第2章微型计算机硬件系统PPT课件
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➢动态随机存储器DRAM ➢静态随机存储器SRAM 目前广泛使用动态随机存储器（DRAM） ➢制作成内存条的形式，插在主板插槽上 ➢内存条具有不同规格、不同容量
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31
(2) 只读存储器(Read Only Memory，简称ROM)
➢ ROM中一般存放计算机系统管理程序，由制造商进行 写入并固化。
过程。
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17
2.3 微型计算机硬件组成
➢ 微型计算机与大中小型计算机的区别：采用大规模和 超大规模集成电路技术
➢ 微型计算机的CPU称为微处理器（MPU,Micro Processing Unit）
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18
2.3.1 微型计算机的主要性能指标
➢CPU指标：CPU字长、时钟频率。 ➢运算速度：通常指每秒钟所能执行的指令条数。 ➢内存容量：内存储器存储数据的能力。
数据
10000000
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9
4. 输入设备
➢功能：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。
➢常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、写字板、麦克风等。
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10
5. 输出设备
功能：将内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的 方式。 常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音响等。
内存
CPU
算术运算、逻辑运算 控制指令的执行顺序
➢输入输出指令 主机
I/O设备
➢ 其它指令
对计算机的硬件进行管理等
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14
2.2.2 程序的执行过程
1. 指令的执行过程
分以下4个步骤： （1） 取指令：按照程序计数器中的地址，从内存储器中取出指
令，并送往指令寄存器。 （2）分析指令：对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器
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24
南桥芯片和北桥芯片：
北桥芯片离CPU较近
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25
2.3.3 CPU
1. CPU的组成 CPU是整个计算机系统的核心。主要包括：
➢ 运算器 ➢ 控制器 ➢ 寄存器
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26
2. CPU的主要性能指标
➢ CPU字长：CPU一次能够处理的二进制位，也是CPU内部各寄存器 之间一次能够传递的数据位，由内部数据总线决定，反映CPU内部 运算速度和效率。
硬件
高速缓冲存储器(Cache)
输入设备：键盘、鼠标、扫描仪
计
输出设备：显示器、打印机
算
外部设备
外 存：软、硬盘、光盘、闪存
机 系 统
系统软件
网络设备：网卡、调制解调器等 操作系统：Windows、Unix、Linux 语言处理程序：C、Pascal、VB等
软件
实用程序：诊断程序、排错程序等
应用软件
➢主要部件： ➢指令寄存器 ➢指令译码器 ➢时序电路和控制电路
运算器和控制器一起称为CPU：Central Processing Unit
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7
3. 存储器
➢功能：存放程序和数据 ➢组成：由一些记忆单元组成，每个记忆单元由8位二进制位组成 ➢存储器读操作：从存储器中取出信息 ➢存储器写操作：把信息保存到存储器中 ➢类型：
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34
2. 外部存储器
外存中的数据一般不能直接送到处理器，只能成批地将 数据先转运到内存，再进行处理。 例如：
➢软盘 ➢硬盘 ➢磁盘阵列RAID ➢光介质存储器 ➢移动存储产品
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35
（1） 软盘
➢用柔软的聚酯材料制成，表面涂有磁性材料 ➢读写软盘时，磁头直接接触盘面
➢容量= 磁面数×磁道数×扇区数×扇区字节数
32
(3) 高速缓冲存储器Cache
➢一般采用静态随机存取存储器SRAM。 ➢访问速度是DRAM的10倍左右。 ➢是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，
用于解决它们之间的速度冲突问题。 ➢通常分为两类：
➢一级Cache：在CPU内部，负责CPU内部寄存器与外 部Cache之间的缓冲。
➢二级Cache：在CPU外部，负责CPU与内存之间的缓 冲。
➢磁道（由外向内为0,1,2,…..)
