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计算机硬件知识整理
第二章计算机组成原理
一.
计算机的发展（4代）
代别
年代
使用的元器件
使用的软件类型
主要应用领域
第1
代
1940’s中期
CPU：
电子管
使用机器语言和汇编语言编写程
科学和工程计算
～1950’s末期
内存：
磁鼓
序
第2
代
1950’s中、后期
CPU：
晶体管
使用FORTRAN等高级程序设计
开始广泛应用于数据处理领
～1960’s中期
内存：
磁芯
语言
域
第3
代
1960’s中期
CPU：
SSI，MSI
操作系统、数据库管理系统等开始
在科学计算、数据处理、工
～1970’s初期
内存：
SSI，MSI的半导体存储器
使用
业控制等领域得到广泛应用
第4
代
1970’s中期以来
CPU：
LSI、VLSI
软件开发工具和平台、分布式计
各行各业，家庭和个人开始
内存：
LSI、VLSI的半导体存储器
算、网络软件等开始广泛使用
使用计算机（如PC机）
（一）
“代”的划分是以计算机的主机所使用的元器件为依据
（二）1946年，世界上第一台电子数字计算机——“埃尼阿克”（ENIAC）
（三）计算机能力：
处理数值、图像和声音等数据；数据的计算、分析和推理；极大的信息存储能力；与其它计
算机方便迅速交换信息；
（四）计算机应用模式发展阶段：
集中计算模式、分散计算模式、网络计算模式（目前）
（五）计算机积极作用：
增添新手段、提供新工具、引起新变化
（六）计算机信息处理优点：
1.能够储存大量信息，可按照程序自动高速进行计算
2.能处理数值数据以及图像和声音等非数值数据
3.数据计算（处理）、分析推理
4.极大的信息存储能力
5.方便迅速与其它计算机交换信息
二.计算机的组成
（一）组成：
硬件（物理装置的总称）与软件（程序+数据+文档）
（二）硬件有：
1.五大部件：
中央处理器CPU、内存储器、外存储器、I/O设备、总线
1）输入设备（Input）：
A.将信息送入计算机的设备
B.例如：
键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风和传感器等
2）中央处理器CPU：
A.组成：
运算器、控制器、寄存器
B.计算机中有多个处理器，其中用于承担系统软件和应用软件运行的处理器称为CPU
C.意义：
计算机必不可少的核心组成部件
D.大多数计算机只包含一个CPU
E.多处理器系统：
包含了多个中央处理器的计算机系统
F.并行处理：
使用多个（≥2）CPU实现超高速计算机的技术
3）存储器＝内存＋外存（
内、外存储器划分：
是否直接与
CPU相连，是否可以长期存放信息。
详
见下表）
外存储器
内存储器
简称
外存或辅存
内存或主存
存取速度
慢
快
成本
低
高
1
存储容量
很大
相对较小
性质
断电后信息保持
断电后信息消失
与CPU直接连接
否
是
工作方式
计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据
CPU（指令）对内存中的指令
必须先传送到内存，然后才能被
CPU使用
及数据进行读、写操作
信息存放时间
长久存放系统中几乎所有的信息
临时存放正在运行的程序和
数据
4）输出设备（Output）：
A.定义：
把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式；
B.例如：
显示器、打印机、绘图仪
5）系统总线与I/O端口
A.BUS
a）功能：
硬件各部分的公共信息通道
b）组成：
控制器+公共传输线
c）代表：
CPU总线、I/O总线
B.I/O端口
a）作用：
海纳百川各种I/O设备；信息的缓冲处理等。
b）类型：
并、串、视频、USB等（不同设备，不同规则）
2.主机：
中央处理器CPU、内存储器、总线等
3.外围设备（外设）：
I/O设备和外存储器等
三.计算机分类：
（一）按内部逻辑结构分类：
单处理机、多处理机；16位、32位⋯
（二）按计算机整体性能分类：
巨型机、大型机、小型计算机、PC机
1.巨型计算机采用大规模并行处理（为提高计算机处理能力配置多个CPU）的体系结构，速度达到每秒数万亿次以上
2.PC机
A.分类：
台式机、便携机
B.工作站：
一种具有高速的运算能力和强大的图形处理功能，通常运行
UNIX操作系统，特别适合
于工程与产品设计使用的特殊的高档
PC
（三）单片计算机/嵌入式计算机：
1.
