計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成部件分解

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成部件§5.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成§5.2中心處理器（CPU）§5.3存儲(chǔ)系統(tǒng)§5.4指令系統(tǒng)1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本構(gòu)成中心處理器一般也稱為CPU，是計(jì)算機(jī)的核心，具有運(yùn)算實(shí)力和限制功能。計(jì)算機(jī)由CPU、內(nèi)存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路和系統(tǒng)總線構(gòu)成，通常稱為計(jì)算機(jī)主機(jī)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為主體，并配上外設(shè)和系統(tǒng)軟件之后構(gòu)成的軟硬件系統(tǒng)。我們通常所說的“計(jì)算機(jī)”，其精確的名稱應(yīng)當(dāng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理裝置，是看得見、摸得著的一些實(shí)實(shí)在在的有形實(shí)體。目前的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)接受的仍是計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)——馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，即接受總線結(jié)構(gòu)將運(yùn)算器、限制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大部件連接起來(lái)。其中，運(yùn)算器和限制器構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的核心部件——中心處理器（CenterProcessUnit，簡(jiǎn)稱CPU）。數(shù)據(jù)流控制流各部分的功能：運(yùn)算器：算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算限制器：取指令、譯碼、執(zhí)行指令存儲(chǔ)器：保存信息內(nèi)存：ROM(只讀存儲(chǔ)器)RAM(隨機(jī)存儲(chǔ)器，斷電后信息全部丟失)外存：磁盤(軟盤、硬盤)、光盤、磁帶輸入設(shè)備：輸入數(shù)據(jù)(鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆等)輸出設(shè)備：輸出數(shù)據(jù)(顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等)3中心處理器限制器與運(yùn)算器合在一起，制成一塊芯片，稱為中心處理器（機(jī)），簡(jiǎn)稱CPU。限制器：指揮計(jì)算機(jī)各部件依據(jù)指令功能的要求進(jìn)行操作。它從存儲(chǔ)器中取指令、分析、說明、執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令，產(chǎn)生限制信號(hào)，限制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。4

總線（BUS）

CPU對(duì)外的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)連接線，稱為總線。包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和限制總線。運(yùn)算器（ALU）：實(shí)現(xiàn)算數(shù)邏輯運(yùn)算。5CPU結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)總線6指令和程序指令是對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序限制的最小單位，一個(gè)CPU能夠執(zhí)行的全部指令的集合稱為該CPU的指令系統(tǒng)。程序是人們?yōu)榻鉀Q某項(xiàng)任務(wù)而編寫的指令的有序集合。指令的不同組合方式，可以構(gòu)成完成不同任務(wù)的程序。指令格式

操作碼

地址碼

執(zhí)行什么操作數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存放位置7計(jì)算機(jī)的工作過程計(jì)算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。在運(yùn)行程序之前，首先通過輸入設(shè)備將編好的程序和原始數(shù)據(jù)輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器中，然后依據(jù)指令的依次，依次執(zhí)行指令。執(zhí)行一條指令的過程是：讀取指令：從內(nèi)存儲(chǔ)器中取出要執(zhí)行的指令送到CPU內(nèi)部的指令寄存器暫存分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令譯碼器，譯出該指令對(duì)應(yīng)的操作執(zhí)行指令：CPU向各個(gè)部件發(fā)出相應(yīng)限制信號(hào)，完成指令規(guī)定的操作8微型機(jī)主機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)內(nèi)存，又稱主存，是微型機(jī)主機(jī)的組成部分，存放當(dāng)前正在運(yùn)用或隨時(shí)要運(yùn)用的程序和數(shù)據(jù)，是CPU可以干脆訪問的存儲(chǔ)器。CPU控制器運(yùn)算器寄存器微處理器是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)限制和協(xié)調(diào)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作Cache計(jì)算機(jī)后面板I/O接口

