第3章計算機硬件系統目錄

3.1計算機系統組成3.2計算機硬件基礎

3.2.1計算機硬件構成

3.2.2計算機的指令系統與工作原理

3.3微型計算機概述

3.3.1微型計算機的類型

3.3.2微型計算機的硬件組成

3.4主機系統和外圍設備

3.4.1中央處理器

3.4.2主板

3.4.3存儲器

3.4.4總線與接口

3.4.5其他外圍設備

3.1計算機系統組成一個完整的計算機系統包含硬件系統和軟件系統兩大部分。硬件通常是指一切看得見、摸得著的實體設備，是組成計算機系統的各種物理設備的總稱，是計算機系統的物質基礎。軟件系統通常泛指各類程序和文件，實際上是由一些算法及其在計算機中的表示所構成的。計算機系統的整體構成3.2計算機硬件基礎

所謂計算機硬件，是指組成計算機的各種物理設備，也就是看得見、摸得著的實際物理設備，是指計算機系統中由電子、機械和光電元件等組成的各種計算機部件和計算機設備。這些部件和設備依據計算機系統結構的要求構成一個有機整體，成為計算機硬件系統。未配置任何軟件的計算機硬件整體稱為裸機，它是計算機完成工作的物質基礎。3.2.1計算機硬件構成

目前，計算機的種類很多，其制造技術也發生了極大的變化，但在基本的硬件結構方面，它一直沿襲著馮·諾依曼的計算機體系結構，從功能上都可以劃分為五大基本組成部分，即輸入設備、輸出設備、存儲器、運算器和控制器，如圖

下圖

所示：運算器運算器是對信息進行處理和運算的部件，主要功能是進行算術運算或者邏輯運算。運算器是計算機的核心部件之一，它的性能高低直接影響著計算機的運算速度和整機性能。控制器控制器是整個計算機的控制指揮中心，其功能是控制計算機各部件自動協調地工作。控制器負責從存儲器中取出指令，然后進行指令的譯碼和分析，并產生一系列控制信號。這些控制信號按照一定的時間順序發往各部件，控制各部件協調工作，并控制程序的執行。

存儲器存儲器的功能是用于存儲以內部形式表示的各種信息，包括程序、數據、運算的中間結果及最終結果。根據存儲設備在計算機中所處的位置不同，可以分為主存儲器和輔助存儲器；根據存儲介質的不同可以分為磁性存儲器、半導體存儲器和光介質存儲器等。輸入設備輸入設備的任務是把編好的程序和原始數據送到計算機中，并且將其轉換成計算機內部能夠識別和接收的信息方式。按輸入信息的形式可分為字符（包括漢字）輸入、圖形輸入、圖像輸入及語音輸入等。輸出設備輸出設備的功能是將信息從計算機的內部形式轉換為使用者所要求的形式，以便為人們識別或被其他設備所接收。常用的輸出設備包括打印機和顯示器等。3.2.2計算機的指令系統與工作原理

現代計算機的基本元器件是晶體管，并由其組成的數字電路來實現二進制和二進制運算。簡單地看，如果是一個任務、一個操作或一個數據，如何用二進制的0和1組成的字符串表示其格式和執行？這就是計算機的指令系統。

1．計算機的指令系統

指令是能被計算機識別并執行的二進制代碼，規定了計算機能完成的某一種操作，也是對計算機進行程序控制的最小單位。程序是為完成一項特定任務而用某種語言編寫的一組指令序列。CPU就是根據一系列指令來指揮和控制計算機各個部件協調工作，以完成給定的操作任務。

一條指令通常由兩部分組成：操作碼和操作數，它們存放在指令寄存器中。（1）操作碼操作碼指明該指令要完成的操作的類型或性質，如獲取數據、做加法或輸出數據等。操作碼的位數決定了一個機器操作指令的條數。當使用定長操作碼格式時，若操作碼位數為n，則指令條數可有2n條。（2）操作數操作數指明操作對象的內容或所在的單元地址，操作數在大多數情況下是地址碼，地址碼可以有0～3個。從地址碼得到的僅是數據所在的地址，可以是源操作數的存放地址，也可以是操作結果的存放地址。

