微型计算机的组成及应用

1 第 2章 微 型 计 算 机 的 组 成 及 应 用2.1 微 型 计 算 机 概 述 2 2.1.1 微 型 计 算 机 系 统 的 层 次 及 分 类u微 型 计 算 机具 有 体 积 小 、 重 量 轻 、 功 耗 低 、 可 靠 性 高 、 价 格便 宜 、 使 用 方 便 和 软 件 丰 富 等 优 点 。微 型 计 算 机 系 统微 型 计 算 机 微 处 理 器1. 微 型 计 算 机 的 层 次 结 构 3 2. 微 型 计 算 机 分 类 按 主 机 、 I/0接 口 和 系 统 总 线 组 成 部 件 所 在位 置 （ 按 功 能 和 复 杂 程 度 ） 划 分 为 ： 单 片 机 ： 各 部 件 集 成 在 一 个 超 大 规 模 芯 片 上 ,用 于 控 制 仪 器 仪 表 等 。 单 板 机 ： 各 组 成 部 件 装 配 在 一 块 电 路 板 上 ，常 用 于 实 验 控 制 。 多 板 机 ： 各 组 成 部 件 装 配 在 多 块 电 路 板 上 ，如 台 式 微 型 计 算 机 、 便 携 式 PC机 。 4 2.2 微 型 计 算 机 系 统 的 配 件1.主 机 箱 及 箱 外 配 件2.箱 内 配 件 微 型 计 算 机 硬 件 由 ：u 系 统 主 板u 微 处 理 器u 存 储 器u 输 入 输 出 （ I/O） 接 口 电 路组 成 。采 用 总 线 结 构 将 各 部 件 连 接 起 来 。 5 2.2.1 系 统 主 板系 统 主 板 是 一 块 连 接 组 装 其 它 器 （ 部 ） 件 的 母 板 。微 型 计 算 机 通 过 主 板 将 CPU等 各 种 器 件 和 外 部 设 备有 机 地 结 合 起 来 ， 形 成 一套 完 整 系 统 。2.2 微 型 计 算 机 主 板 简 介 6 2.2.2 主 板 中 主 要 部 件 及 其 作 用n CPU插 座 (80386引 脚 数 132条 ,P4为 423条 ， 双 核 为775至 940条 )n 芯 片 组 （ 固 定 在 主 板 上 的 一 组 南 桥 和 北 桥 超 大 规 模 集 成 电 路 芯 片 总 称 ）n 内 存 插 槽 （ 30、 72、 168、 184、 240线 ）n 系 统 BIOS（ 含 上 电 自 检 、 系 统 初 始 化 、 系 统 设 置 ） n CMOS RAM（ 存 储 系 统 配 置 信 息 ）n 总 线 扩 展 槽n 串 行 、 并 行 接 口 7 2.3 微 处 理 器运 算 器 、 控 制 器 ， 另 加 寄 存 器 组 组 成 微 处 理 器 。一 般 将 这 一 结 构 封 装 在 一 个 集 成 电 路 芯 片 中 ， 通 过引 脚 与 外 部 电 路 相 连 。1.CPU目 前 微 型 计 算 机 CPU的 主 导 产 品 是 Pentium D系 列 。系 列 中 又 有 不 同 工 作 频 率 的 产 品 。双 核 、 4核 CPU已 面 向 普 通 用 户 。 8 2.3.1 微 处 理 器 及 其 内 部 结 构l 中 央 处 理 器 简 称 CPU， 是 计 算 机的 核 心 ， 主 要 包 括 ： 运 算 器 控 制 器 寄 存 器 组可 选 ： 高 速 缓 冲 存 储 器 （ cache） 图 CPU基 本 结 构控 制 逻 辑 单 元CPU内 部 总 线内 部 寄 存 器 组运 算 器 地 址 数 据 控 制 信 号 9 2.3.2 CPU性 能 指 标u 执 行 指 令 的 速 度 ， 每 秒 所 能 执 行 的 指 令 的 条 数 ；u Intel 4004 速 度 ： 5万 /秒u Pentium D: n亿 /秒与 “ 系 统 时 钟 ” 有 直 接 关 系 : CPU外 频 ： 指 CPU总 线 频 率 ， 是 主 板 为 CPU提 供 的基 准 时 钟 频 率 。 