3 Chapter 3 计算机系统 【学习目标】 ● 理解计算机系统的组成 ● 掌握图灵机的结构 ● 理解图灵机的工作过程 ● 掌握冯·诺依曼体系结构的组成和各部分的功能 ● 掌握中央处理器的工作过程 ● 理解存储系统的层次结构 ● 了解总线的作用和分类 ● 了解微型计算机各部分硬件的功能和性能参数 ● 理解操作系统的功能 ● 熟练使用Windows10操作系统 本章将追本溯源,从图灵机模型出发,解析现代计算机的基本结构和工作原理,探索 计算机进行信息处理的核心装置———计算机系统,即计算机软硬件平台。 图3-1 计算机系统组成 计算机系统由硬件系统和软件系统组成,如图3-1所示。硬件系统是构成计算机系 第 3 章计算机系统 71 统的电子机械装置的总称,是整个系统运行的物理平台。软件系统是实现运行、管理和维 护计算机系统或为完成一定任务而编写的各种程序、要处理的数据及其相关资料(文档) 的总称。 3.图灵机模型和冯·诺依曼计算机 1 1.图灵机模型 3.1 1. 图灵简介 艾伦·图灵(AlanTuring,1912—1954), 英国科学家,1912 年出生于英国帕丁顿,19 岁进入剑桥皇家学院,22 岁当选为皇家学会会员,1938 年在美国普林斯顿大学获得数学 博士学位。“二战”爆发后,曾协助军方破解德国著名的密码系统———恩尼格玛(Enigma) 密码机,是著名的数学家和密码学家。 图灵于1936 年提出图灵机的概念。作为一名数学家,他当时正在研究可计算性问 题,即研究如何区分问题的可计算性和不可计算性。可计算就是指能够按照一定的步骤 机械化地完成任务。图灵研究的可计算性是在机器中实现的。1936 年,图灵在其论文 《论可计算数以及在确定性问题上的应用》中描述了一类计算装置———图灵机,这是一个 抽象的计算模型。 2. 图灵机思想 图灵机的基本思想是用机器模拟人用纸笔进行数学运算的过程,并把这个过程看作 由下列两个简单动作构成: ● 在纸上写下或擦除某个符号; ● 注意力从纸的一个位置移动到另一个位置 ; 每个阶段,决定下一步动作依赖于 : ● 当前关注的纸上某个位置的符号; ● 当前思维的状态 。 以4231×77 为例,人用纸和笔进行数学运算的过程如下 : ①去掉不相干因素; ②写下数字和符号; ③关注当前的符号,在脑中思考相应的计算方法; ④用笔在纸上写下或擦去一些符号; ⑤改变自己的视线,转到③继续; ⑥直到结束。 在此过程中,人用到了纸、笔、眼睛和大脑。纸用来存储写下的数字和符号,笔用来实 现数字和符号的写入,眼睛关注当前的数字和符号,大脑用来对当前的数字和符号进行 计算。 72 大学计算机基础教程———计算思维 + Python+ Office 2016 3. 图灵机结构 为了模拟人的运算过程,图灵将该思想表达为一种理论模型,构造出了一台假想的机 器———图灵机。图灵机由以下4个部分组成,如图3-2所示。 图3- 2 图灵机结构 ● 一条可无限延伸的纸带,用于保存要处理的数据。 ● 一个读写头,可以在纸带上左右移动,用于读取或者改写纸带当前位置上的符号, 包括读、改写、左移和右移操作。 ● 一个状态寄存器,用于保存图灵机当前所处的状态(包括停机状态)。图灵机所有 可能状态的数目是有限的,并且有一个特殊状态,称为停机状态。 ● 一套控制规则,它根据当前机器所处的状态以及当前读写头获取的符号确定读写 头下一步的操作,并改变状态寄存器的值,令机器进入一个新的状态。 其中,状态寄存器和控制规则构成了控制器,因为状态寄存器的可能状态数目是有限 的,所以控制器也称为有限状态转换器。 在图灵机中,控制器实现了人运算时大脑的功能,纸带实现了纸的功能,读写头实现 了眼和笔的功能。 控制规则(状态转换规则)是五元组<q,X,Y,R(或L或N),p>形式的指令集。其 含义是当图灵机处于q状态时,读写头读取到纸带格子里的符号为X,在该方格写入的符 号为Y,R表示读写头向右移动一格(L表示向左移动一格;N表示不移动), 然后状态寄 存器中的状态转换为p状态。 在五元组中,可以把当前状态q和读取到的纸带格子符号X看作条件,Y、R(或L或 N)和p看作图灵机要执行的动作。 4. 图灵机工作过程 图灵机的工作过程为:控制器根据当前的状态和读取到的字符查找控制规则并决定 图灵机的动作。动作包括3个方面: ● 读写头在当前格写新的字符; ● 读写头向左或向右移动一格或不移动; ● 状态寄存器转换状态; 重复以上过程直到状态寄存器为停机状态,停机状态意味着计算完毕,表示当前纸带 上保留的是最终计算结果。 例1 设无限延伸的纸带上的初始值为82,读写头的初始位置为数字8的位置,请 第 3 章计算机系统 73 问图3-3所示的图灵机在停机时,纸带上的值为多少? 