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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