计算机硬件技术基础

同济大学电子与信息工程学院

教学内容 第一章 微型计算机概述 第二章 微型计算机的主要部件 第三章 微型计算机的外部设备 第四章 多媒体计算机 第五章 计算机网络 第六章 笔记本 PC 机 第七章 微型计算机的选购、安装与维护

参考教材 计算机硬件技术基础 谭浩强主编 电子工业出版社 计算机硬件技术基础教程 史嘉权主编 清华大学出版社

第一章 微型计算机概述

1946 年 , 美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机 ENIAC。重 28 吨，耗电 150kW ，占地 170 平米，用电子管 18800 个，每秒5000 次加法。

第一代 电子管时代 (1946-1958)

耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言 第二代 晶体管时代 (1958-1965)

变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言 第三代 中小规模集成电路时代 (1965-1970)

存储容量大，运算速度快，几十至几百万次 / 秒 第四代 大规模集成电路时代 (1971 至今 )

向大型机和微型机两个方向发展 现代计算机发展方向 巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化

计算机的发展

巨型机——世界几家公司生产，最快 1.4 万亿次， 9 千个 CPU 组成 Cray-1,Cray-2,Cray-3, 国产银河 I, 银河 II, 银河 III

小巨型机——功能同巨型机相近，价格相对便宜，发展十分迅速 美国 Convex 公司的 C 系列机为其代表产品。 大型机——大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调 度主机资源，代表产品有 IBM360 ， 370 ， 4300 等。 小型机——它可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用， 典型产品有 IBM-AS/400 ， DEC-VAX 系列，国产太极 工作站——用于特殊的专业领域，例如图象处理和辅助设计等。 典型产品有 HP-APOLLO ， SUN 工作站等。 微型机——个人或家庭使用， PC 机 / 个人计算机，价格低廉

计算机的六大分类

1.1 微电子器件的发展代 发表

年份字长(bits)

型号 线宽(m)

晶体管数( 万个 )

时钟频率(MHz)

速度(MIPS)

一 19711972

48

40048008

500.20.3

<1 0.05

二 1974 8 8080 20 0.5 2-4 0.5

三 19781982

168086/808

880286

2-32.913.4

4.77-108-16

<11-2

四 19851989

328038680486

1-227.5120

16-3325-66

6-1220-40

五 1993 32 Pentium 0.6-0.8 330 60-200 100-200

六

19951996199719992001

32

P/ProP/MMX

PIIPIIIP4

0.60.60.35

.25-.13

.18-.13

5504507508501000

133-200166-233233-450450-12001300-2400

>300

七 2002？ 64 Itanium 0.13

CPU:2.5KCache:30

K

800(20 条指令 / 时钟周期 )

>3000

1.1.1 摩尔定律

摩尔定律摩尔定律 60 年代初，英特尔公司创始人之一，美国化学家戈登 · 摩尔提出每隔 18 至 24 个月，芯片每秒速度至少提高一倍。

戈登 · 摩尔当年提出摩尔定律的时候，恐怕自己都想不到会对现在这个时代产生如此大的影响，因为戈登 · 摩尔所处的时代，石油和煤炭依然是经济发展的动力，而现在．芯片已经成为了左右经济的重要力量。摩尔定律经受了将近 40 年的时间冼礼，其间它像一双无形的臂膀，推动着 IT 产业不断地向前发展一一每个芯片上集成的晶体管数目已经增长了 18000 倍，由 1971 年的 2300 个增长到了今天 Pellet 4 芯片的 4200 万个。

