多媒体技术第2章任务1熟悉PC主机的构成

第2章计算机硬件任务1：熟悉PC主机的构成任务2：掌握存储器的特性任务3：了解输入/输出设备的功能本章学习任务：1、熟悉计算机的硬件组成及PC主机的构成。2、掌握CPU的组成、性能指标，了解指令的执行过程。3、掌握芯片组、BIOS、CMOS的作用，了解I/O操作、I/O总线、I/O接口4、掌握存储器的分类及作用。5、掌握各种输入/输出设备的功能和性能指标。任务1熟悉PC主机的构成2.1.1CPU的结构与工作原理2.1.2主板、芯片组与BIOS2.1.3I/O总线与I/O接口计算机硬件计算机硬件是组成计算机的各种物理设备的总称。1音箱5CPU2调制解调器6键盘3麦克风7鼠标器4内存条8CD驱动器9软驱10硬盘驱动器11打印机12I/O接口13CRT显示器14扩展卡主板台式PC机(立式)的主机箱扩展空间计算机硬件计算机的硬件结构主要包含五个部分，即控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备，它们通过总线互相连接。中央处理器(运算器及其控制)外存储器内存储器输出设备总线(bus)输入设备I/O接口I/O接口外存储器接口控制器控制器控制器控制器中央处理器(运算器及其控制)外存储器内存储器输出设备总线(bus)输入设备I/O接口I/O接口外存储器接口控制器控制器控制器控制器台式PC机的物理组成台式PC机主机外部设备机箱、电源主板芯片组BIOSROMRROROMROMCMOSPCI插槽（I/O总线）CPU内存条显示卡网卡插头和插座（I/O接口）声卡输入设备键盘鼠标器麦克风摄像头等输出设备显示器打印机音箱/耳机等外存储器U盘、移动硬盘等硬盘、软驱光盘驱动器计算机中负责对输入信息进行各种处理的部件称为“处理器”。处理器能高速执行指令完成二进制数据的算术、逻辑运算和数据传送等操作，它的结构很复杂。大规模集成电路的出现，使得处理器的所有组成部分都可以制作在一块大小仅为几个平方厘米的半导体芯片上。因为体积很小，这样的处理器称为“微处理器”。处理器中央处理器一台计算机中往往有多个处理器，它们各有其不同的任务，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”(简称CPU)，它是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。Intel4004chipIntel8080chipIntel4004chipIntel8080chip冯·诺依曼计算机的结构与原理(1)计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令；(2)程序(指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；(3)存储器中存放的指令和数据按地址进行存取；(4)指令是由CPU一条一条顺序执行的。中央处理器运算器和控制器输入设备输出设备存储器“存储程序控制”原理匈牙利数学家冯．诺依曼（J.vonNeumann）提出的“存储程序控制”的原理工作的，即一个问题的解算步骤（程序）连同它所处理的数据都使用二进位表示，并预先放在存储器中。程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据④将指令的运算处理结果送回内存保存⑤任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存外存储器内存储器CPU①任务启动时，执行该任务的程序和数据从外存成批传送到内存指令1指令2指令k指令n程序数据1数据2数据m数据③CPU逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据④将指令的运算处理结果送回内存保存⑤任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存外存储器内存储器CPU外存储器内存储器CPU外存储器外存储器内存储器CPUCPU①任务启动时，执行该任务的程序和数据从外存成批传送到内存指令1指令2指令k指令n程序数据1数据2数据m数据①任务启动时，执行该任务的程序和数据从外存成批传送到内存指令1指令2指令k指令n程序数据1数据2数据m数据指令1指令2指令k指令n程序数据1数据2数据m数据③CPU逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理CPU的结构CPU的具体任务是执行指令，它按照指令的要求完成对数据的基本运算和处理。CPU的结构主要由三个部分组成:寄存器组运算器中央处理器指令计数器指令寄存器控制器数据程序指令1指令2指令k指令n数据1数据2数据m数据内存储器指令指令地址操作数地址操作命令寄存器组运算器中央处理器指令计数器指令寄存器控制器寄存器组运算器中央处理器指令计数器指令寄存器控制器数据数据程序指令1指令2指令k指令n数据1数据2数据m数据内存储器程序指令1指令2指令k指令n数据1数据2数据m指令1指令2指令k指令n数据1数据2数据m数据内存储器指令指令指令地址指令地址操作数地址操作数地址操作命令CPU结构的三个部分（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。（2）运算器。用来对数据进行加、减、乘、除或者与、或、非等各种基本的算术运算和逻辑运算.（3）控制器。控制器是CPU的指挥中心，是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。~~~~内存储器AC927BALU01234567运算器(ALU)与通用寄存器(GPR)运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件(ALU)，参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器GPR，运算结果也送回GPRSTORER1内存地址C例3：存数指令9例2：加法指令ADDR1R3R5(3＃寄存器内容与5＃寄存器内容相加，并把和数写入1＃寄存器)例1:取数指令LOADR3内存地址ALOADR5内存地址B27362793636通用寄存器GPR指令使用计算机完成某个任务必须运行相应的程序。