第2章微型计算机硬件系统

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2.3.3 CPU
1. CPU的组成 CPU是整个计算机系统的核心。主要包括： 运算器 控制器 寄存器
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2. CPU的主要性能指标
CPU字长：CPU一次能够处理的二进制位，也是CPU内部各寄存器 之间一次能够传递的数据位，由内部数据总线决定，反映CPU内部 运算速度和效率。 位宽：CPU通过外部数据总线与外部设备之间一次能够传递的数据 位。 x位CPU：通常用CPU字长和位宽来称呼CPU。 如：Pentium CPU字长是32位，位宽是64位，称为超32位CPU。 80286 CPU字长和位宽都是16位，则称为16位CPU。 CPU外频 ：CPU总线频率，由主板为CPU提供的基准时钟频率。 CPU主频 ：CPU内核电路的实际工作频率。 制造工艺：用微米（μm）或纳米(nm)来描述，指集成电路内电路 与电路之间的距离。距离越小表示生产工艺越先进，集成度越高。
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1. 主板架构
USB: Universal Serial Bus， 通用串行总线 AGP: Advanced Graphic Port， 增强图形接口 PCI: Peripheral Component Interconnect, 外部设备互联
主板结构类型：主板上各元器件的布局排列方式和主板的大小 、形状及所使用的电源规格等。例如： AT：已淘汰 ATX：目前最常用的主板结构；NLX：ATX的变种 BTX：英特尔公司制定的一种新型主板结构 EATX、WATX：多用于服务器、工作站 主板结构：开放式结构。包括： CPU插座；控制芯片组；BIOS芯片；内存条插槽；软盘接口 ；硬盘接口；串行接口；并行接口；USB接口；AGP总线扩展 槽；PCI局部总线扩展槽；键盘、鼠标接口；多媒体和通信设备 接口等。
内存条具有不同规格、不同容量
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(2) 只读存储器(Read Only Memory，简称ROM) ROM 中一般存放计算机系统管理程序，由制造商进行 写入并固化。
CPU对它们只取不存，其信息用户无法修改。 断电时信息不会丢失。 ROM种类： ROM、PROM、EPROM、EEPROM…… 例如：BIOS（Basic Input-Output System）：基本输入 输出系统，保存计算机系统中最重要信息，固化到主板 上的一个ROM芯片上。
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(3) 高速缓冲存储器Cache 一般采用静态随机存取存储器SRAM。 访问速度是DRAM的10倍左右。 是介于 CPU 和内存之间的一种可高速存取信息的芯片， 用于解决它们之间的速度冲突问题。 通常分为两类： 一级 Cache ：在 CPU 内部，负责 CPU 内部寄存器与外 部Cache之间的缓冲。 二级 Cache ：在 CPU 外部，负责 CPU 与内存之间的缓 冲。
BIOS: Basic Input Output System ,基本输入输出系统
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主板：
内存插槽
CPU插槽
芯片组
并行接口
USB接口 接口卡
总线插槽
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2. 芯片组
IDE: Integrated Device Electronics 集成设备电子部件，接口标准
芯片组决定了主板的结构及CPU的使用，控制整个主板的 运作。 外观：
对内存的读写操作由控制器控制
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2. 控制器 功能：控制计算机各部件有条不紊地工作，按以下步骤 进行： （1）从存储器取出指令 （2）分析指令 （3）向其他部件发出控制信号 主要部件： 指令寄存器 指令译码器 时序电路和控制电路 运算器和控制器一起称为CPU：Central Processing Unit
器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。因
为高速缓冲存储器总是比主RAM 存储器速度快，所以当 RAM 的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓 冲存储器。
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2. 外部存储器 外存中的数据一般不能直接送到处理器，只能成批地将
数据先转运到内存，再进行处理。
例如： 软盘 硬盘 磁盘阵列RAID
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2.2 计算机基本工作原理
计算机通过执行程序来完成各种复杂的计算或处理。 程序由一系列指令组成，由编程人员编写。 指令是计算机能够识别并执行的用于完成一定功能的 命令。
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2.2.1 指令和指令系统
1.指令 能被计算机识别并执行的的二进制代码，每条指令完成 某种操作。 2.指令的组成 操作数 操作码 操作码 要完成的操作类型或性质，如取数、加法、减法等 操作码的位数决定了指令的条数 操作数 操作的内容或所在的地址 操作数多数情况下是数据所在的地址，称为地址码。 3.指令系统： 一台计算机的所能识别的指令的集合。
根据芯片的功能，可分为南桥芯片和北桥芯片。 南桥芯片：主要负责I/O接口控制、IDE设备（硬盘 等）控制以及高级能源管理等。 北桥芯片：负责与CPU的联系并控制内存、AGP、 PCI数据在北桥内部传输，由于北桥芯片的发热量较 高，所以芯片上会装有散热片。
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南桥芯片和北桥芯片：
北桥芯片离CPU较近
第2章 微型计算机硬件系统
2.1 计算机系统概述
2.2 计算机基本工作原理
2.3 微型计算机硬件组成
