1、计算机硬件知识整理第二章 计算机组成原理一 .计算机的发展（ 4 代）代 别年 代使用的元器件使用的软件类型主要应用领域第 1代1940s中期CPU ：电子管使用机器语言和汇编语言编写程科学和工程计算 1950s末期内存：磁鼓序第 2代1950s中、后期CPU ：晶体管使用 FORTRAN 等高级程序设计开始广泛应用于数据处理领 1960s中期内存：磁芯语言域第 3代1960s中期CPU： SSI，MSI操作系统、 数据库管理系统等开始在科学计算、数据处理、工 1970s初期内存： SSI，MSI 的半导体存储器使用业控制等领域得到广泛应用第 4代1970s 中期以来CPU ：LSI 、VLS
2、I软件开发工具和平台、分布式计各行各业，家庭和个人开始内存： LSI 、VLSI 的半导体存储器算、网络软件等开始广泛使用使用计算机（如 PC 机）(一 )“代”的划分是以计算机的主机所使用的元器件为依据(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 、图像和声音等数据；数据的计算、分析和推理；极大的信息存储能力；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
3、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和声音等非数值数据3. 数据计算（处理） 、分析推理4. 极大的信息存储能力5. 方便迅速与其它计算机交换信息二 . 计算机的组成(一 ) 组成： 硬件（物理装置的总称） 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. 将信息送入计算机的设备B. 例如 ：键盘、鼠标、 触摸屏、 扫描仪、麦克风和传感器等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
4、件和应用软件运行 的处理器称为 CPUC. 意义：计算机必不可少的核心组成部件D. 大多数计算机只包含一个 CPUE. 多处理器系统：包含了多个中央处理器的计算机系统F. 并行处理：使用多个（ 2） CPU 实现超高速计算机的技术3) 存储器内存外存（内、外存储器划分：是否直接与CPU 相连，是否可以长期存放信息 。详见下表）外存储器内存储器简称外存或辅存内存或主存存取速度慢快成本低高1存储容量很大相对较小性质断电后信息保持断电后信息消失与 CPU 直接连接否是工作方式计算机运行程序时， 外存中的程序及相关数据CPU(指令 ) 对内存中的指令必须先传送到内存，然后才能被CPU 使用及数据进行读
5、、写操作信息存放时间长久存放系统中几乎所有的信息临时存放正在运行的程序和数据4) 输出设备 (Output) ：A. 定义：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式；B. 例如：显示器、打印机、绘图仪5) 系统总线与 I/O 端口A. BUSa) 功能：硬件各部分的公共信息通道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；信息的缓冲处理等。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 设备和外存储器等三 .
6、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）的体系结构，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：一种具有高速的运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX 操作系统，特别适合于工程与产品设计使用的特殊的高档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的超大规模集成电路2.嵌入式计算机 ：内嵌在
7、其他设备中的计算机，广泛应用于数码相机、手机和MP3 等产品中(四 ) 处理器微处理器 CPU1.微处理器：把 CPU 和一组寄存器（ Registers）集成在一片大规模集成微处理器电 路 或 超大规模集成电路封装之中的器件2.个人计算机一般都用单片微处理器作为CPUCPU3.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 的结构与原理(一 ) 冯诺依曼计算机基本原理： 存储程序和程序控制（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
