计算机硬件知识整理
第⼆章计算机组成原理
⼀.计算机的发展（4代）
(⼀)“代”的划分是以计算机的主机所使⽤的元器件为依据
(⼆)1946年，世界上第⼀台电⼦数字计算机——“埃尼阿克”(ENIAC)
(三)计算机能⼒：处理数值、图像和声⾳等数据；数据的计算、分析和推理；极⼤的信息存储能⼒；与其它计算机⽅便迅速交换信息；
(四)计算机应⽤模式发展阶段：集中计算模式、分散计算模式、⽹络计算模式（⽬前）
(五)计算机积极作⽤：增添新⼿段、提供新⼯具、引起新变化
(六)计算机信息处理优点：
1.能够储存⼤量信息，可按照程序⾃动⾼速进⾏计算
2.能处理数值数据以及图像和声⾳等⾮数值数据
3.数据计算（处理）、分析推理
快乐大本营王栎鑫4.极⼤的信息存储能⼒
5.⽅便迅速与其它计算机交换信息
亚当兰伯特⼆.计算机的组成
(⼀)组成：硬件（物理装置的总称）与软件（程序+数据+⽂档）
(⼆)硬件有：
1.五⼤部件：中央处理器CPU、内存储器、外存储器、I/O设备、总线
潘辰个人资料1)输⼊设备（Input）：
A.将信息送⼊计算机的设备
B.例如：键盘、⿏标、触摸屏、扫描仪、麦克风和传感器等
2)中央处理器CPU：
A.组成：运算器、控制器、寄存器
B.计算机中有多个处理器，其中⽤于承担系统软件和应⽤软件运⾏的处理器称为CPU
C.意义：计算机必不可少的核⼼组成部件
D.⼤多数计算机只包含⼀个CPU
E.多处理器系统：包含了多个中央处理器的计算机系统
F.并⾏处理：使⽤多个（≥2）CPU实现超⾼速计算机的技术
3)存储器＝内存＋外存（内、外存储器划分：是否直接与CPU相连，是否可以长期存放信息。详
见下表）
4) 输出设备(Output)：
A. 定义：把计算机中的⼆进位信息转换成⼈可感知的形式；
B. 例如：显⽰器、打印机、绘图仪 5) 系统总线与I/O 端⼝
A. BUS
a) 功能：硬件各部分的公共信息通道 b) 组成：控制器+公共传输线 c) 代表：CPU 总线、I/O 总线 B. I/O 端⼝
a) 作⽤：海纳百川各种I/O 设备；信息的缓冲处理等。 b) 类型：并、串、视频、USB 等（不同设备，不同规则）
2. 主机：中央处理器CPU 、内存储器、总线等
3. 外围设备（外设）：I/O 设备和外存储器等
三. 计算机分类：
(⼀) 按内部逻辑结构分类：单处理机、多处理机；16位、32位… (⼆) 按计算机整体性能分类：巨型机
、⼤型机、⼩型计算机、PC 机
1. 巨型计算机采⽤⼤规模并⾏处理（为提⾼计算机处理能⼒配置多个CPU ）的体系结构，速度达到每秒
数万亿次以上 2. PC 机
A. 分类：台式机、便携机
B. ⼯作站：⼀种具有⾼速的运算能⼒和强⼤的图形处理功能，通常运⾏UNIX 操作系统，特别适合
于⼯程与产品设计使⽤的特殊的⾼档PC
55开怎么了(三) 单⽚计算机/嵌⼊式计算机：
1. 单⽚计算机：运算器、控制器、存储器、I/O 控制与接⼝电路等集成在同⼀块芯⽚的超⼤规模集成电
路
2. 嵌⼊式计算机：内嵌在其他设备中的计算机，⼴泛应⽤于数码相机、⼿机和MP3等产品中 (四) 处理
器≠微处理器≠CPU
1. 微处理器：把CPU 和⼀组寄存器（Registers ）集成在⼀⽚⼤规模集成电路或超⼤规模集成电路封装之中的器件
2. 个⼈计算机⼀般都⽤单⽚微处理器作为CPU
3. 微处理器 = 通⽤微处理器（如CPU ）+ 专⽤微处理器（绘图处理器、通信处理
器等）
四. CPU 的结构与原理
(⼀) 冯诺依曼计算机基本原理：存储程序和程序控制（存储程序控制）——能储存⼤量信息，可按照程序⾃动
⾼速进⾏计算
1. 程序是⼀个指令序列李敏镐女友
2. 指令与数据都⽤⼆进制表⽰，预先存放在存储器内