一臺計算機的所有指令集合稱為該計算機的指令系統。不同類型的計算機，指令系統的指令條數有所不同。但無論哪種類型的計算機，指令系統都應具有以下功能的指令

：分類指令

操作碼

操作數

IfGoto……＋－×÷AndOr……CPU內存I/O設備主機對計算機的硬件進行管理等數據傳送指令數據處理指令程序控制指令輸入輸出指令其它指令指令系統2．計算機的工作原理計算機的工作過程實際上是快速執行指令的過程。計算機工作時，有兩種信息在執行指令的過程中流動：數據流和控制流。指令的執行過程分為以下4個步驟：（1）取指令，按照程序計數器中的地址（0100H），從內存儲器中取出指令（070270H），并送往指令寄存器。（2）分析指令，對指令寄存器中存放的指令（070270H）進行分析，由譯碼器對操作碼進行譯碼，將指令的操作碼轉換成相應的控制電位信號，由地址碼（0270H）確定操作數地址。（3）執行指令，由操作控制線路發出完成該操作所需的一系列控制信息，去完成該指令所要求的操作。例如做加法指令，取內存單元（0270H）的值和累加器的值相加，結果還是放在累加器中。（4）一條指令執行完畢，程序計數器加1或將轉移地址碼送入程序計數器，然后回到步驟（1）。一般把計算機完成一條指令所花費的時間稱為一個指令周期，指令周期越短，指令執行越快。通常所說的CPU主頻就反映了指令執行周期的長短。運行時，計算機從內存讀出一條指令到CPU內執行，指令執行完，再從內存讀出下一條指令到

CPU內執行。CPU不斷地取指令、分析指令、執行指令，這就是程序執行過程。3.3微型計算機概述

3.3.1微型計算機的類型單片機單板機臺式個人微機（臥式、立式）筆記本計算機液晶一體機平板計算機（掌上計算機）智能手機單片機

將微處理器、一定容量的存儲器以及I/O接口電路等集成在一個芯片上，就構成了單片機，也可以說，單片機就是具有計算機功能的集成電路芯片。單板機將微處理器、存儲器和I/O接口電路安裝在一塊印制電路板上，就成為單板機。一般在這塊電路板上還有簡易鍵盤、液晶或者數碼管顯示器，以及外存儲器接口等，只要再外加電源便可直接使用。單板機價格低廉且易于擴展，廣泛應用于工業控制、微機教學和實驗，或者作為計算機控制網絡的前端執行機。臺式個人微機（臥式、立式）

臺式個人微機又稱桌面機，它是相對于筆記本計算機而言的，體積較大，主機和顯示器等設備分離、相對獨立，并需要放置在專門的工作臺（計算機桌）上工作，因此命名為臺式機。液晶一體機

所謂一體機，就是把微機主要配件內置到特制的液晶顯示器中，省去了臺式微機機箱的累贅，使用時只需插上鍵盤和鼠標即可。筆記本計算機

筆記本計算機是一種小型、可攜帶的個人計算機，通常質量為1～3kg。筆記本計算機把特制的顯示器、主機、各種驅動器、鍵盤和鼠標等部件組裝在一起，體積只有手提包大小，并能使用鋰電池供電，可以像筆記本一樣隨身攜帶，是最流行的便攜式計算機平板計算機（掌上計算機）

平板計算機又稱便攜式計算機（TabletPersonalComputer，TabletPC），是一種小型、攜帶方便的個人計算機，以觸摸屏作為基本輸入設備。有時也叫掌上計算機（PersonalDigitalAssistant，PDA），即個人數字助手，它們都是一款無須翻蓋、沒有鍵盤、尺寸小但功能完整的PC。智能手機

智能手機是指像個人計算機一樣，具有獨立的操作系統、獨立的運行空間，可以由用戶自行安裝軟件、游戲、導航等第三方服務商提供的程序，并可以通過移動通信網絡來實現無線網絡接入的一類手機的總稱。由于微型計算機是一種“開放式”“積木式”的體系結構，各部件制造遵循一定的標準和規范，因此各廠家都可以按標準制造微機的各個部件，包括主板擴展槽內的可選插件（如內存、顯卡、USB設備等）。目前，常用的多媒體微機，如臺式計算機，基本配置有CPU、主板、內存、硬盤、聲卡、顯卡、網卡、鍵盤、鼠標、機箱、電源、揚聲器和顯示器等13個部件，現在很多主板上都集成了顯卡和網卡。3.3.2微型計算機的硬件組成3.4主機系統和外圍設備

主機系統主要由中央處理器、主板、主存儲器、總線及輸入/輸出接口組成。外圍設備主要由外存儲器（硬盤、光驅）、鍵盤、鼠標、掃描儀、顯示卡、顯示器、打印機等組成。3.4.1中央處理器中央處理器（CPU，CentralProcessingUnit）是一塊超大規模的集成電路，是一臺計算機的運算核心和控制核心。主要包括運算器（ALU，ArithmeticandLogicUnit）和控制器（CU，ControlUnit）兩大部件。此外，還包括若干個寄存器和高速緩沖存儲器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態的總線。CPU是整個微機硬件系統的核心，負責對信息和數據進行運算和處理，并實現本身運行過程的自動化。其作用相當于人的大腦，控制著整臺計算機的運行。1．CPU的功能（1）處理指令（2）執行操作（3）控制時間（4）處理數據2．CPU的性能指標（1）字長（2）CPU外頻（3）CPU主頻（4）CPU制造工藝（5）CPU緩存

