计算机基本结构和原理常识fyf.docx
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计算机基本结构和原理常识fyf
完整的计算机系统包括两大部分,即硬件系统和软件系统。
硬件是指构成计算机的物理设备。
软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需的所有文档的集合。
我们平时讲到“计算机”一词,都是指含有硬件和软件的计算机系统。
硬件系统和软件系统相辅相成,缺一不可。
1硬件系统
1.1硬件组成与结构
人们通常把内存储器、运算器和控制器合称为计算机主机。
而把运算器、控制器做在一个大规模集成电路块上称为中央处理器,又称CPU(CentralProcessingUnit)。
也可以说主机是由CPU与内存储器组成的,而主机以外的装置称为外部设备,外部设备包括输入/输出设备,外存储器等。
1.2计算机的5大组成部分详解
◇计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。
运算器又称算术逻辑单元,是计算机对数据进行加工处理的部件,它的主要功能是对二进制数码进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等基本逻辑运算,实现逻辑判断。
控制器是用来控制计算机各部件协调工作,并使整个处理过程有条不紊地进行。
它的基本功能就是从内存中取指令和执行指令,然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令,执行该指令。
另外,控制器在工作过程中,还要接受各部件反馈回来的信息。
存储器具有记忆功能,用来保存信息,如数据、指令和运算结果等。
输入/输出设备简称I/O设备。
用户通过输入设备将程序和数据输入计算机,输出设备将计算机处理的结果(如数字、字母、符号和图形)显示或打印出来。
1.2.1CPU
CPU(CentralPrecessingUnit)即中央处理器,其功能是执行算,逻辑运算,数据处理,传四舍五入,输入/输出的控制电脑自动,协调地完成各种操作。
作为整个系统的核心,CPU也是整个系统最高的执行单元,因此CPU已成为决定电脑性能的核心部件,很多用户都以它为标准来判断电脑的档次。
中央处理器是一块超大规模的集成电路,它由运算器,控制器,寄存器等组成,主要负责对数据的加工和处理。
计算机求解问题是通过执行程序来实现的。
程序是由指令构成的序列,执行程序就是按指令序列逐条执行指令。
一旦把程序装入主存储器(简称主存)中,就可以由CPU自动地完成从主存取指令和执行指令的任务。
计算机的性能在很大程度上由CPU的性能所决定,而CPU的性能主要体现在其运行程序的速度上。
影响运行速度的性能指标包括CPU的工作频率、Cache(缓存)容量、指令系统和逻辑结构等参数。
(1)主频也叫时钟频率,单位是兆赫(MHz)或千兆赫(GHz),用来表示CPU的运算、处理数据的速度。
通常,主频越高,CPU处理数据的速度就越快。
(2)缓存大小也是CPU的重要指标之一,而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大,CPU内缓存的运行频率极高,一般是和处理器同频运作,工作效率远远大于系统内存和硬盘。
实际工作时,CPU往往需要重复读取同样的数据块,而缓存容量的增大,可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率,而不用再到内存或者硬盘上寻找,以此提高系统性能。
但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑,缓存都很小。
1.2.2存储器(内/外)
存储器分为主存储器和辅助存储器,主存储器又称内存储器(简称内存),辅助存储器又称外存储器。
(1)内部存储器
存储器的功能是用来存储程序和数据。
存储器的存储容量以字节为基本单位,每个字节都有自己的编号,称为“地址”,如要访问存储器中的某个信息,就必须知道它的地址,然后再按地址存入或取出信息。
(如同房间编号)
只读存储器ROM,通常存放固定不变的程序、数据和系统软件;存储的信息只能读出(取出),不能改写(存入),由厂家在生产芯片时,固化在里面;断电后信息不会丢失。
随机存储器RAM,里面的内容内容可以随时读出或写入,但断电后内容会消失(易失性存储器),即为我们通常所说的内存,是沟通CPU与硬盘之间的桥梁。
在所有存储器中,存取速度最快,俗称内存条。
它直接与CPU相连接,存储容量较小,但速度快,用来存放当前运行程序的指令和数据,并直接与CPU交换信息。
如果不特别说明,我们通常所说的内存所指为随机存储器RAM
内部存储器,主存,内存
外部存储器,辅存,外存
访问速度快
访问速度慢
信息暂时性
信息永久性
容量小
容量大
相对价格高
相对价格低
(2)外部存储器:
外存储器又称辅助存储器(简称辅存),外存存储容量大,价格低,但存储速度较慢,一般用来存放大量暂时不用的程序、数据和中间结果,需要时可成批地和内存进行信息交换。
主要包括软盘、硬盘、光盘、U盘。
1.2.3输入设备
1.2.4输出设备
1.3主板(各功能)介绍
部件载体。
电脑重要的部件CPU、内存、芯片组和功能卡等都安插在主板的插座和插口上,通过主板上的接口连接键盘、鼠标、显示器、音箱、打印机等外部设备。
沟通部件,主板上有密密麻麻的线路,负责各个部件之间的信息传输。