图3- 3 纸带初始值和读写头初始位置 解:该图灵机的控制规则为 ● 读写头读到当前符号为0~9,则右移一位; ● 读写头读到当前符号为空格,则写入符号0,停机。 根据控制规则,第一步,读写头读取到的符号为8,读写头右移;第二步,读写头读取 到的符号为2,读写头右移;第三步,读写头读取到的符号为空格,写入符号0,然后处于停 机状态,此时纸带上的值为820 。 例2 图灵机控制规则如表3-1所示,q4为停机状态。纸带初始值和读写头初始 位置如图3-4所示,初始状态为q1,请写出图灵机停机时纸带上的值和整个工作过程所执 行的规则序列。 表3- 1 图灵机控制规则表 输入响应 当前状态当前符号新符号读写头新状态 q1 0 1 L q2 q1 1 0 L q3 q1 * * N q4 q2 0 0 L q2 q2 1 1 L q2 q2 * * N q4 q3 0 1 L q2 q3 1 0 L q3 q3 * * N q4 图3- 4 纸带初始值和读写头初始位置 解:该图灵机工作过程为:根据初始状态为q1、初始位置符号为1,对照图灵机控制 规则表,图灵机的响应是将符号变为0,读写头左移一位,图灵机的新状态为q3,此过程执 行的规则为<q1,依次继续运行下去,直到状态为q4,图灵机停止工作。 1,0,L,q3>, 74 大学计算机基础教程———计算思维 + Python+ Office 2016 该图灵机的整个工作过程执行的规则序列及纸带值的变化如表3-2所示。 表3- 2 执行的规则序列和纸带值的变化 序号控制规则纸带上的值 第一步q1,1,0,L,q3 1010 第二步q3,1,0,L,q3 1000 第三步q3,0,1,L,q2 1100 第四步q2,1,1,L,q2 1100 第五步q2,*,*,N,q4 1100 图灵机停机时,纸带上的值为1100,由此可见其实现了二进制数加1的功能。 将图灵机中的控制规则的集合看作程序,每条控制规则看作指令,则图灵机的自动计 算过程是通过程序控制机器执行指令实现的。若让图灵机实现不同的功能,则需要构造 不同的控制规则表。 5. 图灵机意义 ①图灵给出了计算的定义。所谓计算,就是计算者(人或机器)对一条两端可无限延 长的纸带上的一串0或1执行指令,一步一步地改变纸带上的0或1,经过有限步骤,最 后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。 ②图灵认为,凡是能用算法解决的问题,也一定能用图灵机解决;凡是图灵机解决不 了的问题,任何算法也解决不了,即所谓的图灵可计算性问题。 ③利用图灵机进行问题求解,可以通过构造其控制规则解决。 ④图灵机给出了指令、程序及通过程序控制机器执行指令以完成不同功能的基本 思想。 图灵机理论模型奠定了计算理论的基础,这是图灵一生中最大的贡献。也正是因为 图灵机理论模型为计算机的设计指明了方向,才得以发明出人类有史以来最伟大的科学 工具———计算机,因此图灵被称为“计算机科学之父”。 美国计算机协会(ACM)为了纪念图灵在计算机领域的卓越贡献,专门设立了“图灵 奖”作为计算机科学领域的最高奖项。图灵奖有“计算机界诺贝尔奖”之称,以奖励那些为 推动计算机技术发展做出重要贡献的人。 1950 年,图灵发表了划时代的文章《机器能思考吗?》,他将图灵机这个数学模型建立 在人们计算过程的行为上,并将这些行为抽象到实际的机器模型中,成为人工智能的开山 之作,他也由此摘得“人工智能之父”的桂冠。 1.冯·诺依曼计算机 3.2 1. 冯·诺依曼体系结构 历史上的第一台电子计算机是在宾夕法尼亚大学的莫尔学院诞生的ENIAC 。一个 第 3 章计算机系统 75 偶然的机会,美籍匈牙利数学家冯·诺依曼和ENIAC 工程师一起针对ENIAC 出现的问 题进行了深入的探讨研究,改进了ENIAC 计算机没有存储器和采用十进制的问题,正式 提出了“存储程序”的思想,发表了题为《电子计算机装置逻辑结构初探》的论文,论述了具 有存储功能的计算机的结构和工作原理,称为冯·诺依曼体系结构。 遵循冯·诺依曼体系结构的计算机称为冯·诺依曼计算机,成为主流的单机计算机 体系结构。由于冯·诺依曼的设计思想对现代计算机的发展产生了重要的影响,因此 冯·诺依曼被称为“现代计算机之父”。冯·诺依曼设计出的第一台“存储程序”的离散变 量自动电子计算机(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer,EDVAC)于1952 年投入运行,运行速度是ENIAC 的数百倍。 