LESS1 计算机硬件基础,体系结构,微型计算机硬件
计算机基础计算机硬件系统
输出设备的定义
• 输出设备是指用于将计算机处理后的数据或命令以 人们可以理解的形式输出的设备，例如显示器、打 印机、音响等。这些设备将计算机的内部信号转换 为外部设备可以接收和显示的信号，从而扩展了计 算机的输出能力。
输入输出设备的分类
• 输入输出设备可以根据其功能和特点分为以下几类 • 定位设备：如鼠标、触摸屏等，用于在屏幕上定位或选择对象。 • 文本输入设备：如键盘，用于输入文本信息。 • 图像输入设备：如摄像头、扫描仪等，用于输入图像信息。 • 声音输入设备：如麦克风，用于输入声音信息。 • 网络设备：如网卡、路由器等，用于连接计算机到网络。 • 存储设备：如硬盘、U盘等，用于存储数据和程序。
计算机基础计算机硬件系统
xx年xx月xx日
目录
• 计算机硬件系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出设备 • 计算机硬件系统的维护与保养 • 计算机硬件系统的安全防护
01
计算机硬件系统概述
计算机硬件系统的定义
计算机硬件系统是指计算机系统中由各种物理部件组成的实 体结构，它包括中央处理器、内存、硬盘、显卡、声卡、网 卡、电源等。
电源线在使用时不宜过度缠绕， 以免造成线材损坏或电气故障。
避免过载
电源线不能过载使用，应确保所 连接的设备功率不超过电源线的 承载能力。
安全存放
不使用时应将电源线整理好并存 放在安全的地方，避免儿童接触 或宠物咬伤。
避免过度使用外部设备
外部设备种类
外部设备如打印机、扫描仪、外置硬盘等，在使用时要注意避免 过度使用。
选择受信任的杀毒软件品牌，并按照厂商的推荐设置进行操作
。
定期进行全盘扫描，以确保计算机不受病毒、木马等恶意软件
03
计算机硬件与体系结构
计算机硬件与体系结构计算机硬件和体系结构是构成计算机系统的重要组成部分。
硬件指的是计算机内部的各种设备和电路，而体系结构则是指计算机硬件和软件之间的关系和交互方式。
本文将从计算机硬件和体系结构的基本定义、发展历程以及各个组成部分的功能和作用进行论述。
一、计算机硬件的定义和作用计算机硬件是指计算机系统内部的物理设备，包括中央处理器（CPU）、内存（RAM）、硬盘（HDD）、输入输出设备等。
这些硬件设备通过电路和信号进行数据传输和处理，是计算机能够正常工作的基础。
中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，负责执行各种指令和数据处理操作。
它通过运算器、控制器和寄存器等组件实现数据的读取、运算和存储，并与其他硬件设备协同工作。
内存（RAM）是计算机用于存储程序和数据的临时空间，相当于计算机的“大脑”。
它可以快速读取和写入数据，为中央处理器提供必要的数据和指令支持。
硬盘（HDD）是计算机的主要存储介质，用于永久保存数据和程序。
它能够大容量存储数据，并且可以长期保存，即使断电也不会丢失数据。
输入输出设备是计算机与外部环境之间进行信息交互的接口，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
通过这些设备，用户可以输入和输出数据，实现与计算机的互动。
二、计算机体系结构的发展历程计算机体系结构的发展经历了多个阶段，从最早的冯·诺依曼体系结构到现代的并行计算体系结构。
冯·诺依曼体系结构是现代计算机体系结构的基石，它将存储器与处理器分离，并通过总线进行数据传输。
这种体系结构的主要特点是存储程序的概念，即将指令和数据存储在同一个存储器中，并通过程序计数器控制指令的执行顺序。
随着科技的发展，计算机体系结构逐渐演变为多核心和并行处理的模式。
多核心体系结构可以同时执行多个任务，提高计算机的性能和效率。
并行处理体系结构则通过同时处理多个指令和数据，实现更快的计算速度。
三、计算机硬件与体系结构的关系计算机硬件与体系结构密不可分，它们相互影响、相互依赖。
微型计算机基本结构
微型计算机基本结构
微型计算机是一种个人电脑，也称为PC（Personal Computer）。