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2.1 计算机系统概述
计算机系统分为：硬件+软件
硬件
软件
系统软件 应用软件
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2.1.1 计算机系统构成
CPU 主机
内存 运算器 寄存器 控制器
硬件
计 算 机 系 统 外部设备
随机存储器(RAM) 只读存储器(ROM) 高速缓冲存储器(Cache)
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指令执行过程示例：
起始地址 地址 自动加1 ⑨ 指令寄 存器 程序计数器PC 0100H 操作码 地址码 07H 0270H ① …… 内容 …… 程 序 区
0100H 070270H ② ⑤ …… …… 0270H 数据
0101H
③
控制器 译码器 ④ 操作控制线路 ⑦ 累加器 算术、逻辑运算 ⑧
随机存取存储器RAM
只读存储器ROM 高速缓冲存储器Cache
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(1) 随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM) 通常所说的内存容量均指RAM存储器容量，也称主存 CPU对它们既可读出又可写入数据 分类： 动态随机存储器DRAM 静态随机存储器SRAM 目前广泛使用动态随机存储器（DRAM） 制作成内存条的形式，插在主板插槽上
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2.1.2 计算机系统的层次关系
人
用户 应用程序 应用程序 语言处理系统 操作系统 硬件系统
操作系统
裸机
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2.1.3 冯•诺依曼计算机的基本组成
冯.诺依曼结构的主要特点： 计算机由5个基本部分组成 运算器 控制器
输 入 设 备 存储器 外存储器 输 出 设 备
内存储器 处理器
存储器
输入、输出设备 程序与数据一样存放在存 储器中,需要按地址访问。 程序和数据都以二进制表 示。
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数 据 区 ⑥
运算器
2. 程序执行过程
程序：由一系列指令构成，完成特定的功能。 CPU不断的取指令、分析指令、执行指令，这就是程序的执行 过程。
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2.3 微型计算机硬件组成
微型计算机与大中小型计算机的区别：采用大规模和 超大规模集成电路技术
微型计算机的CPU称为微处理器（MPU,Micro
运算器
控制器
数据流
控制流
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1. 运算器 功能：进行算术运算和逻辑运算 算术运算：加、减、乘、除等 逻辑运算：与、或、非、比较大小等 复杂运算都要转换为以上基本运算后一步一步地实现 包括：ALU（算术逻辑单元，Arithmetic and Logic Unit）；寄存器。
数据来自内存，运算结果又送回内存
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内存储器的访问过程
例：向[0001]单元写数据
地址
地址0001
存储单元 11101101 10000000 11001101 11101101 11101001 11101101 10001101 10001101 11101101
控制:写
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
L1 Cache CPU L2 Cache RAM
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什么是高速缓存技术？ 高速缓存是一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁 使用的数据，以利于CPU快速访问。高速缓冲存储器存储 了频繁访问的 RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。 当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检 查是否存有该地址。如果存有该地址，则将数据返回处理
Processing Unit）
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2.3.1 微型计算机的主要性能指标
CPU指标：CPU字长、时钟频率。
运算速度：通常指每秒钟所能执行的指令条数。
内存容量：内存储器存储数据的能力。
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目前流行的微机基本组成:主机；外设(显示器；键盘)
主机：台式机的主机安装在主机箱内，主机箱包括：
主板（又称：主机板；母板）
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3. 存储器
功能：存放程序和数据 组成：由一些记忆单元组成，每个记忆单元由8位二进制位组成 存储器读操作：从存储器中取出信息 存储器写操作：把信息保存到存储器中 类型： （1）内存储器(内存、主存)：通常是半导体存储器 信息交流中心，与各个部件打交道 造价相对较高，容量受限制 不能长期保存数据（RAM） 内存的存取速度直接影响计算机的速度 （2）外存储器（辅存）：磁盘、磁带、光盘等 主要用来长期保存暂时不用的程序和数据,容量较大 通常只和内存打交道，存取速度相对内存慢
数据
10000000
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4. 输入设备 功能：接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为 计算机可以识别的形式（二进制代码），存放到内存中。 常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、写字板、麦克风等。