单片计算机：
运算器、控制器、存储器、
I/O控制与接口电路等集成在同一块芯片的超大规模集成电
路
2.
嵌入式计算机：
内嵌在其他设备中的计算机，广泛应用于数码相机、手机和
MP3等产品中
（四）处理器≠微处理器≠CPU
1.
微处理器：
把CPU和一组寄存器（Registers）集成在一片大规模集成
微处理器
电路或超
大规模集成电路封装之中的器件
2.
个人计算机一般都用单片微处理器作为
CPU
CPU
3.
微处理器=通用微处理器（如CPU）+专用微处理器（绘图处理器、
通信处理
器等）
四.CPU的结构与原理
（一）冯诺依曼计算机基本原理：
存储程序和程序控制（存储程序控制）——能储存大量信息，可按照程序自动高速进行计算
1.程序是一个指令序列
2.指令与数据都用二进制表示，预先存放在存储器内
3.计算机工作时，CPU从内存取出指令和数据，按机器指令的规定，对数据进行运算处理，直到程序完成为止
2
（二）CPU的结构：
1.寄存器组：
十几个甚至几十个寄存器组成，临时存放参加运算的数据和得到的中间结果
2.运算器：
算术逻辑部件ALU
3.控制器：
解释指令的含义、控制运算器的操作、记录内部状态的部件
指令计数器：
用来存放CPU正在执行的指令的地址，CPU将按照该地址从内存读取所要执行的指令。
（三）指令
1.定义：
用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存储位置的一个二进制位串。
2.组成：
操作码（计算机执行何种操作的一个二进制代码）＋操作数地址（操作的内容或所在的地址）
3.指令执行过程：
取指令、指令译码、执行指令、保存结果。
（注意顺序）
（四）指令系统（指令组）
1.定义：
CPU所能执行的全部指令的集合
2.每一种CPU都有自己独特的一组指令，计算机所能执行的指令集由该机所安装的CPU决定
1）同一公司的ＣＰＵ产品通常“向下兼容”
A.新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。
B.8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→PentiumPRO→PentiumⅡ→PentiumⅢ→
Pentium4（主频↑、晶体管数目↑、性价比↑）
PS:
Intel公司是国际上研制和生产微处理器最大的专业公司
2）不同公司生产的CPU各有自己的指令系统，它们未必互相兼容
A.不兼容：
Power微处理器指令系统与IntelPentium的指令系统差别很大
B.相互兼容：
AMD微处理器与IntelPentium的指令系统一致
（五）与CPU速度相关的性能参数——衡量计算机优劣的主要技术指标
1.字长（位数）
1）定义：
CPU中定点运算器的宽度（即一次能同时进行二进制整数运算的位数）
2）意义：
例：
地址线数目为
字长（定点运
大体决定
地址码
决定
20位，则
位数
算器宽度）
。
CPU可访问的存
储器最大空间
CPU可访问的最大内存空间
部分决定
为1MB
虚拟存储器大小
2.主频（CPU时钟频率、内部频率）
1）定义：
CPU中电子线路的工作频率
2）意义：
决定了CPU内部数据传输与指令执行的快慢。
主频越高，速度越快。
3）奔腾4系列主频范围：
1500MHz~3800MHz
4）注意：
主频提高一倍，PC机速度未必提高一倍
3.CPU总线速度
1）CPU总线（前端总线）：
用于连接CPU和内存的总线
2）CPU总线的工作频率和数据线宽度决定着CPU与内存之间传输数据的速度快慢
A.数据总线宽度：
决定了整个系统的数据流量的大小，包括CPU与二级高速缓存、内存以及
输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。
4.高速缓冲存储器（cache）的容量与结构
1）Cache容量越大、级数越多，访问Cache的命中率就越高，CPU的速度就越快。
A.CACHE的命中率：
CPU需要的指令或数据能在CACHE中能直接取到的概率
2）关于CACHE（缓存/快存）
A.定义：
使用SRAM芯片组成的一种高速缓冲存储器
B.速度：
CPU>CACHE>内存
C.容量：
比主存小
D.作用：
弥补CPU与内存的速度差异，相当于主存的延伸
3
a）不与主存统一编址，但可接受CPU的访问
i.CPU局部访问原理：
CPU所执行的指令和处理的数据往往集中于存储器的局部范围内
b）CPU的Cache中的数据是主存中部分内容的映射
5.指令系统
6.逻辑结构——奔腾4有多个运算器
7.CPU运算速度的传统衡量方法：
1）每秒钟能执行的指令数目
2）例如：
MIPS，单字长定点指令百万条数/秒；MFLOPS，单字长浮点指令百万条数/秒。
五.PC机的主机
（一）主板
1.