它主要包括以下基本结构：
1.中央处理器（CPU）：负责执行计算机的指令集，并控制计算机的各种操作和运行。
2.内存（RAM）：用于存储正在运行的程序和数据，是计算机的临时存储空间。
3.硬盘驱动器（HDD）或固态硬盘（SSD）：用于存储计算机的操作系统、应用程序及用户数据文件等。
4.主板（Motherboard）：连接CPU、内存、硬盘驱动器等部件，控制数据传输和信息交换。
5.显卡（Graphics Card）：将计算机处理的图像数据转换成能够在显示器上显示的信号。
6.显示器（Monitor）：显示计算机处理后的图像和信息。
7.输入设备：如键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等，用于向计算机输入数据和指令。
8.输出设备：如打印机、扬声器、耳机等，用于从计算机输出数据和声音。
这些组成部分相互协作，共同完成计算机的各种操作和任务。
微型计算机硬件组成
微型计算机硬件组成微型计算机是一种小型的个人计算机，通常由以下几个主要硬件组成：中央处理器（CPU）、内存（RAM）、硬盘（HDD或SSD）、图形处理单元（GPU）、主板、电源、输入设备和输出设备。
下面将对这些硬件进行详细介绍。
1.中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机的核心部件，负责执行计算机的指令并处理数据。
它包含控制单元和算术逻辑单元，用于控制计算机的操作和执行各种运算。
2.内存（RAM）：内存是计算机的临时存储器，用于存放当前正在使用的程序和数据。
它比硬盘速度更快，可以快速读写数据，提高计算机的运行速度。
常见的内存类型包括DRAM（动态随机存取存储器）和SRAM（静态随机存取存储器）。
3.硬盘（HDD或SSD）：硬盘是用于永久存储数据的设备，包括操作系统、应用程序和用户文件等。
传统的硬盘（HDD）采用机械旋转的磁盘和读写磁头来存储和访问数据，而固态硬盘（SSD）使用闪存芯片来实现数据存储和读写，速度更快。
4.图形处理单元（GPU）：GPU是用于处理图形和图像相关计算的专用芯片。
它可以并行处理大量的图形运算，用于游戏、图像处理和科学计算等领域，提供更高的图形性能和渲染速度。
5.主板：主板是微型计算机的主要电路板，其中集成了各种硬件设备和连接器。
它连接并支持CPU、内存、硬盘、GPU等其他硬件，实现它们之间的通信和数据交换。
6.电源：电源是提供微型计算机所需电能的设备。
它将交流电源转换为计算机所需的直流电，为各个硬件组件提供稳定的电力供应。
7.输入设备：输入设备用于将人类的指令和数据输入到计算机中。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪等。
8.输出设备：输出设备用于将计算机处理后的结果显示或输出给用户。
常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。
此外，微型计算机还包括其他硬件部件，如扩展卡（例如显卡、声卡、网卡等）、风扇（用于散热）、散热器（用于散热）以及各种接口和连接器等。
总结起来，微型计算机的硬件组成包括中央处理器、内存、硬盘、图形处理单元、主板、电源、输入设备和输出设备等。
计算机硬件的基础结构
计算机硬件的基础结构计算机硬件是指计算机系统中的物理部分，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备和总线等组成部分。
这些硬件组件相互协作，完成计算机的各种功能。
一、中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，负责执行各种指令，控制和协调计算机的工作。
它由控制单元和算术逻辑单元组成。
控制单元负责控制指令的执行流程，包括取指、译码、执行和存储结果。
算术逻辑单元负责进行算术和逻辑运算，包括加、减、乘、除和与、或、非等逻辑运算。
二、存储器存储器是计算机的数据存储部分，用于存储程序和数据。
根据存取方式和性能特点，存储器可以分为主存储器和辅助存储器。