一个高大的“阴影”始终弥漫在英特尔这家半导体领域利润最高的公司之中，笼罩着整个半导体产业。这就是““摩尔定律””， IT 产业的第一定律！

关于摩尔定律的不同观点

10 年前的 intel ， 5 年前的微软，给人们的印象是一个产生兴奋的地方，好莱坞只能把梦想做到银幕上，而微软和intel 的联盟把银幕上的梦变成了人们生活的一部分。于是，在那个时候，摩尔定律和 windows 一起代表了人类征服数字世界，改造自己生活的精神。　　现在的摩尔定律，不再是一个梦想的一部分，而是逼迫人们掏钱的工具。。什么是摩尔定律的灵魂？更快、更高、更强，技术让你实现梦想，一切以用户体验为中心；而现在的硬件厂商恰恰相反，拼命提高主频，甚至不惜牺牲架构优势也要突出主频优势，完全背离了用户，背离了应用。

在科技界存在的一个众所周知的事实，那就是任何试图突破“摩尔定律”的行动最终都以失败告终。企业每年在该领域的尝试至少达到 1000 多次，如 rilogy Systems 和 MicroUnity 的超级芯片试验，以及 IBM 的 X 射线平板印刷术等，最终都胎死腹中。但人们很少注意到的是，成千上万家追崇“摩尔定律”的企业最终都退出了这场“游戏角逐”。另外，人们也很少关注这些企业的最终命运如何。事实上，几千家 4 年前仍可以看到的企业，如今已不复存在了。“摩尔定律”的副作用在网络界体现的尤为突出。甚至可以说，网络市场从一窝蜂地不正常发展到最终的破灭，都是“摩尔定律”惹得祸。

Intel 捍卫摩尔定律 摩尔定律与英特尔有着不解的渊海，不仅因为摩尔定律的提出者戈登 · 摩尔是英特尔的创始人之一，更因为英特尔在芯片技术上的一次次突破，使之理所当然地成为了摩尔定律的忠实捍卫者，而英特尔最新的一次捍卫行动，仍然是用技术说话。

2004 年 11 月 26日，美国英特尔宣布该公司的研究人员已经开发出了新型晶体管结构。 英特尔实验室元件研究部门经理格兰德 ·马斯科说：“此前我们的研究曾证明了：完全可以开发出更快更小的晶体管。但这里存在着耗电量、发热及漏电等根本性的问题。我们的目标是克服这一障碍，制造出可集成相当于目前微处理器 25 倍的晶体管、同时不增加耗电量的芯片”。 对于这项技术所带来的影响，有关人士则称为是“这项技术的开发成功将再次打破阻碍摩尔法则继续存在的瓶颈。”

1.2 微型计算机的硬件组成

约翰 · 冯 · 诺依曼（ JohnVonNouma ， 1903 － 1957），美藉匈牙利人， 1903 年 12月 28日生于匈牙利的布达佩斯，父亲是一个银行家，家境富裕，十分注意对孩子的教育。冯 · 诺依曼从小聪颖过人，兴趣广泛，读书过目不忘。据说他一生掌握了七种语言，6岁时就能用古希腊语同父亲闲谈，其中最擅长德语。他对读过的书籍和论文能很快一句不差地将内容复述出来，而且若干年之后，仍然如此。 1911 年一 1921 年，冯 · 诺依曼在布达佩斯的卢瑟伦中学读书期间，就崭露头角而深受老师的器重。在费克特老师的个别指导下，两人合作发表了第一篇数学论文，此时冯 · 诺依曼还不到18岁。 1921 年至 1923 年在苏黎世大学学习。在 1926 年以优异的成绩获得了布达佩斯大学数学博士学位，此时冯 · 诺依曼年仅 22岁。 1927 年至 1929 年，冯 . 诺依曼相继在柏林大学和汉堡大学担任数学讲师。 1930 年接受了普林斯顿大学客座教授的职位， 1931 年成为该校终身教授。 1933 年转到该校的高级研究所，成为最初六的位教授之一，并在那里工作了一生。，是美国国家科学院、秘鲁国立自然科学院和意大利国立林且学院等院的院土。 1954 年他任美国原子能委员会委员； 1951 年至 1953 年任美国数学会主席。

