第2章计算机组成原理考点

1第2章计算机组成原理★出题方向提示．计算机硬件的组成及其功能；计算机的分类；微处理器．CPU的结构；指令与指令系统；指令的执行过程；CPU的险能指标．PC机的主板、芯片组与BIOS;Cache存储器与主存储器PC机I/O操作的原理；I/O总线与I/O接口．常用输入设备（健盘、鼠标器、扫描仪、数码相机）的功能、性能指标及基本工作原理．常用偷出设备〔显示器、打印机〕的功能、分类、性能指标及基本工作原理．常用外存储器〔软盘、硬盘、光盘〕的功能、分类、性能指标及基本工作原理．★考核知识要点、重点、难点精解★考点1*：计算机硬件的组成及其功能计算机硬件主要包括中央处理器（CPU）、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，它们通过系统总线互相连接1.输入设备（1）输入设备的概念用来向计算机输入信息的设备通称为“输入设备”。（2）输入设备的分类输入设备有多种，例如，数字和文字输入设各（键盘、写字板等），位置和命令输入设备（鼠标器、触摸屏等），图形输入设备（扫描仪，数码相机等），声音输入设各（麦克风、MIDI演奏器等），视频输入设备（摄像机），温度、压力输入设备．（温度、压力传感器）等。注意：输入到计算机中的信息都使用二进位（“0”和“1）来表示。2中央处理器（CPU）负责对输入信息进行各种处理（例如计算、排序、分类、检索等）的部件称为“处理器”。注意：一台计算机中往往有多个处理器，它们各有其不同的任务，有的用于绘图，有的用于通信．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（CPU），它是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。3．内存储器(l)内存储器的概念计算机的一个重要特性是它具有强大的“记忆”功能，能够把程序和数据（包括原始数据、中间运算结果与最终结果等）储存起来，具有这种功能的部件就是“存储器”。2(2)内存的工作原理内存是存取速度快而容量相对较小（因成本较高）的一类存储器。内存储器直接与CPU相连接，是计算机中的工作存储器，它用来存放正在运行的程序和需要立即处理的数据。CPU工作时，它所执行的指令及处理的数据都是从内存中取出的，产生的结果也存放在内存中。4．外存储器外存则是存取速度较慢而容量相对很大的一类存储器。外存储器也称为辅助存储器，其存储容量很大，它能长期存放计算机系统中几乎所有的信息。计算机执行程序时，外存中的程序及相关的数据必须先传送到内存，然后才能被CPU使用。5．输出设备用于从计算机输出信息的设备称为“输出设备”。它们的功能是把计算机中用0和l表示的信息转换成为人可直接识别和感知的形式。计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式。例如在PC机中，显示器、打印机、绘图仪等都是输出文字和图形的设备，音箱是输出语音和音乐的设备。6．系统总线与l/0接口(1)系统总线系统总线是用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一种部件（含传输线和控制电路）。有些计算机把用于连接CPU和内存的总线称为系统总线（或CPU总线、前端总线），把连接内存和I/O设备（包括外存）的总线称为I/O总线。(2)I/O接口计算机系统中的I/O设备一般都通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连。常用的I/O接口有并行口、串行口、视频口、USB口等。★考点2：计算机的分类1．根据计算机的内部逻辑结构分类按计算机的内部逻辑结构进行分类，可分为单处理机与多处理机（并行机）,16位机、32位机或64位计算机等。2．根据计算机的性能、用途和价格分类按计算机的性能、用途和价格进行分类，通常把计算机分成下面的四大类：(1)巨型计算机巨型计算机也称超级计算机。(2)大型计算机3大型计算机指运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机。CPU通常有4、8、16、32个甚至更多处理器。(3)小型计算机小型计算机是一种供部门使用的计算机。(4)个人计算机个人计算机（简称PC）也称个人电脑、PC机或微型计算机。个人计算机的特点是价格便宜，使用方便，软件丰富，性能不断提高，适合办公或家庭使用。★考点3：微处理器1．微处理器的概念微处理器简称uP或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的部件。还有一种把处理器、存储器、输入／输出接口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电路，称为微控制器，也叫单片机，它们多半以嵌入方式大量地使用在智能仪表、智能玩具、外围设备、数字家电和通信设备等产品中。2.微处理器的发展由于集成电路技术进步神速，微处理器自1971年问世以来，它就得到了异乎寻常的发展，其主要标志就是微处理器的字长、结构、功能、晶体管数目和工作频率的变化。3．微处理器的发展历程简述(1)4位和8位的微处理器，如Apple一II微型计算机采用8位的微处理器。(2)16位的微处理器，代表是Intel8086。(3)32位的微处理器，如Intel公司的80386和80486微处理器。(4)Pentium（奔腾）微处理器，集成了310万个晶体管，速度超过100MIPS(MIPS表示每秒钟可完成100万次整数运算)(5)随后，PentiumMMX、PentiumPro以及Pentium11、Pentium111和Pentium4微处理器。★考点4:CPU的结构1.CPU的任务CPU的主要任务是执行指令，它按照指令的要求完成对数据的运算和处理。2.CPU的结构CPU的结构主要由三个部分组成：(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。需要运算器处理的数据总是预先从内存传送到寄存器；运算结果不再需要继续参加运算时就4从寄存器保存到内存。(2)运算器用来对数据进行加、减、乘、除或者与、或、非等各种基本的运算和逻辑运算，所以也称为算术逻辑部件（ALU）。