8、机工作时， CPU 从内存取出指令和数据 ，按机器指令 的规定 ，对数据进行运算处理，直到程序完成为止2(二 ) CPU 的结构 ：1. 寄存器 组：十几个甚至几十个寄存器组成，临时存放参加运算的数据和得到的中间结果2. 运算器 ：算术逻辑部件 ALU3. 控制器 ：解释指令的含义、控制运算器的操作、记录内部状态的部件指令计数器 ：用来存放 CPU 正在执行的指令的地址 ， CPU 将按照该地址从内存读取所要执行的指令。(三 ) 指令1. 定义：用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存储位置的一个 二进制位串。2. 组成： 操作码 （计算机执行何种操作的一个二进制代码）操作数地址（操作的内容或
9、所在的地址）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 所能执行的全部指令的集合2. 每一种 CPU 都有自己独特的一组指令，计算机所能执行的指令集由该机所安装的 CPU 决定1) 同一公司的产品通常“向下兼容”A. 新型号的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 Pentium Pentium Pentium 4（主频、晶体管数目、性价比）PS: Intel 公司是国际上研制和生产微处理器最大的专业公司2)
10、 不同公司生产的 CPU 各有自己的指令系统，它们 未必互相兼容A. 不兼容： Power 微处理器指令系统与 Intel Pentium 的指令系统差别很大B. 相互兼容： AMD 微处理器与 Intel Pentium 的指令系统一致(五 ) 与 CPU 速度相关的性能参数衡量计算机优劣的主要技术指标1. 字长 （位数）1) 定义： CPU 中定点运算器 的宽度（即一次能同时进行二进制整数运算的位数）2) 意义：例：地址线数目为字长（定点运大体决定地址码决定20 位，则位数算器宽度）。CPU 可访问的存储器最大空间CPU 可访问的最大内存空间部分决定为 1MB虚拟存储器大小2. 主频 (C
11、PU 时钟频率 、内部频率 )1) 定义： CPU 中电子线路的工作频率2) 意义：决定了 CPU 内部数据传输与指令执行的快慢 。主频越高，速度越快。3) 奔腾 4 系列主频范围： 1500 MHz 3800MHz4) 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 和内存的总线2) CPU 总线的工作频率和 数据线宽度 决定着 CPU 与内存之间传输数据的 速度快慢A. 数据总线宽度：决定了整个系统的数据流量的大小，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的信息量。4. 高速缓冲存储器（
12、cache）的容量与结构1) Cache 容量越大、级数越多，访问Cache 的命中率就越高， CPU 的速度就越快。A. CACHE 的命中率： CPU 需要的指令或数据能在 CACHE 中能直接取到的概率2) 关于 CACHE （缓存 /快存）A. 定义：使用 SRAM 芯片组成的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 与内存的速度差异， 相当于主存的延伸3a) 不与主存统一编址，但可接受 CPU 的访问i. CPU 局部访问原理： CPU 所执行的指令和处理的数据往往集中于存储器的局部范围内b) CPU 的 Cache 中的数
13、据是主存中部分内容的映射5. 指令系统6. 逻辑结构奔腾 4 有多个运算器7. CPU 运算速度的传统衡量方法：1) 每秒钟能执行的指令数目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 机的主机(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（有的已做在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 机中所有部件和设备都以主板为
14、基础进行安装和互相连接，主板的稳定性影响着整个计算机系统的稳定性。3. 扩充卡及接口1) 扩展板卡或扩充卡：A. 定义： 插在 PC 机主板总线插槽中的电路板B. 包括： 显卡、声卡、 网卡 、视频卡等2)扩充卡通过卡上的印刷插头插在主板上的PCI （或 ISA 、PCIE）总线插槽中。3)许多扩充卡的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的适配卡。4) 主板的物理尺寸已经标准化 ； ATX 规格主板正向 BTX 规格转换4. BIOS 与 CMOS1) BIOS （Basic I/O Sy