冯 · 诺依曼由 ENIAC 机研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加ENIAC 机研制小组后，便带领这批富有创新精神的年轻科技人员，向着更高的目标进军． 1945 年，他们在共同讨论的基础上，发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案” EDVAC （ ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer 的缩写） EDVAC方案明确奠定了新机器由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备，并描述了这五部分的职能和相互关系． EDVAC 机还有两个非常重大的改进，即：（ 1）采用了二进制，不但数据采用二进制，指令也采用二进制；（ 2建立了存储程序，指令和数据便可一起放在存储器里，并作同样处理．简化了计算机的结构，大大提高了计算机的速度． 1946 年 7 ， 8月间，冯 · 诺依曼和戈尔德斯廷、勃克斯在 EDVAC方案的基础上，为普林斯顿大学高级研究所研制 IAS 计算机时，又提出了一个更加完善的设计报告《电子计算机逻辑设计初探》．以上两份既有理论又有具体设计的文件，首次在全世界掀起了一股“计算机热”，它们的综合设计思想，便是著名的“冯 ·诺依曼机”，其中心就是有存储程序。

输

入

设

备 控制器

输

出

设

备 CPU

存储器

运算器 ALU

诺依曼计算机的工作原理可概述为：“ 存储程序” + “程序控制”

1 ．以二进制表示数据和指令 (程序 ) 2. 先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行

1.3 基本原理和工作过程 冯·诺依曼型计算机的特征的特① 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。② 数据、地址和指令在机器中均用二进制表示。③ 计算机的最基本功能是执行指令。指令由操作码

和操作数组成。④ 把程序和数据一起存储在存储器中，并可以由计

算机进行修改。⑤ 程序按指令顺序存放。

存储器

I/O接口

输入设备

I/O接口

数据总线 DB

控制总线 CB

地址总线 AB

输出设备

CPU

微机的硬件由 CPU 、存储器、输入 / 输出设备构成；输入 / 输出设备通过输入 / 输出接口与系统相连；

( 输入 / 输出接口简称 I/O 接口 )

各部件通过总线连接。

构成部件

中央处理器 CPU 计算机的核心部件 用来实现指令的自动装入和自动执行， 实现计算机本身的自动化。

地址信号

标 志寄存器

指令寄存器

数据暂存器

控制电路

指令译码器

地址寄存器

指 令指 针寄存器

R1R2R3R4

寄存器组

运算器

IP

数据信号

控制信号

ALU

ALU控制器

总线 总线是连接多个功能部件的一组公共信号线 微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输

总线 BUS

存储器

I/O接口

输入设备

I/O接口

输出设备CPU

计算机中传输信息的公共通路称为总线（ BUS）。 按照总线上传输信息的不同，总线可分为： （ 1）数据总线（ DB）：用来传送数据信息，它主要连接了 CPU 与各个部件，是它们之间交换信息的通路。数据总线是双向的，而具体的传送方向由 CPU控制。

（ 2）地址总线（ AB）：用来传送地址信息。CPU通过地址总线中传送的地址信息访问存储器。通常地址总线是单向的。

（ 3）控制总线（ CB）：用来传送控制信号，以协调各部件之间的操作。

内存

内存是存储程序和数据的部件， 由地址译码器、内存单元等构成。

n 根

C

P

U

地址线 AB

数据线 DB

控制线 CB

地址译码器

11001100001100111010101011110000

10001000

地址 00...0000地址 00...0001地址 00...0010地址 00...0011

地址 11…1111

内存结构示意图

外设和输入 / 输出接口（ I/O 接口）

外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不能与CPU直接相连，必须通过 I/O接口与CPU相连。

微型计算机常用外围设备有显示器、键盘、鼠标器及外存储器。外存中常用的有硬磁盘（硬盘）、软磁盘（软盘）和光盘。如果需要还可以根据用户的要求配置打印机、绘图仪、投影仪；同时为了联网，还可以配置调制解调器等通信设备。