3. 计算机⼯作时，CPU 从内存取出指令和数据，按机器指令的规定，对数据进⾏运算处理，直到程序完
成为⽌
(⼆)CPU的结构：
1.寄存器组：⼗⼏个甚⾄⼏⼗个寄存器组成，临时存放参加运算的数据和得到的中间结果
2.运算器：算术逻辑部件ALU
3.控制器：解释指令的含义、控制运算器的操作、记录内部状态的部件
指令计数器：⽤来存放CPU正在执⾏的指令的地址，CPU将按照该地址从内存读取所要执⾏的指令。
(三)指令
1.定义：⽤来规定计算机执⾏的操作和操作对象所在存储位置的⼀个⼆进制位串。
2.组成：操作码（计算机执⾏何种操作的⼀个⼆进制代码）＋操作数地址（操作的内容或所在的地址）
3.指令执⾏过程：取指令、指令译码、执⾏指令、保存结果。（注意顺序）
(四)指令系统（指令组）
1.定义：CPU所能执⾏的全部指令的集合
2.每⼀种CPU都有⾃⼰独特的⼀组指令，计算机所能执⾏的指令集由该机所安装的CPU决定
1)同⼀公司的ＣＰＵ产品通常“向下兼容”
A.新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进⾏扩充。
B.8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→PentiumPRO→PentiumⅡ→PentiumⅢ→Pentium 4（主频↑、晶体管数⽬↑、性价⽐↑）
PS: Intel公司是国际上研制和⽣产微处理器最⼤的专业公司
2)不同公司⽣产的CPU各有⾃⼰的指令系统，它们未必互相兼容
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A.不兼容：Power微处理器指令系统与Intel Pentium的指令系统差别很⼤
B.相互兼容：AMD微处理器与Intel Pentium的指令系统⼀致
(五)与CPU速度相关的性能参数——衡量计算机优劣的主要技术指标
1.字长（位数）
1)定义：CPU中定点运算器的宽度（即⼀次能同时进⾏⼆进制整数运算的位数）。
2)意义：
CPU可访问的最⼤内存空间
为1MB
2.主频(CPU时钟频率、内部频率)
1)定义：CPU中电⼦线路的⼯作频率
2)意义：决定了CPU内部数据传输与指令执⾏的快慢。主频越⾼，速度越快。
3)奔腾4系列主频范围：1500 MHz ~3800MHz
4)注意：主频提⾼⼀倍，PC机速度未必提⾼⼀倍
3.CPU总线速度
1)CPU总线（前端总线）：⽤于连接CPU和内存的总线
2)CPU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
A.数据总线宽度：决定了整个系统的数据流量的⼤⼩，包括CPU与⼆级⾼速缓存、内存以及
输⼊/输出设备之间⼀次数据传输的信息量。
4.⾼速缓冲存储器（cache）的容量与结构
1)Cache容量越⼤、级数越多，访问Cache的命中率就越⾼，CPU的速度就越快。
A.CACHE的命中率：CPU需要的指令或数据能在CACHE中能直接取到的概率
2)关于CACHE（缓存/快存）
A.定义：使⽤SRAM芯⽚组成的⼀种⾼速缓冲存储器
B.速度：CPU > CACHE > 内存
C.容量：⽐主存⼩
D.作⽤：弥补CPU与内存的速度差异，相当于主存的延伸
a)不与主存统⼀编址，但可接受CPU的访问
i.CPU局部访问原理：CPU所执⾏的指令和处理的数据往往集中于存储器的局部范
围内
b)CPU的Cache中的数据是主存中部分内容的映射
5.指令系统
6.逻辑结构——奔腾4有多个运算器
7.CPU运算速度的传统衡量⽅法：
1)每秒钟能执⾏的指令数⽬
2)例如：MIPS，单字长定点指令百万条数/秒；MFLOPS，单字长浮点指令百万条数/秒。