冯·诺依曼提出的“存储程序”思想,即“将程序和数据以同等地位事先存储于存储器 中;机器可以按照地址从存储器中读取指令和数据,连续和自动地执行程序”。该思想包 含程序的存储和自动执行两个过程。 如何实现冯·诺依曼的“存储程序”思想呢? 冯·诺依曼体系结构是对“存储程序”思 想及概念的具体化。具有冯·诺依曼体系结构的计算机由5部分组成:存储器、运算器、 控制器、输入设备和输出设备,如图3-5所示,五个部分各司其职,并有效连接以实现整体 功能。各部分的功能如下。 ● 存储器:存储需要执行的程序及其要处理的数据。 ● 控制器:计算机的指挥控制中心,从存储器中读取一条指令,经过分析、译码产生 一串操作命令,发送给各个部件,例如控制运算器进行运算、输入设备读入数据、输 出设备输出数据等,以使计算机各个部件有条不紊地工作,完成预设的功能。 ● 运算器:负责执行逻辑运算和算术运算。 ● 输入设备:负责将程序和数据输入计算机。 ● 输出设备:负责将计算机的处理结果显示或者打印等。 图3- 5 冯·诺依曼体系结构 冯·诺依曼体系结构的要点如下。 ● 由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备5部分构成。 ● 程序和数据都以二进制形式表示。 76 大学计算机基础教程———计算思维 + Python+ Office 2016 ● 程序和数据共同存储在存储器中。 ● 自动化和序列化地执行程序。 将不同功能对应的程序和数据同时存放在存储器中,只需要在存储器中找到对应功 能的程序,机器就会自动执行程序以实现不同的功能,使计算机成为一种可编程的通用性 机器。冯·诺依曼的“存储程序”思想对于计算机的自动化和通用性起到了至关重要的 作用。 2.冯·诺依曼计算机工作过程 冯·诺依曼计算机的工作过程如下。 ①根据要完成的功能编写程序,通过输入设备将程序和数据送到存储器,实现程序 存储; ②自动执行程序,自动执行程序的过程即逐条执行指令。 3.计算机硬件系统 2 典型的计算机硬件系统结构如图3-6所示,中央处理器(CentralProcesingUnit, CPU)对应冯·诺依曼体系结构中的控制器和运算器, Ipu/OupuI设 输入/输出(nttt,/O) 备对应冯·诺依曼体系结构中的输入/输出设备,各种总线(图3-6中的空心箭头)对应于 冯·诺依曼体系结构中的互联线,用于传输指令、数据和控制信号。 图3- 6 典型计算机硬件结构 3.1 CPU 2. CPU是计算机系统的核心,计算机的运行是通过控制器执行一条条的指令完成的, 那么指令是什么? 如何实现控制器执行指令的过程呢? 1.指令与指令系统 (1)指令 指令是指计算机硬件能够直接实现的基本操作,例如“取数”“存数”“加”“减”等。指 第 3 章计算机系统 77 令由操作码和操作数两部分组成,如图3-7所示。操作码表示指令的功能,即执行什么动 作,操作数表示操作的对象。其中,操作数可以是操作数的值 本身,也可以是操作数在存储器中的地址。指令长度通常为 字节的整数倍,长度不固定,多数指令为短指令,少数复杂指图3- 7 指令组成 令为长指令。程序是指计算机完成某个任务的指令序列。 计算机能够直接识别的指令是由0和1构成的字符串,称为机器指令。 因为计算机只能执行机器指令,所以使用汇编语言和高级程序语言编写的程序需要 编译或解释成机器指令才能执行。 (2)指令系统 一个CPU 所能处理的所有指令的集合称为指令系统。不同的指令系统拥有的指令 种类和数目是不同的。指令中,操作码的位数取决于计算机指令系统的规模,较大的指令 系统需要更多的操作码的位数表示每条特定的指令。 例如,一个指令系统若有16 条指令,则需要4位操作码(24=16), 如果有64 条指令, 则需要6位操作码,一个包含n位操作码的指令系统最多能够表示2n 条指令。 指令系统是表征一台计算机性能的重要指标,它的格式与功能不仅影响到机器的硬 件结构,而且还影响到系统软件和机器的适用范围。所以,指令系统在很大程度上决定着 计算机的处理能力。指令系统功能越强,用户使用越方便,但实现指令功能的机器结构越 复杂。 2.CPU 构成和工作过程 (1)CPU 的构成 CPU 简称处理器,一般由算术逻辑单元(ArithmeticandLogicUnit,ALU )、寄存器 组和控制单元(ControlUnit,CU)构成,并通过CPU 内部总线将多个部件连接成一个有 机整体,如图3-8所示。 图3- 8 CPU 内部结构 78 大学计算机基础教程———计算思维 + Python+ Office 2016 ①算术逻辑单元 ALU 也称为运算器,对应冯·诺依曼体系结构中的运算器,主要功能是实现数据的 算术运算和逻辑运算。 ②寄存器组 寄存器组主要由一组寄存器构成,用于临时保存各种信息,如操作数、结果、指令、指 令地址和机器状态等。根据功能的不同,寄存器组可分为数据寄存器、指令寄存器和指令 计数器(又称为程序计数器或指令地址寄存器)。 数据寄存器(DataRegisters,DR)主要用来暂存数据,例如存放复杂计算过程的中间 数据,接收来自存储器或将写入存储器的数据。正因为有数据寄存器的存在,CPU 才可 以在数据寄存器中存取数据,减少与存储器反复交换数据,从而提高CPU 的工作效率。 指令寄存器(InstructionRegister,IR)用于存放当前CPU 从存储器中取出来的指 令。那么如何获取要执行的指令的存储地址呢? 指令计数器(ProgramCounter,PC)是 一个具有计数功能的寄存器,用来存放当前CPU 下一步要执行的指令在存储器中的地 址。指令计数器中的地址自动加1即可得出下一条指令的地址。 ③控制单元 CU 也称为控制器,对应冯·诺依曼体系结构中的控制器。控制单元的主要功能包 括指令和操作数的传送、分析指令(译码)、产生并发送各种控制信号到相应的部件,协调 整个CPU 在时序电路的控制下有序工作等。控制单元中的指令译码器可以完成译码 功能 ( 。 2)CPU 的工作过程 指令是CPU 执行的最小单位,CPU 的工作过程是循环执行指令的过程。当程序开 始执行时,程序中第一条指令的存储地址将被放置在指令计数器中,指令的执行过程是在 控制器的控制下完成的,一条指令的执行过程如下。 ● 取指令:CPU 根据指令计数器的地址从主存中读取指令,并将其保存在指令寄存 器中,同时指令计数器自动加1,使之指向下一条要执行的指令的存储地址。 ● 分析指令:也称为译码,由指令译码器对指令进行译码,分析出指令的操作码类别 和所需操作数的获取方法。 ● 执行指令:向各个部件发出响应的控制信号,完成指令规定的操作,例如从存储器 中读取数据并传送到数据寄存器、ALU 进行算术或逻辑运算等。 重复进行“取指令-分析指令-执行指令”,直到遇到停机指令为止,即可实现程序自动 执行的过程。 2.存储系统 3.2 在冯·诺依曼计算机中,存储器的作用无疑是实现计算机自动化的基本保障,因为它 实现了“存储程序”的思想。在一个实际计算机系统中,存储器主要分成主存储器和辅助 存储器两大类。 第 3 章计算机系统 79 1.存储基本概念 ①位(bit):计算机中的最小存储单位,一个“位”能存储1位二进制数0或1,称为 1bit。在串行通信中,就是以“位”为单位进行数据交换的。 ②字节(Byte,简称B):将8个相邻的“位”组成一组,称为1字节(B)或者存储单元。 字节为计算机度量存储容量的基本单位。 ③存储容量:描述计算机存储能力的指标,通常以字节作为计量单位,即用B表示, 例如一个存储器的存储容量为256B 。 为了方便度量,还引入了千字节(KB )、兆字节(MB )、吉字节(GB)和太字节(TB)等 度量单位。 1B=8b 1KB=1024B=210B 1MB=1024KB=220B 1GB=1024MB=230B 1TB=1024GB=240B 2.主存储器 (1)主存储器的分类 主存储器又称为主存、内存储器或内存,它直接通过总线和CPU相连,CPU可以直 接访问主存以完成程序的运行,所以主存储器的存取速度直接影响着计算机的整体运行 速度。 按信息的存取方式,主存可以分为以下两种类型。 ①ROM(ReadOnlyMemory,只读存储器)是一种对其内容只可读取、不可写入的 存储器,通常用于存放固定不变的程序和数据。计算机主板上的BIOS(BasicInput OutputSystem,基本输入/输出系统)芯片就是一种ROM,主要作用是完成计算机的启 动、自检、各功能模块的初始化、系统引导等重要功能。 ②RAM(RandomAcesMemory,随机访问存储器)是指CPU可以直接读写的存 储器,用来存放正在执行的程序和数据,是主存储器的主体部分。当计算机工作时,RAM 能保存数据,但一旦切断电源,数据将完全消失。计算机中的内存条就是一种RAM,通 常所说的计算机主存即指计算机的内存条。 (2)主存储器的存储原理 要运行的程序和数据都需要存储在主存中,那么CPU如何实现对主存的“存”和 “取”呢? 对主存进行“编址”是一个有效的解决方案。 在计算机中,主存通常是按存储单元组织的,给予每个存储单元(字节)一个固定位数 的编号,这个编号就是主存地址。首先要知道一个存储单元的地址,然后才能访问对应的 存储单元以进行数据的存或取,按照地址找到某个存储单元的过程叫作寻址。 