➢包括：ALU（算术逻辑单元，Arithmetic and Logic Unit）；寄存器。
➢数据来自内存，运算结果又送回内存 ➢对内存的读写操作由控制器控制
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6
2. 控制器
➢功能：控制计算机各部件有条不紊地工作，按以下步骤 进行： （1）从存储器取出指令 （2）分析指令 （3）向其他部件发出控制信号
操作数
➢操作码
➢ 要完成的操作类型或性质，如取数、加法、减法等
➢ 操作码的位数决定了指令的条数
➢操作数
➢ 操作的内容或所在的地址
➢ 操作数多数情况下是数据所在的地址，称为地址码。
3.指令系统： 一台计算机的所能识别的指令的集合。
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13
4.指令的种类
➢数据传送指令 ➢数据处理指令 ➢程序控制指令
29
1. 内部存储器
➢主要技术指标 ➢容量： ➢读写时间：读一个字或写一个字所需的时间
➢分类 ➢随机存取存储器RAM ➢只读存储器ROM ➢高速缓冲存储器Cache
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30
(1) 随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)
➢通常所说的内存容量均指RAM存储器容量，也称主存 ➢CPU对它们既可读出又可写入数据 ➢分类：
各种设备有机地结合起来，形成一套完整的系统。 ➢PC99技术规格要求主板各接口必须采用有色识别标识，
方便识别。
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21
1. 主板架构
USB: Universal Serial Bus， 通用串行总线 AGP: Advanced Graphic Port， 增强图形接口 PCI: Peripheral Component Interconnect, 外部设备互联
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19
目前流行的微机基本组成:主机；外设(显示器；键盘)
➢主机：台式机的主机安装在主机箱内，主机箱包括： ➢主板（又称：主机板；母板） ➢CPU ➢内存 存储器 ➢外存 ➢总线与接口 ➢电源
➢输入/输出设备
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20
2.3.2 主板
➢主板是微型计算机最大的一块集成电路板。 ➢是各种设备的连接载体，微型计算机通过主板将CPU等
L1 Cache
L2 Cache
RAM
CPU
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33
什么是高速缓存技术？
高速缓存是一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁 使用的数据，以利于CPU快速访问。高速缓冲存储器存储 了频繁访问的 RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。 当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检 查是否存有该地址。如果存有该地址，则将数据返回处理 器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。因 为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当 RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓 冲存储器。
➢ 位宽：CPU通过外部数据总线与外部设备之间一次能够传递的数据 位。
➢ x位CPU：通常用CPU字长和位宽来称呼CPU。 如：Pentium CPU字长是32位，位宽是64位，称为超32位CPU。 80286 CPU字长和位宽都是16位，则称为16位CPU。
➢ CPU外频 ：CPU总线频率，由主板为CPU提供的基准时钟频率。 ➢ CPU主频 ：CPU内核电路的实际工作频率。 ➢ 制造工艺：用微米（μm）或纳米(nm)来描述，指集成电路内电路
与电路之间的距离。距离越小表示生产工艺越先进，集成度越高。
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27
3. CPU的发展 ➢ 自学
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28
2.3.4 存储器
存储器种类：内部存储器；外部存储器 ➢内部存储器主要特点
➢访问速度快 ➢信息暂时性 ➢相对价格高 ➢外部存储器主要特点 ➢访问速度慢 ➢信息永久性 ➢相对价格低
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对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位 信号；由地址码确定操作数地址。 （3）执行指令：由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列 控制信息，去完成该指令所要求的操作。 （4）一条指令执行完成，程序计数器加1 或将转移地址码送入程 序计数器，然后回到（1）。