CPU制造工藝又叫做CPU制程，它的先進與否決定了CPU的性能優劣。CPU的制造是一項極為復雜的過程，當今世上只有美國和日本等少數幾家廠商具備研發和生產CPU的能力。CPU制造工藝是指CPU核心中線路的寬度和制造晶體管圖形的尺寸，一般用微米（μm）或納米（nm）表示。從早期的0.13μm到0.022μm（22納米）制造工藝，以及目前廣泛應用的0.005μm（5納米）制造工藝，晶體管電路最大限度地縮小，集成度越來越高，能耗也越來越低，CPU更省電，為CPU的速度提升提供了有力保障。計算機界第一定律--摩爾定律：P26摩爾定律是由英特爾（Intel）創始人之一戈登·摩爾（GordonMoore）提出來的。其內容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18-24個月翻一倍以上。這一定律揭示了信息技術進步的速度。計算機界第二定律-梅特卡夫定律P27以計算機網絡先驅、3Com公司的創始人羅伯特·梅特卡夫的姓氏命名，以表彰他在以太網上的貢獻。其內容是：一個網絡的價值等于該網絡內的節點數的平方，而且該網絡的價值與聯網的用戶數的平方成正比。即網絡的價值V=K×N2；（K為價值系數，N為用戶數量。）聯網的用戶越多，網絡的價值越大3.4.2主板

主板安裝在機箱內，是微機最基本也是最重要的部件之一。主板一般為矩形電路板，是整個微機內部結構的基礎，為各種磁和光存儲設備、打印機和掃描儀、數碼相機等I/O設備提供接口；還為CPU、內存、顯示卡和其他各種功能卡提供安裝插槽。微機是通過主板將CPU等各種功能部件和外部設備有機地結合在一起而形成的一套完整的系統。主板組成1．CPU插座2．芯片組3．內存插槽4．PCI以及PCI-E擴展槽5．BIOS和CMOS6．SATA硬盤數據線接口7．外部輸入及輸出接口

芯片組（Chipset）是構成主板電路的核心。一定意義上講，它決定了主板的級別和檔次。它就是“南橋”和“北橋”的統稱，就是把以前復雜的電路和元件最大限度地集成在幾顆芯片內的芯片組，主板芯片組幾乎決定著主板的全部功能，其中CPU的類型、主板的系統總線頻率、內存類型、容量和性能、顯卡插槽規格是由芯片組中的北橋芯片決定的；而擴展槽的種類與數量、擴展接口的類型和數量（如USB3.0/2.0，IEEE1394，串口，并口，筆記本的VGA輸出接口）等，是由芯片組的南橋決定的。3.4.3存儲器

存儲器（Memory）是計算機系統中的記憶設備，用來存放程序和數據。計算機中全部信息，包括輸入的原始數據、計算機程序、中間運行結果和最終運行結果都保存在存儲器中，有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲器可分為主存儲器（內存）和輔助存儲器（外存）1．內存

內存是微機的重要部件之一。外部設備（硬盤、軟驅、光驅）將數據送給CPU的速度太慢（相對CPU的運算速度而言），為了解決CPU與外部設備速度不匹配的問題，在主板上設置了內存。外部設備先將數據送給內存，然后內存再將數據送給CPU，CPU再將運算結果回送給內存，內存再將數據送到外部設備存儲起來。內存包括RAM、ROM、Cache等。人們習慣將RAM直接稱為內存或內存條。（1）隨機存取存儲器RAM（RandomAccessMemory）

隨機存取存儲器RAM是計算機的主存，CPU對其既可讀出數據又可寫入數據。一旦關機斷電，RAM中的信息將全部消失。（2）只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory）

只讀存儲器ROM是一種內容只能讀出而不能寫入和修改的存儲器。CPU對ROM只取不存，ROM中存儲的信息一般由主板制造商寫入并固化處理，普通用戶是無法修改的，即使斷電，ROM中的信息也不會丟失。ROM一般存儲一些固定程序、數據和系統軟件等，如主板的BIOS程序（3）Cache（高速緩沖存儲器）

目前主流CPU都有一級、二級緩存和三級緩存，緩存容量越大，CPU運行速度越快。歷年來Intel都是通過二級緩存或三級緩存的大小來劃分產品線，比如賽揚、奔騰、酷睿1、酷睿2、酷睿3等等。2．外存（1）硬盤（HardDiskDrive簡稱HDD）。硬盤是電腦主要的存儲媒介之一，其主要作用是存放操作系統和其它程序以及電腦所有的資料。①機械式硬盤②固態硬盤③混合硬盤內部結構

