1、,计算机组装与维护张宏杰,实训1 计算机硬件系统的组成及结构,1.1 实训任务1掌握计算机硬件系统的组成原理及体系结构。 2熟悉微型计算机的主要性能指标及简单测试。 3初步熟悉计算机各主要部件的接口及互连。 4了解计算机的发展概况 。,1.2 实训操作基础 1.2.1 计算机的发展概况 1. 第一代：电子管计算机 （1946-1957）这一代计算机仅支持用机器语言和汇编语言进行编程，世界上第一台计算机 的运算速度仅为每秒5000次。,中国第一台计算机-103型计算机,2. 第二代：晶体管计算机 （1958-1964） 这一代计算机有了系统管理程序和高级语言的支持，可以采用高级语言进行编程，运算
2、速度为每秒几万至几十万次 。,中国首台晶体管计算机-109型 计算机,3. 第三代：集成电路计算机 （1965-1969） 这一代计算机有了操作系统的支持，运算速度达每秒几十万至几百万次，巨型机甚至达上亿次。,我国银河I号巨型计算机,4. 第四代：超大规模集成电路计算机 （1970年至今） 4位微型机 8位微型机 16位微型机 32位微型机 64位微型机 新一代巨型机 这一代计算机从8位机开始，不仅有操作系统的支持，而且可以使用各种各样的系统软件和应用软件。微型计算机的运算速度在每秒数百万次以上，巨型机更达百万亿至千万亿次。,64位微型机,我国首台微型计算机DJS-050机于1977年研制成功
3、，从此揭开了我国微型计算机的发展历史。2002年8月，我国首片自主开发、拥有自主知识产权的32位CPU龙芯1号研制成功，之后相继成功研制出64位的龙芯2号和多核的龙芯3号。龙芯3号包括四核的龙芯3A和八核的龙芯3B，目前龙芯3A已经在服务器上应用。在新一代巨型机的研发方面，我国首台超百万亿次的超级计算机“曙光5000A”，于2008年9月在曙光公司天津产业基地下线。2009年10月，我国首台千万亿次的超级计算机“天河一号”研制成功，如图1-11所示。,我国天河一号超级计算机,据报道，国际超级计算机TOP500组织2010年11月16日发布了第36届世界超级计算机500强排行榜，我国经过技术升级
4、优化后的“天河一号”超级计算机，以峰值性能每秒4700万亿次、持续性能每秒2507万亿次的优异性能名列第一，标志着我国超级计算机发展已经处于国际领先地位。,1.2.2 计算机的组成原理 1. 计算机的基本组成,输入设备用于输入程序和需参加运算的数据，存储器用于存放所输入的程序和数据，运算器用于执行程序设计的各种运算。控制器根据程序指令控制全机各个部件协同工作，直至完成整个运算过程。输出设备用于输出程序的运算结果。,计算机运行的程序由指令组成，指令和数据都采用二进制的形式来表示。指令是指定计算机进行某种运算或操作的命令。例如，机器码04 06可定义为一条加法指令，这条指令的功能是把某一个数据加上
5、数据06，这个功能是由这条指令的操作码04所规定的。虽然对于这种格式的指令功能难以看懂，但它是计算机能直接认识和执行的指令。,后来，为便于编程和阅读理解，出现了用符号语言来表示机器码指令。例如，加法指令04 06可表示为ADD X，06，即把某数据X加上数据06。这种符号语言就是汇编语言。计算机所有指令的集合称为指令系统。现在人们所用的各种高级语言或系统软件，都是依据计算机的指令系统而开发出来。这些高级语言或系统软件的程序，最终都必须编译为机器码程序才能被执行。,2. 微型计算机的基本结构微型计算机的基本结构由中央处理器、存储器、I/O接口电路及外部设备组成。 中央处理器中央处理器CPU内部包
6、含运算器和控制器，因此它是全机的运算中心和控制中心，所有的数据运算和处理都在CPU内进行，它的性能决定着计算机的主要性能。,微型计算机的基本结构,CPU通过系统总线读写存储器和I/O接口。所谓系统总线，是指系统各部件之间公用的一组信号线，它包含有地址总线、数据总线和控制总线。当执行一条指令时，CPU输出的存储器地址或接口地址通过地址总线来传输，CPU发送或接收的数据通过数据总线来传输，控制信号则通过控制总线进行传输。, 存储器图中的存储器由半导体存储器芯片组成，是CPU能够直接寻址和访问的存储器，称为计算机的内部存储器。内存用于存放当前正在运行和已启动了的程序，为程序的运行提供足够的存储空间。