主存地址用二进制表示,如果表示地址的二进制数有m位,则主存地址最大可编码 80 大学计算机基础教程———计算思维 + Python+ Office 2016 到2m-1(从0开始编码), 也就是说,最多可以有2m 个主存单元,即存储容量为2mB。 主存储器的一般结构如图3-9所示,包括用于存储数据的存储体和外围电路。外围 电路用于数据交换和存储访问控制,与CPU 或Cache相连接。外围电路有两个非常重要 的寄存器,分别为数据寄存器和地址寄存器。前者用于临时保存读出或写入的数据,后者 用于临时保存要访问的存储地址。 图3- 9 主存结构 3. 辅助存储器 从计算机系统的实用角度看,为弥补主存的容量空间不大且断电后数据消失的不足, 永久性存储且大容量的存储器称为辅助存储器,也称为外部存储器,简称辅存或外存,采 用的是非易失性材料。 辅助存储器包含常见的硬盘、U盘、光盘等存储设备,用来存放暂时不用但又需要长 期保存的程序或数据。辅助存储器的读写速度与主存相比慢得多,所以它不能和CPU 直接进行数据交流,辅存中的程序和数据需要调入主存才能被CPU 执行。 4. 多级存储体系 虽然主存的读写速度比辅存速度快,但与CPU 的处理速度相比还是慢很多,而CPU 处理的指令和数据均来自主存,只有高速地向CPU 提供指令和数据,才能充分发挥CPU 的性能。那么如何解决CPU 和主存速度不匹配的问题呢? CPU 中具有通用寄存器,很多运算可直接在CPU 的通用寄存器中进行,减少了 CPU 与主存的数据交换,很好地解决了速度匹配的问题。但通用寄存器的数量是有限 的,一般在几到几百字节之间。 高速缓冲存储器(Cache,也称为高速缓存,简称缓存)可以解决主存与CPU 的速度 匹配问题。Cache是设置在CPU 和主存之间的高速、小容量存储器,一般由高速静态存 储器(StaticRAM,SRAM)组成,可以集成在CPU 内部,也可以放于CPU 外部。Cache 第 3 章计算机系统 81 分为一级缓存(L1Cache)、二级缓存(L2Cache)和三级缓存(L3Cache), 根据访问速度: L1Cache>L2Cache>L3Cache,根据容量:L3Cache>L2Cache>L1Cache。 L1Cache的容量通常为几十KB,其访问速度几乎与CPU 中的寄存器组一样快。L2 Cache的容量通常为几MB 或十几MB,其访问速度要比L1Cache慢几倍,比访问主存的 时间快10 倍。L3Cache的容量已经达到十几MB 或几十MB,目前大部分Cache都在 CPU 内部。 当CPU 要访问主存时,CPU 会把访问请求同时发送给主存和Cache。由于Cache速 度快,如果在Cache中查询到待访问的数据,则由Cache把数据传送给CPU,并结束本次 访问;如果Cache中没有待访问的数据,则主存会把数据传送给CPU 。 Cache的理论基础是局部性原理,即CPU 对主存的访问总是局限在整个主存的某个 部分。基于该原理,在访问主存的某个单元后,将该单元及其相邻的多个单元的内容读入 Cache,当CPU 下次访问主存时,有很大的概率会在Cache中查询到待访问的数据。 Cache还会根据一定的替换算法淘汰其中的部分原有数据,以便存储新数据。 用户对存储器的追求目标是高速度、大容量、低成本,但是这几个目标是相互矛盾、相 互制约的。Cache速度快,但是价格贵、容量小;硬盘等辅存容量大,但是速度慢,所以计 算机系统的存储器构成了一个多级层次结构,即寄存器—Cache—主存—辅存,称为存储 体系,如图3-10 所示。 图3-10 存储器的层次结构 在此存储体系中,从上往下存储容量越来越大,存取速度越来越慢,每位存储单位的 成本越来越低。多级存储体系实际上是对存储器的容量、速度和价格这3个基本性能指 标寻求的平衡。 3.3 总线系统 2. 1. 总线的定义 如果要将计算机系统中的各部件分别用一组线路直接相连,那么连线将会错综复杂, 甚至难以实现。为了简化硬件电路设计和系统结构,总线提供了一组公共通道,再配置适 当的接口电路,提供了各部件之间的信息传输和功能拓展的通道。总线是连接计算机各 部件的一组电子管道,负责在各个部件之间传递信息。采用总线结构便于部件和设备的 82 大学计算机基础教程———计算思维 + Python+ Office 2016 扩充和更换,统一的总线标准易于实现不同设备的互联。 2.总线的分类 (1)按位置和连接设备分类 内部总线主要指CPU内部器件之间的总线,例如连接CPU内部的控制单元、运算 器和寄存器之间的总线。 系统总线主要指CPU与主存、各接口部件等之间的总线。可以认为,计算机是以 CPU为核心,其他部件“挂接”在与CPU相连接的系统总线上。