15、stem ，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的运行，又为高层软件提供底层调用。B. 地位： PC 机软件最基础的部分 （没有 BIOS 的 PC 机无法正常启动）C. BIOS 存放在 ROM 中，是非易失性的D. 组成（四个部分） ： POST（ Power On Self Test，加电自检 测试 PC 机各部件的工作状态是否正常 ） 程序；系统 Load （自举装入）程序 ； CMOS 设置程序 ； 基本外设驱动程序特别说明： 基本外设 （仅包括键盘、 显示器、软驱和硬盘等） 的控制程序 （即“驱动程序 ”）必须 预先存放在 BI
16、OS ROM 中，从 BIOS 中加载 ；其他外设在 OS 初步运行成功后再从硬盘加载；有的外设驱动程序在适配卡的 Rom 中， BIOS 可以扫描端口。2) CMOS ：A. CMOS RAM 是主板上的一块可读写的存储芯片。B.在 CMOS RAM 中存储了用户对计算机硬件所设置的参数配置信息，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
17、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的顺序）43) BIOS 与 CMOS 的区别： 通过 BIOS 设置程序对 CMOS 参数进行设置A. BIOS 是主板上一块 ROM 芯片， CMOS 是主板上的一块可读写的 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 中存放的是系统设置程序， CMOS 中存放的是这个程序所设置的数据；5. 芯片组1)定义： PC 机各组成部分的枢纽，连接着CPU、内存条、硬盘接口、网络接口、PCI 插槽等2)意义：主板上的 所有存储控制和 I/O 控制功能大都集成在芯片组
18、内（既实现了PC 机系统总线的功能，又提供了各种 I/O 接口及相关的控制）3)组成：南桥（ ICH ，增强的 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： CPU 类型或参数不同时需要配用不同的芯片组； CPU 的系统时钟及各种与其同步的时钟均由 芯片组 提供 ； 芯片组（北桥 芯片）决定了主板上所能安装的内存最大容量、速度、可使用的内存条类型。(二 ) 内存储器1. 内存储器和外存储器组成一个层状的塔式结构1) 目的：优化存储器的性能价格比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
19、的 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 DRAMi. 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：内存储器的主体部分（主存）c) 静态随机存取存储器 SRAMi. 不需要刷新、 较快ii. 用途： 高速缓冲存储器 CacheB. 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
20、的信息c) 注意： Flash ROM (快擦除 ROM ，或闪存 )新型的非易失性存储器，但又像 RAM 一5样能快速方便地写入信息。主要用于数码相机、优盘和 存储 BIOS 程序 。3. 主存储器1) 存储单元： 每个存储单元的基本单位为1Byte （ 8bit ）2) 地址：每个存储单元（一个字节）都有一个唯一编号的地址，主存储器以字节为单位进行连续编址， CPU 按地址对存储器进行访问3) 存储容量 ：A. 定义：主存储器中所包含的存储单元的总数（即内存中可存储信息的多少）B. 单位： MB 、 GBC. 影响内存容量的因素： 主板芯片组的型号、 主板存储器插座类型与数目、 CPU 地
21、址线的宽度4) 存取时间 ：从 CPU 送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到 CPU（或者是把 CPU 数据写入主存）所需要的时间 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的部件。6)DDR 利用时钟的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 的有效时钟频率是 SDRAM 的两倍）7)双列直插式内存条（ DIMM 内存条）触点分布在内存条的两面(三 ) I/O 总线与 I/O 接口1. I/O 操作（ I/O Input Output 输入输出）1) 任务：将输入设备输入的信息送入内存的指
22、定区域，或者将内存指定的内容送出到输出设备。2) 特点： I/O 设备速度比 CPU 慢，为提高系统效率， I/O 操作与 CPU 的数据处理操作是并行的 ；多个 I/O 设备能同时进行工作 (例如一面键盘输入， 一面屏幕显示， 同时进行打印输出等 )。 I/O 设备的种类多，性能相差很大，与计算机主机的连接方法也各不相同3) 注意： 每个 ( 类)I O 设备都有各自专用的控制器 ，它们的任务是接收 CPU 启动 I O 操作的命令后，独立地控制 I O 操作的全过程2. 总线（ bus）：1) 定义：计算机各部件之间传输信息的一组公用的信号线及相关控制电路。2) I/O 总线（主板总线）A