又称母板，通常安装有CPU插座、CPU调压器、芯片组、第2级高速缓存（有的已做在
CPU中）、
存储器插座（SIMM或DIMM）、总线插槽（如PCI、AGP、IDE）、ROMBIOS、时钟/CMOS、电池、
超级I/O芯片等。
2.
意义：
PC机中所有部件和设备都以主板为基础进行安装和互相连接，
主板的稳定性影响着整个计算
机系统的稳定性。
3.扩充卡及接口
1）扩展板卡或扩充卡：
A.定义：
插在PC机主板总线插槽中的电路板
B.包括：
显卡、声卡、网卡、视频卡等
2）
扩充卡通过卡上的印刷插头插在主板上的
PCI（或ISA、PCIE）总线插槽中。
3）
许多扩充卡的功能可以部分或全部集成在主板上
（例如，软盘、硬盘、串行口、并行口、
声音、
图形显示、网络连接等控制电路都可以集成在主板上
），因此不再需要插接相应的适配卡。
4）主板的物理尺寸已经标准化；ATX规格主板正向BTX规格转换
4.BIOS与CMOS
1）BIOS（BasicI/OSystem，基本输入/输出系统）
A.定义：
最基本I/O机器语言程序；它控制着系统全部硬件的运行，又为高层软件提供底层调用。
B.地位：
PC机软件最基础的部分（没有BIOS的PC机无法正常启动）
C.BIOS存放在ROM中，是非易失性的
D.组成（四个部分）：
①POST（PowerOnSelfTest，加电自检——测试PC机各部件的工作状态是否正常）程序；②系统Load（自举装入）程序；③CMOS设置程序；④基本外设驱动程序
特别说明：
①基本外设（仅包括键盘、显示器、软驱和硬盘等）的控制程序（即“驱动程序”）必须预先存放在BIOSROM中，从BIOS中加载；②其他外设在OS初步运行成功后再从硬
盘加载；③有的外设驱动程序在适配卡的Rom中，BIOS可以扫描端口。
2）CMOS：
A.CMOSRAM是主板上的一块可读写的存储芯片。
B.
在CMOSRAM中存储了用户对计算机硬件所设置的参数配置信息
，如当前日期时间、硬盘
数目与容量、开机密码等。
C.
CMOS芯片是易失性存储器，需主板电池供电
D.
