第2章 计算机硬件
任务1：熟悉PC主机的构成
任务2：掌握存储器的特性
任务3：了解输入/输出设备的功能
本章学习任务：
1、熟悉计算机的硬件组成及PC主机的构成。
2、掌握CPU的组成、性能指标，了解指令的
执行过程。
3、掌握芯片组、BIOS、CMOS的作用，了
解I/O操作、I/O总线、I/O接口
4、掌握存储器的分类及作用。
5、掌握各种输入/输出设备的功能和性能指
标。
任务1 熟悉PC主机的构成
CPU的结构与工作原理
主板、芯片组与BIOS
I/O总线与I/O接口
计算机硬件
计算机硬件是组成计算机的各种物理设备的总称。
1 音箱 5 CPU
2 调制解调器 6 键盘
3 麦克风 7 鼠标器
4 内存条 8 CD驱动器
9 软驱
10 硬盘驱动器
11 打印机
12 I/O接口
13 CRT显示器
14 扩展卡
主板
台式PC机(立式)的主机箱
扩展
空间
计算机硬件
计算机的硬件结构主要包含五个部分，即控制器、
运算器、存储器、输入设备和输出设备，它们通过
总线互相连接。
台式PC机的物理组成
台式PC机
主机 外部设备
机箱、电
源
主板
芯片组
BIO
S
RO
MR
RO
RO
MR
OM
CMOS
PCI插槽（I/O总线）
CPU
内存条
显示卡
网卡
插头和插座（I/O接
口）
声卡
输入设备
键盘
鼠标器
麦克风
摄像头等
输出设备
显示器
打印机
音箱 /耳机
等
外存储器
U盘、移动硬盘
等
硬盘、软
驱
光盘驱动
器
计算机中负责对输入信息进行各种处理的
部件称为“处理器”。
处理器能高速执行指令完成二进制数据的算术、
逻辑运算和数据传送等操作，它的结构很复杂。
大规模集成电路的出现，使得处理器的所
有组成部分都可以制作在一块大小仅为几
个平方厘米的半导体芯片上。因为体积很
小，这样的处理器称为“微处理器”。
处理器
中央处理器
一台计算机中往往有多个处理器，它们各有其不同
的任务，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”(简称CPU)，它是任
何一台计算机必不可少的核心组成部件。
冯·诺依曼计算机的结构与原理
(1) 计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机
理解和执行的操作命令；
(2) 程序(指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；
(3) 存储器中存放的指令和数据按地址进行存取 ；
(4) 指令是由CPU一条一条顺序执行的。
中央
处理器
运算器和控制器输入设备 输出设备
存储器
“存储程序控制” 原理
匈牙利数学家冯．诺依曼（）提出的“存
储程序控制”的原理工作的，即一个问题的解算步骤（程序）
连同它所处理的数据都使用二进位表示，并预先放在存储器
中。程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应
的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到
程序执行完毕为止。
CPU的结构
CPU的具体任务是执行指令，它按照指令
的要求完成对数据的基本运算和处理。
CPU的结构主要由三个部分组成 :
CPU结构的三个部分
（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。
（2）运算器。用来对数据进行加、减、乘、除
或者与、或、非等各种基本的算术运算和逻辑运
算.
（3）控制器。控制器是CPU的指挥中心，是对
输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个
部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、
状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路
组成。
~~ ~~内存储器
A
C
9
27B
ALU
0 1 2 3 4 5 6 7
运算器(ALU)与通用寄存器(GPR)
运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算
术逻辑部件 (ALU)，参加ALU运算的操作数通常来自通用
寄存器GPR ，运算结果也送回GPR
STORE R1 内存地址C
例3：存数指令
9
例2：加法指令
ADD R1 R3 R5
(3＃寄存器内容与5＃寄存器内容相
加，并把和数写入1＃寄存器)
例1:取数指令
LOAD R3 内存地址A
LOAD R5 内存地址B
2736
27
9
36
36
通用寄存器GPR
指令
使用计算机完成某个任务必须运行相应的程序。
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。
大多数情况下，指令由两个部分组成
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
所在的位置。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。
指令的执行过程
（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
