第2章計算機組成原理1計算機的組成計算機系統(tǒng)軟件：是指在計算機中運行的各種程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)的文檔硬件：計算機系統(tǒng)中所有實際物理裝置的總稱向計算機硬件指出應(yīng)如何一步步的進行規(guī)定的操作程序處理的對象軟件設(shè)計報告、操作說明和相關(guān)技術(shù)資料2計算機硬件的組成

運算器控制器中央處理器(CPU)主機計算機硬件外設(shè)內(nèi)存儲器總線輸入/輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）外存儲器寄存器組3計算機硬件的邏輯結(jié)構(gòu)中央處理器(運算器及其控制)外存儲器內(nèi)存儲器輸出設(shè)備總線(bus)輸入設(shè)備I/O接口I/O接口外存儲器接口控制器控制器控制器CPU控制器memorystorageI/O設(shè)備通過I/O接口與各自的控制器連接，然后由控制器與I/O總線相連4中央處理器(CPU)處理器

能高速地進行算術(shù)運算和邏輯運算，負責(zé)對輸入信息進行各種處理中央處理器(CPU)

包含運算器和控制器。承擔(dān)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運行任務(wù)的處理，是任何一臺計算機必不可少的核心組成部件。（一臺計算機中有多個處理器,它們各有其不同的任務(wù)）5中央處理器(CPU)并行處理和多處理器系統(tǒng) 使用多個CPU（2，4，8或更多）實現(xiàn)超高速計算的技術(shù)稱為“并行處理”，采用這種技術(shù)的計算機系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。6內(nèi)存儲器和外存儲器存儲器

存儲程序和數(shù)據(jù)(包括原始數(shù)據(jù)、中間運算結(jié)果與最終結(jié)果等)的部件。存儲器類別與特性內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存或主存)存取速度快、容量相對小，價格相對高直接與CPU相連接（CPU可直接訪問）易失性，用于存放已經(jīng)啟動運行的程序和需要立即處理的數(shù)據(jù)以及產(chǎn)生的結(jié)果。存儲介質(zhì)：半導(dǎo)體芯片7內(nèi)存儲器和外存儲器外存儲器(簡稱外存或輔存)存取速度慢、容量相對大，價格相對低不直接與CPU相連接（CPU不能直接訪問，其中存儲的程序及相關(guān)的數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存，才能被CPU使用）非易失性，用于長期存放各類信息存儲介質(zhì)：磁盤、光盤、磁帶等8總線總線（bus)是用于在CPU、內(nèi)存、外存和各種輸入輸出設(shè)備之間傳輸并協(xié)調(diào)它們工作的一種部件（含傳輸線和控制電路）其主要組成部分是用于在各部件間運載信息的一組（或多組）公用的傳輸線。CPU總線（前端總線）：連接CPU和內(nèi)存I/O總線：連接內(nèi)存和I/O設(shè)備（包括外存）9計算機的分類按內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分為單處理機、多處理機(并行機)

按字長分為16位機、32位機或64位計算機等按計算機的性能、用途和價格分為巨型計算機（Supercomputer）大型計算機（Mainframe）小型計算機（Minicomputer）個人計算機（PersonalComputer）10微處理器和嵌入式計算機微處理器

簡稱μP或MP，通常指使用單片大規(guī)模集成電路制成的、具有運算和控制功能的處理器單片機或嵌入式計算機是一種把微處理器、存儲器、輸入／輸出接口電路等都集成在單塊芯片上的大規(guī)模集成電路芯片。例如：控制辦公室的溫度和濕度，檢測病人的心率和血壓，控制微波爐的溫度和工作時間，播放MP3音樂。軟件一般固化在芯片上，功能和用途一般就不能輕易改變了。大多滿足實時信息處理、最小化存儲容量、最小化功耗、適應(yīng)惡劣工作環(huán)境等要求。112.2CPU的結(jié)構(gòu)與原理主要內(nèi)容： CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 指令和指令系統(tǒng)的基本概念 指令執(zhí)行過程

