第 2 章计算机组成原理考点.docx
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第2章计算机组成原理考点
第2章计算机组成原理
★出题方向提示.
●计算机硬件的组成及其功能;计算机的分类;微处理器.
●CPU的结构;指令与指令系统;指令的执行过程;CPU的险能指标.
●PC机的主板、芯片组与BIOS;Cache存储器与主存储器
●PC机I/O操作的原理;I/O总线与I/O接口.
●常用输入设备(健盘、鼠标器、扫描仪、数码相机)的功能、性能指标及基本工作原理.
●常用偷出设备〔显示器、打印机〕的功能、分类、性能指标及基本工作原理.
●常用外存储器〔软盘、硬盘、光盘〕的功能、分类、性能指标及基本工作原理.
★考核知识要点、重点、难点精解
★考点1*:
计算机硬件的组成及其功能
计算机硬件主要包括中央处理器(CPU)、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等,它们通过系统总线互相连接
1.输入设备
(1)输入设备的概念
用来向计算机输入信息的设备通称为“输入设备”。
(2)输入设备的分类
输入设备有多种,例如,数字和文字输入设各(键盘、写字板等),位置和命令输入设备(鼠标器、触摸屏等),图形输入设备(扫描仪,数码相机等),声音输入设各(麦克风、MIDI演奏器等),视频输入设备(摄像机),温度、压力输入设备.(温度、压力传感器)等。
注意:
输入到计算机中的信息都使用二进位(“0”和“1")来表示。
2中央处理器(CPU)
负责对输入信息进行各种处理(例如计算、排序、分类、检索等)的部件称为“处理器”。
注意:
一台计算机中往往有多个处理器,它们各有其不同的任务,有的用于绘图,有的用于通信.其中承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为“中央处理器(CPU),它是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。
3.内存储器
(l)内存储器的概念
计算机的一个重要特性是它具有强大的“记忆”功能,能够把程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等)储存起来,具有这种功能的部件就是“存储器”。
(2)内存的工作原理
内存是存取速度快而容量相对较小(因成本较高)的一类存储器。
内存储器直接与CPU相连接,是计算机中的工作存储器,它用来存放正在运行的程序和需要立即处理的数据。
CPU工作时,它所执行的指令及处理的数据都是从内存中取出的,产生的结果也存放在内存中。
4.外存储器
外存则是存取速度较慢而容量相对很大的一类存储器。
外存储器也称为辅助存储器,其存储容量很大,它能长期存放计算机系统中几乎所有的信息。
计算机执行程序时,外存中的程序及相关的数据必须先传送到内存,然后才能被CPU使用。
5.输出设备
用于从计算机输出信息的设备称为“输出设备”。
它们的功能是把计算机中用"0"和"l"表示的信息转换成为人可直接识别和感知的形式。
计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式。
例如在PC机中,显示器、打印机、绘图仪等都是输出文字和图形的设备,音箱是输出语音和音乐的设备。
6.系统总线与l/0接口
(1)系统总线
系统总线是用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一种部件(含传输线和控制电路)。
有些计算机把用于连接CPU和内存的总线称为系统总线(或CPU总线、前端总线),把连接内存和I/O设备(包括外存)的总线称为I/O总线。
(2)I/O接口
计算机系统中的I/O设备一般都通过I/O接口与各自的控制器连接,然后由控制器与I/O总线相连。
常用的I/O接口有并行口、串行口、视频口、USB口等。
★考点2:
计算机的分类
1.根据计算机的内部逻辑结构分类
按计算机的内部逻辑结构进行分类,可分为单处理机与多处理机(并行机),16位机、32位机或64位计算机等。
2.根据计算机的性能、用途和价格分类
按计算机的性能、用途和价格进行分类,通常把计算机分成下面的四大类:
(1)巨型计算机
巨型计算机也称超级计算机。
(2)大型计算机
大型计算机指运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机。