7、按工作方式分，内部存储器分为读写存储器RAM（Random Access Memory）和只读存储器ROM（Read Only Memory）。CPU对RAM存储器可读可写，但一旦断电，它里面存放的内容即丢失。这种存储器由用户使用，但系统也要使用其中的一小部分。CPU对ROM存储器只能读，断电后其存放的内容依然存在，它的用途是用来存放机器内部的系统管理程序基本输入输出系统BIOS（Basic Input/Output System）。在一台计算机中，ROM的容量很小，故内存通常是指RAM存储器。,存储器内部包含有一个一个的存储单元，每个存储单元存放一个字节（8位二进制数字，即8 bit）的指令
8、或数据，CPU通过系统总线输出地址来访问每一个存储单元。当CPU读存储器时，CPU通过地址总线向存储器发送地址，同时通过控制总线向存储器发送读控制信号。被地址指定的存储单元中的内容，通过数据总线流向CPU，最后被CPU读取。当CPU写存储器时，CPU发送地址和写控制信号，同时发送要写入存储器的数据，在写控制信号的控制下把数据写入地址指定的存储单元。, I/O接口电路I/O（Input/Output）接口电路是一种连接外部设备的电路，由这种电路提供连接外部设备的接口。在I/O接口电路上，通常有若干个CPU可以读写的寄存器，用来暂存输入/输出的数据或CPU发出的控制命令。这些用来暂存输入/输出数据
9、或CPU控制命令的地方称为端口，CPU用不同的地址来识别这些端口。在进行数据传输时，接口电路接收来自CPU的地址和控制信号，执行对外部设备输入/输出数据。,每一种外部设备，都需要通过相应的接口电路才能输入/输出数据。例如，在键盘上按下一个键，表示这个键的编码要通过键盘接口电路送到系统总线上才能供CPU读取，从而识别这个按键表示的字符。,外部设备和CPU进行数据传送的方式，有程序方式、中断方式和DMA(Direct Memory Access)方式。程序方式是由CPU发出指令来读写外部设备数据的方式。中断方式是打断CPU目前正在进行的操作，使CPU即时为某个外部设备进行数据传送服务的方式。究竟为
10、哪一个外部设备进行数据传送的服务，在实际的计算机中需要有一个称为中断控制器的部件来管理。DMA方式是外部设备和内存直接进行数据传送的方式。采用这种方式传送数据，数据传送不经过CPU，整个传送过程需要有一个称为DMA控制器的部件来控制，具有速度快、效率高的特点。,3. 微型计算机的基本工作原理计算机的工作过程就是执行程序的过程。当用户输入程序和数据时，这些程序和数据被保存到存储器之中。当开始执行一个程序时，CPU从存储器读取程序中第一条要执行的指令，并对这条指令的操作码进行译码分析。通过对指令操作码进行译码分析，确定指令的某种功能：是对数据进行运算还是传送，是对存储器操作还是对I/O设备操作，是
11、读取数据还是保存数据。,在确定指令的功能后，由控制器产生和发出执行这条指令所需的各种控制命令和控制信号。例如，若是对存储器读取数据，则向存储器发出存储器读命令。若是向存储器写数据，则向存储器发出存储器写命令。若是执行某种运算功能，则向运算器发出执行这种运算的控制信号，运算结果送CPU内部寄存器或存储器保存。按这样的操作步骤，CPU逐条地执行保存在存储器中的程序指令，直至整个程序执行完毕，并在控制器的控制下把最终的运算结果发送至输出设备。,1.2.3 微型计算机的体系结构 1微型计算机的体系结构模式 南北桥体系结构：CPU+北桥+南桥,南北桥体系结构, 北桥芯片北桥芯片内部集成有内存控制器，故称