主存储器是CPU直接访问的存储器，常用的有随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
辅助存储器包括磁盘、光盘和闪存等，用于长期存储大量的程序和数据。
三、输入输出设备输入输出设备是计算机与外部世界进行信息交换的接口。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等，用于将外部信息输入到计算机中。
常见的输出设备有显示器、打印机、音响等，用于将计算机处理结果输出给用户。
四、总线总线是计算机内部各个硬件组件之间传输数据和控制信号的通道。
根据传输数据的方式和时序要求，总线可以分为数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线用于传输数据，地址总线用于传输数据的地址，控制总线用于传输控制信号。
计算机硬件的基础结构是一个复杂的系统，各个组件之间相互协作，完成计算机的各项任务。
中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和控制计算机的工作流程。
存储器用于存储程序和数据，提供数据的读写功能。
输入输出设备是计算机与外部世界进行信息交换的接口，实现用户与计算机系统的交互。
总线是各个硬件组件之间传输数据和控制信号的通道，确保各个组件能够有效地协作。
在计算机硬件的基础结构中，各个组件之间的协作是非常重要的。
中央处理器通过控制单元和算术逻辑单元的协作，执行各种指令并控制计算机的工作流程。
存储器通过读写操作，提供程序和数据的存储和访问功能。
计算机硬件基础
第一篇信息系统基础知识第1章计算机硬件基础本章主要介绍计算机硬件的基础知识，包括计算机基本组成，中央处理器、存储器、I/O设备等主要部件的性能和基本工作原理，以及计算机体系结构、计算机存储系统等内容。
1.1计算机基本组成自1946年世界上出现第一台计算机以来，计算机的硬件结构和软件系统都已发生了惊人的变化。
但就其基本组成而言，仍为冯·诺伊曼型计算机的设计思想。
即一个完整的计算机硬件系统由：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。
如图1-1所示。
图1-1 计算机的基本组成其中运算器与控制器合称为中央处理器。
内存储器和中央处理器合在一起称为主机。
在计算机硬件系统中不属于主机的设备都属于外部设备，简称外设，包括输入、输出设备及外存储器。
•运算器。
进行算术和逻辑运算的部件，运算数据以二进制格式给出，它可从存储器取出或来自输入设备，运算结果或写入存储器，或通过输出设备输出；•控制器。
协调整个计算机系统的正常工作。
它主要包括指令寄存器、指令译码及时序控制等部件；运算器与控制器—般又称为中央处理部件（Central ProcessingUnit，CPU），它是计算机的核心部件。
•存储器。
存放数据和程序的部件，它通过地址线和数据线与其他部件相连。
•输入/输出部件。
包括各类输入/输出设备及相应的输入/输出接口。
1.1.1 中央处理器1．运算器运算器是计算机中用于信息加工的部件。
它能对数据进行算术逻辑运算。
算术运算按算术规则进行运算，如加、减、乘、除及它们的复合运算。
逻辑运算一般泛指非算术性运算，例如：比较、移位、逻辑加、逻辑乘、逻辑取反及“异或”操作等。
运算器通常由算术逻辑运算部件（ALU）和一些寄存器组成。
如图1-2所示是一个最简单的运算器示意图。
ALU是具体完成算术逻辑运算的部件。
寄存器主要用于存放操作数、结果及操作数地址。
累加器除了存放参加运算的操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最终结果。
计算机硬件基础
计算机硬件基础计算机硬件是指计算机系统中的实际物理设备，包括主机、显示器、键盘、鼠标等。
了解计算机硬件基础对于我们使用计算机、维修计算机以及进行计算机相关工作都至关重要。
本文将对计算机硬件基础进行全面介绍，包括计算机主机、内存、硬盘、显示器等重要组成部分。
