第3章计算机硬件系统

图3-1 计算机硬件组成原理图
1．运算器
运算器是对数据或信息进行处理和运算的部件。经 常进行的运算有算术运算和逻辑运算，算术运算包 括加、减、乘、除等，逻辑运算包括与、或、非等， 这些运算是由算术逻辑部件(Arithmetic Logic Unit， ALU)来完成。运算器中还有很多个通用寄存器，用 来临时存放操作数，运算结束后用来存放运算结果。
(3)主存储器
主存储器具体的物理器件就是内存条，每台微机的主存 储器由若干内存条组成。在大多数情况下，人们并不严 格区分主存、内存和RAM三个不同的名称，而是根据使 用场合理解其含义。 主存储器包含大量的存储单元，每个存储单元可以存放1 个字节的数据，存储器的容量就是指它所包含的存储单 元的总数。每个存储单元都有一个地址，CPU按地址对存 储单元进行访问。 存储器的存取时间(Access Time)指的是从CPU给出存储器 地址开始，到存储器读出数据并送到CPU(或者是把CPU 数据写入存储器)所需要的时问。
3.微型计算机的组成结构
图3-3微型计算机的结构框图
总线
(１)内部总线 内部总线就是微处理器级总线，也叫前端总线，包括数 据总线、地址总线和控制总线。 (２)系统总线 系统总线也称为I/O通道总线，同样包括数据总线、地址 总线和控制总线，用于CPU与接口电路的连接。。 (３)外部总线 外部总线是指计算机主机与外部设备接口的总线。
电 脑 软件
中央处理器： 指挥、控制计算机运行 存储器： 信息存储 输入系统： 输入信息 输出系统： 输出信息
冯· 诺依曼----“存储程序控制”理 论要点
(1)计算机硬件是由五大部分组成：运算器、控制器、 存储器、输入设备和输出设备； (2)计算机中数据采用二进制表示； (3)计算机的程序和数据一样存放在存储器中，由程 序来来控制计算机操作。
3.2 微型计算机的硬件结构
3.2.1微型计算机概述
微型计算机主要是指个人电脑(又称PC,Personal Computer),是计算机中应用最普及、最广泛的一类， 可以说信息技术的快速发展，微型计算机的贡献是 巨大的。微机是所有计算机中发展速度最快的一种。
１.微机的发展－－给你一颗酷睿的 “芯”
3．存储器
存储器具有记忆功能，用来保存信息，如数据、指 令和运算结果等。 存储器分为内存储器和外存储器两大类。 内存储器与CPU直接连接。CPU可直接访问 内存中的 信息； 而外存储器不与CPU直接连接，CPU不能直接访问外 存中的信息。CPU如果要访问外存中的信息，必须先 将外存中的信息调入内，然后CPU才能通过内存来访 问这些信息。
图3-4 一款主板图示
2.中央处理器(CPU)
CPU：是计算机的大脑。微机的CPU又称为微处理器 (MPU)。 CPU一般由运算单元(ALU)、控制单元和存储单元组成。
图3-5 英特尔公司的酷睿i7 Haswell-E八核桌面处理器
CPU的性能
计算机的性能很大程度上是由CPU决定的，衡量CPU的性 能的主要因素有字长、主频、缓存容量、
外存储器又称辅助存储器(简称辅存)。外存存储容量 大，价格低，但存储速度较慢，一般用来存放大量 暂时不用的程序、数据和中间结果，需要时，可成 批地和内存储器进行信息交换。外存只能与内存交 换信息，不能被计算机系统的其他部件直接访问。 常用的外存有磁盘、磁带、光盘等。
存储容量
存储器的存储容量以字节为基本单位，每字节都有自己的编号， 称为“地址”，如要访问存储器中的某个信息，就必须知道它 的地址，然后再按地址存人或取出信息。 位(bit)是存储器中存储信息的最小单位，称为存储位，1位表示 可存储一位二进制0或1信息，记作b。8位组成1个组成1字节 (Byte)，记作B。 计算机处理数据时，一次可以运算的数据长度称为一个 “字”(Word)。字的长度称为字长。一个字可以是一字节，也 可以是多字节。常用的字长有8位、16位、32位、64位等。如 某一类计算机的字由8字节组成，则字的长度为64位，相应的 计算机称为64位机。