(3)控制器这是CPU的指挥中心。控制器有一个指令计数器，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。控制器中还有一个指令寄存器，它用来保存当前正在执行的指令，通过译码器解释该指令的含义，控制运算器的操作，记录CPU的内部状态等。注意：迄今为止，我们所使用的计算机都是按照匈牙利数学家冯·诺依曼提出的“存储程序控制”的原理进行工作的。★考点5：指令与指令系统1．指令的概述在计算机内部，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。2．指令的组成大多数情况下，指令由两个部分组成，格式如下：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）的数据或者数据所在位置。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。3．指令的执行过程指令的执行过程如下：(1)CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器。(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5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至内存单元。(6)修改指令计数器，决定下一条指令的地址。4．指令的分类通常，指令系统中有数以百计的不同的指令，它们分成许多类，例如在Pentinm4处理器中共有六大类指令，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／输出类等。每一类指令（如数据传送类、算术运算类）又按照操作数的性质（如整数还是实数）、长度（16位、32位、64位、128位等）等区分为许多不同的指令。注意：每一种CPU都有它自己独特的一组指令。CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统或指令组。★考点6:CPU的性能指标CPU的主要性能指标如下：1．字长字长指的是计算机一次能够处理的二进制代码的位数。字长越大，表示数的有效位越多，计算机处理数据的精度也就越高。因此，字长是衡量计算机精度的重要因素。目前，微机的字长有8位、16位、32位、64位。2．主频主频也称为时钟频率，指的是CPU每秒平均所能运行的次数，单位是MHz（兆赫）。主频的大小直接影响着计算机的运算速度，主频越高，计算机的运算速度就越快。例如：486的主频一般为25MHz~100Mz;586的主频己达到550MHz，甚至1GHz以上。3．运算速度运算速度指的是计算机每秒所能执行指令的条数，单位是MIPS（百万条指令每秒）或MFLOPS（百万条浮点指令每秒）。运算速度是衡量计算机运算快慢的指标。目前，计算机的运算速度己达到300MIPS以上。4．内存容量内存容量指的是计算机内存储器所能存储信息的字节数，单位是字节。内存容量的大小直接影响到整机的性能和软件的运行效率，内存容量越大，所能存储的数据和运行的程序就越多，运算速度就越快，微机处理数据的能力也就越强。目前，微机的内存己达到512MB以上。5．存储周期存储周期指的是对内存储器进行一次完整的存取操作（读操作或写操作）所需的时间，单位是微秒（μs）或纳秒（ns）。存储周期是直接影响计算机速度的一个技术指标。6.RAS技术6RAS技术指的是可靠性（Reliability）、可维护性（Auliability）和可使用性（Serviceabijity）。它们的具体含义如下：(l)可靠性：计算机系统无故障的平均工作时间。(2)可维护性：计算机的维修效率，一般用故障平均排除时间来表示。(3)可使用性：计算机的使用效率，一般用系统地执行任务的任意时刻所能正常工作的概率来表示。★考点7:PC机的主板1．主板又称母板，在主板上通常安装有CPU插座（或插槽）、CPU调压器、主板芯片组、存储器插座、总线插槽、ROMBIOS、时钟／CMOS、电池、超级I/O芯片等。2.CPU和存储器芯片分别通过主板上的CPU插座和存储器插座安装在主板上。3.PC机常用外围设备主要通过一些扩充长（例如声音卡、视频卡等，也叫做适配器或控制器）与主板相连，扩充卡通过卡上的印刷插头插在主板上的PCI总线插槽中。4.CRT显示器通过插入AGP插槽的图形长与主板相连。5．随着集成电路的发展和计算机设计技术的进步，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、声卡等控制电路都可以集成在主板上）。6．主板上还有两块特别有用的集成电路：一块是只读存储器（ROM），其中存放的是基本输入／输出系统（BIOS）；另一个集成电路芯片是CMOS存储器，其中存放着用户对计算机硬件所设置的一些参数（称为“配置信息”）。★考点8:PC机的芯片组芯片组是PC机各组成部分的枢纽，主板上的所有控制功能几乎都集成在芯片组内，它既实现了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。芯片组一般由2一4块超大规模集成电路组成。注意：CPU类型或参数不同时，需要使用不同的芯片组。CPU的系统时钟及各种与其同步的时钟均由芯片组提供。芯片组还决定了主板上所能安装的内存最大容量、速度及可使用的内存条的类型。★考点9:BIOS1.B10S概念BIOS的中文名叫做基本输入／输出系统，它是存放在主板上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序，基有启动计算机工作，诊断计算机故障及控制低级输入输出操作的功能。2.BIOS的组成B10S主要包含四个部分的程序：（1）POST（加电自检）程序。（2）系统自举（装入）程序。7(3)CMOS设置程序。（4）基本外围设备的驱动程序。3.CMOS设置程序在PC机执行自举程序之前，用户若按下某一热键（如Del键或其他键，各种BIOS的规定不同），就可以启动CMOS设置程序。一般来说，在下列情况下需要启动CMOS设置程序对系统进行设置：(1)PC机组装好之后第一次加电。(2)系统增加、减少或更换硬件或I/O设