第三講 計算機硬件系統(tǒng)組成

大學(xué)計算機基礎(chǔ)第三章計算機硬件系統(tǒng)組成本章學(xué)習(xí)重點計算機系統(tǒng)的組成及馮·諾依曼原理計算機硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作過程計算機各部分的作用和總線結(jié)構(gòu)微型計算機的構(gòu)成及部件馮諾依曼原理⑴計算機的硬件由五部分組成：

運算器控制器存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備⑵計算機的內(nèi)部數(shù)據(jù)是以二進制表示的;⑶程序存儲在存儲器后自動執(zhí)行（存儲程序原理）。計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機外設(shè)微處理器(CPU)內(nèi)存儲器控制器運算器系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信管理程序應(yīng)用軟件包用戶程序總線系統(tǒng)3.1.1計算機系統(tǒng)3.1計算機系統(tǒng)外存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備計算機的層次結(jié)構(gòu)

計算機的硬件是通用的。在同樣的硬件條件下，通過執(zhí)行不同的軟件，實現(xiàn)了計算機豐富多樣的功能。

軟件系統(tǒng)運行于硬件系統(tǒng)之上，軟件是需要處理的信息、以及信息處理規(guī)則、方法、文檔等的集合，軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

系統(tǒng)軟件是為了提高硬件的使用效率并方便用戶使用而專門設(shè)計的軟件，其中最重要的是操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)包裹在硬件之外掩蓋了計算機硬件的復(fù)雜特征，管理計算機的資源，增強計算機的易用性。

應(yīng)用軟件是實現(xiàn)某個專門功能的軟件。應(yīng)用軟件、用戶程序都是通過操作系統(tǒng)的調(diào)度進而通過硬件才能實現(xiàn)其功能。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖APPLICATIONOSHARDWARE二進制的計算機操作系統(tǒng)下的虛擬機USER管理計算機的硬件和軟件資源提供用戶使用計算機的接口3.1.2計算機硬件模型⒈計算機的硬件模型

運算器和控制器的集合又稱為中央處理單元CPU。(CentralProcessingUnit)運算器控制器存儲器輸入裝置輸出裝置CPU中央處理器主機+外設(shè)（I/O設(shè)備）3.1.3計算機指令與程序⒉指令系統(tǒng)：指令系統(tǒng)是某種CPU能夠執(zhí)行的所有指令的集合，不同類型的CPU結(jié)構(gòu)其指令系統(tǒng)也不同。

⒈指令：用來規(guī)定計算機的一個基本操作的二進制代碼。一條指令對應(yīng)著CPU的一種基本操作。

一條指令一般由兩個部分組成：操作碼和操作數(shù)。操作碼：操作碼指明了操作的性質(zhì)，如加、減等。操作數(shù)：操作數(shù)指明了操作的對象，如兩個加數(shù)。

計算機完成某個功能的過程實際是執(zhí)行一個程序的過程，而程序是由一條條指示CPU完成某一個基本操作的指令組成。

⒊程序：是計算機能夠識別和執(zhí)行的指令序列。是由一連串指令按一定順序組成的能完成某種任務(wù)的指令序列。⒋軟件：是計算機的程序、數(shù)據(jù)、方法、規(guī)則、文檔的總稱。程序示例例：

MOVR1，2;將2存放到CPU內(nèi)部的寄存器R1中

ADDR1，3;將R1的內(nèi)容加上3，結(jié)果5再存放到R1中

HLT ;結(jié)束3.2計算機的主機2.3.1中央處理器(CPU)

組成：ALU 算術(shù)邏輯單元

CU 控制單元

Register 寄存器硬件系統(tǒng)Hardware主機外設(shè)CPU內(nèi)存InputDeviceOutputDevice中央處理器(CPU)的構(gòu)成

⒈算術(shù)邏輯單元ALU(ArithmeticLogicalUnit)

⒉通用寄存器(GeneralRegister)

存放ALU運算的原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果等。

⒊專用寄存器(SpecialRegister)

①

指令寄存器(IR)

②程序計數(shù)器(PC)③

標(biāo)志寄存器(FR)⒋指令譯碼器（ID）

翻譯指令寄存器中的指令并發(fā)出控制信號CUP的模型及基本工作過程下面以一個簡單的單總線模型機介紹CPU的工作過程CUP內(nèi)部總線MAR存儲器MDRALUTRTRFRGRAC運算器PC+1IRIDC命令信號時序發(fā)生控制器CPU的工作過程CUP內(nèi)部總線MAR存儲器MDRALUTRTRFRGRACPC+1IRIDC命令信號時序發(fā)生10001000100010001000100010001000100010001000+[1]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]MOVAC,[2000]2000200020002000200020002000222222222221000：MOVAC, [2000]CPU的工作過程CUP內(nèi)部總線MAR存儲器MDRALUTRTRFRGRACPC+1IRIDC命令信號時序發(fā)生2100110011001100110011001100110011001100110011001+[1]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,2001ADDAC,[2001]20012001200120012001200120012001200120012001200133333333333333323+55555555551001：ADDAC, [2001]CPU的工作過程CUP內(nèi)部總線MAR存儲器MDRALUTRTRFRGRACPC+1IRIDC命令信號時序發(fā)生2100110011001100110011001100110011001100110011001+[1]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,[2001]ADDAC,2001ADDAC,[2001]20012001200120012001200120012001200120012001200133333333333333323+55555555551001：ADDAC, [2001]3.2.2指令的執(zhí)行過程