CPU主 频 ： 也 称 工 作 频 率 ， 是 CPU内 核 （ 运 算 器 ）电 路 的 实 际 运 行 频 率 ， 也 称 CPU内 频 。 CPU倍 频 ： 主 频 与 外 频 间 的 比 值 。 主 频 =外 频 x倍 频 10 CPU字 长 ： CPU内 部 各 寄 存 器 之 间 一 次 能 够 传 递 的 数据 位 数 ， 即 在 单 位 时 间 内 一 次 处 理 二 进 制 数 的 位 数 位 宽 ： CPU通 过 外 部 数 据 总 线 与 外 部 设 备 之 间 一 次能 够 传 递 的 数 据 位 。u 指 令 本 身 的 功 能 和 丰 富 程 度 11 2.4 微 型 机 系 统 存 储 器内 存 是 微 机 重 要 配 置 之 一 ， 内 存 容 量 及 性 能 是 影 响 微机 性 能 的 重 要 因 素 。 包 括 ： RAM、 ROM、 CMOS、 高 速 缓 存 、 虚 拟 存 储 器 。u 作 用 ： 用 于 存 放 计 算 机 工 作 过 程 中 需 要 操 作 的 数 据 和 程 序 12 存 储 器 系 统u 将 两 个 或 两 个 以 上 速 度 、 容 量 和 价 格 各 不 相 同的 存 储 器 用 硬 件 、 软 件 或 软 硬 件 相 结 合 的 方 法连 接 起 来 构 成 存 储 系 统 。u 系 统 的 存 储 速 度 接 近 最 快 的 存 储 器 ， 容 量 接 近最 大 的 存 储 器 。 13 存 储 器 系 统u一 般 计 算 机 中 主 要 有 两 种 存 储 系 统 : Cache存 储 系 统 主 存 储 器高 速 缓 冲 存 储 器虚 拟 存 储 系 统 主 存 储 器磁 盘 存 储 器 14 计 算 机 的 存 储 系 统 大小 容量低高 价格 慢快 速度通 用 寄 存 器高 速 缓 存主 存 储 器联 机 外 存脱 机 外 存 15 内 存 储 器RAM的 特 点 :u 存 取 速 度 较 快 ， 容 量 相 对 较 小 ， 在 系 统关 机 后 其 内 部 存 放 的 信 息 会 丢 失 。 随 机 存 取 存 储 器 （ RAM）只 读 存 储 器 （ ROM） 16 内 存 储 器几 个 概 念 ：1. 内 存 容 量 内 存 所 含 存 储 单 元 的 个 数 ， 以 字 节 为 单 位 。 内 存 容 量 的 大 小 依 CPU的 寻 址 范 围 而 定 （ 即 CPU地 址 信 号 线 的 位 数 ） 。 17 2. 内 存 的 操 作 只 有 读 写 操 作 18 3. 内 存 单 元 的 地 址 和 内 容 每 个 单 元 都 对 应 一 个 地 址 ， 以 实 现 对 单 元 内 容的 寻 址 。 1011011038F04H内 存 地 址单 元 内 容 19 2.4.2 CMOS“ 小 随 机 存 储 器 ” u靠 电 池 供 电 。u用 于 保 存 系 统 当 前 配 置 的 数 据 。如 系 统 日 期 和 时 间 、 硬 盘 格 式 和 容 量 、 内 存 容 量 等 。这 些 信 息 既 是 系 统 启 动 时 必 读 信 息 ， 也 是 更 新 硬 件 时要 修 改 的 信 息 。 