1.3.1CPU插座
1.3.2主板芯片组
主板芯片组(Chipset)是主板的核心组成部分,可以比作CPU与周边设备沟通的桥梁。
按芯片数量可分为单芯片芯片组,标准的南、北桥芯片组【其中北桥芯片起着主导性的作用,也称为主桥(HostBridge)。
】
(1)北桥芯片
提供对CPU类型和主频的支持、系统高速缓存的支持、主板的系统总线频率、内存管理(内存类型、容量和性能)、显卡插槽规格,ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持;
(2)南桥芯片
提供了对I/O的支持,提供对KBC(键盘控制器)、RTC(实时时钟控制器)、USB(通用串行总线)、UltraDMA/33(66)EIDE数据传输方式和ACPI(高级能源管理)等的支持。
以及决定扩展槽的种类与数量、扩展接口的类型和数量(如USB2.0/1.1,IEEE1394,串口,并口,笔记本的VGA输出接口)等;
1.3.3内存插槽
目前流行的内存条有DDRSDRAM、DDR2SDRAM和DDR3SDRAM。
1.3.4BIOS单元
BIOS是英文"BasicInputOutputSystem"的缩略语,直译过来后中文名称就是"基本输入输出系统"。
其实,它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序,它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序。
其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。
BIOS设置程序是储存在BIOS芯片中的,BIOS芯片是主板上一块长方型或正方型芯片,只有在开机时才可以进行设置。
主板上的BIOS芯片或许是主板上唯一贴有标签的芯片,一般它是一块32针的双列直插式的集成电路,上面印有"BIOS"字样。
1.3.5电源插座
1.3.6外部接口(I/O接口背板)
2软件系统
计算机软件(ComputerSoftware)是指计算机系统中的程序、数据及其文档。
程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述;文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。
程序必须装入机器内部才能工作,文档一般是给人看的,不一定装入机器。
计算机软件总体分为系统软件和应用软件两大类。
2.1系统软件
一般来讲,系统软件包括操作系统和一系列基本的工具(比如编译器,数据库管理,存储器格式化,文件系统管理,用户身份验证,驱动管理,网络连接等方面的工具)。
2.2应用软件
应用软件是为了某种特定的用途而被开发的软件。
它可以是一个特定的程序,比如一个图像浏览器。
也可以是一组功能联系紧密,可以互相协作的程序的集合,比如微软的Office软件。
也可以是一个由众多独立程序组成的庞大的软件系统,比如数据库管理系统。
3计算机总线
总线(Bus)是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线,它是由导线组成的传输线束,按照计算机所传输的信息种类,计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线,分别用来传输数据、数据地址和控制信号。
总线是一种内部结构,它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道,主机的各个部件通过总线相连接,外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接,从而形成了计算机硬件系统。
如果说主板(MotherBoard)是一座城市,那么总线就像是城市里的公共汽车(bus),能按照固定行车路线,传输来回不停运作的比特(bit)。
这些线路在同一时间内都仅能负责传输一个比特。
因此,必须同时采用多条线路才能传送更多数据,而总线可同时传输的数据数就称为宽度(width),以比特为单位,总线宽度愈大,传输性能就愈佳。
总线的带宽(即单位时间内可以传输的总数据数)为:
总线带宽=频率x宽度(Bytes/sec)。
当总线空闲(其他器件都以高阻态形式连接在总线上)且一个器件要与目的器件通信时,发起通信的器件驱动总线,发出地址和数据。
其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到(或能够收到)与自己相符的地址信息后,即接收总线上的数据。
发送器件完成通信,将总线让出(输出变为高阻态)。
3.1总线划分
总线按功能和规范可分为五大类型:
(摘自XX百科:
)
∙数据总线(DataBus):
在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。
∙地址总线(AddressBus):
用来指定在RAM(RandomAccessMemory)之中储存的数据的地址。
∙控制总线(ControlBus):
将微处理器控制单元(ControlUnit)的信号,传送到周边设备,一般常见的为 USBBus和1394Bus。
∙扩展总线(ExpansionBus):
可连接扩展槽和电脑。
∙局部总线(LocalBus):
取代更高速数据传输的扩展总线。
