1、第2章 計算機硬件義務1：熟習PC主機的構成 義務2：掌握存儲器的特性義務3：了解輸入/輸出設備的功能 本章學習義務：1、熟習計算機的硬件組成及PC主機的構成。2、掌握CPU的組成、性能目的，了解指令的執行過程。3、掌握芯片組、BIOS、CMOS的作用，了解I/O操作、I/O總線、I/O接口4、掌握存儲器的分類及作用。5、掌握各種輸入/輸出設備的功能和性能目的。義務1 熟習PC主機的構成2.1.1 CPU的構造與任務原理2.1.2 主板、芯片組與BIOS2.1.3 I/O總線與I/O接口計算機硬件 計算機硬件是組成計算機的各種物理設備的總稱。 1 音箱 5 CPU 2 調制解調器 6 鍵盤3

2、麥克風 7 鼠標器 4 內存條 8 CD驅動器9 軟驅10 硬盤驅動器11 打印機12 I/O接口13 CRT顯示器14 擴展卡主板臺式PC機(立式)的主機箱擴展空間計算機硬件計算機的硬件構造主要包含五個部分，即控制器、運算器、存儲器、輸入設備和輸出設備，它們經過總線相互銜接。臺式PC機的物理組成臺式PC機主機外部設備機箱、電源主板芯片組BIOS ROMRROROMROMCMOSPCI插槽I/O總線CPU內存條顯示卡網卡插頭和插座I/O接口聲卡輸入設備鍵盤鼠標器麥克風攝像頭等輸出設備顯示器打印機音箱/耳機等外存儲器U盤、挪動硬盤等硬盤、軟驅光盤驅動器 計算機中擔任對輸入信息進展各種處置的部件稱

3、為“處置器。處置器能高速執行指令完成二進制數據的算術、邏輯運算和數據傳送等操作，它的構造很復雜。大規模集成電路的出現，使得處置器的一切組成部分都可以制造在一塊大小僅為幾個平方厘米的半導體芯片上。由于體積很小，這樣的處置器稱為“微處置器。處置器中央處置器一臺計算機中往往有多個處置器，它們各有其不同的義務，其中承當系統軟件和運用軟件運轉義務的處置器稱為“中央處置器(簡稱CPU)，它是任何一臺計算機必不可少的中心組成部件。馮諾依曼計算機的構造與原理(1) 計算機的任務由程序控制，程序是一個指令序列，指令是能被計算機了解和執行的操作命令；(2) 程序(指令)和數據均以二進制編碼表示，均存放在存儲器中；

4、(3) 存儲器中存放的指令和數據按地址進展存取 ；(4) 指令是由CPU一條一條順序執行的。中央處置器運算器和控制器輸入設備輸出設備存儲器“存儲程序控制 原理 匈牙利數學家馮諾依曼J.vonNeumann提出的“存儲程序控制的原理任務的，即一個問題的解算步驟程序連同它所處置的數據都運用二進位表示，并預先放在存儲器中。程序運轉時，CPU從內存中一條一條地取出指令和相應的數據，按指令操作碼的規定，對數據進展運算處置，直到程序執行終了為止。 CPU的構造 CPU的詳細義務是執行指令，它按照指令的要求完成對數據的根本運算和處置。CPU的構造主要由三個部分組成 :CPU構造的三個部分1存放器組。它由十幾

5、個甚至幾十個存放器組成。存放器的速度很快，它們用降暫時存放參與運算的數據和運算得到的中間或最后結果。 2運算器。用來對數據進展加、減、乘、除或者與、或、非等各種根本的算術運算和邏輯運算.3控制器。控制器是CPU的指揮中心，是對輸入的指令進展分析，并一致控制計算機的各個部件完成一定義務的部件。它普通由指令存放器、形狀存放器、指令譯碼器、時序電路和控制電路組成。 內存儲器AC927BALU0 1 2 3 4 5 6 7運算器(ALU)與通用存放器(GPR)運算器用來對數據進展各種算術或邏輯運算，所以稱為算術邏輯部件 (ALU)，參與ALU運算的操作數通常來自通用存放器GPR ，運算結果也送回GPR

6、STORER1內存地址C例3：存數指令9例2：加法指令ADDR1R3R5(3存放器內容與5存放器內容相加，并把和數寫入1存放器)例1:取數指令LOADR3內存地址ALOADR5內存地址B27362793636通用存放器GPR指令 運用計算機完成某個義務必需運轉相應的程序。程序是由一連串指令組成的，指令是構成程序的根本單位。指令采用二進位表示，它用來規定計算機執行什么操作。大多數情況下，指令由兩個部分組成 操作碼 操作數地址(1)操作碼。指出計算機應執行何種操作的一個命令詞，例如加、減、乘、除、取數、存數等，每一種操作均有各自的代碼，稱為操作碼。2操作數地址。指出該指令所操作處置的數據或者所在的

