硬件基础与微型计算机

1. 基础篇 硬件基础与微型计算机 计算机的组织结构 微型计算机系统的组成 主机系统 作业 外部设备

2. 4.1 计算机的组织结构 • 计算机的系统结构 • CPU的构成与功能 • 存储系统 • 系统总线

3. 计算机的组织结构 ① 计算机的系统结构 • 数据处理 • 数据存储 • 数据传输 • 控制 • 计算机的基本功能 • 计算机组织结构 CPU（中央处理器）：控制计算机操作和数据处理 主存（内存）：存储运行的数据和程序 输入输出系统：在计算机与外部设备之间传递数据 系统互连：提供CPU、主存、外部设备之间的通信机制

4. 计算机的组织结构 ② CPU的构成与功能 • CPU内部结构与功能 • CPU主要技术参数 控制单元：控制计算机的操作 算术逻辑单元：进行数据处理功能 寄存器组：提供数据的内部存储 • 字长 • CPU频率（主频、外频和倍频） • 高速缓冲存储器的速率：提高CPU运行效率 （L1 Cache 和 L2 Cache）

5. 计算机的组织结构 ③ 存储系统 按位置：内存和外存 按存储介质组成原理： • 半导体存储器、光介质和磁光介质存储器 内存：直接与CPU交换信息的存储设备，用来存放 计算机运行期间所需的信息，如：指令、程 序、文档等。RAM、ROM、Cache等 外存：内存的延伸，长期存放计算机工作所需的信 息，如系统文件、应用程序、用户文档等。 磁带、磁盘（软盘、硬盘、优盘）、光盘。

6. 存储设备的相关概念 存储单元：计算机表示数据的基本单位（字节） 存储容量：某个存储设备所能容纳的二进制信息 量的总和，单位为KB、MB、GB、 TB。如640KB、128MB、40GB。 编址与地址：对存储单元编号的过程称为编址 存储单元的编号称为地址。地址 一般采用十六进制编码。

7. 存储设备的特点 位置：存储设备安装再计算机内部还是外部 容量：某个存储设备所能容纳的总字节数 例如：硬盘：80GB，优盘：128MB 传输单位：传送数据的大小 访问类型：使用设备的方式，有：顺序访问、直接 访问、随机访问、联想访问等； 其他：数据存储介质的物理特性：断电数据是否丢 失。

8. 存储位 存储单元 （字节） 0000H 0001H 0002H FFFFH 特点： • 地址与存储单元是一一对应的； • 一个数据存放在一个或多个字节中； • CPU通过单元地址访问存储单元中的数据； • 往存储单元放新数据，则原数据被覆盖。 • 存储体 • 640 KB • 128 MB • 20 GB 存储单元地址 存储体结构图示意

9. 存储设备的层次结构 问题的提出：设备访问速度越快价格越高；设备容 量越大价格越便宜，访问速度也越慢。 为满足速度快、价格低、容量大的要 求，采用了层次结构的存储系统。 存储系统：把速度、容量、价格不同的多个物理存 储器组成一个存储器。 Cache存储系统：由Cache和主存储器组成，主要 目的是提高存储器速度。 虚拟存储系统：由主存储器和硬盘构成，主要目的 是扩大存储器容量。

10. 存储设备层次结构示意图 容量 越来 越大 ， 价格 越来 越便 宜， 速度 越来 越慢 CPU 内部 通用寄存器 访 问 速 度 越 来 越 快 指令和数据缓冲器 Cache（静态随机存储器SRAM） 主存储器（动态随机存储器DRAM） 外部存储器（磁盘、磁带等）

11. 计算机的组织结构 ④ 系统总线 • 概述 • 总线标准 • 总线结构 • 多总线体系结构

12. 概 述 总线（bus）：是一组连接各个部件的公共通信线路， 即两个或多个设备之间进行通信的路径， 是一种可被共享的传输媒介。 系统总线：连接计算机的处理器、存储器、I/O设 备等主要功能部件的总线。 总线组成：由多条通信线路组成，每一条线路都 能够传输二进制数“0”和“1”。 总线类型：数据总线、地址总线和控制总线