一、计算机主机计算机主机是计算机系统中的核心组件，包括中央处理器（CPU）、主板、内存等。
CPU是计算机的计算和控制中心，负责执行指令和处理数据。
主板是连接各种硬件设备的平台，为计算机提供电源和数据传输接口。
内存是计算机用于存储数据和程序的临时空间，通过内存可以快速访问和操作数据。
二、内存计算机的内存分为主存储器和辅助存储器两部分。
主存储器指的是计算机中的随机存取存储器（RAM），用于存储计算机当前使用的数据和程序。
辅助存储器指的是硬盘、光盘等用于永久保存数据和程序的设备。
三、硬盘硬盘是计算机的主要存储设备，用于永久保存计算机系统和用户数据。
硬盘分为机械硬盘和固态硬盘两种类型。
机械硬盘通过磁盘片和机械臂的运动实现数据的读写，具有较大的存储容量和较低的成本。
固态硬盘使用闪存芯片存储数据，具有读写速度快、噪音小、耐用等优点，但价格相对较高。
四、显示器显示器是计算机的输出设备，用于将计算机处理后的数据以图像的形式展示给用户。
常见的显示器有液晶显示器、LED显示器等。
显示器的分辨率决定了显示效果的清晰度，同时刷新率也会影响到图像的流畅度。
五、键盘与鼠标键盘和鼠标是计算机的输入设备，用于向计算机输入指令和操作。
键盘主要用于输入文字和命令，而鼠标则用于在屏幕上选择和操作对象。
不同的键盘和鼠标具有不同的按键布局和功能设置，满足了用户对于输入和操作的需求。
六、其他硬件设备除了以上介绍的主要硬件设备，计算机还有许多其他辅助设备，如打印机、扫描仪、音箱等。
这些设备可以为计算机提供更多的功能和扩展性。
总结计算机硬件是计算机系统中不可或缺的重要组成部分，包括主机、内存、硬盘、显示器等。
微型计算机组成计算机硬件结构图
微型计算机组成计算机硬件结构图微型计算机组成计算机硬件基础知识机箱及主板主板（系统板、主机板、母板）3.5＃软磁盘容量计算内外存储器对比多种存储器速度比较计算机硬件结构图外存内存运算器控制器输入设备输出设备数据、程序CPU主机数据、程序数据、程序冯.诺依曼型计算机计算机硬件基础知识中央处理器硬盘内存条光盘软盘主板移动存储器微型机硬件系统组成总线ISA扩展槽（黑色）一般插解压卡、网卡、SCSI卡、内置MODEMPCI扩展槽（较短白色）一般插显卡、PCI接口的SCSI卡和网卡内存插槽串行口LPT1LPT2、并行口COM1COM2电源接口ATX型可软件关机、键盘接口、CPU插座EIDE接口接EIDE设备如硬盘、光驱、软驱接口BIOS基本输入输出模块控制芯片组（CPU的全权代表）■CPU内存I/O控制器外存储器输入设备输出设备总线DB数据总线AB地址总线CB控制总线I/O总线系统板上有多个扩展槽，用来连接各种接口板，扩展槽与Ｉ/O总线相连。
中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）CPU都集成在一块芯片上称之为微处理器，它是微机的核心部件。
CPU速度与主频系统时钟是计算机的一个特殊器件，它周期式发出脉冲式电信号。
CPU主频指CPU能够适应的时钟频率，它等于CPU在一秒钟内能够完成的工作周期数。
工作频率单位HZ。
8028616—20MHZ8048650MHZP4-3.4GHZ微处理器常见品牌INTEL、AMDCPU的字长字长是指CPU一次操作中能处理的最大数据单位，如8、16、32、64位。
存储器存储器分为：内存储器外存储器内存外存（硬盘、软盘、光盘、闪存等）（1）随机存储器（RAM）通常据说内存条是RAM。
（2）只读存储器（ROM）主板上装有ROM，它里面固化了BIOS，BIOS完成对系统的加电自检，系统中各功能模块的初始化，系统的基本输入/输出的驱动程序及引导操作系统。
内存储器（3）高速缓冲存储器（高速缓存CACHE）它的访问速度是DRAM的10倍。
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输入输出接口功能
• 数据隔离
• 数据缓冲 • 数据变换 • 提供外围设备和接口的状态 • 实现主机与外围设备之间的通信联络控制
输入输出设备