機械式硬盤是集精密機械、微電子電路、電磁轉換為一體的存儲設備。它是由磁頭、盤片、馬達、以及控制電路板這四個主要的部分構成。其中盤片是一個或者多個鋁制的，上面覆蓋有非常小的鐵磁性顆粒材料的盤片組組成，磁性顆粒材料有正反兩極代表0與1，通過磁頭改變其磁極，就可以起到存儲數據的作用；通過磁頭在確定位置讀取其磁化編碼狀態，便可起到讀取數據的作用，由此實現了磁頭讀寫數據的功能。

硬盤在使用前，需要先分區然后進行格式化，將硬盤的磁盤盤片劃分為若干級別的存儲管理單位便于存儲管理，一般為記錄面（盤面）、磁道和扇區3級。其中，記錄面（盤面）是指一個磁盤片的上、下兩個面，都能記錄信息。磁道（Track）是指磁盤盤片上劃分的一系列同心圓環，一般有上千個磁道。由外向里編號，最外一個同心圓環為0磁道。所有記錄面上同一編號的磁道就構成了柱面（Cylinder），柱面數就等同于每個盤面上的磁道數。磁盤上的每個

磁道被分為若干個弧段，這些弧段便是磁盤的扇區，也稱存儲單元，一個扇區存儲容量為512字節。所以硬盤容量的計算機公式為：硬盤容量=柱面數（表示每面盤面上有幾條磁道，一般總數是1024）×磁頭數（表示盤面數）×扇區數（表示每條磁道有幾個扇區，一般總數是64）×每扇區字節數。①機械式硬盤②固態硬盤③混合硬盤

固態硬盤（SSD，SolidStateDrive）用固態電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，由控制單元和存儲單元（FLASH芯片、DRAM芯片）組成。

固態硬盤具有傳統機械硬盤不具備的快速讀寫、質量輕、能耗低以及體積小等特點，但是一旦硬件損壞，數據較難恢復。

隨著固態硬盤技術的發展，容量逐步增大，價格逐步降低，大有取代機械式硬盤的趨勢。①機械式硬盤②固態硬盤③混合硬盤

混合硬盤是一塊基于傳統機械硬盤誕生出來的新硬盤，除了機械硬盤必備的碟片、馬達、磁頭等等，還內置了NAND閃存顆粒，這顆顆粒將用戶經常訪問的數據進行儲存，可以達到如SSD（就是固態硬盤）效果的讀取性能。（2）光盤與光驅

光盤存儲器是一種用光學原理進行讀寫信息的裝置，由光盤和光盤驅動器（簡稱光驅）組成。光盤的基本存儲原理是：當帶有凹凸的一面向下對著激光頭，激光透過表面透明基片照射到凹凸面上，然后聚焦在反射層的凹進面和凸起面上，凸起面將激光按原路程反射回去，同時不會減弱光的強度；凹進面則將光線向四面發射出去。光驅就是靠光的反射和發散來識別數據的。“1”代表光強度由高到低或由低到高的變化，“0”代表持續一段時間連續不變的光強度。（3）閃存

閃存（FlashMemory）是一種長壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲的數據信息）的存儲器。（4）移動硬盤

移動硬盤(MobileHarddisk)是強調便攜性的硬盤存儲產品，適合用于計算機之間大容量數據的保存和交換。市場上絕大多數的移動硬盤都是以標準筆記本硬盤為基礎的，所以有機械式移動硬盤和固態移動硬盤兩種類型，而只有很少部分的是以微型硬盤(1.8英寸硬盤等)。3．PC機的存儲系統與層次結構

3.4.4I/O總線與I/O接口為了簡化硬件電路設計、簡化系統結構，常用一組線路，配置以適當的接口電路，與各部件和外圍設備連接，這組共用的連接線路稱為總線。采用總線結構便于部件和設備的擴充，尤其制定了統一的總線標準則容易使不同設備間實現互聯。總線（Bus）就是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，用于計算機各部件之間

的信息傳輸?？偩€是指將信息從一個或多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線，是計算機中傳輸數據的公共通道。而接口是由部件接入總線的硬件接頭與電路和軟件編程兩部分組成的。1．I/O總線

在計算機內部0和1比特流的二進制信號的傳輸是通過一條一條線路進行的，因信號量大、信號類型多，部件類型多、線路也多等因素，將一組連接各個部件的線路組織起來形成公共通信線稱為總線。地址總線

傳送地址信息的信號線，一般為單向傳送。地址總線的數目決定了直接尋址的范圍，例如10根地址線的尋址能力是210B=1KB，而32根地址線的尋址能力是232B=4GB。I/O總線通信總線

傳送控制信息的信號線，一般是雙向傳送，用于實現命令或狀態傳送、中斷請求以及提供系統使用的時鐘和復位信號。數據總線

傳送數據和指令代碼的信號線，一般是雙向傳送。流行的總線技術（1）PCI總線（2）USB總線（3）PCIExpress串行總線PC