13. 总线标准 • 为便于不同厂家生产的模块能灵活构成系统，形成了总线标准。一般情况下有两类标准，即正式公布的标准和实际存在的工业标准。 • 正式公布的标准由IEEE(电气电子工程师学会)或CCITT(国际电报电话咨询委员会)等国际组织正式确定和承认，并有严格的定义。 • 实际的工业标准首先由某一厂家提出，而又得到其他厂家广泛使用，这种标准可能还没有经过正式、严格的定义，也有可能经过一段时间后提交给有关组织讨论而被确定为正式标准。 • 流行的总线标准 • 连接计算机内部各模块的总线标准，如连接CPU、存储器和I/O接口的总线。常用的有ISA总线、EISA总线和PCI总线等。 • 系统之间或系统与外部设备之间连接的总线，常用的有EIA - RS232C串行总线和IEEE - 488并行总线等。

14. 总线结构 • 总线结构示意图 • 总线类型 • 数据总线（DB） • 地址总线（AB） • 控制总线（CB）

15. 三总线结构示意图 处理机总线 CPU 主 存 32或64位 PCI桥 PCI 总线 I/O设备 扩展总线 控制线路 I/O设备 ISA / EISA总线 8、16、32位 接慢速设备 I/O设备 I/O设备

16. 数据总线 • 在系统模块中提供传输数据的通信线路的集 合体称为数据总线，是双向总线。 • CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据 ，也可通过DB将内部数据传送给内存或输入 设备。 • 典型的数据总线有8条、16条、32条，即指数据 总线的带宽。如：“奔腾”有32条数据线，表示 每次可以交换32位二进制数。

17. 地址总线 • 用于传送CPU发出的地址信息，即指明数据 总线上的数据的源地址或目的地址，是单向 总线。 • 地址总线的宽度决定了CPU的最大寻址能力 如：假如CPU有24根地址线，其最大寻址能 • 力为 16 MB。32位地址线，其最大寻址能力 • 为 4096 MB。

18. 控制总线 • 控制数据总线和地址总线的访问和使用。 传送控制信号、命令信号和定时信号等。如CPU向内存或外设发送命令信息，有内存或外设向CPU发送的信息。每一根线的方向是单向的，但作为一个整体是双向的。因此控制总线通常以双向线表示. 控制信号：在系统模块间传递命令和定时信号 命令信号：指定将要执行的操作 定时信号：指明数据信息和地址信息的有效性

19. 4.2 微机系统的组成 • 硬件系统 • 软件系统 • 微机系统的层次 • 微机系统的主要性能指标

20. 微机系统的组成 ① 硬件系统 硬 件 运算器 控制器 存储器 输出设备 输入设备 内存储器 外存储器 CPU 主 机 外部设备

21. 操作系统 语言处理程序 服务程序 … 工具软件 应用软件包 用户程序 … 微机系统的组成 ② 软件系统 系统软件 应用软件

22. 微机系统的组成 ③ 微机系统的层次 • 微处理器（MPU：Micro Processor Unit） • 微型计算机（Micro Computer） • 微型计算机系统（Micro Computer System） • 微处理器是微型计算机的CPU，主要包括算术逻辑部件、控制部件和寄存器组3个基本部分以及内部总线。 • 通常由一片或几片大规模集成电路或超大规模集成电路组成。 • 以微处理器为核心，加上存储设备、I/O接口和系统总线组成。有的微型计算机将这些部件集成在一个超大规摸芯片上，称为单片微型计算机，简称单片机。 • 以微型计算机为核心，再配以相应的外部设备、电源、辅助电路和控制微型计算机工作的软件而构成的完整的计算系统。

23. 用户程序或文档 软 件 操作系统 微型计算机系统 硬 件 微型计算机 微处理器 CPU

24. 微机系统的组成 ④ 微机系统的主要性能指标 …… 主频 内存容量 字长 运算速度 • 外围设备的配置 • 指令系统的功能 • 系统软件的配置情况 其它

25. 4.3 主机系统 • 微处理器 • 内存储器 • 微机主板 • 微机总线

26. 运算器 CPU 控制器 内存（ROM / RAM /Cache） 主机系统 主机系统 I/O接口 总线

27. 主机系统 ① 微处理器（CPU） • 概述 • CPU的功能结构 • CPU的主要技术参数 Pentium 4 CPU

28. 主机系统 ② 内存储器 • 概 述 • 只读存储器（ROM：Read Only Memory） • 随机读/写存储器（RAM：Randon Access Memory） • 高速缓冲存储器（Cache）

29. 内存储器 只读存储器（ROM） • 只能读数据不能写数据的存储器，由设计者和 制造商事先编制好的一些程序固化在里面，主 要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基 本的输入/输出控制程序，如存储BIOS参数的 CMOS芯片。 • 特点是计算机断电后存储器中的数据仍然存在

