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揭开计算机的面纱
计算机硬件系统的构成
计算机硬件系统的构成部件
计算机硬件系统组成
中央处理器（CPU）
存 储 系 统
指令系统
计算机系统的基本构成
中央处理器一般也称为CPU，是计算机的核心，具有运算能力和控制功能。
计算机由CPU、内存储器、输入输出接口电路和系统总线构成，通常称为计算机主机 。
计算机系统是以计算机为主体，并配上外设和系统软件之后构成的软硬件系统。
我们通常所说的“计算机”，其准确的名称应该是计算机系统。
计算机硬件系统
计算机硬件系统是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。
目前的计算机硬件系统采用的仍是计算机的经典结构——冯·诺依曼结构，即采用总线结构将运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件连接起来。
其中，运算器和控制器构成了计算机的核心部件——中央处理器（Center Process Unit，简称CPU）。
数据流
控制流
各部分的功能：
运算器：算术运算或逻辑运算
控制器：取指令、译码、执行指令
存储器：保存信息
内存：ROM(只读存储器)
RAM(随机存储器，断电后信息全部丢失)
外存：磁盘(软盘、硬盘)、光盘、磁带
输入设备：输入数据(键盘、鼠标、扫描仪、光笔等)
输出设备：输出数据(显示器、打印机、绘图仪等)
中央处理器
控制器与运算器合在一起，制成一块芯片，称为中央处理器（机），简称 CPU 。
控制器：指挥计算机各部件按照指令功能的要求进行操作。它从存储器中取指令、分析、解释、执行计算机指令，产生控制信号，控制计算机各部件协调工作，实现相应的功能。
总线（BUS）
CPU对外的标准信号连接线，称为总线。
包括地址总线、数据总线和控制总线。
运算器（ALU）：实现算数逻辑运算。
CPU 结构与系统总线
指令和程序
指令是对计算机进行程序控制的最小单位，一个CPU能够执行的所有指令的集合称为该CPU的指令系统。
程序是人们为解决某项任务而编写的指令的有序集合。指令的不同组合方式，可以构成完成不同任务的程序。
指令格式
操作码
地址码
执行什么操作
数据在存储器中的存放位置
计算机的工作过程
计算机的工作过程就是执行程序的过程。
在运行程序之前，首先通过输入设备将编好的程序和原始数据输送到计算机内存储器中，然后按照指令的顺序，依次执行指令。
执行一条指令的过程是：
读取指令：从内存储器中取出要执行的指令送到 CPU 内部的指令寄存器暂存
分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的操作
执行指令：CPU向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作
微型机主机的逻辑结构
内存，又称主存，是微型机主机的组成部分，存放当前正在使用或随时要使用的程序和数据，是CPU可以直接访问的存储器。
CPU
控制器
运算器
寄存器
微处理器是计算机硬件系统的核心部件，负责控制和协调整个计算机系统的工作
Cache
计算机后面板I/O接口
主机与外设之间不能直接进行信息交换，必须通过I/O接口才能完成信息传送。
I/O接口所起的作用是：
数据缓冲。解决高速主机与低速外设间的矛盾
信号格式配合。处理外设与CPU之间不同的信息格式，如A/D、D/A转换，串/并、并/串转换
电平和驱动能力配合。使外设和主机的信号电平一致，并提高CPU信号的驱动能力
时序配合。使主机与外设协调工作
设备选择。每台外设都有设备地址
微型计算机概述
主要性能指标：字长、主频、内存容量、运算速度
分类：
按组成结构分单片机、单板机、多板机
按用途分台式、便携式、手持式
发展方向：
高速化 P4主频达3.40GHz
超小型化 笔记本电脑
多媒体化 多媒体处理器
网络化 网络计算机
隐形化 电视或影音计算机
计算机的总线