20 2.4.1 BIOS芯 片uBIOS “ 基 本 输 入 /输 出 系 统 ” ， 全 称 是 ROM-BIOS，由 一 组 固 化 的 程 序 组 成 。u早 期 的 主 板 由 EPROM存 储 BIOS。u现 在 的 主 板 大 都 由 Flash ROM存 储 BIOS。BIOS中 主 要 包 括 ：CMOS设 置 程 序 为 系 统 配 置 操 作 界 面 ， 允 许 用 户设 置 磁 盘 驱 动 器 格 式 及 参 数 ； 系 统 时 间 日 期 等 参 数 。并 把 这 些 参 数 保 存 到 CMOS中 。自 诊 断 程 序 通 过 读 取 CMOS RAM中 的 硬 件 配 置 参数 ， 对 系 统 自 检 和 初 始 化 。系 统 自 举 装 载 程 序 自 检 成 功 后 将 硬 盘 上 的 操 作 系统 引 导 程 序 装 入 内 存 并 运 行 ， 以 装 入 和 运 行 操 作 系 统 21 2.4.3 高 速 缓 存 Cache 是 高 速 存 取 信 息 的 芯 片 。 它 存 取 速 度 比 内 存 快 ，但 容 量 不 大 ， 主 要 用 于 存 放 当 前 使 用 最 多 的 程 序 段 和数 据 块 ， 并 以 接 近 CPU的 速 度 向 CPU提 供 程 序 指 令 和 数据 。2.4.4 虚 拟 存 储 器 “ 虚 拟 存 储 技 术 ” 是 通 过 软 件 方 法 ， 将 主 存 和 一部 分 外 存 空 间 构 成 一 个 整 体 ， 提 供 一 个 比 实 际 物 理 内存 储 器 大 得 多 的 存 储 空 间 ， 称 之 为 “ 虚 拟 存 储 器 ” 。 22 2.5 微 型 计 算 机 总 线 结 构 与 接 口u 总 线 是 微 型 计 算 机 内 部 件 之 间 、 设 备 之 间 传 输信 息 的 公 用 信 号 线 。u 接 口 将 总 线 信 号 连 接 到 某 个 部 件 或 设 备 的 电 路微 型 计 算 机 结 构 图这 些 特 点 使 微 型 计 算 机 产 品 实 现 了 标 准 化 、 系 列 化 、 并 具 有通 用 性 。 23 2.5.1 总 线 基 础 知 识u 是 一 组 导 线 和 相 关 控 制 、 驱 动 电 路 的 集 合 。 是 计 算 机 系 统 各 部 件 之 间 传 输 地 址 、 数 据 和 控制 信 息 的 通 道 。按 传 送 信 息 的 类 别 分 为 ：地 址 总 线 （ AB）数 据 总 线 （ DB）控 制 总 线 （ CB） 24 n 在 系 统 模 块 中 提 供 传 输 数 据 的 通 信 线 路 的 集 合 体 称 为数 据 总 线 ， 是 双 向 总 线 。CPU既 可 通 过 DB从 内 存 或 输 入 设 备 读 入 数 据 也 可 通过 DB将 内 部 数 据 传 送 给 内 存 或 输 入 设 备典 型 的 数 据 总 线 有 8条 、 16条 、 32条 、 64条 ， 即指 数 据 总 线 的 宽 度 。 如 64条 数 据 线 表 示 每 次 可 以交 换 64位 二 进 制 数 。数 据 总 线 25 n 用 于 传 送 CPU发 出 的 地 址 信 息 ， 即 指 明 数 据 总 线 上 的 数 据 的 源 地 址 或 目 的 地 址 ， 是 单 向 总 线 。 地 址 总 线 的 宽 度 决 定 了 CPU的 最 大 寻 址 能 力 如 ： 假 如 CPU有 24根 地 址 线 ， 其 最 大 寻 址 能 力 为 16 MB。 32根 则 可 寻 址 4GB。 