常见的系统总线标准有 PCI(PeripheralComponentInterconnect,外部设备互联)、PCI-E(PCI-Expres)等。 外部总线主要指计算机系统之间或者计算机与外部设备之间的总线,也称为扩展总 线,实际上它是一种外部设备的接口标准,用来规范计算机与外部设备的连接和通信,例 如用于计算机与硬盘、U盘、打印机、显示器等外部设备之间的连接。常见的接口标准有 连接U盘的USB(UniversalSerialBus,通用串行总线)、连接硬盘的SATA(Serial AdvancedTechnologyAtachment,串行高级技术附件接口协议)和IDE(Interated DriveElectronics,集成电子设备部件)等。 g (2)按传输内容分类 数据总线(DataBus,DB)用于传送数据信息。数据总线是双向传输,例如CPU使用 数据总线实现与存储器之间的数据双向传输。数据总线的根数决定了一次可以传送的二 进制位数,与字长是一致的。 地址总线(AddresBus,AB)用于传送地址信息。地址总线是单向传输,通常由 CPU传向内存和各种接口,以实现对内存的读写操作等。地址总线的根数决定了可以寻 址的范围,或者计算机可以配置的最大内存容量。假设有m根地址总线,则存储器的地 址寄存器的位数也为m位,可以访问的内存地址为从“00…00”(m个0)到“11…11”(m 个1),共2m 个主存单元,存储容量超过2mB的内存会有部分存储单元不能被访问。 控制总线(ControlBus,CB)用于传送CPU发出的各种控制信号以及各部件的响应 信号 ( 。 3)按传输方式分类 串行总线是指二进制数据逐位通过一根数据线发送到目的器件。 并行总线是指多位二进制数据同时传送,通常系统总线采用并行传输方式。 3.总线的性能 评价总线性能的3个参数如下: ● 总线宽度是指同时传输数据的二进制位数; ● 总线频率是指每秒传输数据的次数; ● 总线带宽是指总线能达到的最高传输速率 。 总线带宽(MB/s)=总线频率(MHz)×总线宽度(b)/ 8 第 3 章计算机系统 83 2.接口 为了解决CPU 与外部设备(外存和输入/输出设备)处理速度相差太大的问题,外部 设备通过接口实现与计算机的物理连接,接口用来实现数据缓冲、速度匹配和信息转换表 示等功能。 3.微型计算机 3 计算机按照规模和处理能力可分为高性能计算机、大型计算机、小型计算机、工作站 和微型计算机。其中,工作站的性能比微型计算机的性能要好,主要用于专门的图形设计 等对信息处理要求比较高的应用场合,在外形上和微型计算机相似,也被称为“高档微 机”。微型计算机简称微机,又称个人计算机(PC,PersonComputer), 俗称电脑,主要面 向个人用户,普及程度与应用领域非常广泛。 3.1 微型计算机硬件 3. 一台完整的裸机由主机和外围设备构成。主机包括中央处理器(CPU )、内存等,外 围设备包括硬盘、U盘等外存及显卡、声卡、网卡、电源、光驱、键盘、鼠标和显示器等设 备,其中,主机箱的内部结构如图3-11 所示。 图3-11 主机箱内部结构 1. 主板 主板是包含计算机系统主要组件的主电路板,提供了CPU 、主存、支持电路和总线控 制器等接口和插槽,如图3-12 所示。 在计算机中,总线的物理结构就是主板。如果将CPU 看作计算机的大脑,那么总线 可以看作计算机的神经,主板可以看作计算机的骨架。 84 大学计算机基础教程———计算思维 + Python+ Office 2016 图3-12 主板上各部件的分布 主板上的主要部件包括CPU 插槽、内存插槽、扩展槽、接口和芯片组。其中,CPU 插 槽和内存插槽将在后续内容中介绍。 (1)扩展槽 扩展槽用来安装声卡、网卡、多功能卡等,以扩展计算机的功能,在主板中的位置为 图3-12 中的PCI 插槽和PCI-E插槽。如图3-13 所示,PCI 的颜色通常为乳白色,可以安 装声卡、网卡、内置Modem 、视频采集卡等种类繁多的扩展卡,外形不同的PCI 的位宽不 同。PCI-E是最新的总线标准,按照数据通道可分为PCI-EX1 到PCI-EX16 多种规格。 PCI-EX1 插槽通常用来安装相匹配的声卡、网卡等,PCI-EX16 通常用来安装独立显卡, 按照传输协议可分为PCI0、0和PCI0。其中,E插槽将逐步取代 -E1.PCI-E2.-E3.PCIPCI 成为统一标准。 图3-13 扩展槽 第 3 章计算机系统 85 PCI-E分别支持X1 、X2 、X4 、X8 、X16等,目前大部分主板都具有PCI-EX16插槽,但 是还需要进一步确认支持的是PCI0、0还是PCI0。