CPU通常有4、8、16、32个甚至更多处理器。
(3)小型计算机
小型计算机是一种供部门使用的计算机。
(4)个人计算机
个人计算机(简称PC)也称个人电脑、PC机或微型计算机。
个人计算机的特点是价格便宜,使用方便,软件丰富,性能不断提高,适合办公或家庭使用。
★考点3:
微处理器
1.微处理器的概念
微处理器简称uP或MP,通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的部件。
还有一种把处理器、存储器、输入/输出接口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电路,称为微控制器,也叫单片机,它们多半以嵌入方式大量地使用在智能仪表、智能玩具、外围设备、数字家电和通信设备等产品中。
2.微处理器的发展
由于集成电路技术进步神速,微处理器自1971年问世以来,它就得到了异乎寻常的发展,其主要标志就是微处理器的字长、结构、功能、晶体管数目和工作频率的变化。
3.微处理器的发展历程简述
(1)4位和8位的微处理器,如Apple一II微型计算机采用8位的微处理器。
(2)16位的微处理器,代表是Intel8086。
(3)32位的微处理器,如Intel公司的80386和80486微处理器。
(4)Pentium(奔腾)微处理器,集成了310万个晶体管,速度超过100MIPS(MIPS表示每秒钟可完成100万次整数运算)
(5)随后,PentiumMMX、PentiumPro以及Pentium11、Pentium111和Pentium4微处理器。
★考点4:
CPU的结构
1.CPU的任务
CPU的主要任务是执行指令,它按照指令的要求完成对数据的运算和处理。
2.CPU的结构
CPU的结构主要由三个部分组成:
(1)寄存器组
它由十几个甚至几十个寄存器组成。
寄存器的速度很快,它们用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间(或最后)结果。
需要运算器处理的数据总是预先从内存传送到寄存器;运算结果不再需要继续参加运算时就从寄存器保存到内存。
(2)运算器
用来对数据进行加、减、乘、除或者与、或、非等各种基本的运算和逻辑运算,所以也称为算术逻辑部件(ALU)。
(3)控制器
这是CPU的指挥中心。
控制器有一个指令计数器,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。
控制器中还有一个指令寄存器,它用来保存当前正在执行的指令,通过译码器解释该指令的含义,控制运算器的操作,记录CPU的内部状态等。
注意:
迄今为止,我们所使用的计算机都是按照匈牙利数学家冯·诺依曼提出的“存储程序控制”的原理进行工作的。
★考点5:
指令与指令系统
1.指令的概述
在计算机内部,程序是由一连串指令组成的,指令是构成程序的基本单位。
指令采用二进位表示,它用来规定计算机执行什么操作。
2.指令的组成
大多数情况下,指令由两个部分组成,格式如下:
操作码
操作数地址
(1)操作码
指出计算机应执行何种操作的一个命令词,例如加、减、乘、除、取数、存数等,每一种操作均有各自的代码,称为操作码。
(2)操作数地址
指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置。
操作数地址可能是1个、2个甚至多个,这需要由操作码决定。
3.指令的执行过程
指令的执行过程如下:
(1)CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器。
(2)指令寄存器中的指令经过译码,决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里。
(3)根据操作数的位置取出操作数。
(4)运算器按照操作码的要求,对操作数完成规定的运算,并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志。
(5)把运算结果保存到指定的寄存器,需要时将结果从寄存器保存至内存单元。
(6)修改指令计数器,决定下一条指令的地址。
4.指令的分类
通常,指令系统中有数以百计的不同的指令,它们分成许多类,例如在Pentinm4处理器中共有六大类指令,即数据传送类、算术运算类、逻辑运算类、移位操作类、位(位串)操作类、控制转移类、输入/输出类等。