7、位置。操作數地址能夠是1個、2個甚至多個，這需求由操作碼決議。指令的執行過程 1CPU的控制器從存儲器讀取一條指令并放入指令存放器。2指令存放器中的指令經過譯碼，決議該指令應進展何種操作、操作數在哪里。 3根據操作數的位置取出操作數。4運算器按照操作碼的要求，對操作數完成規定的運算，并根據運算結果修正或設置處置器的一些形狀標志。5把運算結果保管到指定的存放器，需求時將結果從存放器保管到內存單元。6修正指令計數器，決議下一條指令的地址。指令在計算機中的執行過程1 取指令4 修正指令計數器3 執行指令2 指令譯碼指令執行周期通常，每一步需求1個或幾個時鐘周期才干完成 指令系統 每一種CPU都有它獨

8、特的一組指令。CPU所能執行的全部指令稱為該CPU的指令系統。 在Core2處置器中共有七大類指令，即數據傳送類、算術運算類、邏輯運算類、移位操作類、位位串操作類、控制轉移類、輸入/輸出類。 指令系統不同公司消費的CPU各自有本人的指令系統，它們不一定相互兼容。 Intel公司消費的CPU 1Intel公司消費的CPU主要產品開展過程為：8088808680286 8038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔騰D 奔騰至尊 酷睿 酷睿2 Core i3/ i5/ i7 2為處理軟件兼容性問題，采用“向下兼容方式

9、開發新的處置器，即一切新處置器均保管老處置器的全部指令，同時還擴展功能更強的新指令。 CPU的性能目的 1字長位數。字長指的是CPU中整數存放器和定點運算器的寬度即二進制整數運算的位數。 2主頻CPU時鐘頻率。指CPU中電子線路的任務頻率，它決議著CPU芯片內部數據傳輸與操作速度的快慢。 3CPU總線速度。CPU總線前端總線的任務頻率和數據線寬度決議著CPU與內存之間傳輸數據的速度快慢，總線速度越快，CPU的性能將發揚得越充分。4高速緩存cache的容量與構造。程序運轉過程中高速緩存有利于減少CPU訪問的次數。通常，cache容量越大、級數越多，其成效就越顯著。5指令系統。指令的類型和數目、指

10、令的功能等都會影響程序的執行速度。6邏輯構造。 CPU的性能如何衡 CPU的性能高低主要表現為CPU的速度，有兩種衡量方法：1計算每秒鐘可執行的指令數目(單位：MIPS、MFLOPS)巨型計算機：幾十萬億幾百萬億次 根本運算/秒個人計算機：幾千萬幾億次 根本運算/秒2PC機大多以常用軟件(辦公軟件、數字媒體處置軟件和3D游戲等)的運轉速度來測試CPU的性能，例如：游戲性能測試程序: 3DMark整體綜合性能測試程序: PCMark提高CPU性能三大措施一是改良CPU構造；二是提高IC速度(主頻)；三是 添加CPU(核)的數目。主板 主板，又叫主機板、系統板或母板(motherboard，它安裝

11、在機箱內，是計算機最根本的也是最重要的部件之一。在主板上通常安裝有CPU插座、芯片組、存儲器插槽、擴展卡插槽、顯卡插槽、BIOS、CMOS存儲器、輔助芯片和假設干用于銜接外圍設備的I/O插口.臺式PC機主板表示圖 例：華碩P5Q主板CPU插座內存條插座硬盤IDE銜接器PCI插槽芯片組各種I/O插口顯卡插槽PCI-E插槽安裝了CPU和內存條的主板主板上兩塊特別有用的集成電路 一塊是閃爍存儲器Flash memory，其中存放的是根本輸入/輸出系統BIOS，它是PC機軟件中最根底的部分，沒有它機器就無法啟動；另一個集成電路芯片是CMOS存儲器，其中存放著與計算機系統相關的一些參數稱為“配置信息,包

12、括當前的日期和時間、開機口令、已安裝的光驅和硬盤的個數及類型等。CMOS芯片是一種易失性存儲器，它運用電池供電，以確保在機器斷電后當中的信息不會喪失。芯片組 芯片組是PC機各組成部分相互銜接和通訊的樞紐，存儲器控制、I/O控制功能幾乎都集成在芯片組內，它既實現了PC機總線的功能，又提供了各種I/O接口及相關的控制。沒有芯片組，CPU就無法與內存、擴展卡、外設等交換信息。 芯片組普通由2塊超大規模集成電路組成：北橋芯片和南橋芯片。 芯片組與主板上各個部件互連的表示圖 BIOS BIOS的中文名叫做根本輸入/輸出系統，它是存放在主板上閃爍存儲器中的一組機器言語程序。由于存放在閃存中，即使機器關機，