如果支持PCI0, -E1.PCI-E2.-E3.-E2. 就可以购买PCI0X16插槽类型的独立显卡。 (2)接口 -E2. 主板上的硬盘接口将在后续展开介绍,在此主要介绍主机箱背板上提供的外设接口, 如图3-14所示。 图3-14 外设接口 其中,PS/2接口通常为键盘和鼠标接口,不支持热插拔,即不能在开机状态拔插,否 则容易烧坏主板,目前大部分已经被USB接口代替。 USB(UnieslSrau通用串行总线) 0、USB3.0 vraeilBs, 接口分为USB2.0和USB4. 版本,速度越来越快。USB接口已成为计算机的标准扩展接口,可以连接键盘、鼠标、大 容量存储设备等多种外设。 VGA(VideoGraphicsAray,视频图形阵列)接口是和显示器相连的接口,传输的是 模拟信号,是目前应用最为广泛的一种显示接口类型。 DVI(DigitalVideoInterface,数字视频接口)是一种视频接口标准,用来传输未经压 缩的数字化视频,广泛应用于液晶显示器、数字投影机等显示设备。 HDMI(HighDefinitionMultimediaInterface,高清多媒体接口)是一种全数字化视 频和声音发送接口,可以发送未压缩的音频及视频信号。HDMI可用于机顶盒、DVD播 放机、个人计算机、电视、游戏主机、综合扩大机、数字音响与电视机等设备。 DP(DisplayPort,显示端口)是一种高清数字显示接口标准,与HDMI相比,相同分 辨率下DP的响应速度更快;DP支持的分辨率更高,可以将其理解为HDMI的加强版。 其中,VGA 、DVI 、HDMI和DP都是显示接口,性能优先级为DP>HDMI> DVI>VGA 。 (3)芯片组 芯片组是固化在主板上的一组大规模集成电路芯片的总称。芯片组是主板的灵魂, 决定了主板能够支持的功能,从一定意义上讲,它决定了主板的级别和档次。主板的生产 厂家主要有Intel、技嘉、华硕等,但芯片组主要来自Intel和AMD两家公司。 主要的芯片组如下。 86 大学计算机基础教程———计算思维 + Python+ Office 2016 ● 北桥芯片:通常位于CPU 附近,负责CPU 和内存之间的数据交换。因数据流量 大,工作频率高,故发热量大,需要在芯片上加装散热片。 ● 南桥芯片:通常位于扩展插槽附近,负责I/O接口的数据传输和控制。 随着芯片组技术的发展,北桥芯片的功能集成在CPU 中。在CPU 中,北桥芯片也 不再是一个基本独立的部分,而是分为PCI-E控制器、内存控制器等。随着北桥芯片和 CPU 整合技术的发展,南桥芯片的功能越来越少。 2.CPU CPU 安装在主板中的CPU 插槽中,如图3-12 和图3-15 所示。CPU 的接口类型要 与主板的CPU 插槽类型相匹配。 CPU 的主要参数如下。 ● 主频:CPU 内核工作的时钟频率。计算机的操作在时钟信号的控制下分步执行, 每个时钟信号周期完成一步操作,时钟频率的高低在很大程度上反映了CPU 速 度的快慢,最基本的单位为Hz 。 ● 制作工艺:线路宽度和晶体管尺寸。 ● 字长:CPU 一次能够完成的二进制数运算的位数,如32 位、64 位。字长是表达计 算机处理能力的重要指标,通常所说的32 位计算机是指字长为32 位。计算机处 理数据、完成运算的速率和字长密切相关。如果一台计算机的字长是另一台计算 机的两倍,即使两台计算机的频率相同,那么在相同的时间内,前者能做的工作几 乎是后者的两倍。可见,在其他指标相同的情况下,字长越大,则计算机处理数据 的速度就越快。 ● 多核:一个处理器中集成两个或多个完整的计算引擎,采用了并行处理思想。 nte-Inte CPU 的两大厂商为Il和AMD,如图316 所示。其中,l以稳定著称,对多媒 体有较好的支持,比较适合一些多媒体爱好者、办公室装机,以及一些不太懂计算机的家 庭装机。而AMD 则具有良好的超频性能和低廉的价格,适合DIY 高手,能花费较少的 钱获得更好的性能。同主频的AMD 与IntelCPU,前者的价格只有后者的一半左右。 图3-15 主板上的CPU 插槽图3-16 Intel和AMDCPU 图片 87 第 3 章计算机系统 选择CPU时,除了对比CPU的核心数量、主频、缓存容量、字长等参数,CPU接口类 型还要和主板上的CPU插槽类型相匹配。 Intel和AMD的几款CPU的参数列表如表3-3所示。 表3- 3 Intel和AMDCPU 主要参数 品牌型号主频/GHz 三级缓存/MB 插槽类型核心数量价格/元 Intel 酷睿i910900K 3.7 20 LGA1200 十核4299 AMD Ryzen93900X 3.8 64 SocketAM4 十二核3689 Intel 酷睿i510400F 2.9 12 LGA1200 六核1399 AMD Ryzen71700 3 16 SocketAM4 八核789 3.