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15
指令执行过程示例：
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11
2.2 计算机基本工作原理
➢ 计算机通过执行程序来完成各种复杂的计算或处理。 ➢ 程序由一系列指令组成，由编程人员编写。 ➢ 指令是计算机能够识别并执行的用于完成一定功能的
命令。
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12
2.2.1 指令和指令系统
1.指令
能被计算机识别并执行的的二进制代码，每条指令完成
某种操作。
2.指令的组成 操作码
➢ CPU对它们只取不存，其信息用户无法修改。 ➢ 断电时信息不会丢失。 ➢ ROM种类：
ROM、PROM、EPROM、EEPROM…… ➢ 例如：BIOS（Basic Input-Output System）：基本输入
输出系统，保存计算机系统中最重要信息，固化到主板 上的一个ROM芯片上。
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起始地址
自动加1 程序计数器PC ①
⑨
0100H
指令寄 操作码 地址码
存器
07H 0270H
②
③
⑤
控制器
译码器
④
操作控制线路
⑦
累加器
⑥ 算术、逻辑运算
运算器
⑧
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地址 内容
…… ……
0100H 070270H
程
序
0101H
区
…… …… 0270H 数据
数 据 区
16
2. 程序执行过程
➢ 程序：由一系列指令构成，完成特定的功能。 ➢ CPU不断的取指令、分析指令、执行指令，这就是程序的执行
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8
内存储器的访问过程
例：向[0001]单元写数据
地址0001 控制:写
地址
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
存储单元
11101101 1110000001010001 11101101 11101001 11101101 10001101 10001101 11101101
➢运算器
输
输
➢控制器
入 设
内存储器
出 设
➢存储器
备
备
➢输入、输出设备
处理器 运算器
➢ 程序与数据一样存放在存
储器中,需要按地址访问。 ➢ 程序和数据都以二进制表
控制器
示。
数据流
控制流
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5
1. 运算器
➢功能：进行算术运算和逻辑运算 ➢算术运算：加、减、乘、除等 ➢逻辑运算：与、或、非、比较大小等 ➢复杂运算都要转换为以上基本运算后一步一步地实现
；硬盘接口；串行接口；并行接口；USB接口；AGP总线扩展
槽；PCI局部总线扩展槽；键盘、鼠标接口；多媒体和通信设备
接口等。
BIOS: Basic Input Output System ,基本输入输出系统
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22
主板：
CPU插槽
并行接口
USB接口 接口卡
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内存插槽 芯片组
总线插槽
23
2. 芯片组
IDE: Integrated Device Electronics 集成设备电子部件，接口标准
➢芯片组决定了主板的结构及CPU的使用，控制整个主板的 运作。
➢外观：
➢根据芯片的功能，可分为南桥芯片和北桥芯片。 ➢ 南桥芯片：主要负责I/O接口控制、IDE设备（硬盘 等）控制以及高级能源管理等。
➢ 北桥芯片：负责与CPU的联系并控制内存、AGP、 PCI数据在北桥内部传输，由于北桥芯片的发热量较 高，所以芯片上会装有散热片。
（1）内存储器(内存、主存)：通常是半导体存储器 ➢信息交流中心，与各个部件打交道 ➢造价相对较高，容量受限制 ➢不能长期保存数据（RAM） ➢内存的存取速度直接影响计算机的速度
（2）外存储器（辅存）：磁盘、磁带、光盘等 ➢主要用来长期保存暂时不用的程序和数据,容量较大 ➢通常只和内存打交道，存取速度相对内存慢
通用：办公软件包、数据库管理系统 专用：各企业管理信息系统
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3
2.1.2 计算机系统的层次关系
用户 应用程序 操作系统 裸机
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人 应用程序 语言处理系统 操作系统 硬件系统
4
2.1.3 冯•诺依曼计算机的基本组成
冯.诺依曼结构的主要特点： ➢ 计算机由5个基本部分组成
存储器 外存储器
第2章 微型计算机硬件系统
2.1 计算机系统概述 2.2 计算机基本工作原理 2.3 微型计算机硬件组成
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1
2.1 计算机系统概述
计算机系统分为：硬件+软件
硬件
软件
系统软件 应用软件
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2
2.1.1 计算机系统构成
运算器
主机
CPU
内存
寄存器 控制器
随机存储器(RAM) 只读存储器(ROM)