12、为存储器控制中心MCH（Memory Controller Hub）。顾名思义，MCH的主要功能是提供内存总线接口连接内存RAM，负责对内存的读写控制和数据传输。同时，提供系统总线接口连接CPU，提供中心总线接口连接南桥芯片。MCH连接CPU的总线，称为CPU前端总线FSB（Front Side Bus）。MCH芯片的类型，决定着内存RAM的类型和容量。MCH通过接收CPU的读写命令，控制对内存RAM的读写。,此外，北桥芯片还提供板式显卡接口。这种显卡接口早期是AGP（Accelerated Graphics Port）接口，后来改用PCI（Peripheral Component Inter
13、connect）总线接口，现在已被数据传输速率更高的PCI-E（Express）总线接口所代替。若北桥芯片的内部集成有显示核心即图形处理器GPU（Graphis Processing Unit），则这样的北桥芯片称为图形和内存控制中心GMCH （Graphics and Memory Controller Hub）。采用这种北桥芯片的计算机，可以不用在主板的扩展插槽上安装独立显卡，而使用GMCH内置的集成显卡把数字信号转换为视频信号。, 南桥芯片南桥芯片集成有各种I/O控制器和接口，故称为I/O控制中心ICH(I/O Controller Hub)。ICH的主要功能是提供各种I/O接口连接外部
14、设备或板载的接口芯片，例如声卡芯片和网卡芯片，负责对外部设备的读写控制和数据传输。ICH内部一般集成有IDE（Integrated Drive Electronics）控制器、USB（Universal Serial Bus）控制器、音频控制器、LAN控制器和PCI控制器等，分别支持IDE并行接口、USB串行接口、声卡芯片接口、LAN接口和PCI总线接口。现在的ICH芯片还集成有SATA（Serial Advanced Technology Attachment）控制器，支持SATA串行接口。,此外，ICH芯片还集成有DMA控制器、中断控制器、定时/计数器、实时时钟控制器RTC（Real-Ti
15、me Clock）和CMOS RAM，并支持高级电源管理功能。其中，DMA控制器为外设提供7个DMA通道，中断控制器支持15级中断请求IRQ（Interrupt ReQuest），CMOS RAM用来保存BIOS设置的系统运行参数。, CPU和芯片组的连接及搭配CPU通过前端总线FSB连接北桥芯片。FSB是最繁忙的系统总线，CPU读写存储器或外部设备的数据，都需要通过前端总线FSB来进行传输。它的工作频率，关系到CPU的工作速度。,每当一种新的CPU推出，都跟着有一系列的功能越来越强的芯片组与之搭配使用。例如，Intel芯片组G31、G33、G35、G41、G43、G45、P31、P35、P4
16、1、P43、P45等都可以支持Intel Core 2 Duo双核CPU，也可以支持Intel Core 2 Quad四核CPU，而Intel 第一代I3、I5、I7各系列CPU则由H55、H57、P55、P57等芯片组来支持。这些芯片组北桥芯片的型号都以82开头，例如P31、P35、P43、P45、P55的北桥芯片型号分别是Intel 82P31、82P35、82P43、82P45、82P55。,在南北桥结构的计算机中，北桥芯片也需搭配一定功能的南桥芯片。例如，北桥芯片Intel 82P31搭配南桥芯片ICH7，82P35搭配南桥芯片ICH9，而82P45可搭配南桥芯片ICH10/ ICH1
17、0R。南桥芯片发展至今，Intel已经开发出11代产品，分别是ICH0-ICH10，功能也是越来越强。例如，ICH0-ICH2只支持USB 1.0版本，从ICH3开始支持USB 2.0版本。又如，从ICH5开始支持SATA接口。,ICH系列芯片的型号由82801加不同的字母组成，几乎每代ICH都有两个以上的不同版本，即不同的芯片型号。例如，ICH2两个版本的芯片型号分别是82801BA和82801BAM，前者用在台式机上，后者用在笔记本电脑上。ICH0-ICH5标准版本的芯片型号分别是Intel 82801AB、82801AA、82801BA、82801CA、82801DB、82901EB。,