23、. 定义：用于连接内存和 I/O 设备（包括外存）的总线（ I/O 总线与主板上扩充插槽中的扩充卡直接相连 ）B. I/O 总线上有三种信号：数据信号、地址信号、控制信号。C. 总线数据传输速率（总线带宽）a) 定义：单位时间内总线上可传送的数据量。b) 总线带宽（ MB/s ） =（数据线宽度 /8）总线工作频率（ MHz ）每个总线周期的传输次数D. 典型： PCI 总线（ PCI-E 总线 ）a) PCI 总线的时钟与 CPU 时钟无关b) PCI 可支持多个外围设备c) PCI 能与其他 I/O 总线共存于 PC 系统中d) PCI 的数据线宽度可为 32 位（数据传输速度 133MB
24、/s ），也可为 64 位（数据传输速度266MB/s ）4. I/O 设备接口 ：1) 定义：简称 I/O 接口或 I/O 端口，指 计算机中用于连接 I/O 设备 的各种插头 /插座以及相应的通信规程及电器特性。 （不包括电源插口 ）2) 作用：输入 /输出设备通过 I/O 接口与各自的控制器连接起来3) I/O 设备接口分类：A. 从数据传输方式来分：a) 串行（一次只传输 1 位） USB 、 IEEE1394 、SATAb) 并行（ 8 位或者 16 位、 32 位一起进行传输） IDE6B. 从是否能连接多个设备来分：a) 总线式（可连接多个设备，被多个设备共享）b) 独占式（只能
25、连接 1 个设备）4) USB 接口（ 通用 串行总线式 接口， Universal Serial Bus ）A. 传输速率： USB1.1 版： 1.5 MB/s 、 USB2.0 ：高达 480Mb/s （ 60MB/s ）B. 特点： 4 线接口（红白绿黑） 、支持热插拔 技术和 即插即用 功能、高速、 可连接多个设备 （最多 127 个）、串行传输、 可向外设供电 （ 5V ， 100 500 mA ）。C. 应用： 鼠标、键盘、移动硬盘、数码相机、 U 盘、打印机、扫描仪5) IEEE-1394 接口：又称为 1394 、 FireWire ，双向串行 传输 、采用差分信号 形式传输
26、时钟及数据 、连接高速设备（如 音视频设备 ）50MB/S 100 MB/S 、 6 线接口、可连接多个设备 （63 个）6) SCSI 接口（ small computer interface ，小型计算机接口） ：一种用于连接大容量磁盘驱动器、扫描仪等外围设备的专门的高速 并行 端口。六 . 常用输入设备(一 ) 键盘1. 计算机 最常用、最主要的输入设备 ，缺它不可2. 与主机接口： AT 接口（早期）、PS/2 接口、 USB 接口、无线接口（红外 范围小 、无线电）3. 电容式键盘：击键声音小、不存在磨损接触不良等问题、寿命长、手感好4. 常用快捷键控制键名称主 要 功 能Shift
27、换档键F1 F12共 12 个功能键 ，它们的功能由操作系统及运行的应用程序来决定Home通常用于 把光标移动到 开始位置 ，如文档的起始位置或行首Print Screen把当时的屏幕映象记录下来Alt+PrintScreen将桌面上当前窗口的图像复制到剪贴板中Caps lock大小写切换（ 灯亮时，输入大写字母 ）Ctrl + Alt +Del重新启动正在使用中的 Windows 系统(二 ) 鼠标器（ Mouse）1. 工作原理：用户移动鼠标时，移动速度和方向将变换成脉冲信号输入计算机，从而控制屏幕上鼠标器箭头的运动2. 主要指标：1） 分辨率 dpiA. 定义：鼠标每移动一英寸距离光标在
28、屏幕上所通过的像素的数目B. 意义：分辨率越高，定位越准确2） 接口：A. 有线鼠标： EIA （ RS） -232 串行口、 PS/2 接口、 USB 接口B. 无线鼠标3. 鼠标器分类：1) 机械式鼠标2) 光机式鼠标3) 光学（电）鼠标：工作速度快，准确性和灵敏度高，分辨率可达 800dpi ，没有机械磨损，很少需要维护，也不需要鼠标垫4. 某些鼠标器左右两按键的中间有一个滚轮，它的作用通常是控制屏幕内容进行上下移动，与窗口右边框滚动条的功能一样（ 注意：按动鼠标按键后，计算机具体做什么，由正在运行的软件决定）5. 笔记本电脑使用轨迹球、指点杆和触摸板等替代鼠标器的功能， 为了减少体积、方便使用6. 其他指点设备：1） 触摸屏：适用于服务性公共场所2） 操纵杆：经常用于游戏控制7(三 ) 扫描仪1. 作用：图像输入设备 （未经 OCR 识别，内容不可编辑）2. 分类：手持式扫描仪、 平板式 扫描仪（家用和办公自动化领域广泛应用） 、胶片专用和滚筒式（专业印刷排版领域）3. 性能指标：1) 分辨率（ dpi ）2) 色彩位数 （色彩深度）：色彩位