指令的執(zhí)行過程分為以下幾個步驟：

⒈取指令

⒉分析指令

⒊執(zhí)行指令

⒋重復(fù)（取下條指令）

3.2.3存儲器結(jié)構(gòu)存儲器由一個個大小相同的基本存儲單元（Byte)組成。為了區(qū)分各個單元，給每個單元編號。稱為存儲單元的地址。各單元內(nèi)存放的是數(shù)據(jù)。CPU對內(nèi)存可以讀（取）也可以寫（存），要有控制信號控制?！?1n因此，CPU對存儲器的操作必須有三類信號：地址信號數(shù)據(jù)信號控制信號⒈存儲器結(jié)構(gòu)⒉存儲器的種類

存儲器是計算機的記憶部件，負(fù)責(zé)存儲程序和數(shù)據(jù)。存儲器分兩大類：主存儲器(內(nèi)存)和輔助存儲器(外存)。

內(nèi)部存儲器采用的是半導(dǎo)體存儲器，其特點是：存取數(shù)據(jù)速度快，可隨機存取，體積小，功耗低。內(nèi)存容量有限。主存儲器(內(nèi)存)又分為隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM。RAM： 隨機訪問存儲器。易失。ROM： 只讀存儲器。非易失。E2PROM： 可編程只讀存儲器。非易失。3.3輸入輸出系統(tǒng)

輸入輸出系統(tǒng)實現(xiàn)主機和用戶之間的通訊，通訊是通過外部設(shè)備及其接口實現(xiàn)的。外部設(shè)備是輸入和輸出設(shè)備的總稱，簡稱為外設(shè)，外設(shè)是計算機和用戶之間或設(shè)備與主存儲器之間交換數(shù)據(jù)的工具。

由于主機是由集成電路芯片連接而成，而I/O設(shè)備通常是機電結(jié)合的裝置，在它們之間存在著速度、時序、信號電平、信號格式和類型等方面的差異。I/O接口的功能主要是解決上述的不匹配，使主機與I/O設(shè)備能協(xié)調(diào)地工作，并實現(xiàn)主機對外設(shè)的控制。3.3.1輸入輸出系統(tǒng)的概念3.3.2輸入輸出接口主機系統(tǒng)總線I/O接口外設(shè)數(shù)據(jù)狀態(tài)命令3.3.3輸入輸出系統(tǒng)的控制方式主機與外設(shè)通訊的控制方式程序查詢程序中斷DMA傳送3.4總線（BUS）3.4.1總線的概念總線計算機模型系統(tǒng)總線的分類：地址總線（AddressBus）數(shù)據(jù)總線（DataBus）控制總線（ControlBus）CPU內(nèi)存I/O接口ABDBCB外設(shè)計算機各部件的公共連接線稱為總線。系統(tǒng)總線：CPU、內(nèi)存、I/O接口的公共連接線。設(shè)備總線：I/O接口與外設(shè)之間的公共連接線。3.4.2常見的系統(tǒng)總線簡介

系統(tǒng)總線地址信號線的寬度決定了總線可訪問的內(nèi)存單元數(shù)量，如果地址總線寬度為32位可訪問4G單元。數(shù)據(jù)總線的寬度決定了總線上一次傳送的字節(jié)數(shù)。

總線標(biāo)準(zhǔn)包括了各種物理、電氣等詳細的規(guī)范。由計算機系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的總線接口(也稱總線插槽)，系統(tǒng)總線從結(jié)構(gòu)上提供了擴展設(shè)備的連接，只要按照總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的設(shè)備都可以連接到計算機系統(tǒng)中。微型計算機常用的總線標(biāo)準(zhǔn)有：ISA、VESA、PCI和AGP等。PCI是Intel公司為“奔騰”CPU制定的總線標(biāo)準(zhǔn)，是目前微型計算機的主流總線標(biāo)準(zhǔn)。PCI總線通過總線橋?qū)⑺俣炔灰恢碌牟考綦x，實現(xiàn)了CPU和總線數(shù)據(jù)的異步傳送，提高了數(shù)據(jù)傳送的效率。PCI總線的數(shù)據(jù)總線寬度是32/64，數(shù)據(jù)傳送率是132MB/s。常見的設(shè)備總線有：IDE接口軟盤驅(qū)動器接口電路并行適配器接口電路異步通信適配器接口（串行口）USB(UniversalSerialBus)通用串行接口3.4.3常用設(shè)備總線