键 盘 → 键盘接口 显示器 → 显示卡鼠 标 → 串行接口 网 络 → 网卡

打印机 → 并行接口 音箱、麦可风 → 声卡

IDE2

Pentium III

北桥440BX

南桥PIIX4ECMOS & RTC

USB

超级 I/O

IDE1

COM1

COM2

LPT1

L1CacheL2

Cache

PCI 插槽

ISA 插槽

内存条

ROM BIOS

显示器

硬盘光驱

软驱键盘鼠标

打印机MODEM

显卡

表 1.2　 PC 机系列发展表表 1.2　 PC 机系列发展表

1.2.1　微型计算机的基本配置

表 1.2　 PC 机系列发展表表 1.2　 PC 机系列发展表

1.2.2 微型计算机的指令系统•机器语言 机器语言是指机器能直接识别的语言，它是由“ 1” 和“ 0” 组成的一组代码指令。例如， 01001001 ，作为机器语言指令，可能表示将某两个数相加。由于机器语言比较难记，所以基本上不能用来编写程序。• 汇编语言汇 编语言是由一组与机器语言指令一一对应的符号指令和简单语法组成的。例如，“ ADD A ， B” 可能表示将A 与 B相加后存入 B 中，它可能与上例机器语言指令 01001001直接对应。汇编语言程序要由一种“翻译”程序来将它翻译为机器语言程序，这种翻译程序称为汇编程序。任何一种计算机都配有只适用于自己的汇编程序。汇编语言适用于编写直接控制机器操作的低层程序，它与机器密切相关，一般人也很难使用。

•高级语言 高级语言比较接近日常用语，对机器依赖性低，是适用于各种机器的计算机语言。目前，高级语言已发明出数十种，下面介绍常用的几种，如表

名 称 功 能

BASIC语言一种最简单易学的计算机高级语言，许多人学习基本的程序设计就是从它开始的。新开发的 Visual Basic具有很强的可视化设计功能，是重要的多媒体编程工具语言

FORTRAN语言 一种非常适合于工程设计计算的语言，它已经具有相当完善的工程设计计算程序库和工程应用软件

C语言 一种具有很高灵活性的高级语言，它适合于各种应用场合，所以应用非常广泛

Java语言这是近几年才发展起来的一种新的高级语言。它适应了当前高速发展的网络环境，非常适合用作交互式多媒体应用的编程。它简单、性能高、安全性好、可移植性强

微型计算机的工作过程 CPU进行简单的算术运算或逻辑运算，或

从存贮器取数，将数据存放于存贮器，或由接口取数或向接口送数，这些都是一些基本动作，也称为 CPU 的操作。

用微型计算机求解“ 7+10=?” 这样一个极为简单的问题，必须利用指令告诉计算机该做的每一个步骤，先做什么，后做什么。具体步骤就是：

7→AL

AL+10→AL

其含义就是把 7 这个数送到 AL里面，然后将 AL 中的 7 和 10相加，把要获得的结果存放在 AL里。把它们变成计算机能够直接识别并执行的程序如下：

10110000

00000111 第一条指令 00000100

00001010 第二条指令 11110100 第三条指令

利用助记符加上操作数来表示指令就方便得多了。上面的程序可写成：

MOVAL ， 7

ADDAL ， 10

HLT

程序中第一条指令将 7放在 AL 中；第二条指令将 AL 中 7 加上 10并将相加之和放在 AL 中；第三条指令是停机指令。当顺序执行完上述指令时， AL中就存放着要求的结果。

1.2.3 微型计算机的指令流程

＋ 1程序计数器

地址寄存器

地址译码器

00111110

存储器单元11010011

地址寄存器

地址寄存器

地址寄存器

地址寄存器算术逻辑运算单元

①

⑤① 读写控制线

②

③

控制总线④

⑤

⑥