264 =1.844674407371 * 1019地 址 总 线 26 n 控 制 数 据 总 线 和 地 址 总 线 的 访 问 和 使 用 ， 即 传 送 控 制 信 号 、 命 令 信 号 和 定 时 信 号 等 ， 通 常 以 双 向 线 表 示 。 控 制 信 号 ： 在 系 统 模 块 间 传 递 命 令 和 定 时 信 号 命 令 信 号 ： 指 定 将 要 执 行 的 操 作 定 时 信 号 ： 指 明 数 据 信 息 和 地 址 信 息 的 有 效 性控 制 总 线 27 总 线 级 别按 在 系 统 中 的 位 置 和 功 能 不 同 ， 分 为 3级 ：1.内 部 总 线 CPU内 部 各 部 件 的 连 接 线 。 也 称 CPU总 线 。2.内 部 扩 展 总 线 用 于 扩 展 I/O模 块 的 总 线 。 把 主 板 与 板 上 的 模 块 （ 部 件 或 插 件 板 ） 连 接 成 计 算 机3.系 统 级 总 线 多 台 微 机 或 微 机 与 外 设 间 的 总 线 也 称 外 部 总 线 。 28 总 线 的 基 本 功 能u 传 输 同 步 对 总 线 通 讯 进 行 定 时 ， 有 同 步 和 异 步 两 种 数 据 传 输 方 式u 仲 裁 控 制 任 一 时 刻 只 能 有 一 个 部 件 控 制 总 线u 出 错 处 理 自 动 纠 错u 总 线 驱 动 三 态 电 路 或 集 电 极 开 路 29 总 线 的 主 要 性 能 指 标u 总 线 位 宽 （ bit） ： 能 同 时 传 送 的 数 据 位 数 （ 8、 16、 32、 64）u 总 线 的 工 作 频 率 （ MHz） 33或 66等u 总 线 带 宽 （ B/S） ： 133/266 (PCI-E是 10G以 上 ) 单 位 时 间 内 总 线 上 可 传 送 的 数 据 量总 线 带 宽 =（ 总 线 宽 度 /8） *总 线 时 钟 频 率 /每 个 存 取 周 期 的 时 钟 数例 如 对 32位 PCI总 线 ： 总 线 带 宽 =32/8*66/2=133MB/s 30 2.5.2 内 部 扩 展 总 线l ISA（ 8/16位 ）l PCI（ 32/64位 ） （ PCI-E）l AGP（ 加 速 图 形 端 口 ， 用 于 提 高 图 形 处 理 能 力 ）l PCMCI（ 主 要 用 于 笔 记 本 电 脑 ） 31 1. PCI（ Peripheral Component Interconnect） 总 线u 支 持 32位 数 据 传 输 ， 可 扩 展 到 64位 ;u 总 线 速 度 为 66MHz， 可 接 声 卡 或 网 卡 等 （ PCI插 槽一 般 为 白 色 ） 。2. AGP（ Advanced Graphics Port） 总 线 一 种 可 自 由 扩 展 的 图 形 总 线 结 构 ， 能 增 大 图 形控 制 器 的 可 用 带 宽 ， 有 效 地 解 决 了 3D图 形 处 理的 瓶 颈 问 题 。 总 线 宽 为 32位 ， 时 钟 频 率 有 66MHz和 133MHz两 种 。 