四、计算机系统的基本组成

计算机系统的基本组成教学重点与难点本节重点：计算机系统的组成难点：1.计算机硬件的基本组成及原理2.冯.诺依曼计算机的工作原理本节主要内容一、计算机系统的基本结构二、计算机的硬件基本组成一、计算机系统的基本构成1、冯·诺依曼计算机简介1945年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼(VonNeumann)为美军研制了电子离散变量自动计算机（EDVAC），采用了二进制数，并创立了“存储程序式”的设计思想，EDVAC被认为是现代计算机的原型。目前的计算机工作原理都是基于冯·诺依曼提出的“存储过程控制”的原理。计算机根据程序中的指令来进行数据的存储和运算。概括言之，中央处理器不断地从内存取指令，分析指令，再执行指令，周而复始，直到程序执行完毕。我们把按照这一原理设计的计算机称为“冯·诺依曼型计算机”直到现在，计算机的整体结构仍保持着冯·诺依曼计算机的基本特征：⑴采用二进制数的形式表示数据和指令。⑵能存储程序和数据，并能自动控制程序的执行⑶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。最简单的来说他的精髓贡献是2点：2进制思想与程序内存思想其工作原理的核心是“程序存储”和“程序控制”。冯·诺依曼型计算机的基本结构数据流控制流输入设备输出设备运算器控制器存储器计算机系统硬件系统软件系统主机外部设备中央处理器（CPU）主板内存储器运算器控制器RAM（内存）ROM输入设备：（键盘、鼠标、扫描仪等）输出设备：（显示器、打印机等）外存储器硬盘光盘U盘软盘操作系统：（DOS、Windows、Unix等）程序设计语言解释、编译系统数据库管理系统应用软件：（Office、Photoshop等）系统软件2、计算机系统的组成二、计算机的硬件基本组成主机主机内部部件主板（Motherboards）又称系统板或母板，包括了微处理器接口模块、IDE接口、内存接口模块、BIOS模块、基本I/O模块、中断控制器、DMA控制器及局部总线等，计算机中的各种设备，都必须与主板相互合作，才能发挥完整的功能。主板主要性能指标就是主板上的芯片组。主板芯片组几乎决定着主板的全部功能，其中CPU的类型、主板的系统总线频率，内存类型、容量和性能，显卡插槽规格是由芯片组中的北桥芯片决定的；而扩展槽的种类与数量、扩展接口的类型和数量（如USB2.0/3.0，IEEE1394，串口，并口，笔记本的VGA输出接口）等，是由芯片组的南桥决定的。还有些芯片组由于纳入了3D加速显示（集成显示芯片）、AC'97声音解码等功能，还决定着计算机系统的显示性能和音频播放性能等。主板主板上的电容（固态电容和电解液电容）在105摄氏度的时候，它和电解电容的寿命同样为2000小时，在温度降低后，它们的寿命会增加，但是固态电容寿命增加的幅度更大，一般情况下电容的工作温度在70度或更低，这个时候固态电容的寿命可能会达到23年，几乎是电解电容的6倍多！主板三大品牌1、中央处理器中央处理器(CentralProcessingUnit，简称CPU),又称微处理器，它是计算机的核心部件，由运算器和控制器组成。•中央处理器的主要功能按照指令的要求控制数据的加工处理并使计算机各部件自动协调地工作。计算机工作时，由CPU控制，将数据由输入设备传送到存储器存储，再将要参与运算的数据从存储器中取出送往CPU处理，最后将计算机处理的信息由输出设备输出。CPU的性能指标主要有字长和时钟频率。部分CPU产品Intel8086Intel80286Intel80386Intel80486IntelPentium部分CPU产品IntelPentium2IntelPentium3IntelPentium4部分CPU产品AMD系列CPU●Athlon●Duron●AthlonXP部分CPU产品VIA系列CPU●VIAC3●VIAC4Tick-Tock（工艺年-构架年）Tick-Tock：偶数年更新制作工艺，奇数年更新微架构。