在下列情况下需要启CMOS设置程序对系统进行设置：
a）
PC机组装好之后第一次加电
b）
系统增加、减少或更换硬件或
I／O设备
c）
CMOS芯片因更换电池、病毒侵害、放电等原因造成其
内容丢失或被错误修改
d）用户希望更改或设置开机密码
e）系统因某种需要而调整某些参数（改变启动系统时访问外存储器的顺序）
4
3）BIOS与CMOS的区别：
通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置
A.BIOS是主板上一块ROM芯片，CMOS是主板上的一块可读写的RAM芯片，靠后备电池供
电，即使系统掉电后信息也不会丢失
B.BIOS中存放的是系统设置程序，CMOS中存放的是这个程序所设置的数据；
5.芯片组
1）
定义：
PC机各组成部分的枢纽，连接着
CPU、内存条、硬盘接口、网络接口、
PCI插槽等
2）
意义：
主板上的所有存储控制和I/O控制功能大都集成在芯片组内
（既实现了
PC机系统总线的
功能，又提供了各种I/O接口及相关的控制）
3）
组成：
南桥（ICH，增强的I/O控制）、北桥（MCH，存储控制）两片VLSI集成电路组成。
4）
特别说明：
①CPU类型或参数不同时需要配用不同的芯片组
；②CPU的系统时钟及各种与其同
步的时钟均由芯片组提供；③芯片组（北桥芯片）决定了主板上所能安装的内存最大容量、
速度、
可使用的内存条类型。
（二）内存储器
1.内存储器和外存储器组成一个层状的塔式结构
1）目的：
优化存储器的性能／价格比
2）存储器按读写速度由高到低排列：
Cache、RAM、硬盘、光盘
2.内存储器
1）由称为存储器芯片的半导体集成电路组成
2）分类：
A.RAM（随机存取存储器，RandomAccessMemory）
a）特点：
易失性（断电后信息一般会立即丢失）、可读可写
b）动态随机存取存储器DRAM
i.特点：
需要定时刷新、较慢、电路简单，集成度高，成本较低
ii.用途：
内存储器的主体部分（主存）
c）静态随机存取存储器SRAM
i.不需要刷新、较快
ii.用途：
高速缓冲存储器Cache
B.ROM（ReadOnlyMemory）即只读存储器
a）特点：
非易失性（断电后信息不会丢失）、可读不可写（一般情况下，除FlashROM）
b）应用：
存放内容不变的信息
c）注意：
FlashROM（快擦除ROM，或闪存）——新型的非易失性存储器，但又像RAM一
5
样能快速方便地写入信息。
主要用于数码相机、优盘和存储BIOS程序。
3.主存储器
1）存储单元：
每个存储单元的基本单位为1Byte（8bit）
2）地址：
每个存储单元（一个字节）都有一个唯一编号的地址，主存储器以字节为单位进行连续编址，CPU按地址对存储器进行访问
3）存储容量：
A.定义：
主存储器中所包含的存储单元的总数（即内存中可存储信息的多少）
B.单位：
MB、GB
C.影响内存容量的因素：
主板芯片组的型号、主板存储器插座类型与数目、CPU地址线的宽度
4）存取时间：
从CPU送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到CPU（或者是把CPU数
据写入主存）所需要的时间——单位：
ns（1ns=10-9秒）
5）内存条时把若干片DRAM芯片焊在一小条印制电路板上做成的部件。
6）
DDR利用时钟的上升沿与下降沿在同一个时钟周期内实现两次数据传送（即
DDRSDRAM的有
效时钟频率是SDRAM的两倍）
7）
双列直插式内存条（DIMM内存条）触点分布在内存条的两面
（三）I/O总线与I/O接口
1.I/O操作（I/O＝Input／Output＝输入／输出）
1）任务：
将输入设备输入的信息送入内存的指定区域，或者将内存指定的内容送出到输出设备。
2）特点：
①I/O设备速度比CPU慢，为提高系统效率，I/O操作与CPU的数据处理操作是并行的；②多个I/O设备能同时进行工作（例如一面键盘输入，一面屏幕显示，同时进行打印输出等）。
③I/O设备的种类多，性能相差很大，与计算机主机的连接方法也各不相同
3）注意：
每个（类）I／O设备都有各自专用的控制器，它们的任务是接收CPU启动I／O操作的命令
后，独立地控制I／O操作的全过程
2.总线（bus）：
1）定义：
计算机各部件之间传输信息的一组公用的信号线及相关控制电路。
2）I/O总线（主板总线）
A.定义：
用于连接内存和I/O设备（包括外存）的总线（I/O总线与主板上扩充插槽中的扩充