CPU的性能12CPU與內(nèi)存的關(guān)系寄存器組運算器控制器指令數(shù)據(jù)運算結(jié)果

中央處理器控制信號內(nèi)存儲器控制信號13CPU內(nèi)部的組成寄存器組速度很快，臨時存放參加運算的數(shù)據(jù)和得到的中間（或最后）結(jié)果運算器（執(zhí)行單元）ALU

對數(shù)據(jù)進行各種算術(shù)運算和邏輯運算，控制器

CPU的指揮中心，它有一個指令計數(shù)器，用來存放CPU正在執(zhí)行的指令的地址，CPU將按照該地址從內(nèi)存讀取所要執(zhí)行的指令；它還有一個指令寄存器，用來保存當前正在執(zhí)行的指令，通過譯碼器解釋該指令的含義，控制運算器的操作，記錄CPU的內(nèi)部狀態(tài)等。142.2.2指令與指令系統(tǒng)15指令使用計算機完成某個任務(wù)必須運行相應(yīng)的程序在計算機內(nèi)部，程序是由一連串指令組成的，指令是構(gòu)成程序的基本單位。指令采用二進制表示，它用來規(guī)定計算機執(zhí)行什么操作以及操作對象所在的位置。16操作碼操作數(shù)機器指令格式：指令組成部分操作碼表示計算機應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個二進制代碼操作數(shù)地址表示該指令所操作（處理）的數(shù)據(jù)（直接數(shù)）或數(shù)據(jù)所在存儲單元的地址

17指令系統(tǒng)兼容由于每種類型的CPU都有自己的指令系統(tǒng)，因此，某一類計算機的可執(zhí)行程序代碼未必能在其他計算機上運行，這個問題稱之為計算機的“兼容性”問題。同一公司的ＣＰＵ產(chǎn)品通?！跋蛳录嫒荨薄滦吞柕奶幚砥髟谂f型號處理器指令系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行擴充。不同公司生產(chǎn)的CPU各有自己的指令系統(tǒng)，它們未必互相兼容。Pentium與PowerPC不兼容與AMD或Cyrix公司的微處理器兼容18CPU的性能指標字長（位數(shù)）指的是CPU中定點運算器的寬度（即一次能同時進行二進制整數(shù)運算的位數(shù)）。主頻（CPU時鐘頻率）指CPU中電子線路的工作頻率，它決定著CPU芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸與操作速度的快慢。主頻越高，執(zhí)行一條指令需要的時間就越少，CPU的處理速度就越快。19CPU的性能指標CPU總線速度CPU總線的工作頻率和數(shù)據(jù)線寬度決定著CPU與內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)的速度快慢，總線速度快，CPU訪問內(nèi)存的時間也可相應(yīng)加快高速緩存（cache）的容量與結(jié)構(gòu)它是介于高速CPU和相對低速的主存之間的存儲器。程序運行過程中高速緩存有利于減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)。Cache容量越大、級數(shù)越多，命中率就越高，CPU運行速度就越快。20CPU的性能指標指令系統(tǒng)指令的類型和數(shù)目、指令的功能等都會影響程序的執(zhí)行速度邏輯結(jié)構(gòu)CPU包含的定點運算器和浮點運算器數(shù)目、是否具有數(shù)字信號處理功能、有無指令預(yù)測和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)測功能、流水線結(jié)構(gòu)和級數(shù)等都對指令執(zhí)行的速度有影響。21PC機物理結(jié)構(gòu)PC機的物理組成機箱、顯示器、鍵盤、鼠標器等機箱內(nèi)包含主板、硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、 電源、風(fēng)扇等主板上安裝CPU、芯片組、內(nèi)存條、 總線插槽、I/O控制器、

I/O端口、擴充卡等部件臺式機22存儲器插座處理器

I/O接口軟驅(qū)及IDE硬盤連接器電源連接器PCI總線槽CPU插座顯示卡的AGP插槽芯片組1芯片組2ROMBIOSCMOS存儲器PC機的主板23CPU插座內(nèi)存條插座