• 输入设备 - 从外界将数据、指令等输入 到微机的内存 • 输出设备 - 将微机处理后的结果信息转 换为外界能够使用的数字、文字、图形、 声音
传送、运算、移位、跳转等操作 不可缺少的组成部分
操作数：指令执行的参与者
一个或两个操作数 可以有3个甚至4个操作数
可以缺省
指令的执行过程
1. 向内存单元取指令
存储器
5. 获取指 令所需的 操作数
内部总线
2. 从内存单元取出指令
指令
3. 内部译码
译码器
6. 执行相 运算器 关的操作
A B C 寄存器组
指令 译码器
A 运算器 运算器 B C 存储器 寄存器组
定时与控制 Φ
控制器
地址 控制
运算器
• ALU, 计算机中进行算术运算、逻辑运算的部件 • 核心部件：全加器 • 基本运算
– 两数相加、两数相减、 – 把一个数左移或右移一位， – 比较两个数的大小， – 将两数进行逻辑“与”、“或”、“异或”运算，逻 辑“非”运算
运算器工作步骤
举例：计算 4+5
• 寄存器存储要计算 的数据4,5 • 算术运算结果9放 置在Accumulator （累加器） • 累加器的数据可以 送入内存中或用来 继续运算
1. 数据从RAM 送入寄存器中 4. 运算结果通常送回 RAM以输出或长期保存
RAM
寄存器 1 4
2. 控制器发出算术 或逻辑运算指令
处理数据
运算器 数据传输线 存储器 控制信号线
处理 结果
输出设备
控制器
存储数据
产生输出
计算机硬件系统分类(1)
按照规模
超计算 机
单片机
大型机
微型计算 机
小型机
计算机硬件系统分类(2)
按照工作模式
服务器
终端
工作站
微型计算机硬件组成
CPU 寄存器堆
中央处理单元 存储器 输入输出设备 输入输出接口 总线
1 byte (B) = 8 bits (b) 1字节 = 8个二进制位 例：01011100，00001111
十六进制数表示方法
• 16进制 - 逢16进1
– 0~9，A(10)，B (11) ，C(12)，D(13)，E(14)， F(15) – 表示方法：在数字后面加上 H
• 例: 2AF5H = 5 * 160 + F * 161 + A * 162 + 2 * 163 = 10997
I/O总线 （Input/Output Bus）
输入输出接口
外部设备种类
- 机械式 - 电子式 - 电动式
输入信号
- 模拟量 - 开关量
输出信息
- 图像 - 声音 - 打印
• CPU的数据总线无法直接与各个外部设备相连接
– 必须通过一个中间环节对数据信息进行相适应的变换 – 输入/输出接口，即I/O接口
定时与控制 Φ
4. 控制器 按照指令 要求发出 控制信号
地址 控制
指令周期
完成一条指令的时间
取指周期
读指令 指令取出
输出结果
执行指令
获取数据
指令译码
执行周期
分为“取指周期”和“执行周期” CPU自动地一条接一条地连续执行指令
高速缓冲存储器(Cache)
位于CPU和主存之间
– – 通常封装于CPU内部 缓存CPU需要使用的数据
• 连接微处理器、存储器和输入输出接口等装置 或功能部件 • 传送信息（信号）的公共通道，可传送定长的 字节块（word）
数据总线 （Data Bus） 数据内容 系统总线 （System Bus） 连接部件 存储器总线 （Memory Bus）
地址总线 （Address Bus）
控制总线 （Control Bus）
程序计数器
ALU 系统总线 存储总线
总线接口
I/O桥
主存储器
I/O总线
扩展槽，留待网络适 配器一类的设备使用 磁盘控制器
USB控制器
图形适配器
鼠标
键盘
显示器
磁盘
主题
• 基础知识 • 计算机系统结构 • 微型计算机硬件组成
– 微处理器 – 存储器 – 输入输出接口、设备
微处理内部结构
数据 内部总线
寄存器 2 5
控制器
Add！
9 累加器
3. ALU执行运算并将 运算结果放入累加器
控制器
• 控制计算机进行运算及指挥各个部件协 调工作，包括：
指令寄存器 和指令译码 器 时序部件和 操作控制部 件
1. 控制器从内存 中取出指令送入 指令寄存器中