每一类指令(如数据传送类、算术运算类)又按照操作数的性质(如整数还是实数)、长度(16位、32位、64位、128位等)等区分为许多不同的指令。
注意:
每一种CPU都有它自己独特的一组指令。
CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统或指令组。
★考点6:
CPU的性能指标
CPU的主要性能指标如下:
1.字长
字长指的是计算机一次能够处理的二进制代码的位数。
字长越大,表示数的有效位越多,计算机处理数据的精度也就越高。
因此,字长是衡量计算机精度的重要因素。
目前,微机的字长有8位、16位、32位、64位。
2.主频
主频也称为时钟频率,指的是CPU每秒平均所能运行的次数,单位是MHz(兆赫)。
主频的大小直接影响着计算机的运算速度,主频越高,计算机的运算速度就越快。
例如:
486的主频一般为25MHz~100Mz;586的主频己达到550MHz,甚至1GHz以上。
3.运算速度
运算速度指的是计算机每秒所能执行指令的条数,单位是MIPS(百万条指令每秒)或MFLOPS(百万条浮点指令每秒)。
运算速度是衡量计算机运算快慢的指标。
目前,计算机的运算速度己达到300MIPS以上。
4.内存容量
内存容量指的是计算机内存储器所能存储信息的字节数,单位是字节。
内存容量的大小直接影响到整机的性能和软件的运行效率,内存容量越大,所能存储的数据和运行的程序就越多,运算速度就越快,微机处理数据的能力也就越强。
目前,微机的内存己达到512MB以上。
5.存储周期
存储周期指的是对内存储器进行一次完整的存取操作(读操作或写操作)所需的时间,单位是微秒(μs)或纳秒(ns)。
存储周期是直接影响计算机速度的一个技术指标。
6.RAS技术
RAS技术指的是可靠性(Reliability)、可维护性(Auliability)和可使用性(Serviceabijity)。
它们的具体含义如下:
(l)可靠性:
计算机系统无故障的平均工作时间。
(2)可维护性:
计算机的维修效率,一般用故障平均排除时间来表示。
(3)可使用性:
计算机的使用效率,一般用系统地执行任务的任意时刻所能正常工作的概率来表示。
★考点7:
PC机的主板
1.主板又称母板,在主板上通常安装有CPU插座(或插槽)、CPU调压器、主板芯片组、存储器插座、总线插槽、ROMBIOS、时钟/CMOS、电池、超级I/O芯片等。
2.CPU和存储器芯片分别通过主板上的CPU插座和存储器插座安装在主板上。
3.PC机常用外围设备主要通过一些扩充长(例如声音卡、视频卡等,也叫做适配器或控制器)与主板相连,扩充卡通过卡上的印刷插头插在主板上的PCI总线插槽中。
4.CRT显示器通过插入AGP插槽的图形长与主板相连。
5.随着集成电路的发展和计算机设计技术的进步,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、声卡等控制电路都可以集成在主板上)。
6.主板上还有两块特别有用的集成电路:
一块是只读存储器(ROM),其中存放的是基本输入/输出系统(BIOS);另一个集成电路芯片是CMOS存储器,其中存放着用户对计算机硬件所设置的一些参数(称为“配置信息”)。
★考点8:
PC机的芯片组
芯片组是PC机各组成部分的枢纽,主板上的所有控制功能几乎都集成在芯片组内,它既实现了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。
芯片组一般由2一4块超大规模集成电路组成。
注意:
CPU类型或参数不同时,需要使用不同的芯片组。
CPU的系统时钟及各种与其同步的时钟均由芯片组提供。
芯片组还决定了主板上所能安装的内存最大容量、速度及可使用的内存条的类型。
★考点9:
BIOS
1.B10S概念
BIOS的中文名叫做基本输入/输出系统,它是存放在主板上只读存储器(ROM)芯片中的一组机器语言程序,基有启动计算机工作,诊断计算机故障及控制低级输入输出操作的功能。
2.BIOS的组成
B10S主要包含四个部分的程序:
(1)POST(加电自检)程序。
(2)系统自举(装入)程序。
(3)CMOS设置程序。
(4)基本外围设备的驱动程序。
3.CMOS设置程序
在PC机执行自举程序之前,用户若按下某一热键(如Del键或其他键,各种BIOS的规定不同),就可以启动CMOS设置程序。
一般来说,在下列情况下需要启动CMOS设置程序对系统进行设置:
(1)PC机组装好之后第一次加电。
(2)系统增加、减少或更换硬件或I/O设备。