➢ 主板结构类型：主板上各元器件的布局排列方式和主板的大小 、形状及所使用的电源规格等。例如：
➢ AT：已淘汰
➢ ATX：目前最常用的主板结构；NLX：ATX的变种
➢ BTX：英特尔公司制定的一种新型主板结构
➢ EATX、WATX：多用于服务器、工作站
➢ 主板结构：开放式结构。包括：
CPU插座；控制芯片组；BIOS芯片；内存条插槽；软盘接口
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(2) 只读存储器(Read Only Memory，简称ROM)
➢ ROM中一般存放计算机系统管理程序，由制造商进行 写入并固化。
过程。
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2.3 微型计算机硬件组成
➢ 微型计算机与大中小型计算机的区别：采用大规模和 超大规模集成电路技术
➢ 微型计算机的CPU称为微处理器（MPU,Micro Processing Unit）
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18
2.3.1 微型计算机的主要性能指标
➢CPU指标：CPU字长、时钟频率。 ➢运算速度：通常指每秒钟所能执行的指令条数。 ➢内存容量：内存储器存储数据的能力。
数据
10000000
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4. 输入设备
➢功能：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。
➢常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、写字板、麦克风等。
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5. 输出设备
功能：将内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的 方式。 常用输出设备：显示器、打印机、绘图仪、音响等。
内存
CPU
算术运算、逻辑运算 控制指令的执行顺序
➢输入输出指令 主机
I/O设备
➢ 其它指令
对计算机的硬件进行管理等
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2.2.2 程序的执行过程
1. 指令的执行过程
分以下4个步骤： （1） 取指令：按照程序计数器中的地址，从内存储器中取出指
令，并送往指令寄存器。 （2）分析指令：对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器
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南桥芯片和北桥芯片：
北桥芯片离CPU较近
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2.3.3 CPU
1. CPU的组成 CPU是整个计算机系统的核心。主要包括：
➢ 运算器 ➢ 控制器 ➢ 寄存器
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2. CPU的主要性能指标
➢ CPU字长：CPU一次能够处理的二进制位，也是CPU内部各寄存器 之间一次能够传递的数据位，由内部数据总线决定，反映CPU内部 运算速度和效率。
硬件
高速缓冲存储器(Cache)
输入设备：键盘、鼠标、扫描仪
计
输出设备：显示器、打印机
算
外部设备
外 存：软、硬盘、光盘、闪存
机 系 统
系统软件
网络设备：网卡、调制解调器等 操作系统：Windows、Unix、Linux 语言处理程序：C、Pascal、VB等
软件
实用程序：诊断程序、排错程序等
应用软件
➢主要部件： ➢指令寄存器 ➢指令译码器 ➢时序电路和控制电路
运算器和控制器一起称为CPU：Central Processing Unit
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3. 存储器
➢功能：存放程序和数据 ➢组成：由一些记忆单元组成，每个记忆单元由8位二进制位组成 ➢存储器读操作：从存储器中取出信息 ➢存储器写操作：把信息保存到存储器中 ➢类型：
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2. 外部存储器
外存中的数据一般不能直接送到处理器，只能成批地将 数据先转运到内存，再进行处理。 例如：
➢软盘 ➢硬盘 ➢磁盘阵列RAID ➢光介质存储器 ➢移动存储产品
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（1） 软盘
➢用柔软的聚酯材料制成，表面涂有磁性材料 ➢读写软盘时，磁头直接接触盘面
➢容量= 磁面数×磁道数×扇区数×扇区字节数
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(3) 高速缓冲存储器Cache
➢一般采用静态随机存取存储器SRAM。 ➢访问速度是DRAM的10倍左右。 ➢是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，
用于解决它们之间的速度冲突问题。 ➢通常分为两类：
➢一级Cache：在CPU内部，负责CPU内部寄存器与外 部Cache之间的缓冲。
➢二级Cache：在CPU外部，负责CPU与内存之间的缓 冲。
➢磁道（由外向内为0,1,2,…..)