Tick指每隔两年的奇数年推出核心面积更小、制程更先进的处理器；Tock指每隔两年的偶数年推出新架构的处理器。Tick-Tock就是时钟的“嘀嗒”的意思，一个嘀嗒代表着一秒，而在Intel的处理器发展战略上，每一个嘀嗒代表着2年一次的工艺制程进步。每个Tick-Tock中的“Tick”，代表着工艺的提升、晶体管变小，并在此基础上增强原有的微架构，而Tick-Tock中的“Tock”，则在维持相同工艺的前提下，进行微架构的革新，这样在制程工艺和核心架构的两条提升道路上，总是交替进行，一方面避免了同时革新可能带来的失败风险，同时持续的发展也可以降低研发的周期，并可以对市场造成持续的刺激，并最终提升产品的竞争力。IvyBridge的最大变化莫过于制造工艺，这一次Intel使用了最先进的22纳米工艺和革命性的3D晶体管技术，这是目前人类的最高科技水平。i5系列之后，Intel在高端处理器市场已经没有竞争对手。Z77、Z75、H77三款消费级芯片组，另有Q77、Q75、B75三款商用芯片组。消费级的三款芯片组中，主要增加了USB3.0的支持，以及全线支持SATA6Gbps，全线支持核芯显卡功能，其中只有Z系列支持超频和多卡系统。（1）、运算器计算机进行算术运算和逻辑运算的部件，由算术逻辑运算单元（ArithmeticLogicUnit，简称ALU）和加法器及通用寄存器构成。主要负责对各类信息进行数学运算及逻辑运算。工作时运算器不断地从存储器中得到要加工的数据，运算后将结果送回存储器中。主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等组成，是计算机的指挥中心，根据指令控制计算机的各部件在它的指挥下协调工作。自动地、有序地从存储器中逐条取出指令、分析指令，并按指令要求发出相应的控制信号指挥各执行部件工作。（2）、控制器（ControlUnit）2、主存储器用来存放程序和数据，是计算机的记忆单元。存储器分为内部（主）存储器和外部（辅助）存储器两种。主存储器用于存放正在处理中的程序和数据。辅助存储器则用于存放暂时不用的大量程序和数据。使用时，可以从存储器中取出信息，不破坏原有内容，这样的操作称为存储器的读操作可以把信息写入存储器,原来的内容被抹掉，这样的操作称为存储器的写操作存储器按其功能特征可分为：随机存储器、只读存储器、高速缓冲存储器（1）、随机存储器RAM可由CPU直接写入或读出信息存储的信息将因断电或机器重新启动而丢失（2）、只读存储器ROM不能写入信息存储的信息不会因断电而丢失。（3）、高速缓冲存储器Cache常见内存条的型号(1)SDRAM（SynchronousDRAM，同步动态随机存储器）内存条(2)DDRSDRAM（DoubleDataRateSDRAM，双倍数据速度SDRAM）内存条(3)DRDRAM（DirectRambusDRAM）内存条3、外存储器外存储器又称辅助存储器，常用的有磁盘（分软磁盘、硬磁盘）、光盘、磁带、U盘等。4、I/O总线和扩展槽总线是计算机中的传输数据信号的通道，总线的传输方式是并行的，所以也称并行总线。RAMROMI/O接口I/O接口CPU数据总线控制总线地址总线总线结构示意图存储器硬件的金字塔结构寄存器高速缓存主存储器软磁盘硬盘其它外存设备速度越来越快容量越来越大外部存储设备软盘硬磁盘磁带及磁带机光盘外部存储设备的结构特点和工作原理磁盘旋转，形成相对高速运动磁头的电磁感应线圈铁磁薄膜介质，磁化方向表示0、1铁磁体的工作原理外部存储设备的结构特点和工作原理外部存储设备的基本结构面surface，道track，扇区sector，柱面cylinder读写头外部存储设备的结构特点和工作原理软盘外观（图示）金属片滑门驱动磁盘旋转的卡子写保护磁道，扇区和柱面尺寸、容量5.25：360K/1.2M3.5：1.44M/2.88M软盘外观与结构软盘的结构：①塑料外壳；②金属环；③盘片；④快门；⑤写保护口。原理：盘片是软盘的核心，是记录数据的载体，它由一种塑料物构成，外面涂着一层由铁氧化物构成的磁性材料。