总线是计算机传输指令、数据和地址的通道，是计算机各部件联系的纽带。
按照传送信息的类型，总线分为：数据总线(用于传送数据,位数等于机器字长)、地址总线(用来传送存储单元或输入输出接口的地址信号，位数决定存储器的最大容量,如24位总线的寻址数为224=16M个地址 )、控制总线(传送控制器的各种控制信号 )。
按照总线在计算机中的位置可以分为内部总线和外部总线。
微机的结构示意图
ISA总线：工业标准总线，16位，8MHz，数据传输率8Mb/s，寻址空间1MB，常用于80286至80486微处理器
PCI总线：外部设备互联总线，Intel公司1991年推出，32或64位，33MHz，数据传输率133Mb/s，常用于Pentium微处理器
AGP是Intel公司推出的新一代图形显示卡专用总线，AGP显示卡同主板芯片组直接相连，大幅提高了电脑对3D图形的显示能力，32位，66.6MHz，其视频信号的传送速率可以从PCI总线的133MB/s提高到266 MB/s、 533MB/s、1.064 GB/s和2.128GB/s。
微型机主机的物理构成
微型计算机的主机板
CPU插座
内存条插槽
串行接口
AGP扩展槽
PCI扩展槽
北桥芯片
南桥芯片
北桥芯片提供对CPU、内存、AGP显卡等高速部件的支持以及与PCI总线的桥接；
南桥芯片提供对键盘接口、鼠标接口、实时时钟控制器、串行口、并行口、USB接口及磁盘驱动器接口的支持，以及与ISA总线的桥接。
BIOS是一组有关微机系统最重要的基本输入输出程序，固化在微机主板上的一个ROM芯片中。
BIOS功能主要有：
上电自检。微机接通电源后，系统首先由POST程序来对内部各个设备进行检查。
系统初始化(含可编程接口芯片的初始化)，设置BIOS中包含的中断服务程序的中断矢量
启动自举程序。将操作系统中的初始引导程序装入内存，并由引导程序来完成操作系统的顺利启动。
BIOS系统设置程序。
BIOS
　请问计算机硬件与操作系统之间是通什么连接的呢？？
　　BIOS是什么意思？？
BIOS的简介
　　BIOS是计算机硬件与操作系统的接口．
　　BIOS的全称为Base Input Output Sytem,
叫基本的输入输出系统．
BIOS既属于软件又属于硬件，它的主体是程序和数据，本质是软件；而用来存储它的Flash ROM芯片才是硬件．
　　那我们叫它硬件？软件？
　　　　我们来回答上面的问题，如果把它分开软件与硬件的属性都有．这样就不好叫了，因此在在ＩＴ文献中把BIOS归为Firmware－－固件，这样似乎更合理．
BIOS的几大版本
　　目前BIOS有三大版本，它们是Award BIOS﹑AMI BIOS﹑
Phoenix BIOS等等．
　　
BIOS功能
1、启动电脑时：自检、初始化、加载操作系统
2、程序服务处理：为应用程序和操作系统提供主要与输入输出设备有关的服务
3、硬件中断处理
存储器
计算机用来存放程序和数据的记忆部件，是计算机各种信息（数据）存放和交流的中心。
按存储介质分类：半导体器件、磁性材料、光学材料
基本功能：在控制器的控制下按照指令中的地址存入或取出数据。
存储器的性能指标
存储容量:
存储器容量的基本单位，字节 Byte — 8 位。
1 KB ＝ 1024 Bytes
1 MB ＝ 1024 KB
1 GB ＝ 1024 MB
1 TB ＝ 1024 GB
K（千）、M（兆）、
G（千兆，吉）、T（兆兆，太拉）
存储周期（速度）:
对内存进行一次读写操作，到可进行下一次读写操作的全部耗时。
存储器价格:
C/S（总价/容量）
** 三个指标相互制约
通用寄存器堆
指令和数据缓冲栈
Cache
（静态随机存储器SRAM）
主存储器（动态随机存储器DRAM）
联机外部存储器（磁盘存储器等）
脱机外部存储器（磁带、光盘、优盘）
第1层
第2层
第3层
第4层
第5层
第6层
存储容量越来越大，每位的价格越来越便宜
访问速度越来越快
CPU内部
存储器系统的层次结构
存储器的主要性能特性
存储器
层次
通用
寄存器
缓冲
栈
Cache
主