軟驅(qū)、硬盤IDE連接器電源連接器PCI總線插槽華碩P4T主板實物照片

芯片組

I/O端口24芯片組（Chipset）Intel865P芯片組邏輯結(jié)構(gòu)Pentium4CPU前端總線(400/533MHz)82865PMCHAGP8X/4X圖形卡接口雙通道82801EICH5USB2.0接口(x8)以太網(wǎng)接口PCI2.2插槽(≤6個)(3.2~4.3GB/s)(2.1GB/s)FlashBIOSUltraATA/100硬盤接口(x2)(100MB/s)音頻Codec(133MB/s)(2.1GB/s～2.7GB/s)(2.1GB/s～2.7GB/s)

(32b,66MHz×8)

(8b,66MHz×4)(267MB/s)

(32b,33MHz)(10或100Mb/s)SuperI/O鍵盤,鼠標軟驅(qū),并口串口等電話ModemDDRDDRDDRDDR千兆以太網(wǎng)接口(266MB/s)電源管理、時鐘生成25BIOS——BIOSROM芯片

（只讀存儲器芯片）BIOS（BasicInput/OutputSystem） 基本輸入/輸出系統(tǒng)，是操作系統(tǒng)的最底層部分的可執(zhí)行程序代碼。BIOS存放在只讀存儲器芯片（ROM）中，一般稱為BIOS芯片。BIOS主要包含4部分的程序,一般情況下是不能被修改的POST(PowerOnSelfTest，加電自檢)程序（檢測計算機故障）系統(tǒng)自舉（裝入）程序（啟動計算機）CMOS設(shè)置程序基本外圍設(shè)備的驅(qū)動程序（實現(xiàn)常用外部設(shè)備輸入輸出操作的控制程序）26CMOS芯片

（互補金屬氧化物半導(dǎo)體存儲器）

存放用戶對計算機硬件所設(shè)置的一些參數(shù)（稱為“配置信息”），包括當前的日期和時間等。CMOS是一種半導(dǎo)體存儲器芯片，使用電池供電，成為非易失性存儲器，只要電池供電正常，即使計算機關(guān)機后它也不會丟失所存儲的信息以及時鐘停走。27計算機存儲器體系結(jié)構(gòu)cache存儲器主存儲器(RAM和ROM)外存儲器（軟盤、硬盤、光盤）后備存儲器（磁帶）內(nèi)存儲器外存儲器寄存器典型容量<1KB幾個MB幾個GB100GB-1TB10TB-100TB典型存取時間1ns2ns10ns10ms10s28半導(dǎo)體存儲器芯片的類別半導(dǎo)體存儲器只讀存儲器ROM隨機存取存儲器RAM靜態(tài)隨機存儲器SRAM（高速）動態(tài)隨機存儲器DRAM（低速）不可在線改寫內(nèi)容的ROM快擦除存儲器（FlashROM）（用于Cache）

（用于主存儲器）（BIOS存儲器）29DDRSDRAM內(nèi)存條模塊SDRAM內(nèi)存條模塊內(nèi)存儲器30將輸入設(shè)備輸入的信息送入主存儲器的指定區(qū)域，或者將主存儲器指定區(qū)域的內(nèi)容送出到輸出設(shè)備特點：多數(shù)I/O設(shè)備在操作過程中包含機械動作，其工作速度比CPU慢得多。為了提高系統(tǒng)的效率，I/O操作與CPU的數(shù)據(jù)處理操作往往是并行進行的多個I/O設(shè)備必須能同時進行工作除了鍵盤、顯示器、鼠標器等基本的I/O設(shè)備之外，不同計算機所配置的I/O設(shè)備數(shù)量、品種和性能差別很大，且經(jīng)常需要增減和更新I/O設(shè)備的種類繁多，性能各異，操作控制的復(fù)雜程度相差很大，與計算機主機的連接也各不相同I/O操作31I/O控制器有些設(shè)備（鍵盤、鼠標、打印機等）的I/O控制器比較簡單，已經(jīng)集成在主板上的芯片內(nèi)有些設(shè)備（音頻、視頻設(shè)備等）的I/O控制器比較復(fù)雜，就做成擴充卡（適配卡或控制卡），插在主板的PCI擴充槽內(nèi)。32I/O總線總線（bus）計算機各部件之間傳輸信息的一組公用的信號線。