第3章 计算机硬件系统
本章知识点
简单介绍计算机的组成，了解计算机硬件组成及工 作原理 认识微型计算机各组成部件 装配一台自己喜欢的个人计算机
３.1计算机－－人的机器模型
躯体
人 意识Baidu Nhomakorabea
大脑： 指挥、控制人的活动 大脑记忆区： 信息存储 感觉器官： 接受信息 运动器官： 对信息作出反应
硬件
CPU指令集、多核心。
3．内存储器
3．内存储器 内存储器由半导体集成电路组成，称为半导体存储器。
图3-6内存储器的类型及在微机中的应用
(１)RAM随机存取存储器
RAM(Random Access Memory)：随机存取存储器，是可 读可写的存储器。读操作时不破坏内存已有的内，写操 作时才改变原来已有的内容。RAM是易失性存储器，关 机或断电时，存储在其中的信息将全部丢失，因此微机 每次启动都要对RAM重新装配。RAM又分为SRAM和 DRAM两种。
5．输出设备
输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果 转变为人们所能接受的形式。常用的输出设备有显 示器、打印机、绘图仪、音响等。 输入设备与输出设备合称输入/输出设备，简称 I/O(Input/Output)设备。
主机与外设
主机：人们通常把运算器、控制器做在一个大规模 集成电路块上，称为CPU(Central Processing unit， 中央处理器)，把内存储器、运算器和控制器合称为 计算机主机，也可以说主机是由CPU与内存储器组成 的。 外设：主机以外的装置称为外部设备，外部设备包 括输入/输出设备、外存储器等。
(4)存储器的层次结构
存储器的存取速度越快成本就越高，为了使存储器 的性价比得到优化，计算机中各种内存储器和外存储器 往往组成一个金字塔状的层次结构，如图3-7所示。
存储容量
为了方便表示存储容量，引入了K、M、G、T、Ｅ等 更大的单位。 1K=1024；1M=1024K；1G=1024M；1T=1024G； 1E=1024T。 现在微型计算机主存容量大多在4GB以上。
4．输入设备
输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序，并 将它们转变为计算机可以识别的形式(二进制代码)存 放到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描 仪、光笔、数字化仪、麦克风等。
(1)内存储器(简称内存或主存)
内存储器也称主存储器(简称主存)，它直接CPU相连 接，存储容量较小，但速度快，用来存放当前运行 程序的指令和数据，并直接与CPU交换信息。内存储 器由许多存储单元组成，每个单元能存放一个二进 制数，或一条由二进制编码表示的指令。
(2)外存储器(简称外存或辅存)
SRAM(Static RAM)： 静态随机存取存储器；是用触发器的状态来存储信，只 要电源正常供电，触发器就能稳定地存储信息，无须刷 新，这就是静态的含义。它集成度低(容量)，但工作速度 高(与CPU的速度相当)，用作高速缓冲存储器Cache。
为什么需要Cache? 由于主存储器存取速度比CPU工作速度慢得多(差一个数 量级)，当CPU从内存存取数据时，CPU往往需要停下来 等，使CPU的高速处理能力不能充分发挥，解决的办法就 是采用Cache。
Cache
Cache按其功能通常分为两类：CPU内部的Cache和CPU外部的Cache。 CPU内部的Cache也称为一级Cache它是CPU内核的一部分，负责CPU 内部的寄存器与外部的Cache之间缓冲。 CPU外部的Cache是二级Cache，它相对于CPU是独立的部件，负责 CPU与内存之间的缓冲。早期的外部Cache安装在主板上，称为板载 Cache，现在已经与CPU制作在同一芯片内，称为片载Cache但它仍 然不属于CPU。 有些CPU或用作服务器的计算机上安装有三级Cache，三级Cache是 为读取二级Cache后未命中的数据设计的一种缓存。 在拥有三级Cache的CPU中，只有约5％的数据需要从内存中调用， 这进一步提高了CPU的效率。三级Cache也有板载和片载之分。