32 2.5.3 外 部 总 线 接 口 接 口 就 是 外 部 设 备 与 计 算 机 连 接 的 端 口 ； 接 口 是 CPU与 外 部 设 备 间 的 桥 梁 图 2.4.1 外 部 设 备 接 口 图 USB接 口PS/2鼠 标 接 口PS/2键 盘 接 口 串 口 （ COM1/COM2）MDI和 手 柄 接 口音 频 输 入 /输 出 接 口并 行 接 口CPU I/O接 口 外 设 33 u 接 口 要 解 决 ：n 速 度 匹 配 (Buffer)n 信 号 电 平 和 驱 动 能 力 (电 平 转 换 器 、 驱 动 器 ) n 信 号 形 式 匹 配 (A/D、 D/A) n 信 息 格 式n 时 序 匹 配 (定 时 关 系 ) n 总 线 隔 离 (三 态 门 ) 34 接 口 的 分 类串 行 接 口并 行 接 口u按 传 送 信 息 的 方 式 分 ：u按 作 用 分 ： 输 入 接 口输 出 接 口 35 1. 串 行 接 口u 也 称 为 异 步 通 信 适 配 器 接 口 （ RS-232-C） ;u 接 口 设 备 名 为 COMl、 COM2;u 向 一 个 方 向 一 次 只 能 传 输 一 位 数 据 。 36 2. 并 行 接 口 插 座 上 有 25个 导 电 孔 ， 常 用 于 连 接 打 印 机 ， 也称 为 打 印 口 或 并 行 打 印 机 适 配 器 口 ， 赋 予 专 用 设 备名 LPT。 并 行 接 口 可 同 时 传 输 8位 信 号 。3. USB通 用 串 行 总 线 接 口 采 用 USB接 口 的 设 备 支 持 热 插 拔 。 USB接 口 可 为外 设 提 供 电 源 ， 提 供 500毫 安 电 流 ， 能 同 时 连 接 多 个外 设 ， 可 同 时 支 持 高 速 和 低 速 设 备 访 问 。 传 输 速 率约 480Mbps。 37 4. IEEE 1394接 口 一 种 连 接 外 部 设 备 的 机 外 总 线 标 准 ， 按 串 行 方 式通 信 ， 带 宽 可 达 400Mbps。 主 要 用 于 主 机 与 硬 盘 、 打印 机 、 扫 描 仪 、 数 码 摄 像 机 、 和 视 频 电 话 等 连 接 。硬 盘 接 口 常 见 硬 盘 接 口 标 准 是 IDE、 EIDE和 SCSI： 现 在 普 遍 使 用 增 强 型 IDE(EIDE)标 准 ， 可 支 持 4个设 备 ， 支 持 大 容 量 的 硬 盘 。 数 据 接 口 为 40针 。 SCSI接 口 即 小 型 计 算 机 系 统 接 口 。 SCSI硬 盘 是 比较 专 业 的 硬 盘 ， 主 要 用 于 网 络 服 务 器 、 工 作 站 和小 型 计 算 机 系 统 上 。 数 据 接 口 为 50针 。 38 5. 其 他 常 用 接 口 视 频 连 接 器 接 口 ： 常 用 于 笔 记 本 外 接 显 示 器 或 投 影 设 备 。 PS/2接 口 ： 常 用 于 连 接 鼠 标 、 键 盘 。 Modem接 口 （ 内 置 Modem） ： 可 以 连 接 电 话 线 ， 进 行 拨 号 上 网 。 以 太 网 （ 卡 ） 接 口 ： 可 将 计 算 机 直 接 连 入 网 中 39 2.6 微 型 计 算 机 的 常 用 外 部 设 备 微 型 计 算 机 外 设 包 括 输 入 输 出 设 备 和 辅 助 存 储 器2.6.1 输 入 设 备u 键 盘 (Keyboard) 4个 布 局 区u 鼠 标 (Mouse) 机 械 、 光 电 u 扫 描 仪 (Scanner)u 触 摸 屏 、u 数 码 相 机 (digital camera)u 数 字 摄 像 机 (digitdvideo camera) 等 。 40 2.6.2 输 出 设 备1.显 示 器 (Monitor):常 见 两 类 : 主 要 技 术 指 标 ： 分 辨 率 （ 640 x480、 800 x600、 1024x768） 刷 新 频 率 （ 75Hz 、 以 上 ） 像 素 色 彩 3色 u阴 极 射 线 管 显 示 器 （ CRT） u液 晶 显 示 器 （ LCD） 41 2.