存储器
磁盘
存储器
脱机
存储器
存储周期
<10ns
<10ns
10～60
ns
60～300
ns
10～30
ms
2～20
min
存储容量
<512B
512B
8KB～2MB
32MB～1GB
1GB～1TB
5GB～10TB
价格
很高
很高
较高
高
较低
低
材料工艺
ECL
ECL
SRAM
DRAM
磁表面
磁、光等
** Ms（毫秒），μs（微秒），ns（毫微秒）
1s=1000ms，1ms=1000 μs
存储器分类
主存（内存）：
由中央处理器直接访问的存储器，常由两种半导体芯片 — 随机存取存储器 RAM 和只读存储器 ROM 组成。
辅存（外存）：
用来存放大量的暂时不参加运算或处理的信息，可成批的与内存交换信息。
RAMBUS内存条
DDR 内存条
硬盘
磁盘片
磁头
马达
磁头驱动
辅助电路
软盘
写保护
磁带
光盘驱动器
优盘
机器指令
是指示计算机如何工作的工作步骤，由一串二进制码组成，分为操作码、地址码、结果存放地址。
例： 　0110000010000001
0110：表示加法操作
000010：源操作数地址在2号寄存器中。
000001：目的操作数的地址在1号寄存器中。
指令的含义：将2 号寄存器中的数据与1号寄存器中的数据相加，其结果存放在１号寄存器中。
指令系统
一台计算机中，所有机器指令的集合，称为指令系统。
** 指令系统是软件设计者的最底层设计语言；是硬件设计者的依据。
CISC 与 RISC
从微处理器的指令系统来看，有 2 种分支走向，一个是 CISC，一个是 RISC。
CISC（即复杂指令系统计算机）：最初，人们为了更自由、方便地编写程序，希望指令的类型更多、功能更完善，而使指令系统变得越来越复杂，长短也不一。这就是 CISC 形成的由来。
于是，人们提出了 RISC（精简指令系统计算机） 方案。该方案只保留了为数不多的简单指令并统一了指令中所包含的基本操作数目，也就是使指令长短基本一致，以便于使用流水线，
20 世纪 70 年代中期，人们发现 CISC 中只有20％ 的指令被频繁使用，其余的 80％ 则难得一用，这部分指令正是使程序执行时间变长的症结所在。
微处理器执行一条指令往往要分若干步完成，这相当于加工一个零件需要若干工序。CISC 的 指令长短参差不齐，无法使用流水线，而 RISC 的指令长短一样，包括的工序(操作)数也一样，可以放在流水线上执行。如果有一条 4 工位的流水线，便可把 4 条指令同时放在流水线的不同工位上顺序地前进。每一时钟周期 (相当于流水线的加工节奏) ，便可同时完成 4 个工位的操作，这就使处理器的速度提高了 3 倍。
尽管 RISC 的性价比比 CISC 好得多，但由于CISC 长期积累起来的软件资源很难一下子移植到 RISC 上，所以，长期以来形成了工作站领域使用 RISC 微处理器，如 SPARC、MIPSx000，PC 机领域使用 CISC 微处理器这种两者并存的局面。在此期间，CISC 也不断汲取 RISC 技术以提高自己的竞争力，如从奔腾开始也采用流水线技术。
程序
为解决某个问题而设计的一个有序指令的集合。
例：
0110000010000001 (加法)
0110000010000001 (加法)
0100000001000010 (减法)
0100000001000010 (减法)
存储程序和程序控制原理
将事先编制好的程序，输入到计算机中，存放在内存储器里。（存储程序原理）
运行时，控制器按地址顺序依次取出存放在内存的指令，并分析指令、执行指令的相应功能。（程序控制原理）
计算机的工作过程
1. 控制器控制输入设备将数据和程序从输入设备输入到内存储器。
2.在控制器控制下, 从存储器取出指令送入控制器。
3.控制器分析指令，控制运算器、存储器执行指令规定的操作。
4. 运算结果由控制器送存储器保存或送输出设备输出。
5.返回第 2 步，继续取下一条指令，直至程序结束。

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