2. 指令的内存地址被保存到指令 指针中。指令执行后，指令计数 器指向下一条将执行的指令 指令计数器 3. 指令在指令寄 存器中被控制器 解析
CPU 寄存器
高速缓冲存储器
主存储器
辅助存储器
大容量存储器
高速缓存功能
•
– – –
CPU 访问时间，单位为时钟周期
寄存器：1个时钟周期 高速缓存：几个时钟周期 内存：几十或几百个
命中（hit） CPU从Cache中获得 了所需的数据
微处理器的实现技术
• 流水线技术（Pipelining） • 超标量技术（Superscalar） • 分支预测（Branch Prediction）和推测执行 （Speculation Execution）技术 • 乱续执行技术（Out-of-Order Execution） • 超线程技术（Hyper-Threading） • 多核心处理器技术
– 处理器能够直接执行的指令的集合
• IntelPentium III以上，SSE指令集 • Intel酷睿i7，AVX（Advanced Vector Extensions）
指令格式
指令标准形式：
操作码 操作数
ADD AH, 387CH
… [AL] , 操作数 MOV BL
操作码：计算机要执行哪种操作
二进制和十六进制转换
• 在实际表述中经常用十六进制的形式，其 与二进制的对应关系为：
每4位二进制 数对应一位十 六进制数
计算机使用的容量单位
– 1 Kilobyte(K/KB)=210 bytes=1,024 bytes – 1 Megabyte(M/MB)=220 bytes=1,048,576 bytes – 1 Gigabyte(G/GB)=230 bytes=1,073,741,824 bytes – 1 Terabyte(T/TB)=240 bytes=1,099,511,627,776 bytes
RAM
M1 两数相加 M2 结果放入M3 M3
M1
指令寄存器
两数相加
ALU 4+5
4. 根据指令，控 制器从内存中取 出指令相应的操 作数，指示ALU 进行运算或改变 指令计数器的内 存地址
指令
• 计算机指令是计算机硬件能够识别并 直接执行的操作命令，又称为机器指 令
– 明确规定做什么，怎么做
• 每种类型的处理器都有自己的指令系 统
第一章
微型计算机硬件基础
主题
• 基础知识 • 计算机系统结构 • 微型计算机硬件组成
– 微处理器 – 存储器 – 输入输出接口、设备
数的表示
–二进制数与十进制数 –二进制数与十六进制数
二进制数
• 在计算机内部任何数据和程序都是以二进 制的形式存储和处理的 • 二进制只有0和1两种符号，逢二进一 • 二进制的计数有两种基本单位 bit 和 byte
字（word）
• 字：由若干个字节构成，字的位数叫做字 长，不同档次的机器有不同的字长。 • 例：
– 8位机，1个字 = 1个字节，字长：8位 – 16位机，1个字 = 2个字节，字长：16位 – 64位机，1个字 = 8个字节，字长：64位
• 字是计算机一次数据处理和运算的单位， 是计算机性能的一个重要指标。
主题
• 基础知识 • 计算机系统结构 • 微型计算机硬件组成
– 微处理器 – 存储器 – 输入输出接口、设备
体系结构
• Von Neumann • “计算机” 定义 设备:
– 接收输入 – 处理数据 – 存储数据 – 产生输出
体系结构图（ Architecture ）
接收输入
数据 指令 输入设备
– 微处理器 – 存储器、总线 – 输入输出接口、设备
存储器体系
由不同容量、成本和访问时间的存储 设备多级层次结构
更小、更 快、成本 更高的设 备
更大、 更慢、 更便宜 的设备
CPU 寄存器
高速缓冲存储器
主存储器
本地磁盘、CD、 DVD等设备
分布式文件系统、 Web服务
辅助存储器
大容量存储器
总线
流水线技术
超标量技术
CPU内部有多条的流水线，并行执行
算术逻辑单元 地址生成器 缓存接口 内部寄存器 执行单元
超线程技术（HT）
CPU内部有多个逻辑处理器，并行执行
多核心技术
CPU内部有多个物理处理器，并行执行
主题
• 基础知识 • 计算机系统结构 • 微型计算机硬件组成