打 印 机 (Printer):常 见 三 类 :u 针 式u 喷 墨u 激 光 打 印 机 3.绘 图 仪 : 一 种 常 用 的 图 形 输 出 设 备 。 两 种 类 型 ：u 平 板 型u 滚 筒 型 42 2.7 微 型 计 算 机 常 用 软 件软 件 的 启 动 方 法 有 多 种 ， 在 Windows环 境 下 ,通 常 点 击“ 开 始 ” “ 程 序 ” 菜 单 即 可 启 动 相 关 软 件 。2.7.1 Windows操 作 系 统 启 动 与 关 闭 1 Windows的 启 动 Windows的 启 动 过 程 是 自 动 的 2 Windows的 关 闭 在 关 闭 或 重 新 启 动 计 算 机 之前 ， 一 定 要 先 退 出 Windows系 统 ， 否 则 会 破 坏 一 些 没有 保 存 的 文 件 和 正 在 运 行 的 程 序 。 43 2.7.2 Office系 列 软 件Office软 件 通 过 Office DLL共 享 代 码 、 共 享 应 用 程序 工 具 ， 在 文 字 、 表 格 、 图 形 、 图 象 和 声 音 等 多 媒体 处 理 及 网 络 应 用 方 面 的 基 本 原 理 、 基 本 方 法 有 许多 相 同 或 相 似 之 处 。 44 1.Word 文 字 处 理 软 件 集 文 字 编 辑 和 排 版 、 表 格 和 图 表 制 作 、 图 形 和 图 象 处 理 等 功 能 为 一 体 。 2. Excel 电 子 表 格 软 件 具 有 强 大 的 数 据 处 理 与 分 析 能 力 ， 丰 富 的 图 表 功 能 ， 在 统 计 分 析 中 有 着 广 泛 的 应 用 。 3. PowerPoint 电 子 演 示 文 稿 软 件 通 过 计 算 机 播 放 文 字 、 图 形 、 图 像 和 声 音 等 多 媒 体 信 息 。 4. Access 数 据 库 管 理 软 件 对 大 量 数 据 收 集 、 编 辑 、 保 存 和 高 效 应 用 。 45 2.7.3 Windows附 件 中 的 常 用 软 件附 件 应 用 程 序 分 为 基 本 附 件 、 游 戏 程 序 、 通 信 程 序 、系 统 工 具 软 件 、 辅 助 工 具 软 件 及 多 媒 体 娱 乐 软 件 等 ，在 此 介 绍 几 个 常 用 软 件 ： 1.记 事 本 简 单 文 本 编 辑 器 ， 文 本 中 只 能 是 文 字 和 数 字 。 是 编 辑 或 查 看 文 本 （ TXT） 文 件 常 用 工 具 2. 计 算 器 利 用 “ 查 看 ” 菜 单 可 选 择 “ 科 学 型 ” 计 算 器 或 标准 型 计 算 器 。 46 3. 绘 图 工 具画 图 是 Windows系 统 中 自 带 画 图 和 图 像 处 理 程 序 ，支 持 BMP和 JPG等 文 件 格 式 。 Windows画 图 软 件 主要 功 能 有 画 直 线 和 图 形 。 4. 磁 盘 管 理 工 具 磁 盘 清 理 ： 便 于 清 除 废 弃 的 文 件 ， 释 放 硬 盘 空 间 磁 盘 扫 描 ： 检 查 硬 盘 的 逻 辑 和 物 理 错 误 ， 修 复 已 损 坏 的 区 域 。 磁 盘 碎 片 整 理 ： 重 新 整 理 文 件 在 硬 盘 上 的 存 储 位 置 ， 提 高 硬 盘 访 问 速 度 。 47 作 业 ：习 题 一 、 二 、 三