其中的数据总线DB(DataBus)、地址总线AB(AddressBus)和控制总线CB(ControlBus)系统总线,也统称为系统总线,即通常意义上所说的总线。
有的系统中,数据总线和地址总线是复用的,即总线在某些时刻出现的信号表示数据而另一些时刻表示地址;而有的系统是分开的。
51系列单片机的地址总线和数据总线是复用的,而一般PC中的总线则是分开的。
“数据总线DB”用于传送数据信息。
数据总线是双向三态形式的总线,即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件,也可以将其它部件的数据传送到CPU。
数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标,通常与微处理的字长相一致。
例如Intel8086微处理器字长16位,其数据总线宽度也是16位。
需要指出的是,数据的含义是广义的,它可以是真正的数据,也可以是指令代码或状态信息,有时甚至是一个控制信息,因此,在实际工作中,数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。
常见的数据总线为ISA、EISA、VESA、PCI等。
“地址总线AB”是专门用来传送地址的,由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口,所以地址总线总是单向三态的,这与数据总线不同。
地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小,比如8位微机的地址总线为16位,则其最大可寻址空间为2^16=64KB,16位微型机(x位处理器指一个时钟周期内微处理器能处理的位数(1、0)多少,即字长大小)的地址总线为20位,其可寻址空间为2^20=1MB。
一般来说,若地址总线为n位,则可寻址空间为2^n字节。
“控制总线CB”用来传送控制信号和时序信号。
控制信号中,有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的,如读/写信号,片选信号、中断响应信号等;也有是其它部件反馈给CPU的,比如:
中断申请信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号等。
因此,控制总线的传送方向由具体控制信号而定,(信息)一般是双向的,控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。
实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。
按照传输数据的方式划分,可以分为串行总线和并行总线。
串行总线中,二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件;并行总线的数据线通常超过2根。
常见的串行总线有SPI、I2C、USB及RS232等。
按照时钟信号是否独立,可以分为同步总线和异步总线。
同步总线的时钟信号独立于数据,而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的。
SPI、I2C是同步串行总线,RS232采用异步串行总线。
3.2总线的技术指标
(1)总线的带宽(总线数据传输速率):
总线的带宽指的是单位时间内总线上传送的数据量,即每钞钟传送MB的最大稳态数据传输率。
与总线密切相关的两个因素是总线的位宽和总线的工作频率,它们之间的关系:
总线的带宽=总线的工作频率X总线的位宽/8
(2)总线的位宽:
总线的位宽指的是总线能同时传送的二进制数据的位数,或数据总线的位数,即32位、64位等总线宽度的概念。
总线的位宽越宽,每秒钟数据传输率越大,总线的带宽越宽。
(3)总线的工作频率:
总线的工作时钟频率以MHZ为单位,工作频率越高,总线工作速度越快,总线带宽越宽。
3.3采用北桥/南桥芯片组的计算机总线
早期的计算机系统构架离我们太遥远了,所以我们回顾的起点就从目前应用最广泛、历史最久的南北桥芯片组架构开始。
北桥/南桥芯片组是为了支持PCI总线而引入的,它使得微型计算机的层次结构更加清晰:
(1)位于处理器和北桥之间的是速度最快的处理器总线;
(2)北桥与南桥之间的是33MHz的PCI总线;
(3)南桥下面是ISA、EISA等传统的慢速I/0扩展总线。
在采用北桥/南桥芯片组的微型计算机中,不同速率的部件被安排接入到相应的总线或桥芯片提供的接口:
(1)高速的主存由北桥中的DRAM控制器控制,该控制器支持主存所能达到的最高速率;
(2)L2高速缓存直接接到处理器总线上;
(3)PCI设备接到PCI总线上;
(4)USB设备接到南桥中的USB接口。
在最初引入北桥/南桥芯片组时还没有提出AGP总线标准,此时的图形设备通过PCI总线图形接口板连接到系统中。
随着AGP总线标准的推出,Intel发布了支持AGP的北桥/南桥芯片组,即440系列芯片组,在北桥芯片中设置了AGP接口。
如图:
通过以上的介绍,我们面前出现了一大堆名词:
ISA总线、PCI总线、AGP总线、处理器总线等等,这些总线都是干什么的呢,详见下面的分析。
3.4PC外部总线发展史
本节之所以叫外部总线发展史,是由于我们将各种总线划分为了内部总线和外部总线,而划分的依据就是总线与处理器之间的关系,直接与CPU连接的称为内部总线,通过北桥与处理器通讯的称为外部总线。
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