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。大多数情况下，指令由两个部分组成操作码操作数地址(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）的数据或者所在的位置。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。指令的执行过程（1）CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄（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到内存单元。（6）修改指令计数器，决定下一条指令的地址。指令在计算机中的执行过程1取指令4修改指令计数器3执行指令2指令译码指令执行周期通常，每一步需要1个或几个时钟周期才能完成指令系统每一种CPU都有它独特的一组指令。CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统。在Core2处理器中共有七大类指令，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。指令系统不同公司生产的CPU各自有自己的指令系统，它们不一定互相兼容。Intel公司生产的CPU（1）Intel公司生产的CPU主要产品发展过程为：8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→PentiumPRO→PentiumII→PentiumIII→Pentium4→奔腾D→奔腾至尊→酷睿→酷睿2→Corei3/i5/i7（2）为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式”开发新的处理器，即所有新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。CPU的性能指标（1）字长（位数）。字长指的是CPU中整数寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）。（2）主频（CPU时钟频率）。指CPU中电子线路的工作频率，它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢。（3）CPU总线速度。CPU总线（前端总线）的工作频率和数据线宽度决定着CPU与内存之间传输数据的速度快慢，总线速度越快，CPU的性能将发挥得越充分。（4）高速缓存（cache）的容量与结构。程序运行过程中高速缓存有利于减少CPU访问的次数。通常，cache容量越大、级数越多，其效用就越显著。（5）指令系统。指令的类型和数目、指令的功能等都会影响程序的执行速度。（6）逻辑结构。CPU的性能如何衡CPU的性能高低主要表现为CPU的速度，有两种衡量方法：（1）计算每秒钟可执行的指令数目(单位：MIPS、MFLOPS)①巨型计算机：几十万亿～几百万亿次基本运算/秒②个人计算机：几千万～几亿次基本运算/秒（2）PC机大多以常用软件(办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等)的运行速度来测试CPU的性能，例如：①游戏性能测试程序:3DMark②整体综合性能测试程序:PCMark提高CPU性能三大措施一是改进CPU结构；二是提高IC速度(主频)；三是增加CPU(核)的数目。主板主板，又叫主机板、系统板或母板(motherboard，它安装在机箱内，是计算机最基本的也是最重要的部件之一。在主板上通常安装有CPU插座、芯片组、存储器插槽、扩充卡插槽、显卡插槽、BIOS、CMOS存储器、辅助芯片和若干用于连接外围设备的I/O插口.台式PC机主板示意图存储器插槽处理器插座I/O设备插口光驱及硬盘连接器电源连接器扩充卡插槽(PCI)CPU插座北桥芯片南桥芯片BIOSROMCMOS存储器扩充卡插槽(PCI-Ex1)显示卡插槽(PCI-Ex16)存储器插槽处理器插座I/O设备插口光驱及硬盘连接器电源连接器扩充卡插槽(PCI)CPU插座北桥芯片南桥芯片BIOSROMCMOS存储器扩充卡插槽(PCI-Ex1)显示卡插槽(PCI-Ex16)例：华硕P5Q主板CPU插座内存条插座硬盘IDE连接器PCI插槽芯片组各种I/O插口显卡插槽PCI-E插槽安装了CPU和内存条的主板主板上两块特别有用的集成电路一块是闪烁存储器（Flashmemory），其中存放的是基本输入/输出系统（BIOS），它是PC机软件中最基础的部分，没有它机器就无法启动；另一个集成电路芯片是CMOS存储器，其中存放着与计算机系统相关的一些参数（称为“配置信息”）,包括当前的日期和时间、开机口令、已安装的光驱和硬盘的个数及类型等。CMOS芯片是一种易失性存储器，它使用电池供电，以确保在机器断电后当中的信息不会丢失。芯片组芯片组是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽，存储器控制、I/O控制功能几乎都集成在芯片组内，它既实现了PC机总线的功能，又提供了各种I/O接口及相关的控制。没有芯片组，CPU就无法与内存、扩充卡、外设等交换信息。芯片组一般由2块超大规模集成电路组成：北桥芯片和南桥芯片。芯片组与主板上各个部件互连的示意图CPUPCI插槽(≤6个)BIOS﹠BIOS存储器CPU前端总线北桥芯片MCH图形卡接口双通道南桥芯片ICHUSB2.0接口(x8)以太网接口硬盘接口(x2)音频CodecSuperI/O键盘、鼠标、软驱、并口、串口等电话ModemDDR2电源管理、时钟控制DDR2存储器CPUPCI插槽(≤6个)BIOS﹠BIOS存储器CPU前端总线北桥芯片MCH图形卡接口双通道南桥芯片ICHUSB2.0接口(x8)以太网接口硬盘接口(x2)音频CodecSuperI/OSuperI/O键盘、鼠标、软驱、并口、串口等电话ModemDDR2DDR2电源管理、时钟控制DDR2DDR2存储器BIOSBIOS的中文名叫做基本输入/输出系统，它是存放在主板上闪烁存储器中的一组机器语言程序。由于存放在闪存中，即使机器关机，它的内容也不会改变。BIOS具有以下