18、 AMD对微型机体系结构的改进AMD很早就开始了对南北桥结构计算机的改进。在AMD微型机的南北桥结构中，内存控制器不再集成在北桥芯片里面，而是集成到CPU芯片内部。这样一来，内存可直接连接到CPU而不必经过北桥芯片，有利于提高CPU对内存的读写速度。 此外，AMD CPU连接北桥芯片的总线不再是FSB总线，而是采用超传输总线HTT（Hyper Transport Technology），这是一种高速的串行总线。, 单芯片组体系结构：CPU+单芯片组在这种体系结构中，不仅把内存控制器集成到CPU里面，同时把北桥芯片的其它部分包括显示核心GPU、PCI-E控制器等也都整合到CPU里面。于是，北桥芯
19、片被取消了，微型计算机的体系结构模式变成了CPU+单芯片组（I/O控制中心）的结构模式。AMD把CPU和GPU做在一个晶片上的处理器称为APU（Accelerated Processing Units，加速处理器）。,单芯片组体系结构,以Intel i3、i5或i7 为CPU、采用5系列和6系列芯片组的微型计算机属于单芯片组结构模式。在这些计算机中，内存的读写由CPU直接控制，CPU还提供PCI-E板式显卡接口和高清显示接口。此外，Intel CPU采用一种新的系统总线DMI（Direct Media Interface）总线连接芯片组，目前这种总线的数据传输速率为2GB/s。单芯片组实际上是
20、一个I/O控制中心，由它提供外部设备接口，人们把它称为平台控制中心PCH（Platform Controller Hub）。,2单核微型计算机体系结构实例,Celeron微型机的体系结构,采用的 CPU 和芯片组：,Celeron CPU,GMCH-Intel 82810,ICH1-Intel 82801AA,3双核微型计算机体系结构实例,Core 2 双核微型机体系结构,这种微型计算机，CPU采用Intel Core 2 Duo双核系列，芯片组采用Intel P31+ ICH7。北桥芯片Intel P31支持前端总线工作频率为1066/800MHz的Intel Core 2 Duo双核处理器
21、，支持DDR2 800（DDR，Double Data Rate ）64位双通道内存，支持的最大内存容量为4GB。一条总线传输数据的快慢程度以数据传输速率来表示，它定义为每秒钟总线传输的数据量，按下式计算：数据传输速率=（总线数据位宽8）总线工作频率这里，总线的工作频率是指它的传输频率，即每秒钟传输数据的次数。,若采用前端总线工作频率为1066MHz的CPU，由于CPU前端总线是64位的(64位数据线)，所以这条总线的数据传输速率为：（648）Byte1066MHz=8.5GB/s由图1-20可见，Intel P31提供的PCI-E16显卡接口的数据传输速率为8GB/s，这表示该接口每秒通过的
22、数据量是8GB。数据传输速率又称带宽。DDR2 800表示此内存的工作频率是800MHz，由于内存总线是64位的，所以单通道DDR2的内存带宽为：（648）Byte800MHz=6.4GB/s,南桥芯片ICH7通过DMI总线连接北桥芯片。ICH7支持6个高速的USB2.0接口，每个接口的数据传输速率为480Mb/s；支持4个SATA接口，每个SATA接口的数据传输速率为3Gb/s。此外，ICH7支持4个PCI-E1接口，支持连接高清标准（High Definition Audio）的声卡芯片和10/100Mbps的网卡芯片，支持通过LPC总线连接BIOS ROM存储器。PCI-E1接口采用1.