寄存器保存到内存单元。
（6）修改指令计数器，决定下一条指令的地址。
指令在计算机中的执行过程
1 取指令
4 修改指
令计数器
3 执行指令
2 指令译码
指令执行周期
通常，每一步需要1个或几个时
钟周期才能完成
指令系统
每一种CPU都有它独特的一组指令。
CPU所能执行的全部指令称为该CPU的
指令系统。
在Core2处理器中共有七大类指令，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。
指令系统
不同公司生产的CPU各自有自己的指令系统，它
们不一定互相兼容。
Intel公司生产的CPU
（1）Intel公司生产的CPU主要产品发展过程为：
8088（8086）→80286 →80386→80486
→Pentium →Pentium PRO→Pentium II
→Pentium III → Pentium 4 → 奔腾D → 奔腾
至尊 →酷睿 →酷睿2 →Core i3/ i5/ i7
（2）为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式”
开发新的处理器，即所有新处理器均保留老处理器的
全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。
CPU的性能指标
（1）字长（位数）。字长指的是CPU中整数寄存器和定
点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）。
（2）主频（CPU时钟频率）。指CPU中电子线路的工作
频率，它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢。
（3）CPU总线速度。CPU总线（前端总线）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，
总线速度越快，CPU的性能将发挥得越充分。
（4）高速缓存（cache）的容量与结构。程序运行过程
中高速缓存有利于减少CPU访问的次数。通常，cache
容量越大、级数越多，其效用就越显著。
（5）指令系统。指令的类型和数目、指令的功能等都会
影响程序的执行速度。
（6）逻辑结构。
CPU的性能如何衡
CPU的性能高低主要表现为CPU的速度，有两种衡量方
法：
（1）计算每秒钟可执行的指令数目(单位：MIPS、
MFLOPS)
①巨型计算机：几十万亿～几百万亿次 基本运算/秒
②个人计算机：几千万～几亿次 基本运算/秒
（2）PC机大多以常用软件(办公软件、数字媒体处理
软件和3D游戏等)的运行速度来测试CPU的性能，例
如：
①游戏性能测试程序: 3DMark
②整体综合性能测试程序: PCMark
提高CPU性能三大措施
一是改进CPU结构；
二是提高IC速度(主频)；
三是 增加CPU(核)的数目。
主板
主板，又叫主机板、系统板或母板
(motherboard，它安装在机箱内，是计算
机最基本的也是最重要的部件之一。
在主板上通常安装有CPU插座、芯片组、
存储器插槽、扩充卡插槽、显卡插槽、
BIOS、CMOS存储器、辅助芯片和若干
用于连接外围设备的I/O插口.
台式PC机主板示意图
例：华硕P5Q主板
CPU插座
内存条插座硬盘
IDE连接器
PCI插槽
芯片组
各种I/O插口
显卡插槽
PCI-E插槽
安装了CPU和内存条的主板
主板上两块特别有用的集成电路
一块是闪烁存储器（Flash memory），其中
存放的是基本输入/输出系统（BIOS），它是
PC机软件中最基础的部分，没有它机器就无法
启动；
另一个集成电路芯片是CMOS存储器，其中存放
着与计算机系统相关的一些参数（称为“配置信
息”）,包括当前的日期和时间、开机口令、已
安装的光驱和硬盘的个数及类型等。
CMOS芯片是一种易失性存储器，它使用电池供电，
以确保在机器断电后当中的信息不会丢失。
芯片组
芯片组是PC机各组成部分相互连接和通信
的枢纽，存储器控制、I/O控制功能几乎
都集成在芯片组内，它既实现了PC机总
线的功能，又提供了各种I/O接口及相关
的控制。没有芯片组，CPU就无法与内存、
扩充卡、外设等交换信息。
芯片组一般由2块超大规模集成电路组
成：北桥芯片和南桥芯片。
芯片组与主板上各个部件互连的示意图
BIOS
BIOS的中文名叫做基本输入/输出系统，它是
存放在主板上闪烁存储器中的一组机器语言程序。
由于存放在闪存中，即使机器关机，它的内容也
不会改变。BIOS具有以下几个功能：
①诊断计算机故障
②启动计算机工作
③控制基本外设的输入输出操作(键盘、鼠标、
磁盘读写、屏幕显示等)
BIOS主要包含四个部分的程序
加电自检程序
系统主引导记录的装入程序（系统自举程
序）
CMOS设置程序
基本外围设备的驱动程序
I/O操作
输入、输出设备（又称I/O设备或外设）
是计算机系统的重要组成部分，没有I/O
设备，计算机就无法与外界（包括人、环
境、其他计算机等）交换信息。
I/O操作的任务是将输入设备输入的信息
送入内存的指定区域，或者将内存指定区
域的内容送出到输出设备。
I/O控制器
每个（类）I/O设备都有各自专用的控制
器（I/O控制器），它们的任务是接受
CPU启动I/O操作的命令后，独立地控制
I/O设备的操作，直到I/O操作完成。
I/O控制器是一组电子线路，不同设备的