30. 内存储器 随机读/写存储器（RAM） • 既能读又能写数据的存储器，是计算机工作的存储 区，一切要执行的程序和数据都要装入该存储器中。 • 主要特点 • 存储器中的数据可以反复使用，只有向存储器写 入新数据时存储器中的内容才被更新； • 存储器中的信息会随着计算机的断电自然消失 。

31. 内存储器 高速缓冲存储器（Cache） • CPU与内存之间设置一级或两极高速小容量存储器， 固化在主板上。计算机工作时，先将数据由外存读 入RAM中，再由RAM读入Cache 中，然后CPU直 接从Cache中取数据。 • 设置目的是解决CPU速度与RAM的速度不匹配问题

32. 主机系统 ③ 微机主板 主板是微机系统中最大的一块电路板，是由多层印刷电路板和焊接在其上的CPU插槽、内存槽、高速缓存、控制芯片组、总线扩展、外设接口、鼠标口、CMOS和BIOS控制芯片等构成。 • 概述 • 主板的主要功能 • 主板类型 • 主板主要部件 • 提供安装CPU、内存和各种功能卡的插座，部分主板甚至将一些功能卡的功能制作在主板上。 • 为各种常用外部设备，如打印机、扫描仪、调制解调器、外部存储器等提供通用接口。

33. 主机系统 ③ 微机主板 • 按结构分为AT主板和ATX主板 • 按其大小分为标准板、Baby、 Micro板等几种。 • 概述 • 主板的主要功能 • 主板类型 • 主板主要部件 • 芯片组 • CPU插座 • 内存插槽 • 总线扩展槽 • 输入/输出接口（I/O接口） • 基本输入输出BIOS和CMOS

34. 微机硬件系统—PC主机板 接口 总线扩展槽 CPU 插座 芯片组 内存 插槽 软硬盘接口

35. 微机主板 I/O接口 • 接口是指不同设备为实现与其他系统或设备连接和通信而 具有的对接部分。 • 接口的作用是使主机系统能与外部设备、网络以及其它的 用户系统进行有效连接，以便进行数据和信息的交换。 例如，键盘采用串行方式与主机交换信息，打印机采用并 行方式与主机交换信息。 • 输入/输出接口是CPU与外部设备之间交换信息的连接电路， 它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。 • I/O接口分为总线接口和通信接口两类。

36. 软驱 硬盘 光驱 显示器 时钟 CPU 接口 接口 接口 接口 总线 RAM 总 线 控制电路 ROM 键盘接口 并行接口 串行接口 I/O插槽 主机板 鼠标 键盘 打印机 用户电路 微机主板逻辑结构示意

37. 主机系统 ④ 微机总线 • 是微机内部各外部芯片与CPU之间的连线，用于芯片一级的互联。 • 概 述 • 内部总线 • 系统总线 • 外部总线 • 是微机中各插件板与主板之间的连线，用于插件板一级的互联。 • 是微机和外部设备之间的连线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行通信，它用于设备一级的互联。

38. 总线分类 微机总线 内部总线：连接CPU各个组成部件（芯片内部） 系统总线：连接计算机中各大部件 外部总线：连接计算机和外部设备 连接对象 地址总线：传输地址信息 数据总线：传输数据信息 控制总线：传输控制信息 传输对象 通信方式 并行总线：通信速度快、实时性好 串行总线：简易、方便、灵活

39. PC机主板中的PCI扩展槽

40. 接口的作用 地址线 外 部 设 备 CPU 接 口 控制线 数据线

41. 微型计算机—接口 并行口 键盘 鼠标 USB 串行口

42. 4.4 微机外部设备 • 概 述 • 常用的外部设备 • 存储系统的层次结构

43. 微机外部设备 ① 概 述 • 各种存储器的结构 • 使用方式 • 技术标准

44. 键盘 硬 盘 鼠标 软 盘 打印机 显示器 微机外部设备 ② 常用的外部设备 输入设备 输出设备 光盘及光驱 U 盘

45. 读写窗口 “快门” 写保护 软盘片（floppy disk） • 作用：长期保存各类信息 • 特点：可读可写，便于携带，双面保存

46. 3.5寸盘容量为1.44M

47. 磁道0 扇区sector 磁道track 3.5英寸软盘片的信息存储模式与存储容量

48. 容量计算 512 Byte* 扇区数 * 磁道数 * 盘面数 3.5软盘容量 =512*18*80*2 =1474560 Byte / 1024 =1440 KB ≈1.44MB

49. 使用注意