➢包括：ALU（算术逻辑单元，Arithmetic and Logic Unit）；寄存器。
➢数据来自内存，运算结果又送回内存 ➢对内存的读写操作由控制器控制
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2. 控制器
➢功能：控制计算机各部件有条不紊地工作，按以下步骤 进行： （1）从存储器取出指令 （2）分析指令 （3）向其他部件发出控制信号
操作数
➢操作码
➢ 要完成的操作类型或性质，如取数、加法、减法等
➢ 操作码的位数决定了指令的条数
➢操作数
➢ 操作的内容或所在的地址
➢ 操作数多数情况下是数据所在的地址，称为地址码。
3.指令系统： 一台计算机的所能识别的指令的集合。
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4.指令的种类
➢数据传送指令 ➢数据处理指令 ➢程序控制指令
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1. 内部存储器
➢主要技术指标 ➢容量： ➢读写时间：读一个字或写一个字所需的时间
➢分类 ➢随机存取存储器RAM ➢只读存储器ROM ➢高速缓冲存储器Cache
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(1) 随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)
➢通常所说的内存容量均指RAM存储器容量，也称主存 ➢CPU对它们既可读出又可写入数据 ➢分类：
各种设备有机地结合起来，形成一套完整的系统。 ➢PC99技术规格要求主板各接口必须采用有色识别标识，
方便识别。
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1. 主板架构
USB: Universal Serial Bus， 通用串行总线 AGP: Advanced Graphic Port， 增强图形接口 PCI: Peripheral Component Interconnect, 外部设备互联
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目前流行的微机基本组成:主机；外设(显示器；键盘)
➢主机：台式机的主机安装在主机箱内，主机箱包括： ➢主板（又称：主机板；母板） ➢CPU ➢内存 存储器 ➢外存 ➢总线与接口 ➢电源
➢输入/输出设备
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2.3.2 主板
➢主板是微型计算机最大的一块集成电路板。 ➢是各种设备的连接载体，微型计算机通过主板将CPU等
L1 Cache
L2 Cache
RAM
CPU
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什么是高速缓存技术？
高速缓存是一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁 使用的数据，以利于CPU快速访问。高速缓冲存储器存储 了频繁访问的 RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。 当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检 查是否存有该地址。如果存有该地址，则将数据返回处理 器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。因 为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当 RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓 冲存储器。
➢ 位宽：CPU通过外部数据总线与外部设备之间一次能够传递的数据 位。
➢ x位CPU：通常用CPU字长和位宽来称呼CPU。 如：Pentium CPU字长是32位，位宽是64位，称为超32位CPU。 80286 CPU字长和位宽都是16位，则称为16位CPU。
➢ CPU外频 ：CPU总线频率，由主板为CPU提供的基准时钟频率。 ➢ CPU主频 ：CPU内核电路的实际工作频率。 ➢ 制造工艺：用微米（μm）或纳米(nm)来描述，指集成电路内电路
与电路之间的距离。距离越小表示生产工艺越先进，集成度越高。
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3. CPU的发展 ➢ 自学
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2.3.4 存储器
存储器种类：内部存储器；外部存储器 ➢内部存储器主要特点
➢访问速度快 ➢信息暂时性 ➢相对价格高 ➢外部存储器主要特点 ➢访问速度慢 ➢信息永久性 ➢相对价格低
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对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位 信号；由地址码确定操作数地址。 （3）执行指令：由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列 控制信息，去完成该指令所要求的操作。 （4）一条指令执行完成，程序计数器加1 或将转移地址码送入程 序计数器，然后回到（1）。
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指令执行过程示例：