4.微型计算机性能指标




(1)字长 字长以二进制位为单位，其大小是CPU能够同时处理的数据的二进制 位数，它直接关系到计算机的计算精度、功能和速度。 (2)运算速度 通常所说的计算机的运算速度(平均运算速度)是指每秒钟所能执行的 指令条数。一般用百万次/秒(MIPS)来描述。 (3)时钟频率(主频) 时钟频率是指CPU在单位时间(s)内发出的脉冲数。通常，时钟频率以 兆赫(MH。)为单位。时钟频率越高，其运算速度就越快。 (4)内存容量 内存一般以MB或GB为单位。内存容量反映了内存储器存储数据的能力。 (5)存取周期 把信息代码存入存储器，称为“写”，把信息代码从存储器中取出，称 为“读”。连续启动两次独立的“读”或“写”操作(如连续的两次“读” 操作)所需的最短时间，称为存取周期。
2)ROM是只读存储器(Read Only Memory)
(2)ROM是只读存储器(Read Only Memory)，即只能从中 读取数据而不能写入数据(包括不能更改、删除数据)。 ROM是非易失性存储器，关机或断电时。存储在其中的 信息不会丢失。 ROM只能读不能写，一方面使得存储在其中的信息得 到保护．不会因为误修改或误删除而遭到破坏；另一方 面也使得存储在其中的信息不能更新修改，给使用带来 了不便。人们寻找解决问题的办法，希望找到既能保护 信息安全，又能方便信息更新的办法。于是产生了不可 在线改写和可在线改写两类ROM。 ①不可在线改写的ROM ②可在线改写的ROM
(1)第一代微型计算机(1971--1972年)。典型产品：４位和低 档８位微处理器。 (2)第二代微型计算机(1973--1977年)。典型产品：8位微处 理器。 (3)第三代微型计算机(1978--1981年)。典型产品：16位微 处理器。 (4)第四代微型计算机(1981--1993年)。典型产品： 32位微 处理器 (5)第五代微型计算机(1993-2005年)。典型产品：奔腾 (Pentium)系列微处理器 (6)第六代微处理器(2005年至今)。典型产品：酷睿(core) 系列微处理器
3.2.3主机系统
简单地从外观上看，PC的硬件包括两部分：主机系统和 外部设备。这里的主机是指安装在PC的机箱内部的一个
整体，包括主板、CPU、存储板、I/O适配
板、磁盘驱动器、光盘驱动器和系统 电源等。
1.主板
主板又叫主机板(Mainboard)、系统板(Systemboard)或母 板(Motherboard)，它安装在主机箱内，是PC最基本、最 重要的部件之一。 主板一般为矩形印刷电路板，包含或连接着组成计算机 的主要电路系统，一般有CPU插槽、高速缓存、内存插槽、 控制芯片组、BIOS芯片、各种不同类型的扩充插槽、I/O 接口控制芯片、键盘和面板控制开关接口、指示灯插接 件、主板及插卡的直流电源等部件。
2.微型计算机的分类
微型计算机按系统规模划分 (1)单片机 (2)单板机。 (3)个人计算机(PC)：台式机、一体机、笔记本电脑。 (4)便携式微机：智能手机、掌上电脑、平板电脑 (5) 网络计算机：服务器、工作站、路由器、交换机、 网桥、网络打印机 (6)工业控制计算机
DRAM
DRAM：动态随机存取存储器。它集成度高，速度较 ＣPU慢得多，通常所说的内存条，即是由DRAM芯片所 组成，是内存储器的主体部分，称为主存储器或主存。 DRAM用电容来存储信息，由于电容存在漏电现象，为了 使信息不丢失，每隔一个固定的时间必须对存储信息刷 新一次，这就是动态的含义。如果刷新周期与总线频率 同步。称为SDRAM(Synchronous DRAM，同步动态随机 存储器)。