設(shè)備總線用于連接主機的I/O接口和外部設(shè)備。計算機的常用的設(shè)備總線有IDE、并行口、串行口、USB接口等。USB接口的主要優(yōu)點是：系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的簡單連接器，便于使用；系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以通過集線器方便的擴展接口；高速率，最高傳送速率可達到的每秒480Mbit。計算機的主要指標(biāo)字長：

數(shù)據(jù)總線的寬度，表示計算機一次處理數(shù)據(jù)的二進制的位數(shù)。存儲容量：主存儲器單元的多少，受限于CPU的地址總線。主頻：計算機在統(tǒng)一的時鐘節(jié)拍下工作，時鐘的頻率為主頻。運算速度：MIPS（每秒執(zhí)行的兆指令數(shù)）寫拍讀拍周期T主頻f=1/T3.5微型計算機(PC)基本知識3.5.1硬件系統(tǒng)組成主機CPU：Intel公司的80x86系列。內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲器，RAM、ROM外設(shè)硬盤CD-ROM鼠標(biāo)器輸入設(shè)備鍵盤輸入設(shè)備顯示器輸出設(shè)備串行口標(biāo)準(zhǔn)接口并行口標(biāo)準(zhǔn)接口USB接口外存（輔存）PC機外觀PC機內(nèi)部各單元主機板

主板是系統(tǒng)中最大的一塊印刷電路板，由印刷電路板、CPU插座、控制芯片、CMOS存儲器、CACHE存儲器、各種擴展插槽、鍵盤插座、各種連接插座和各種開關(guān)及跳線組成的。4.5.2各部件簡介Intel：8086/8088、80286、

80386、

80486、

Pentium、

PentiumMMX（多能奔騰）、

PentiumPro（高能奔騰）、

PentiumⅡ/Celeron（賽揚）

PentiumⅢ PentiumⅣ…IntelCore2Quad1.

CPU字長32位IntelAMDCPU⒉主存儲器——內(nèi)存

內(nèi)存器件采用的是半導(dǎo)體存儲器，其特點是速度快、功耗低，但價格相對較高。在計算機中有兩類：RAM、ROM。⑴隨機存取存儲器

RAM：既可讀又可寫，斷電后信息丟失。⑵只讀存儲器

ROM：只能讀不能寫，斷電仍然能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)。硬盤驅(qū)動器接口電路USB接口并行打印機適配器電路：插座25孔。異步通信適配器接口插座9針或25針兩種，連接鼠標(biāo)，繪圖儀等串行設(shè)備。游戲操縱桿接口顯示卡

PCI和AGP：都屬于VGA卡，有3D加速功能，顯存2MB以上，1280×1024以上，顯示速度快。目前AGP最常用。3.

輸入/輸出接口電路各種外設(shè)都通過標(biāo)準(zhǔn)接口或標(biāo)準(zhǔn)總線與主機相連?？偩€標(biāo)準(zhǔn)有：

ISA、PCIPC機外設(shè)接口(1)

磁盤類存儲器軟盤：3.5英寸高密度容量

=2面×80磁道×18扇區(qū)×

512字節(jié)

=1.44MB

硬盤：由若干個磁性圓盤組成。

存儲容量=磁頭數(shù)×柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)(2)

磁帶存儲器順序存取設(shè)備。(3)

光盤存儲器

CD-ROM：CompactDisk-ROM，只讀型光盤。一倍速率：150KB/s；24倍速率：24×150KB/s=3.6MB/s。3.5.3常用外設(shè)基本配置

⒈輔助存儲器（外存儲器）磁盤的結(jié)構(gòu)磁盤采用同心圓結(jié)構(gòu)分為面、道、扇區(qū)。磁盤容量為=面數(shù)道數(shù)扇區(qū)數(shù)扇區(qū)字節(jié)數(shù)。扇區(qū)字節(jié)數(shù)為512。

盤片：兩個面磁道扇區(qū)轉(zhuǎn)動軸移動臂磁頭硬盤磁頭盤片

硬盤存儲器：簡稱為硬盤（Harddisk），由硬盤片、硬盤控制器、硬盤驅(qū)動器及連接電纜組成。其特點是：存儲容量大、存取速度快，可靠性高。硬盤通常固定在主機箱內(nèi)，是計算機必備的設(shè)備。目前微型機配備的硬盤存儲容量大多在40-120GB。光驅(qū)、光盤

光盤（OpticalDisk）是利用激光進行讀寫信息的圓盤。光盤存儲器系統(tǒng)是由光盤片、光盤驅(qū)動器組成。光盤存儲容量大，常用的CD盤片可存儲650~700MB的信息。光盤讀取速度快，可靠性高，使用壽命長，攜帶方便。

CD-ROM：CompactDisk-ROM，只讀型光盤。一倍速率：150KB/s；

52倍速率：52×150KB/s=7.8MB/s。常見的光盤存儲器有CD-ROM，CD-R，CD-R/WDVD-ROM：DigitalVersatileDisc

DVD-ROM1倍速是1358KB/sec。

DVD5容量：4.7GU盤存儲器(FLASH存儲器)U盤又稱為閃存(Fl