主存储器 (1)内存 内存也称为内存条,是一种RAM,安装在主板的内存插槽中,如图3-17所示。相同 颜色的内存插槽可以同时使用,构成双通道; 构成双通道的两根内存的品牌、型号、容量最 好一致。 双通道是指在北桥芯片组里设计两个内 存控制器,这两个内存控制器可以相互独立工 作,每个控制器控制一个内存通道。在这两个 内存中,CPU可分别寻址、读取数据,从而使 内存的带宽增加一倍,数据存取速度也相应增 加一倍(理论上)。如果把内存比作仓库,则单 通道就好比该仓库只有一个出口,而双通道就好比该仓库有两个出口。 内存主要由动态随机存储器(DynamicRandom-AcesMemory,DRAM)构成, DRAM用MOS电路和电容作为存储元件,根据电容充电原理存储信息。由于电容会漏 电,所以必须对里面的信息进行定期更新,才不会丢失信息,这个过程称为动态存储刷新。 同步动态存储器(SynchronousDRAM,SDRAM)是一种改善结构的增强型DRAM, 它在DRAM中加入了同步控制逻辑。 双倍速率SDRAM(DoubleDataRateSDRAM,DDRSDRAM)是在SDRAM的基础 上发展起来的,它可以在相同时间内使数据传输的速度翻倍,DDRSDRAM简称DDR 。 内存的主要类型为SDRAM 、DDR 、DDR2 、DDR3 、DDR4等,不同类型内存的对比如 图3-18所示。 内存的主要参数包括容量、存取速度、引脚数量等,其中,引脚数量也称为金手指个 数。金手指的个数越多,工作频率越高,存取速度越快,如表3-4所示。选购的内存条的 类型要和主板支持的内存插槽类型相匹配。 图3-17内存插槽 88 大学计算机基础教程———计算思维 + Python+ Office 2016 图3-18 不同类型内存的对比 表3- 4 DDR-DDR4 的参数对比 类型金手指/个工作电压/ V 工作频率/MHz DDR 184 2.25 400 DDR2 240 1.8 800/1066 DDR3 240 1.5 1333/1600 DDR4 284 1.2 2133/2400/2677 (2)BIOS 芯片 BIOS 是固化在主板的一个ROM 芯片上的程序,此ROM 芯片称为BIOS 芯片, BIOS 芯片在主板上的位置如图3-12 所示。BIOS 中保存着计算机最重要的基本输入/输 出程序、系统设置程序、开机自检程序和自启动程序。当计算机启动时,先执行BIOS 程 序,唤醒硬件,确保它们正常运行,然后加载运行存储在硬盘中的操作系统。 目前,BIOS 一般都采用FlashROM(快速擦写只读存储器), 可以通过程序对它进行 重新升级。 (3)CMOS 芯片 CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,互补金属氧化物半导体)芯片 是集成在主板上的一种RAM,由专门的电池供电,如图3-12 所示,用来存储系统运行所 必需的配置信息,如存储器、显示器、磁盘驱动器、时间等参数。例如,每次开机后系统的 时间都是正确的,就是因为CMOS 芯片中记录着时间和日期。 4. 辅助存储器 (1)机械硬盘 机械硬盘是以磁盘为存储介质的大容量存储器,具有可重复读写、可长期保存、容量 大、机械控制、速度较慢等特点,外形如图3-19 所示。 个人计算机硬盘的容量单位通常是GB 、TB,巨型机硬盘的容量单位则多为PB 、EB 。 机械硬盘主要由盘片、磁头、盘片转轴及控制电机、磁头控制器、数据转换器、接口、缓 存等组成,其内部结构如图3-20 所示。 第 3 章计算机系统 89 图3-19 硬盘外形图3-20 机械硬盘内部结构 磁头可沿盘片的半径方向运动,加上盘片每分钟几千转的高速旋转,磁头就可以定位 在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。 机械硬盘通过数据线和主板上的硬盘接口相连,硬盘接口分为早期的IDE 并行接口 (大部分已淘汰)和主流的SATA 串行接口等,如图3-21 所示。SATA 接口可分为 SATA1.SATA2.0, 5Gb/3.0Gb/s, 0、0和SATA3.速度分别约为1.s、0Gb/s和6.目前以 SATA3. 0为主。主板上的IDE 接口和SATA 接口如图322 所示,通常是多个SATA 接 口和一个IDE 接口。 图3-21 硬盘接口 图3-22 主板上的硬盘接口