主機(jī)與外設(shè)之間不能干脆進(jìn)行信息交換，必需通過I/O接口才能完成信息傳送。I/O接口所起的作用是：數(shù)據(jù)緩沖。解決高速主機(jī)與低速外設(shè)間的沖突信號(hào)格式協(xié)作。處理外設(shè)與CPU之間不同的信息格式，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換，串/并、并/串轉(zhuǎn)換電平和驅(qū)動(dòng)實(shí)力協(xié)作。使外設(shè)和主機(jī)的信號(hào)電平一樣，并提高CPU信號(hào)的驅(qū)動(dòng)實(shí)力時(shí)序協(xié)作。使主機(jī)與外設(shè)協(xié)調(diào)工作設(shè)備選擇。每臺(tái)外設(shè)都有設(shè)備地址9微型計(jì)算機(jī)概述主要性能指標(biāo)：字長(zhǎng)、主頻、內(nèi)存容量、運(yùn)算速度分類：按組成結(jié)構(gòu)分單片機(jī)、單板機(jī)、多板機(jī)按用途分臺(tái)式、便攜式、手持式發(fā)展方向：高速化P4主頻達(dá)3.40GHz超小型化筆記本電腦多媒體化多媒體處理器網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)隱形化電視或影音計(jì)算機(jī)10計(jì)算機(jī)的總線總線是計(jì)算機(jī)傳輸指令、數(shù)據(jù)和地址的通道，是計(jì)算機(jī)各部件聯(lián)系的紐帶。依據(jù)傳送信息的類型，總線分為：數(shù)據(jù)總線(用于傳送數(shù)據(jù),位數(shù)等于機(jī)器字長(zhǎng))、地址總線(用來(lái)傳送存儲(chǔ)單元或輸入輸出接口的地址信號(hào)，位數(shù)確定存儲(chǔ)器的最大容量,如24位總線的尋址數(shù)為224=16M個(gè)地址)、限制總線(傳送限制器的各種限制信號(hào))。依據(jù)總線在計(jì)算機(jī)中的位置可以分為內(nèi)部總線和外部總線。微機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖ISA總線：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，16位，8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率8Mb/s，尋址空間1MB，常用于80286至80486微處理器PCI總線：外部設(shè)備互聯(lián)總線，Intel公司1991年推出，32或64位，33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率133Mb/s，常用于Pentium微處理器AGP是Intel公司推出的新一代圖形顯示卡專用總線，AGP顯示卡同主板芯片組干脆相連，大幅提高了電腦對(duì)3D圖形的顯示實(shí)力，32位，66.6MHz，其視頻信號(hào)的傳送速率可以從PCI總線的133MB/s提高到266MB/s、533MB/s、1.064GB/s和2.128GB/s。11微型機(jī)主機(jī)的物理構(gòu)成

微型計(jì)算機(jī)的主機(jī)板CPU插座內(nèi)存條插槽串行接口AGP擴(kuò)展槽PCI擴(kuò)展槽北橋芯片南橋芯片北橋芯片供應(yīng)對(duì)CPU、內(nèi)存、AGP顯卡等高速部件的支持以及與PCI總線的橋接；南橋芯片供應(yīng)對(duì)鍵盤接口、鼠標(biāo)接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘限制器、串行口、并行口、USB接口及磁盤驅(qū)動(dòng)器接口的支持，以及與ISA總線的橋接。BIOS是一組有關(guān)微機(jī)系統(tǒng)最重要的基本輸入輸出程序，固化在微機(jī)主板上的一個(gè)ROM芯片中。BIOS功能主要有：上電自檢。微機(jī)接通電源后，系統(tǒng)首先由POST程序來(lái)對(duì)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備進(jìn)行檢查。系統(tǒng)初始化(含可編程接口芯片的初始化)，設(shè)置BIOS中包含的中斷服務(wù)程序的中斷矢量啟動(dòng)自舉程序。將操作系統(tǒng)中的初始引導(dǎo)程序裝入內(nèi)存，并由引導(dǎo)程序來(lái)完成操作系統(tǒng)的順當(dāng)啟動(dòng)。BIOS系統(tǒng)設(shè)置程序。12BIOS請(qǐng)問計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)之間是通什么連接的呢？？BIOS是什么意思？？13BIOS的簡(jiǎn)介

BIOS是計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)的接口．BIOS的全稱為BaseInputOutputSytem,叫基本的輸入輸出系統(tǒng)．BIOS既屬于軟件又屬于硬件，它的主體是程序和數(shù)據(jù)，本質(zhì)是軟件；而用來(lái)存儲(chǔ)它的FlashROM芯片才是硬件．

那我們叫它硬件？軟件？14我們來(lái)回答上面的問題，假如把它分開軟件與硬件的屬性都有．這樣就不好叫了，因此在在ＩＴ文獻(xiàn)中把BIOS歸為Firmware－－固件，這樣似乎更合理．15BIOS的幾大版本目前BIOS有三大版本，它們是AwardBIOS﹑AMIBIOS﹑PhoenixBIOS等等．

16BIOS功能1、啟動(dòng)電腦時(shí)：自檢、初始化、加載操作系統(tǒng)2、程序服務(wù)處理：為應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)供應(yīng)主要與輸入輸出設(shè)備有關(guān)的服務(wù)3、硬件中斷處理

17存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的記憶部件，是計(jì)算機(jī)各種信息（數(shù)據(jù)）存放和溝通的中心。按存儲(chǔ)介質(zhì)分類：半導(dǎo)體器件、磁性材料、光學(xué)材料基本功能：在限制器的限制下依據(jù)指令中的地址存入或取出數(shù)據(jù)。18

存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)

存儲(chǔ)容量:存儲(chǔ)器容量的基本單位，字節(jié)Byte—8位。1KB＝1024Bytes1MB＝1024KB1GB＝1024MB1TB＝1024GBK（千）、M（兆）、G（千兆，吉）、T（兆兆，太拉）19存儲(chǔ)周期（速度）:

對(duì)內(nèi)存進(jìn)行一次讀寫操作，到可進(jìn)行下一次讀寫操作的全部耗時(shí)。存儲(chǔ)器價(jià)格:C/S（總價(jià)/容量）**三個(gè)指標(biāo)相互制約20通用寄存器堆指令和數(shù)據(jù)緩沖棧Cache（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM）主存儲(chǔ)器（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM）聯(lián)機(jī)外部存儲(chǔ)器（磁盤存儲(chǔ)器等）脫機(jī)外部存儲(chǔ)器（磁帶、光盤、優(yōu)盤）第1層第2層第3層第4層第5層第6層存儲(chǔ)容量越來(lái)越大，每位的價(jià)格越來(lái)越便宜訪問速度越來(lái)越快CPU內(nèi)部存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)21存儲(chǔ)器的主要性能特性存儲(chǔ)器層次通用寄存器緩沖棧Cache主存儲(chǔ)器磁盤存儲(chǔ)器脫機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)周期<10ns<10ns10～60ns60～300ns10～30ms2～20min存儲(chǔ)容量<512B512B8KB～2MB32MB～1GB1GB～1TB5GB～10TB價(jià)格很高很高較高高較低低材料工藝ECLECLSRAMDRAM磁表面磁、光等**Ms（毫秒），μs（微秒），ns（毫微秒）1s=1000ms，1ms=1000μs22存儲(chǔ)器分類主存（內(nèi)存）：由中心處理器干脆訪問的存儲(chǔ)器，常由兩種半導(dǎo)體芯片—隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM組成。輔存（外存）：用來(lái)存放大量的短暫不參與運(yùn)算或處理的信息，可成批的與內(nèi)存交換信息。23RAMBUS內(nèi)存條DDR

內(nèi)存條24硬盤磁盤片磁頭馬達(dá)磁頭驅(qū)動(dòng)協(xié)助電路25軟盤寫保護(hù)26磁帶27光盤驅(qū)動(dòng)器28優(yōu)盤29機(jī)器指令

是指示計(jì)算機(jī)如何工作的工作步驟，由一串二進(jìn)制碼組成，分為操作碼、地址碼、結(jié)果存放地址。例：01100000100000010110：表示加法操作000010：源操作數(shù)地址在2號(hào)寄存器中。000001：目的操作數(shù)的地址在1號(hào)寄存器中。指令的含義：將2號(hào)寄存器中的數(shù)據(jù)與1號(hào)寄存器中的數(shù)據(jù)相加，其結(jié)果存放在１號(hào)寄存器中。30指令系統(tǒng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，全部機(jī)器指令的集合，稱為指令系統(tǒng)。**指令系統(tǒng)是軟件設(shè)計(jì)者的最底層設(shè)計(jì)語(yǔ)言；是硬件設(shè)計(jì)者的依據(jù)。31

CISC與RISC

從微處理器的指令系統(tǒng)來(lái)看，有2種分支走向，一個(gè)是CISC，一個(gè)是RISC。CISC（即困難指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）：最初，人們?yōu)榱烁杂?、便利地編寫程序，希望指令的類型更多、功能更完善，而使指令系統(tǒng)變得越來(lái)越困難，長(zhǎng)短也不一。這就是CISC形成的由來(lái)。32于是，人們提出了RISC（精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）方案。該方案只保留了為數(shù)不多的簡(jiǎn)潔指令并統(tǒng)一了指令中所包含的基本操作數(shù)目，也就是使指令長(zhǎng)短基本一樣，以便于運(yùn)用流水線，20世紀(jì)70年頭中期，人們發(fā)覺CISC中只有20％的指令被頻繁運(yùn)用，其余的80％則難得一用，這部分指令正是使程序執(zhí)行時(shí)間變長(zhǎng)的癥結(jié)所在。33微處理器執(zhí)行一條指令往往要分若干步完成，這相當(dāng)于加工一個(gè)零件須要若干工序。CISC的指令長(zhǎng)短參差不齊，無(wú)法運(yùn)用流水線，而RISC的指令長(zhǎng)短一樣，包括的工序(操作)數(shù)也一樣，可以放在流水線上執(zhí)行。假如有一條4工位的流水線，便可把4條指令同時(shí)放在流水線的不同工位上依次地前進(jìn)。每一時(shí)鐘周期(相當(dāng)于流水線的加工節(jié)奏)，便可同時(shí)完成4個(gè)工位的操作，這就使處理器的速度提高了3倍。34盡管RISC的性價(jià)比比CISC好得多，但由于CISC長(zhǎng)期積累起來(lái)的軟件資源很難一下子移植到RISC上，所以，長(zhǎng)期以來(lái)形成了工作站領(lǐng)域運(yùn)用RISC微處理器，如SPARC、MIPSx000，PC機(jī)領(lǐng)域運(yùn)用CISC微處理器這種兩者并存的局面。在此期間，CISC也不斷吸取RISC技術(shù)以提高自己的競(jìng)爭(zhēng)力，如從奔騰起先也接受流水線技術(shù)。35

程序

為解決某個(gè)問題而設(shè)計(jì)的一個(gè)有序指令的集合。例：

0110000010000001(加法)

0110000010000001(加法)

0100000001000010(減法)

0100000001000010