第三章 计算机硬件体系结构3.1 计算机系统的构成一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中：中央处理器(简称 CPU)=运算器+控制器主机=中央处理器+主存储器软件是指各类程序和数据，计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。3.1.2 冯诺依曼型计算机的结构 冯诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储器中，在执行时将程序和数据先从外存装入内存中，然后使计算机在工作时自动地从内存中取出指令并加以执行，这就是存储程序概念的基本原理。 冯诺依曼计算机体系结构的主要特点是：(1) 采用二进制形式表示程序和数据。 (2) 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成 。(3) 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。 (4) 控制器根据存放在存储器中的指令 (程序) 工作。3.1.3 微型计算机的诞生与发展微型机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机。微机的核心部件是 CPU 3.2 微型计算机主机结构微型机基本是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有 CPU、主板、内存、硬盘、光驱、电源等。3.2.1 中央处理器 CPUCPU：运算器部件、寄存器部件和控制器部件。CPU 从存储器取出指令，放入 CPU 内部的指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。CPU 的主要性能指标 ：(1) 主频/外频（主频=外频倍频，即 CPU 工作频率）(2) 数据总线宽度（即字长，指 CPU 传输数据的位数）(3) 地址总线宽度（决定了 CPU 可访问的地址空间）(4) 工作电压（低电压可减少 CPU 过热，降低功耗）(5) 高速缓存 Cache（加速 CPU 与其它设备间数据交换）(6) 运算速度（CPU 每秒能处理的指令数）1. 运算器 运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是:(1) 运算逻辑部件 (2) 寄存器部件2. 控制器控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。控制器主要由以下部件组成： 程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址； 指令寄存器。保存现在正在执行的指令； 指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求； 时序部件。产生计算机工作中所需的各种定时控制信号，对各种微操作控制信号进行定时控制。以协调各部件的工作顺序； 微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列不可再分的微操作命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。3.2.2 高级 CPU 技术1、超线程技术2、双核心 CPU 技术 ：由于组建双 CPU 系统的高成本和复杂性，桌面电脑上并未得到普及。用“双核”技术，就是在单个 CPU 中真正集成两个物理运行核心，因此在实际使用中，这种“双核心处理器”和使用两个独立 CPU 组建的系统在工作原理和性能上基本没有区别。目前，CPU 已从双核向 4 核、8 核和多核方向发展。 3.2.3 主板 主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供 CPU、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的 I/O 接口连接到计算机上。早期的 PC 机主板是将快速的 CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。3.2.4 内存储器 内存储器 (简称内存)，由半导体材料构成。内存分为只读存储器和随机读写存储器。 1. 只读存储器 ROM 特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。 ROM 分类(1) 掩膜式 ROM(Mask ROM)(2) 可编程 PROM(Programmable ROM)(3) 可擦除 EPROM (Erasable PROM)(4) 电可擦 EEPROM(Electrically EPROM)(5) 快擦写 ROM(Flash ROM)2. 随机存储器 RAM 特点：用于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失。RAM 分类: (1) SRAM：静态 RAM。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般做高速缓冲存储器。(2) DRAM：动态 RAM。需要定时充电来保持数据的完整性，通常所说的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型： SDRAM-同步动态存储器 DDR-双倍速率内存(DDR2-四倍速率内存DDR3)3. Cache(高速缓存 )Cache 是一种高速缓冲存储器，是为了解决 CPU 与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内 Cache 是集成在 CPU 芯片中，片外 Cache 是安插在主板上。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级，大体与 CPU 的处理速度相当。 4.多级缓存 最早的 CPU 缓存容量很低。当集成在 CPU 内核中的缓存已不能满足 CPU 的需求，而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量时，出现了集成在与 CPU 同一块主板上的缓存，此时把 CPU 内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二级缓存。现在多数 CPU 内部也有二级缓存，于是二级缓存又可分为内部二级缓存和外部二级缓存。较高端的 CPU 中还会带有三级缓存 。 6. 