卡直接相连）
B.I/O总线上有三种信号：
数据信号、地址信号、控制信号。
C.总线数据传输速率（总线带宽）
a）定义：
单位时间内总线上可传送的数据量。
b）总线带宽（MB/s）=（数据线宽度/8）×总线工作频率（MHz）×每个总线周期的传输次数
D.典型：
PCI总线（PCI-E总线）
a）PCI总线的时钟与CPU时钟无关
b）PCI可支持多个外围设备
c）PCI能与其他I/O总线共存于PC系统中
d）PCI的数据线宽度可为32位（数据传输速度133MB/s），也可为64位（数据传输速度
266MB/s）
4.I/O设备接口：
1）定义：
简称I/O接口或I/O端口，指计算机中用于连接I/O设备的各种插头/插座以及相应的通信
规程及电器特性。
（不包括电源插口）
2）作用：
输入/输出设备通过I/O接口与各自的控制器连接起来
3）I/O设备接口分类：
A.从数据传输方式来分：
a）串行（一次只传输1位）——USB、IEEE1394、SATA
b）并行（8位或者16位、32位一起进行传输）——IDE
6
B.从是否能连接多个设备来分：
a）总线式（可连接多个设备，被多个设备共享）
b）独占式（只能连接1个设备）
4）USB接口（通用串行总线式接口，UniversalSerialBus）
A.传输速率：
USB1.1版：
1.5MB/s、USB2.0：
高达480Mb/s（60MB/s）
B.特点：
4线接口（红白绿黑）、支持热插拔技术和即插即用功能、高速、可连接多个设备（最多127个）、串行传输、可向外设供电（＋5V，100～500mA）。
C.应用：
鼠标、键盘、移动硬盘、数码相机、U盘、打印机、扫描仪⋯⋯
5）IEEE-1394接口：
又称为1394、FireWire，双向串行传输、采用差分信号形式传输时钟及数据、连接高速设备（如音视频设备）50MB/S～100MB/S、6线接口、可连接多个设备（63个）
6）SCSI接口（smallcomputerinterface，小型计算机接口）：
一种用于连接大容量磁盘驱动器、扫描仪等外围设备的专门的高速并行端口。
六.常用输入设备
（一）键盘
1.计算机最常用、最主要的输入设备，缺它不可
2.与主机接口：
AT接口（早期）、PS/2接口、USB接口、无线接口（红外——范围小、无线电）
3.电容式键盘：
击键声音小、不存在磨损接触不良等问题、寿命长、手感好
4.常用快捷键
控制键名称
主要功能
Shift
换档键
F1～F12
共12个功能键，它们的功能由操作系统及运行的应用程序来决定
Home
通常用于把光标移动到开始位置，如文档的起始位置或行首
PrintScreen
把当时的屏幕映象记录下来
Alt+PrintScreen
将桌面上当前窗口的图像复制到剪贴板中
Capslock
大小写切换（灯亮时，输入大写字母）
Ctrl+Alt+Del
重新启动正在使用中的Windows系统
（二）鼠标器（Mouse）
1.工作原理：
用户移动鼠标时，移动速度和方向将变换成脉冲信号输入计算机，从而控制屏幕上鼠标器箭头的运动
2.主要指标：
1）分辨率dpi
A.定义：
鼠标每移动一英寸距离光标在屏幕上所通过的像素的数目
B.意义：
分辨率越高，定位越准确
2）接口：
A.有线鼠标：
EIA（RS）-232串行口、PS/2接口、USB接口
B.无线鼠标
3.鼠标器分类：
1）机械式鼠标
2）光机式鼠标
3）光学（电）鼠标：
工作速度快，准确性和灵敏度高，分辨率可达800dpi，没有机械磨损，很少需
要维护，也不需要鼠标垫
4.某些鼠标器左右两按键的中间有一个滚轮，它的作用通常是控制屏幕内容进行上下移动，与窗口右边框滚动条的功能一样（注意：
按动鼠标按键后，计算机具体做什么，由正在运行的软件决定）
5.笔记本电脑使用轨迹球、指点杆和触摸板等替代鼠标器的功能，为了减少体积、方便使用
6.其他指点设备：
1）触摸屏：
适用于服务性公共场所
2）操纵杆：
经常用于游戏控制
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（三）扫描仪
1.作用：
图像输入设备（未经OCR识别，内容不可编辑）
2.分类：
手持式扫描仪、平板式扫描仪（家用和办公自动化领域广泛应用）、胶片专用和滚筒式（专业
印刷排版领域）
3.性能指标：
1）分辨率（dpi）
2）色彩位数（色彩深度）：
色彩位
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