I/O總線上的信號類別數(shù)據(jù)信號、地址信號、控制信號I/O總線上線路類別

數(shù)據(jù)線、地址線、控制線總線控制器位于主板的芯片組中，協(xié)調(diào)與管理I/O總線操作I/O總線的帶寬（總線的數(shù)據(jù)傳輸速率）單位時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量(字節(jié)數(shù))33I/O接口I/O設(shè)備與主機之間必須通過連接器（接插件或插頭/插座）實現(xiàn)互連。主機上用于連接I/O設(shè)備的各種插頭/插座，統(tǒng)稱為I/O接口。34I/O接口分類從數(shù)據(jù)傳輸方式來分串行（一次只傳輸1位）：COM1,COM2并行（8位或者16位、32位一起進行傳輸）：LTP1從數(shù)據(jù)傳輸速率來分高速低速35I/O接口分類從是否能連接多個設(shè)備來分總線式（可連接多個設(shè)備，被多個設(shè)備共享，例如，USB接口）獨占式（只能連接1個設(shè)備）從是否符合標準來分標準接口（通用接口,例如USB）專用接口（專用接口例如VIDEO視頻口)36視頻口麥克風(fēng)音箱鍵盤接口并行口USB網(wǎng)絡(luò)接口串行口鼠標接口串行口9針并行口視頻口鍵盤接口網(wǎng)絡(luò)接口PS/2接口鍵盤/鼠標串行口25針37名稱數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸速率標準插頭/插座形式可連接的設(shè)備數(shù)目通常連接的設(shè)備串行口串行,雙向50～19200B/sRS-232E或RS-422DB25F或DB9F1鼠標器，MODEM并行口(增強式)并行,雙向1.5MB/sIEEE1284DB25M1打印機，掃描儀USB（1.1）串行,雙向0.1875MB/s或1.5MB/sUSBA最多127鼠標器，數(shù)碼相機，移動盤，掃描儀等USB（2.0）串行,雙向60MB/sUSBA最多127外接硬盤，數(shù)字視頻設(shè)備等高速設(shè)備FireWire(i.Link)串行,雙向12.5,25,50MB/s最高400MB/sIEEE1394

最多63數(shù)字視頻設(shè)備SCSI并行,雙向5,10,20,40,80或160MB/sSCSI-2SCSI-3UltraSCSIC50F最多7或15硬盤，掃描儀，光驅(qū)，磁帶機顯示器輸出接口并行,單向200～500MB/sVGAHDB151顯示器PS/2接口串行,單向低速IBM

1鍵盤或鼠標器鍵盤接口串行,單向低速

1鍵盤紅外線接口(IrDA)串行,雙向115000b/s或4Mb/s紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會不需要1鍵盤，鼠標器，打印機等38USB接口UniversalSerialBus通用串行總線式接口特點：高速、可連接多個設(shè)備、串行傳輸傳輸速率USB的1.1版：1.5Mb/s和12Mb/sUSB2.0版：高達480Mb/s（60MB/s）使用4線連接器，體積小，符合即插即用規(guī)范（Plug&Play,即PnP）使用“USB集線器”擴展機器的USB接口，最多連接127個設(shè)備可通過USB接口由主機向外設(shè)提供電源（＋5V，100～500mA）支持熱拔插39IEEE-1394接口 簡稱1394，又稱i.Link或FireWire