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2.2 计算机基本工作原理
➢ 计算机通过执行程序来完成各种复杂的计算或处理。 ➢ 程序由一系列指令组成，由编程人员编写。 ➢ 指令是计算机能够识别并执行的用于完成一定功能的
命令。
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2.2.1 指令和指令系统
1.指令
能被计算机识别并执行的的二进制代码，每条指令完成
某种操作。
2.指令的组成 操作码
➢ CPU对它们只取不存，其信息用户无法修改。 ➢ 断电时信息不会丢失。 ➢ ROM种类：
ROM、PROM、EPROM、EEPROM…… ➢ 例如：BIOS（Basic Input-Output System）：基本输入
输出系统，保存计算机系统中最重要信息，固化到主板 上的一个ROM芯片上。
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起始地址
自动加1 程序计数器PC ①
⑨
0100H
指令寄 操作码 地址码
存器
07H 0270H
②
③
⑤
控制器
译码器
④
操作控制线路
⑦
累加器
⑥ 算术、逻辑运算
运算器
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地址 内容
…… ……
0100H 070270H
程
序
0101H
区
…… …… 0270H 数据
数 据 区
16
2. 程序执行过程
➢ 程序：由一系列指令构成，完成特定的功能。 ➢ CPU不断的取指令、分析指令、执行指令，这就是程序的执行
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内存储器的访问过程
例：向[0001]单元写数据
地址0001 控制:写
地址
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
存储单元
11101101 1110000001010001 11101101 11101001 11101101 10001101 10001101 11101101
➢运算器
输
输
➢控制器
入 设
内存储器
出 设
➢存储器
备
备
➢输入、输出设备
处理器 运算器
➢ 程序与数据一样存放在存
储器中,需要按地址访问。 ➢ 程序和数据都以二进制表
控制器
示。
数据流
控制流
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1. 运算器
➢功能：进行算术运算和逻辑运算 ➢算术运算：加、减、乘、除等 ➢逻辑运算：与、或、非、比较大小等 ➢复杂运算都要转换为以上基本运算后一步一步地实现
；硬盘接口；串行接口；并行接口；USB接口；AGP总线扩展
槽；PCI局部总线扩展槽；键盘、鼠标接口；多媒体和通信设备
接口等。
BIOS: Basic Input Output System ,基本输入输出系统
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主板：
CPU插槽
并行接口
USB接口 接口卡
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内存插槽 芯片组
总线插槽
23
2. 芯片组
IDE: Integrated Device Electronics 集成设备电子部件，接口标准
➢芯片组决定了主板的结构及CPU的使用，控制整个主板的 运作。
➢外观：
➢根据芯片的功能，可分为南桥芯片和北桥芯片。 ➢ 南桥芯片：主要负责I/O接口控制、IDE设备（硬盘 等）控制以及高级能源管理等。
➢ 北桥芯片：负责与CPU的联系并控制内存、AGP、 PCI数据在北桥内部传输，由于北桥芯片的发热量较 高，所以芯片上会装有散热片。
（1）内存储器(内存、主存)：通常是半导体存储器 ➢信息交流中心，与各个部件打交道 ➢造价相对较高，容量受限制 ➢不能长期保存数据（RAM） ➢内存的存取速度直接影响计算机的速度
（2）外存储器（辅存）：磁盘、磁带、光盘等 ➢主要用来长期保存暂时不用的程序和数据,容量较大 ➢通常只和内存打交道，存取速度相对内存慢
通用：办公软件包、数据库管理系统 专用：各企业管理信息系统
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2.1.2 计算机系统的层次关系
用户 应用程序 操作系统 裸机
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4
2.1.3 冯•诺依曼计算机的基本组成
冯.诺依曼结构的主要特点： ➢ 计算机由5个基本部分组成
存储器 外存储器
第2章 微型计算机硬件系统
2.1 计算机系统概述 2.2 计算机基本工作原理 2.3 微型计算机硬件组成
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1
2.1 计算机系统概述
计算机系统分为：硬件+软件
硬件
软件
系统软件 应用软件
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2.1.1 计算机系统构成
运算器
主机
CPU
内存
寄存器 控制器
随机存储器(RAM) 只读存储器(ROM)
➢ 主板结构类型：主板上各元器件的布局排列方式和主板的大小 、形状及所使用的电源规格等。例如：
➢ AT：已淘汰
➢ ATX：目前最常用的主板结构；NLX：ATX的变种
➢ BTX：英特尔公司制定的一种新型主板结构
➢ EATX、WATX：多用于服务器、工作站
➢ 主板结构：开放式结构。包括：
CPU插座；控制芯片组；BIOS芯片；内存条插槽；软盘接口