这与录音机中使用的磁带有点相似，软驱旋转盘片并通过磁头来读写盘片上的信息，写的过程是以电脉冲将磁头下方磁道上那一点磁化，而读的过程则将磁头下方磁道上那一点的磁化信息转化为电信号，并通过电信号的强弱来判断为“0”还是“1”。格式化的原理软盘被划分为磁道，磁道又被划分为扇区。如图所示。3寸盘共被划分成160个磁道，每个磁道又被分为18个扇区，每个扇区占512个字节，合起来总容量刚好为1.44M。写保护及其原理外部存储设备的结构特点和工作原理硬盘外观硬盘结构显卡•显卡全称显示接口卡（Videocard，Graphicscard），又称为显示适配器（Videoadapter），显示器配置卡简称为显卡，是个人电脑最基本组成部分之一。显卡的用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和个人电脑主板的重要元件，是“人机对话”的重要设备之一。显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分，承担输出显示图形的任务，对于从事专业图形设计的人来说显卡非常重要。民用显卡图形芯片供应商主要包括AMD(超威半导体)和Nvidia(英伟达)2家。数据（data）一旦离开CPU，必须通过4个步骤，最后才会到达显示屏：•1．从总线（bus）进入GPU（GraphicsProcessingUnit，图形处理器）：将CPU送来的数据送到北桥（主桥）再送到GPU（图形处理器）里面进行处理。•2．从videochipset（显卡芯片组）进入videoRAM（显存）：将芯片处理完的数据送到显存。•3．从显存进入DigitalAnalogConverter（=RAMDAC，随机读写存储数—模转换器）：从显存读取出数据再送到RAMDAC进行数据转换的工作（数字信号转模拟信号）。但是如果是DVI接口类型的显卡，则不需要经过数字信号转模拟信号。而直接输出数字信号。•4．从DAC进入显示器（Monitor）：将转换完的模拟信号送到显示屏显卡分类•一、集成显卡•集成显卡是将显示芯片、显存及其相关电路都集成在主板上，与其融为一体；集成显卡的显示芯片有单独的，但大部分都集成在主板的北桥芯片中；一些主板集成的显卡也在主板上单独安装了显存，但其容量较小，集成显卡的显示效果与处理性能相对较弱，不能对显卡进行硬件升级，但可以通过CMOS调节频率或刷入新BIOS文件实现软件升级来挖掘显示芯片的潜能•集成显卡的优点：是功耗低、发热量小、部分集成显卡的性能已经可以媲美入门级的独立显卡，所以不用花费额外的资金购买独立显卡。•集成显卡的缺点：性能相对略低，且固化在主板或CPU上，本身无法更换，如果必须换，就只能和主板或显卡一次性更换。•二、独立显卡•独立显卡是指将显示芯片、显存及其相关电路单独做在一块电路板上，自成一体而作为一块独立的板卡存在，它需占用主板的扩展插槽（ISA、PCI、AGP或PCI-E)。•独立显卡的优点：单独安装有显存，一般不占用系统内存，在技术上也较集成显卡先进得多，比集成显卡能够得到更好的显示效果和性能，容易进行显卡的硬件升级。•独立显卡的缺点：系统功耗有所加大，发热量也较大，需额外花费购买显卡的资金，同时（特别是对笔记本电脑）占用更多空间。•当前性能最强的游戏用独立显卡分别是英伟达的GTX690和AMD的HD7990•三、核芯显卡•核芯显卡是Inte产品新一代图形处理核心，和以往的显卡设计不同，Intel凭借其在处理器制程上的先进工艺以及新的架构设计，将图形核心与处理核心整合在同一块基板上，构成一颗完整的处理器。智能处理器架构这种设计上的整合大大缩减了处理核心、图形核心、内存及内存控制器间的数据周转时间，有效提升处理效能并大幅降低芯片组整体功耗，有助于缩小了核心组件的尺寸，为笔记本、一体机等产品的设计提供了更大选择空间。•需要注意的是，核芯显卡和传统意义上的集成显卡并不相同。目前笔记本平台采用的图形解决方案主要有“独立”和“集成”两种，前者拥有单独的图形核心和独立的显