串行接口

主要用于連接需要高速傳輸大量數(shù)據(jù)的音頻和視頻設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸速度特別快（高達400MB/s），連接器共有6線，采用級聯(lián)方式連接外部設(shè)備，在一個接口上最多可以連接63個設(shè)備，設(shè)備間以菊花鏈方式進行轉(zhuǎn)接。402.4常用輸入設(shè)備主要內(nèi)容:鍵盤、鼠標、筆輸入設(shè)備、掃描儀、數(shù)碼相機412.4.1鍵盤（Keyboard）42鍵盤鍵的組成與分布：小鍵盤光標控制鍵功能鍵打字鍵盤432.4.2鼠標器（Mouse）44鼠標器作用：一種指示設(shè)備（pointingdevice）,能方便地控制屏幕上的鼠標箭頭準確地定位在指定的位置處，并通過按鈕完成各種操作或發(fā)出命令。組成：左鍵、右鍵、滾輪等普通鼠標指點桿觸摸板軌跡球操縱桿45鼠標器滾輪按鍵傳動球機械式鼠標內(nèi)部結(jié)構(gòu)鼠標工作原理：利用自身的移動，把移動距離及方向的信息變成脈沖送給計算機，再由計算機把脈沖轉(zhuǎn)換成鼠標光標的坐標數(shù)據(jù)，從而達到 指示位置的目的。分類（根據(jù)鼠 標測量位移部 件的類型）：機械式光機式光電式46鼠標器性能參數(shù)分辨率：鼠標器最主要的技術(shù)指標，用dpi（dotperinch）表示，指鼠標每移動一英寸距離光標在屏幕上所通過的像素的數(shù)目。目前多為：300—400dpi現(xiàn)可達：600-800dpi軌跡速度：反映鼠標的移動靈敏度，以達到600mm/sec以上為佳分類（按結(jié)構(gòu)）機械式鼠標：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但準確性和靈敏度較差光機式鼠標：結(jié)合使用了機械及光電原理，精度較高，價格較便宜，需要在平整表面（如鼠標墊）上操作光電式鼠標：速度快，精度較高，分辨率達800dpi，不需鼠標墊47鼠標器連接到主機的接口：PS/2接口（6針圓形）USB接口無線鼠標無線鼠標（紅外線，無線電射頻）482.4.4掃描儀49掃描儀作用將圖片（照片）或文字輸入計算機的一種輸入設(shè)備。50掃描儀分類（按結(jié)構(gòu)）手持式掃描儀操作人員手執(zhí)掃描儀在被掃描的圖件上移動。其掃描頭較窄，只適用于掃描較小的圖件。平板式掃描儀主要掃描反射式稿件，它的適用范圍較廣。其掃描速度、精度、質(zhì)量比較好。膠片專用和滾筒式高分辨率的專業(yè)掃描儀，在光源、色彩捕捉等方面均具有較高的技術(shù)性能，多用于專業(yè)印刷排版領(lǐng)域。51掃描儀性能指標分辨率（dpi）

反映了掃描儀掃描圖像的清晰程度，用每英寸生成的像素數(shù)目（dpi）來表示。例如，1600*3200dpi。色彩位數(shù)（色彩深度）反映了掃描儀對圖像色彩的辨析能力，色彩位數(shù)越多，掃描儀所能反映的色彩就越豐富，掃描的圖象效果也越真實。例如，24bit，32bit，36bit，42bit，48bit。掃描幅面指被掃描圖件容許的最大尺寸。例如，A4,A3。52掃描儀與主機的接口USBIEEE1394(Firewrie)532.4.5數(shù)碼相機（數(shù)字相機）54數(shù)碼相機作用圖像輸入設(shè)備。不需要膠卷和暗房，能直接將數(shù)字形式的照片輸入電腦進行處理，或通過打印機打印出來，或與電視機連接進行觀看。55數(shù)碼相機主要性能指標CCD像素個數(shù)決定照片圖像能達到的最高分辨率。例如，照片分辨率達1600?1200時，共有192000個像素（200萬像素），這種數(shù)碼相機能滿足一般應(yīng)用要求存儲器的容量保存CCD成像并轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字圖像,存儲在數(shù)碼相機的存儲器中。存儲器大多采用快擦除存儲器。56數(shù)碼相機與主機的接口數(shù)字接口USB（連接計算機）模擬視頻信號輸出（連接接電視機）成像芯片目前多采用CCD器件200-300萬像素以下多采用CMOS成像芯片572.5常用輸出設(shè)備主要內(nèi)容:顯示器、打印機、繪圖儀、582.5.1顯示器59監(jiān)視器（俗稱顯示器）常見類型陰極射線管顯示器（簡稱：CRT）液晶顯示器（簡稱：LCD）CRT顯示器液晶顯示器LCD60顯示器主要性能指標顯示屏的尺寸對角線的長度。例如，15吋，17吋，21吋屏幕橫向與縱向的比例，一般為4∶3;16:9顯示器的分辨率整屏可顯示的像素的個數(shù)，分辨率越高,圖像越清晰一般用“水平像素個數(shù)*垂直像素個數(shù)”表示例如,1024*1024,1024*768,800*600,640*48061顯示控制器又稱顯示卡，顯示適配卡622.5.2打印機63打印機作用