I/O控制器结构与功能不同，复杂程度相
差也很大。
I/O控制器
有些设备（如键盘、鼠标器、打印机等）的I/O控
制器比较简单，它们已经集成在主板上的芯片内。
有些设备（如音频、视频设备等）的I/O控制器比
较复杂，且设备的规格和品种也比较多样，这些
I/O控制器就制作成扩充卡（也叫做适配卡或控制
卡），插在主板的PCI扩充槽内。
大多数I/O设备都是一个独立的物理实体，它们并
不包含在PC机的主机箱里。因此，I/O设备与主
机之间必须通过连接器（也叫做插头或插座）实现
互连。
主机上用于连接I/O设备的各种插头、插座，统称
为I/O接口。
I/O总线、I/O控制器、
I/O接口与I/O设备的连接方式
I/O总线
总线指的是计算机部件之间传输信息的一组公用
的信号线及相关控制电路。它用于在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。
总线有三种类型：
CPU总线（前端总线FSB）
存储器总线
I/O总线（ 目前使用的是PCI 和PCI-E 两种）。
CPU芯片与北桥芯片相互连接的总线称为CPU
总线（前端总线）
I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信
息、传输数据的一组公用信号线称为I/O总线
总线上三类信号
总线上通常有三类信号：数据信号、地址
信号和控制信号
负责传输这些信号的线路分别称为数据线、
地址线和控制线，协调与管理总线操作的
是总线控制器。
总线的带宽
总线最重要的性能是它的数据传输速率，也称为
总线的带宽，即单位时间内总线上可传输的最大
数据量。总线带宽的计算公式如下：
总线带宽（MB/s）=（数据线宽度/8）×总线
工作频率（MHz）×每个总线周期的传输次数
例题：计算机系统中总线最重要的性能是它的带
宽，若总线的数据线宽度为16位，总线的工作
频率为133MHZ，每个总线周期传输一次数据，
则其带宽
=16÷8×133×1MB/s=266MB/s
PCI总线
20世纪90年代初开始，PC机一直采用一
种成为PCI的I/O总线，它的工作频率是
33MHz，数据线宽度是32位（或64位）
，传输速率达133MB/s（或
266MB/s），可以用于挂接中等速度的
外部设备。但性能已经跟不上实际使用要
求。
PCI-E
PCI-Express(简称PCI-E或PCIe)是PC机
I/O总线的一种新标准，它采用高速串行传输以
点对点的方式与主机进行通信。
PCI-E包括X1、X4、X8和X16等多种规格，
分别包含1、4、8或16个传输通道，每个通道
的数据传输速率为250MB/s,n个通道可使传输
速率提高n倍，以满足不同设备对数据传输速率
的不同需求。
除了数据传输速率高的优点之外，由于是串行接
口，PCI-E插座的针脚数目也大为减少，这样就
降低了PCI-E设备的体积和生产成本
PCI 和 PCI-E 扩充卡插槽
各种
I/O
插口
PCI插槽
工作频率:
33MHz，
数据线:32位
传输速率:
133MB/s
PCI-E x1插槽
1个串行传输
通道；
最高传输速率
:
250MB/s
显卡插槽 (PCI-E x16) 16个串行传输通道； 最高传输速率:5GB/s
I/O设备接口
I/O设备与主机一般需要通过连接器实现
互连，计算机中用于连接I/O设备的各种
插头、插座以及相应的通信规程及电器特
性，就称为I/O设备接口，简称I/O接口。
I/O接口分类
数据传输方式：
串行（一位一位地传输数据，一次只传输1位）
并行（8位或者16位、32位一起进行传输）之分
数据传输速率
低速
高速
是否能连接多个设备：
有总线式（可串接多个设备，被多个设备共享）
独占式（只能连接1个设备）之分
是否符合标准来看
标准接口
专用接口
串行和并行接口
PC机常用I/O接口
台式PC机箱背部的I/O设备接口
显示器
接口(3种)
麦克风
音 箱
键盘接口
HDMI接口
USB
接口
以太网
RJ-45
接口
鼠标器
接口
数字音频接口
(同轴电缆接口)
数字音频接口
（光纤接口）
e-SATA
接口
USB接口
USB是英文Universal Serial Bus（通用串行
总线）的缩写，它是一种可以连接多个设备的总
线式串行接口，现在已经在PC机、数码相机、
MP3播放器等设备中普遍使用。
引脚 信号 名称 导线颜色
1
2
3
4
VCC
-DATA
+DATA
GND
电源
数据-
数据+
地
红
白
绿
黑
USB接口
接口使用4线连接器
“即插即用”
支持热插拔
USB接口有3种类型
借助“USB集线器”可以扩展机器的USB接口数
目，一个USB接口理论上能连接127个设备。
带有USB接口的I/O设备可以有自己的电源，也
可以通过USB接口由主机提供电源（+5V,100
—500mA ）。
USB接口的3种类型
IEEE-1394接口
IEEE-1394接口（简称1394，又称
或FireWire），主要用于连接需
要高速传输大量数据的音频和视频设备，
其数据传输速率可达50MB/s—
100MB/s。与USB一样，它也支持即插
即用和热插拔。
谢 谢
四月-
2106:51:4506:510
6:51四月-21四月-
2106:51
06:5106:51:
45四月-21四
月-
2106:51:45
2021/4/18 6:51:45