(3)CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改。
(4)用户希望更改或设置系统的口令。
(5)系统因某种需要而调整某些参数。
★考点10*:
存储器
存储器是计算机的记忆装置,用于存储程序和数据等各种信息。
存储器分为内存储器和外存储器两大类。
1.内存储器
内存储器又称为主存储器,简称为内存或主存。
内存位于主机的内部,容量较小,但它与运算器和控制器直接相连,能与CPU直接交换信息,因此存取速度较快。
内存储器分为只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)两部分。
目前,微机中内存容量一般指的是RAM的容量。
注意:
在计算机中,通常将CPU和内存的组合称为主机
(1)只读存储器(ROM)
只读存储器(ROM)的特点是:
存储的信息只能读出,不能写入;断电后,ROM中的信息不会丢失。
只读存储器分为掩膜ROM、PROM、EPROM和EEPROM(E2PROM)。
MaskROM(掩膜ROM)
掩膜ROM上的程序和数据是由生产厂家采用掩膜技术直接固定在上面,出厂后用户只能读取不能改写。
PROM
PROM称为可编程只读存储器,也称为一次写入的ROM。
PROM允许用户一次性地写入程序和数据,然后将其固化,内容不能更改。
EPROM
EPROM称为可擦除可编程只读存储器。
它允许用户多次写入信息。
重新写入信息的方法是:
通过紫外线照射EPROM,擦除原有的信息,然后就可以再次输入新信息。
FlashROM
E2PROM称为电擦除可编程只读存储器,其性能与EPROM相同。
但在重新写入信息时,其擦除的方式与EPROM不同,它使用电来擦除原有信息。
(2)随机存储器(RAM)
随机存储器(RAM)是易失性存储器,其特点是:
可以随机读取或写入信息;计算机一旦断电后,RAM中的信息将全部丢失,且不可恢复。
随机存储器可分为静态随机存储器(SRAM)和动态随机存储器(DRAM)两种。
静态随机存储器(SRAM)
静态随机存储器(SRAM)采用双极性型晶体管触发器作为记忆元件,只要不断电,信息就可以长期保存。
SRAM的优点是存取速度快,不需要刷新,工作状态稳定;SRAM的缺点是集成度较低,价格昂贵。
动态随机存储器(DRAM)
动态随机存储器(DRAM)采用MOS电路和电容作为记忆元件。
由于电容会放电,因此为了不断地补充被释放的电荷,就必须定时对所存的信息进行刷新。
DRAM的优点是集成度高,功耗低,价格便宜;DRAM的缺点是存储速度慢,需要不断地刷新。
(3)高速缓冲存储器(Cache)
在微机中,CPU的速度在不断提高,而内存的存储速度却慢于CPU。
为了能够解决内存与CPU速度不匹配的问题,更快地存取数据,产生了位于CPU与内存之间的高速缓冲存储器Cache。
Cache的存储速度与CPU相当。
因此,只要将内存中当前常用的信息放在Cache中,当CPU向内存读取信息时,就会首先访问Cache,存取速度也就随之迅速提高了。
2.外存储器
外存储器简称为外存或辅存。
外存储器不能与CPU直接交换信息,它必须通过内存储器才能与CPU进行信息交换,因此存储速度较慢。
但外存储器的容量大、可以移动、便于不同计算机之间进行信息交流并且价格低廉。
在微型计算机中,常见的外存储器有软盘、硬盘、光盘和磁带等。
★考点11:
PC机I/O操作的原理
1.I/O操作
I/O操作的任务是将输入设备输入的信息送入内存的指定区域,或者将内存指定区域的内容送出到输出设备。
2.I/O操作的特点
与CPU执行的算术逻辑操作相比,I/O操作有许多不同的特点。
(l)多数I/O设备在操作过程中包含机械动作,其工作速度比CPU慢得多。
为了提高系统的效率,I/O操作与CPU的数据处理操作往往是并行进行的。
(2)多个I/O设备必须能同时进行工作(例如一面键盘输入,一面屏幕显示,同时还进行打印输出等)
(3)除了键盘、显示器、鼠标器等基本的I/O设备之外,不同计算机所配置的I/O设备数量、品种和性能差别很大,且经常需要增减和更新。
(4)I/O设备的种类繁多,性能各异,操作控制的复杂程度相差很大,与计算机主机的连接也各不租同。
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,直到I/O操作完成,最后再通知CPU。
3.PC机中I/O的操作过程
CPU通过执行INPUT指令和OUTPUT指令向I/O控制器发出启动I/O操作(例如读光盘数据)的命令。