一種主要輸出設(shè)備，能把程序、數(shù)據(jù)、字符、圖形打印在紙上。分類 針式打印機 激光打印機

噴墨打印機64打印精度(dpi每英寸像素點數(shù)) 300-1000dpi打印速度（ppm

每分鐘打印頁數(shù)） 例如，12ppm色彩數(shù)目 黑白、彩色與主機接口 并行口，

USB打印機的主要性能指標652.6外存儲器主要內(nèi)容： 硬盤存儲器 光盤存儲器662.6.1硬盤存儲器67硬盤存儲器硬盤驅(qū)動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)移動臂控制電路主軸磁盤盤片磁頭68硬盤存儲器硬盤信息記錄模式（同軟盤）與存儲容量 信息記錄模式同軟盤：一個硬盤驅(qū)動器中包含多張盤片每個盤片有兩個記錄面（兩個磁頭）每個記錄面有若干磁道每個磁道有若干扇區(qū)每個扇區(qū)存儲512字節(jié)的二進制數(shù)據(jù)柱面cylinder：所有記錄面中半徑相 同的所有磁道柱面磁道存貯容量=磁頭數(shù)(記錄面)*柱面數(shù)(磁道)*扇區(qū)數(shù)(區(qū))*512字節(jié)69信息的平均存取時間磁盤上的信息以扇區(qū)為單位進行讀寫，平均存取時間為：

T=尋道時間+旋轉(zhuǎn)等待時間+數(shù)據(jù)傳輸時間尋道時間——磁頭尋找到指定磁道所需時間(大約5ms)旋轉(zhuǎn)等待時間——指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所需要的時間(大約4～6ms)(轉(zhuǎn)速：

4200/5400/7200/10000rpm)數(shù)據(jù)傳輸時間——(大約0.01ms/扇區(qū))磁頭磁道旋轉(zhuǎn)軸碟片70硬盤存儲器的性能指標（1）容量：以GB為單位，目前硬盤單碟容量約為40～100GB（2）平均存取時間：在幾ms～幾十ms之間，由硬盤的旋轉(zhuǎn)速度、磁頭尋道時間和數(shù)據(jù)傳輸速率所決定（3）緩存容量：原則上越大越好，通常為2MB～8MB（4）數(shù)據(jù)傳輸速率外部傳輸速率指主機從（向）硬盤緩存讀出（寫入）數(shù)據(jù)的速度，與采用的接口類型有關(guān)內(nèi)部傳輸速率指硬盤在盤片上讀寫數(shù)據(jù)的速度，轉(zhuǎn)速越高內(nèi)部傳輸速率越快71硬盤存儲器（5）與主機的接口：

IDE接口（IntegratedDriveElectronics）(ATA)前些年使用：并行ATA接口（UATA）：100MB/S,133MB/S當前流行：串行ATA接口(SATA)：150MB/S-300MB/S72使用硬盤應(yīng)注意