五.PC机的主机
(⼀)主板
1.⼜称母板，通常安装有CPU插座、CPU调压器、芯⽚组、第2级⾼速缓存（有的已做在CPU中）、存储器插座（SIMM 或DIMM）、总线插槽（如PCI、AGP、IDE）、ROM BIOS、时钟/CMOS、电池、超级I/O芯⽚等。
2.意义：PC机中所有部件和设备都以主板为基础进⾏安装和互相连接，主板的稳定性影响着整个计算机系统的稳定性。
3.扩充卡及接⼝
1)扩展板卡或扩充卡：
A.定义：插在PC机主板总线插槽中的电路板
B.包括：显卡、声卡、⽹卡、视频卡等
2)扩充卡通过卡上的印刷插头插在主板上的PCI（或ISA、PCIE）总线插槽中。
3)许多扩充卡的功能可以部分或全部集成在主板上（例如，软盘、硬盘、串⾏⼝、并⾏⼝、声⾳、
图形显⽰、⽹络连接等控制电路都可以集成在主板上），因此不再需要插接相应的适配卡。
4)主板的物理尺⼨已经标准化；ATX规格主板正向BTX规格转换
4.BIOS与CMOS
1)BIOS（Basic I/O System，基本输⼊/输出系统）
A.定义：最基本I/O机器语⾔程序；它控制着系统全部硬件的运⾏，⼜为⾼层软件提供底层调
⽤。
B.地位：PC机软件最基础的部分（没有BIOS的PC机⽆法正常启动）
C.BIOS存放在ROM中，是⾮易失性的
D.组成（四个部分）：①POST（Power On Self Test，加电⾃检——测试PC机各部件的⼯作状态是否正常）程序；②系统Load（⾃举装⼊）程序；③CMOS设置程序；④基本外设驱动
程序
特别说明：①基本外设（仅包括键盘、显⽰器、软驱和硬盘等）的控制程序（即“驱动程序”）
必须预先存放在BIOS ROM中，从BIOS中加载；②其他外设在OS初步运⾏成功后再从硬
盘加载；③有的外设驱动程序在适配卡的Rom中，BIOS可以扫描端⼝。
2)CMOS：
A.CMOS RAM是主板上的⼀块可读写的存储芯⽚。
B.在CMOS RAM中存储了⽤户对计算机硬件所设置的参数配置信息，如当前⽇期时间、硬盘
数⽬与容量、开机密码等。
C.CMOS芯⽚是易失性存储器，需主板电池供电
D.在下列情况下需要启CMOS设置程序对系统进⾏设置：
a)PC机组装好之后第⼀次加电
b)系统增加、减少或更换硬件或I／O设备
c)CMOS芯⽚因更换电池、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改
d)⽤户希望更改或设置开机密码
e)系统因某种需要⽽调整某些参数（改变启动系统时访问外存储器的顺序）
3)BIOS与CMOS的区别：通过BIOS设置程序对CMOS参数进⾏设置
A.BIOS是主板上⼀块ROM芯⽚，CMOS是主板上的⼀块可读写的RAM芯⽚，靠后备电池供
电，即使系统掉电后信息也不会丢失
B.BIOS中存放的是系统设置程序，CMOS中存放的是这个程序所设置的数据；
5.芯⽚组
1)定义：PC机各组成部分的枢纽，连接着CPU、内存条、硬盘接⼝、⽹络接⼝、PCI插槽等
2)意义：主板上的所有存储控制和I/O控制功能⼤都集成在芯⽚组内（既实现了PC机系统总线的
功能，⼜提供了各种I/O接⼝及相关的控制）
3)组成：南桥（ICH，增强的I/O控制）、北桥（MCH，存储控制）两⽚VLSI集成电路组成。
4)特别说明：①CPU类型或参数不同时需要配⽤不同的芯⽚组；②CPU的系统时钟及各种与其同步的时钟均由芯⽚组提供；③芯⽚组（北桥芯⽚）决定了主板上所能安装的内存最⼤容量、速度、可使⽤的内存条类型。
(⼆)内存储器
1.内存储器和外存储器组成⼀个层状的塔式结构
1)⽬的：优化存储器的性能／价格⽐
2)存储器按读写速度由⾼到低排列：Cache、RAM、硬盘、光盘
2.内存储器