I/O控制器接受命令后,负责对I/O设备进行全程控制,不再需要CPU的过问和干预。
它首先向I/O设备(光盘)下达操作命令(读),在收到设备的应答信号(如盘片己装入驱动器)之后,就向DMA控制器(在芯片组内部)发出请求数据传输的要求,获得认可后,就启动I/O设备进行数据传输(数据从光盘传输到内存储器)。
在执行数据传输操作时,借助于DMA(直接存储器访问)控制器,实现I/O设备与内存之间数据的直接传输。
数据传输完毕后,I/O控制器会向CPU发出一个信号(称为“中断”),通知CPU任务己经完成。
注意:
磁盘、光盘等外存储器的操作与控制过程,与I/O设备完全相同。
因此,从这个意义上来讲,外存储器的读写操作也称为I/O操作。
★考点12:
PC机中的I/O总线
1.I/O总线的概念
系统总线中与I/O有关的部分,它们称为I/O总线,也叫做主板总线,它是各类I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的一组公用信号线,这些信号线与主板上扩充插槽中的各扩充板卡(I/O控制器)直接连接。
处理器总线和I/O总线都是“系统总线”的一部分。
2.I/O总线上的三类信号
I/O总线上有三类信号:
数据信号、地址信号和控制信号,负责传输这些信号的线路分别称为数据线、地址线和控制线。
协调与管理总线操作的是总线控制器,总线控制器包含在主板的芯片组内。
3.总线的带宽
总线最重要的性能是它的数据传输速率,也称为总线的带宽,即单位时间内总线上可传输的数据量。
总线带宽的计算公式如下:
总线带宽(MB/s)=(数据线宽度/8)x总线有效工作频率(MHz)
在微型计算机中,常用的总线有PC总线、ISA总线、MCA总线、EISA总线、PCI总线。
★考点13:
I/O设备接口
1.I/O设备接口的概念
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,就称为I/O设备接口,简称I/O接口。
2.I/O接口的分类
(l)从数据传输方式来看,分为:
串行:
一位一位地传输数据,一次只传输1位。
并行:
8位或者16位、32位一起进行传输。
(2)从数据传输速率来看,分为低速和高速。
(3)从是否能连接多个设备来看,分为:
总线式:
可串接多个设备,被多个设备共享。
独占式:
只能连接1个设备。
(4)从是否符合标准来看,分为标准接口与专用接口,
3.PC机的常用I/O接口
详见表2.1。
I/O接口
名称
数据传输方式
数据传输速率
标准
插头/插座
形式
可连接的设备数目
通常连接的设备
串行口
串行,双向
50~19200b/s
EIA-232或EIA-422
DB25F或DB9F
1
鼠标器,MODEM
并行口
并行,双向
1.5MB/s
IEEE1284
DB25M
1
打印机,扫描仪
USB(1.0、1.1)
串行,双向
1.5Mb/s(慢速)
1.5MB/s(全速)
USBA
最多127
键盘、鼠标器、数码相机,移动硬盘等
USB(2.0)
串行,双向
60MB/s(高速)
USBA
最多127
外接硬盘,数字视频设备,扫描仪等
Firewire(i.Link)
串行,双向
12.52550MB/s
最高400MB/s
IEEE1394
最多63
数字视频设备
IDE
并行,双向
33MB/s66MB/s
100MB/s
UltraATA/33UltraATA/66UltraATA/100
IDE(E-IDE)
1~4
硬盘、光驱、软驱
显示器输出接口
并行,单向
200~500MB/s
VGA
HDB15
1
显示器
PS/2接口
串行,双向
低速
IBM
1
键盘或鼠标器
红外线接口(IrDA)
串行,双向
115000bps或4Mbps
红外线数据协会
不需要
1
键盘,鼠标器,打印机等
4.USB接口
USB是英文UniversalSerialBuS(通用串行总线)的缩写,它是一种可以连接多个设备的总线式串行接口。
USB接口使用4线连接器,它的插头比较小,不用螺钉连接,可方便地进行插拨。
它符合“即插即用”(Plug&Play,即PnP)规范,在操作系统的支持下,用户无需手动配置系统就可以插上或者拔出一个使用USB接口的外围设备,计算机会自动识别该设备并进行配置,使其正常工作。
同时USB接口还支持热插拔,即在计算机运行时(不需要关机)就可以插拔设备。
一个USB接口最多能连接
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