13、它的內容也不會改動。BIOS具有以下幾個功能：診斷計算機缺點啟動計算機任務控制根本外設的輸入輸出操作(鍵盤、鼠標、磁盤讀寫、屏幕顯示等) BIOS主要包含四個部分的程序加電自檢程序 系統主引導記錄的裝入程序系統自舉程序CMOS設置程序根本外圍設備的驅動程序I/O操作 輸入、輸出設備又稱I/O設備或外設是計算機系統的重要組成部分，沒有I/O設備，計算機就無法與外界包括人、環境、其他計算機等交換信息。I/O操作的義務是將輸入設備輸入的信息送入內存的指定區域，或者將內存指定區域的內容送出到輸出設備。 I/O控制器 每個類I/O設備都有各自公用的控制器I/O控制器，它們的義務是接受CPU啟動I/O操作

14、的命令后，獨立地控制I/O設備的操作，直到I/O操作完成。I/O控制器是一組電子線路，不同設備的I/O控制器構造與功能不同，復雜程度相差也很大。 I/O控制器有些設備如鍵盤、鼠標器、打印機等的I/O控制器比較簡單，它們曾經集成在主板上的芯片內。有些設備如音頻、視頻設備等的I/O控制器比較復雜，且設備的規格和種類也比較多樣，這些I/O控制器就制形成擴展卡也叫做適配卡或控制卡，插在主板的PCI擴展槽內。大多數I/O設備都是一個獨立的物理實體，它們并不包含在PC機的主機箱里。因此，I/O設備與主機之間必需經過銜接器也叫做插頭或插座實現互連。主機上用于銜接I/O設備的各種插頭、插座，統稱為I/O接口。

15、 I/O總線、I/O控制器、I/O接口與I/O設備的銜接方式 I/O總線 總線指的是計算機部件之間傳輸信息的一組公用的信號線及相關控制電路。它用于在CPU、內存、外存和各種輸入輸出設備之間傳輸信息并協調它們任務。總線有三種類型：CPU總線前端總線FSB存儲器總線I/O總線 目前運用的是PCI 和PCI-E 兩種。CPU芯片與北橋芯片相互銜接的總線稱為CPU總線前端總線I/O設備控制器與CPU、存儲器之間相互交換信息、傳輸數據的一組公用信號線稱為I/O總線總線上三類信號 總線上通常有三類信號：數據信號、地址信號和控制信號擔任傳輸這些信號的線路分別稱為數據線、地址線和控制線，協調與管理總線操作的是

16、總線控制器。總線的帶寬 總線最重要的性能是它的數據傳輸速率，也稱為總線的帶寬，即單位時間內總線上可傳輸的最大數據量。總線帶寬的計算公式如下：總線帶寬MB/s=數據線寬度/8總線任務頻率MHz每個總線周期的傳輸次數例題：計算機系統中總線最重要的性能是它的帶寬，假設總線的數據線寬度為16位，總線的任務頻率為133MHZ，每個總線周期傳輸一次數據，那么其帶寬=1681331MB/s=266MB/sPCI總線 20世紀90年代初開場，PC機不斷采用一種成為PCI的I/O總線，它的任務頻率是33MHz，數據線寬度是32位或64位，傳輸速率達133MB/s或266MB/s，可以用于掛接中等速度的外部設備。

17、但性能曾經跟不上實踐運用要求。PCI-EPCI-Express(簡稱PCI-E或PCIe)是PC機I/O總線的一種新規范，它采用高速串行傳輸以點對點的方式與主機進展通訊。 PCI-E包括X1、X4、X8和X16等多種規格，分別包含1、4、8或16個傳輸通道，每個通道的數據傳輸速率為250MB/s,n個通道可使傳輸速率提高n倍，以滿足不同設備對數據傳輸速率的不同需求。 除了數據傳輸速率高的優點之外，由于是串行接口，PCI-E插座的針腳數目也大為減少，這樣就降低了PCI-E設備的體積和消費本錢 PCI 和 PCI-E 擴展卡插槽各種I/O插口PCI插槽任務頻率:33MHz，數據線:32位傳輸速率:

18、133MB/s PCI-E x1插槽1個串行傳輸通道； 最高傳輸速率:250MB/s 顯卡插槽 (PCI-E x16)16個串行傳輸通道； 最高傳輸速率:5GB/s I/O設備接口 I/O設備與主機普通需求經過銜接器實現互連，計算機中用于銜接I/O設備的各種插頭、插座以及相應的通訊規程及電器特性，就稱為I/O設備接口，簡稱I/O接口。I/O接口分類數據傳輸方式：串行一位一位地傳輸數據，一次只傳輸1位并行8位或者16位、32位一同進展傳輸之分數據傳輸速率低速高速能否能銜接多個設備：有總線式可串接多個設備，被多個設備共享獨占式只能銜接1個設備之分能否符合規范來看規范接口公用接口串行和并行接口 PC機常用I/O接口 臺式PC機箱背部的I/O設備接口顯示器接口(3種)麥克風音 箱鍵盤接口HDMI接口USB接口以太網RJ-45接口鼠標器接口數字音頻接口(同軸電纜接口) 數字音頻接口光纖接口 e-SATA接口USB接口 USB是英文Universal Serial Bus通用串行總線的縮寫，它是一種可以銜接多個設備的總線式串行接口，如今曾經在PC機、數碼相機、MP3播放器等設備中普遍運用。 引腳信號名