè)比特。因此，必須同時(shí)采用多條線路才能傳送更多數(shù)據(jù)，而總線可同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)數(shù)就稱(chēng)為寬度（width），以比特為單位，總線寬度愈大，傳輸性能就愈佳?？偩€的帶寬（即單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)數(shù)）為：總線帶寬=頻率x寬度（Bytes/sec）。當(dāng)總線空閑（其他器件都以高阻態(tài)形式連接在總線上）且一個(gè)器件要與目的器件通信時(shí)，發(fā)起通信的器件驅(qū)動(dòng)總線，發(fā)出地址和數(shù)據(jù)。其他以高阻態(tài)形式連接在總線上的器件如果收到（或能夠收到）與自己相符的地址信息后，即接收總線上的數(shù)據(jù)。發(fā)送器件完成通信，將總線讓出（輸出變?yōu)楦咦钁B(tài)）。3.1總線劃分總線按功能和規(guī)范可分為五大類(lèi)型:（摘自百度百科：/view/1389.htm）數(shù)據(jù)總線（DataBus）：在CPU與RAM之間來(lái)回傳送需要處理或是需要儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)。地址總線（AddressBus）：用來(lái)指定在RAM（RandomAccessMemory）之中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)的地址。控制總線（ControlBus）：將微處理器控制單元（ControlUnit）的信號(hào)，傳送到周邊設(shè)備，一般常見(jiàn)的為

USBBus和1394Bus。擴(kuò)展總線（ExpansionBus）：可連接擴(kuò)展槽和電腦。局部總線（LocalBus）：取代更高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄U(kuò)展總線。其中的數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）、地址總線AB（AddressBus）和控制總線CB（ControlBus）系統(tǒng)總線，也統(tǒng)稱(chēng)為系統(tǒng)總線，即通常意義上所說(shuō)的總線。有的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線和地址總線是復(fù)用的，即總線在某些時(shí)刻出現(xiàn)的信號(hào)表示數(shù)據(jù)而另一些時(shí)刻表示地址；而有的系統(tǒng)是分開(kāi)的。51系列單片機(jī)的地址總線和數(shù)據(jù)總線是復(fù)用的，而一般PC中的總線則是分開(kāi)的?！皵?shù)據(jù)總線DB”用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)總線是雙向三態(tài)形式的總線，即他既可以把CPU的數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器或I/O接口等其它部件，也可以將其它部件的數(shù)據(jù)傳送到CPU。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，通常與微處理的字長(zhǎng)相一致。例如Intel8086微處理器字長(zhǎng)16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。需要指出的是，數(shù)據(jù)的含義是廣義的，它可以是真正的數(shù)據(jù)，也可以是指令代碼或狀態(tài)信息，有時(shí)甚至是一個(gè)控制信息，因此，在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)總線上傳送的并不一定僅僅是真正意義上的數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)總線為ISA、EISA、VESA、PCI等。“地址總線AB”是專(zhuān)門(mén)用來(lái)傳送地址的，由于地址只能從CPU傳向外部存儲(chǔ)器或I/O端口，所以地址總線總是單向三態(tài)的，這與數(shù)據(jù)總線不同。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，比如8位微機(jī)的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為2^16=64KB，16位微型機(jī)（x位處理器指一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)微處理器能處理的位數(shù)（1、0）多少，即字長(zhǎng)大?。┑牡刂房偩€為20位，其可尋址空間為2^20=1MB。一般來(lái)說(shuō)，若地址總線為n位，則可尋址空間為2^n字節(jié)?！翱刂瓶偩€CB”用來(lái)傳送控制信號(hào)和時(shí)序信號(hào)?？刂菩盘?hào)中，有的是微處理器送往存儲(chǔ)器和I/O接口電路的，如讀/寫(xiě)信號(hào)，片選信號(hào)、中斷響應(yīng)信號(hào)等；也有是其它部件反饋給CPU的，比如：中斷申請(qǐng)信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、總線請(qǐng)求信號(hào)、設(shè)備就緒信號(hào)等。因此，控制總線的傳送方向由具體控制信號(hào)而定，(信息)一般是雙向的，控制總線的位數(shù)要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際控制需要而定。實(shí)際上控制總線的具體情況主要取決于CPU。按照傳輸數(shù)據(jù)的方式劃分，可以分為串行總線和并行總線。串行總線中，二進(jìn)制數(shù)據(jù)逐位通過(guò)一根數(shù)據(jù)線發(fā)送到目的器件；并行