存储器的层次结构 既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求合理，在目前技术条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。3.2.5 总线扩展槽（Expansion slot）是主板上用于固定扩展卡并将其连接到 系统总线上的插槽，也叫扩展插槽、扩充插槽。扩展槽是一种添加或增强电脑特性及功能的方法。例如，不满意主板整合显卡的性能，可以添加独立显卡以增强显示性能；不满意板载声卡的音质，可以添加独立声卡以增强音效；不支持 USB2.0 或IEEE1394 的主板可以通过添加相应的 USB2.0 扩展卡或 IEEE1394 扩展卡以获得该功能等等。总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。 地址总线。传输的是地址信号，一般是单向传输。当 CPU 需要访问某个外设时，它向地址总线发出相应外设的地址信号，以选择某个外设。 数据总线。传输的是数据，一般是双向传输。CPU 进行“读”时，数据由外设流向 CPU，当 CPU 进行“写”时，数据由 CPU 流向外设。 控制总线。有的是 CPU 向内存或外部设备发出的信号；有的是内存或外部设备向 CPU 发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的。总线按处于计算机硬件系统中的位置来分： 片内总线(又称内部总线)。是指 CPU 芯片内部的总线。 片间总线(又称局部总线)。是主板上各外围芯片与 CPU 之间的总线，用于芯片一级互连。 系统总线(又称输入/输出总线)。是微机中各插件板与系统主板之间的总线，用于插件板一级的互连。 外部总线(又称通信总线)。是微机和外部中低速外部设备之间或外设与主机连接的总线。系统总线标准 系统总线标准大致可分为 ISA 总线、PCI 总线、PCI Express 三个阶段。 ISA 总线。是最早的 8 位系统总线。后来扩展到 16 位。ISA 是现代个人计算机的基础。 PCI 总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。 AGP 总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。 PCI Express 总线。是新一代的总线接口。外部总线标准常见的 I/O 总线： USB 总线属高速串行接口总线。该总线最多可连接 127 个设备，支持热拔插，支持即插即用，所以 USB接口已经成为许多外设的标准接口。USB 有两个规范，即 USB1.1 和 USB2.0。 IEEE1394 总线属高速串行接口总线，主要用于连接 DV 产品。3.2.6 接口I/O 接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由 I/O 接口电路、连接器(一般为连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。根据 I/O 接口是否内嵌在主板中，可将 I/O 接口分为内置 I/O 接口和外置 I/O 接口两类。(1) 内置 I/O 接口将 I/O 接口电路内嵌在主板中，由主板提供外设接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、USB 接口、串口、并口及软硬盘接口等。 (2) 外置 I/O 接口将 I/O 接口集成到一块独立的电路板(接口卡)上，接口卡必须插在总线扩展插槽上(如 PCI、PCI Express 插槽等) 。3.3 外部存储器外部存储器通常用来存放需要长期保存的各种程序和数据。当需要执行或处理这些程序和数据时，必须将其先调入到内存中然后再被 CPU 处理， 所以外存实际上属于输入输出设备。 目前微机常用的外存储器主要有软盘、硬盘、光盘、 U 盘等。 3.3.2 硬盘硬盘是微机最重要的外部存储器，常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件，以及存储大量数据。(1) 硬盘存储格式硬盘是由多个涂有磁性物质的金属圆盘盘片组成，盘片的每一面都有一个读写磁头，在对硬盘进行格式化时，将对盘片进行划分磁道和扇区，对于大容量的硬盘还将多个扇区组织起来成为一个块“簇” ，簇成为磁盘读写的基本单位。有的簇是一个扇区，有的有好几个扇区，可以在格式化的参数中给定。(2) 硬盘性能指标 硬盘的容量。现在微机上所配置的硬盘一般在 200GB 以上。 硬盘的转速。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快。现在的主流硬盘转速一般为 7200rpm 以上。 缓存。硬盘自带的缓存，缓存越多，越能提高硬盘的访问速度。 (3) 硬盘接口硬盘接口分为 IDE、SATA、SCSI 和光纤通道四种，IDE 接口硬盘多用于家用产品中，SATA是种新生的硬盘接口类型。(4) 硬盘格式化 硬盘低级格式化。主要是对一个新硬盘划分磁道和扇区。 硬盘分区。把硬盘划分为成若干个相对独立的逻辑分区 。 硬盘高级格式化。高级格式化主要是对指定的硬盘分区进行初始化，建立文件分配表以便系统按指定格式存储文件。 。3.3.3 光盘存储器光盘简称 CD(Compact Disc)是利用塑料盘片表面凹凸不平的特征，通过光的反射来记录和识别二进制的 0、1 信息。光盘的分类: 1只读型光盘 只读光盘中的数据是在制作时写入的，用户只能读数据，而不能写入或修改光盘中的数据。音频光盘 CD-DA、数据光盘 CD-ROM、 VCD、DVD 等都属于只读光盘。 2一次写入光盘这种光盘允许一次写入数据，但不能修改和擦除数据， 如 CD-R。3可擦写光盘这种光盘可多次写入或修改数据，如 CD-RW。从光盘中读取数据的设备我们称之为光驱。光驱把经过聚焦后的激光投射到光盘上，利用光盘的凹坑或非凹坑边缘反射的激光强度不同而将其表示为不同的电信号。 光驱倍数是指光盘的数据传输率（150KB/s 为单倍，以此类推） 。CD-ROM 光盘驱动器能读除 DVD 以外的所有光盘。而 DVD 光盘要用 DVD 驱动器才能读，DVD 驱动器兼容 CD-ROM 所能读的光盘。DVD 光盘DVD 盘片的物理规格与 CD 盘片是一样的，CD 盘只使用一个面记录一层的信息，而 DVD 盘可分为单面单层、单面双层、双面单层以及双面双层 4 种结构。DVD 按用途可分为以下几类：应用最广的是 DVD-Video 格式，用于存储影音信息。此外还有 DVD-ROM(只读 DVD)、 DVD-Audio(音频DVD)、 DVDR(可写 DVD)、 DVD-RAM 或 DVDRW (可擦写 DV