23、1版本，其数据传输速率为500MB/s。,ICH7是这一代南桥芯片的标准版，此外还有ICH7M（移动版）和ICH7R等多个不同版本。若采用的版本是ICH7R，则支持通过SATA接口应用矩阵存储技术（Matrix Storage Technology）。矩阵存储技术是一种称为RAID（Redundant Array of Independent Disks，独立磁盘冗余阵列）的存储技术。这种技术通过SATA接口把两个或两个以上的独立硬盘按一定的方式组合成一个硬盘组，从而提供比单个硬盘更高的存储性能和安全性能。例如，把数据同时写到RAID的两个硬盘上，当一个硬盘损坏时，作为镜像的另一个硬盘便可代替
24、主盘继续工作。,1.2.4 微型计算机系统的组成微型计算机系统由硬件系统和软件系统组成 。,微型计算机系统,1硬件系统硬件是指组成计算机的各种电路板、各种器部件和外部设备等，由这些设备构成计算机的硬件系统。从外观来看，硬件系统主要分为主机和外部设备两大部分。 主机主机是计算机的主体设备。在主机内部，包含有主板、CPU、RAM条、扩展板卡（显卡、网卡、声卡）、硬盘、软驱、光驱和电源等部件。若主板或芯片组已经集成有显卡、声卡和网卡芯片，则无需在扩展插槽上安装这些扩展板卡。,主机实例：,主机内的一大块电路板称为主板，也称系统板（System Board）。它是连接CPU、RAM条、各种扩展卡、硬盘、
25、软驱、光驱和电源等各种部件的电路板，由主板上的电路和这些部件一起构成完整的计算机电路。,主板实例：810主板, 外部设备外部设备包括输入设备、输出设备以及外部存储设备 。,外部设备,2软件系统软件是为启动和管理计算机运行或者为进行数据运算处理、存储和传输所编写的各种程序。软件系统包括系统软件和应用软件。系统软件是用于管理、调用、监控和维护计算机资源的软件，例如操作系统、程序设计语言软件和各种工具软件等，其中操作系统是最基本和最重要的系统软件。应用软件是为解决实际问题、运用系统软件开发出来的各种应用程序，例如辅助教学软件、购销管理软件、工资管理软件等。,1.2.5 微型计算机的主要性能指标 1字
26、长字长是指计算机进行一次运算所能处理的二进制数据的最大位数，由CPU的位数决定，要有相应的主板的支持。例如，字长为32位的计算机，一次运算所能处理的二进制数据的最大位数字为32位。字长越长，计算机的运算精度就高，也有利于提高运算速度。目前，微型计算机的字长一般是64位。由于微型计算机的字长和性能主要由CPU决定，因此CPU就成了一台微型计算机性能档次的的标志。目前，主流机种一般是采用双核或四核CPU的微型计算机。,2内存容量内存容量的大小表示计算机存储程序和数据的能力，容量越大越好。一台微型计算机可安装的内存容量，首先要在CPU可寻址的范围之内。例如，若CPU的地址总线为32位，则CPU至多可
27、寻址4GB物理内存。其次，实际可安装的内存容量还取决于主板芯片组的控制能力。主板上提供安装RAM条的插座个数是一定的，只能按指定的容量安装。目前，微型计算机内存容量一般采用1GB、2GB或4GB。,3运算速度运算速度是指计算机每秒进行运算的次数，是计算机整体性能的综合表现。当今，微型计算机的运算速度都在每秒数百万次以上，即每秒执行数百万条指令。运算速度的高低和CPU的核心数目、核心类型及CPU的工作频率密切相关。CPU的核心数越多，工作频率越高，运算速度就越快。 4外部设备配置计算机外部设备的可配置能力，表示计算机的输入输出性能。计算机提供的外部设备接口类型多，版本高，说明计算机的输入输出性能
28、好。,1.2.6 计算机运算性能测试随着计算机产品的发展，测试计算机性能的各种测试软件相应被推出。例如计算机系统测试软件鲁大师和EVEREST、CPU测试软件CPU-Z，还有显示器测试软件、硬盘测试软件、键盘测试软件等。下面介绍一个简单的计算机运算性能测试软件Super PI的使用。Super PI是利用CPU的浮点运算能力来计算出圆周率值，它的操作界面如图1-25所示。首先，点击“计算”来设置要计算圆周率的位数，按“确定”后开始运算。运算结果给出总的运算时间，以及按设计的算法进行运算的次数。这个运算结果可以和不同计算机的运算时间进行比较，运算时间越小越好。,Super PI操作界面 ：,计算机运算性能,1.3 实训内容1查看和记录实训室给出有哪些用于组装计算机的配件。 2辨认和记录计算机主机各种外部设备接口的名称及用途。 3使用Super PI测试计算机的运算性能，记录计算100万位值所用的时间。,
