1、-1-,微型计算机硬件技术 （一）,计算机基础系列课程,-2-,课程简介,二、主要教学目的：了解计算机的基本工作原理、掌握计算机硬件的基础知识。要求将计算机应用技术与所从事的专业相结合，侧重培养解决实际问题的基本思路和能力。适应计算机技术的飞速发展变化，拓宽专业口径，满足社会对多样化专业人才的需求。,一、课程性质：本课程是非计算机专业计算机公共课中的一门重要课程 。,-3-,四、教材 微型计算机硬件技术 马洪连主编 高等教育出版社2008年6月第一版,三、本课程的学习方法,教学学时32学时，装机实验12学时，采用课堂精讲、课后上网练习、加强实践的学习方法。 采用期末考试与平时成绩相结合的考核方
2、法： 期末考试成绩：70分（上机考试） 平时成绩：20分 （含作业、小测验等） 装机实验： 10分,-4-,第一章 计算机系统基础知识,1. 计算机的类型及特点、主要技术指标等基本概念。 2. 计算机系统的逻辑结构与运行过程等基本原理。 3. 组成微型计算机硬件系统的各个部件。,本 章 要 点,-5-,巨型机 也称超级计算机，有极强的运算处理能力，存储容量大，主要用于尖端的科学研究和现代化军事领域。代表产品为Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I, 银河II, 银河III。 大型机 大中型单位作为计算中心的主机使用，统一调度主机资源，通用性能好、综合处理能力强。代表产品有IBM3
3、60，370，4300等。 小型机 可以满足中小型单位或部门性的需求，规模较小、结构简单、有很好的性能价格比，主要应用在企业管理、工业自动控制、大学和研究单位的科学计算以及大型分析仪器和测量仪器的数据采集、分析计算等。典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列，国产太极等。,1.1.1 计算机的类型及特点,1.1 计算机的分类及性能指标,-6-,工作站 是性能介于微型计算机和小型计算机之间的一种高档微型计算机。配备大屏幕显示器、大容量存储器和专用的图形处理软件。突出的特点是具有优越的图形功能，广泛应用于计算机辅助设计（Computer Aided Design，简写为CAD）等领域 。
4、 微型机 也称PC机/个人计算机，体积小、价格低、功能强。还能够对文字、音频、视频、图象、动画等多种信息进行处理，应用极为广泛、遍及各个领域。,本门课程是以微型计算机为背景来讲解计算机硬件知识的。,-7-,1.1.2 计算机的主要性能指标,1. 存储容量 是计算机内部存储器可以存储的二进制数的最大字节数。 存储容量越大，存储的数据越多，数据处理速度也会加快。 二进制数的基本单位是位（bit），简写为b。8个二进制位为1个字节（Byte），简写为B。1024B=1KB，1024KB=1MB，1024MB=1GB，1024GB=1TB。 2. 字长 字长是计算机一次可以处理的二进制数的最大位数，单
5、位是位（bit）。 字长越长，精度越高，数据处理速度越快。,-8-,3. 运算速度 运算速度一般用每秒所能执行的指令条数来表示。由于不同指令所用的时间不同，常用的计算方法有以下几种： （1）求得不同指令的平均运算速度，以MIPS（每秒百万条指令）为单位。 （2）以执行时间最短的指令（例如加法指令）为标准来估算速度，也以MIPS为单位。 （3）由于CPU是按照时钟脉冲的节拍工作，时钟频率越高，CPU的运算速度越快，所以可以直接给出CPU的时钟频率，以MHz为单位，或给出每条指令执行的时钟周期，以秒为单位。,-9-,4. 外部设备扩展能力 计算机通过外部设备实现数据的输入和输出。外部设备扩展能力主
6、要指计算机连接各种外部设备的可能性、灵活性和适应性。 5. 软件配置水平 软件是计算机系统必不可少的重要组成部分，配置的操作系统、高级语言、应用软件等能否满足使用的要求，直接影响到计算机性能和效率的发挥。,-10-,1.2 计算机系统的基本工作原理,1.2.1计算机系统的逻辑结构,1. 微型计算机系统的三个层次 目前个人和家庭普遍使用的计算机属于微型计算机。它可以分为微处理器、微型计算机、微型计算机系统三个层次。 （1）微处理器 (Microprocessor) 是微型计算机的核心部件，将运算器和控制器制作在一片超大规模集成电路芯片中，具有运算能力和控制功能。 （2）微型计算机(Micro C
7、omputer) 以微处理器为核心，配上内部存储器、输入/输出接口电路，通过称作“系统总线”的线路连接起来。 （3）微型计算机系统(Micro Computer System) 以微型计算机为核心，配置必要的外部设备和电源，安装系统软件，就构成了完整的微型计算机系统。,在上述三个层次中，单独的微处理器和微型计算机都不能独立工作，只有微型计算机系统才可以独立地正常工作。,-11-,2. 硬件系统的逻辑构成,虽然不同类型的计算机的硬件组成是不一样的，但是从原理上来说，硬件系统都是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。硬件系统的逻辑构成如图1-1所示。 将控制器和运算器的组合称为中
8、央处理器（Central Processing Unit），简称为CPU，将输入设备和输出设备统称为外部设备。,-12-,（1）CPU 完成对指令的解释和执行、进行算术运算和逻辑运算。 （2）存储器 这里指的是内部存储器（简称为内存），存放当前正在执行的程序和数据，直接与CPU传送信息。但关机后保存的信息会丢失。 （3）输入/输出接口电路（简称I/O接口电路） 把慢速的外部设备与快速的CPU连接起来，协调双方的速度和工作方式，进行数据交换。 （4）外部设备 指键盘、鼠标、显示器等输入/输出设备（简称I/O设备），输入设备把不同形式的信息转换成计算机能够识别的形式输入到计算机中，输出设备把计算机
9、的运算处理结果按要求的形式表现出来。,计算机硬件系统各部件的作用,-13-,（5）时钟发生器 产生基准脉冲信号， 控制CPU、内存及外部设备各部件之间按照一定的时序来协调地工作。 （6）系统总线 是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路，实际上是用来传送信息的一组导线及相应的控制和驱动电路。 数据总线 是CPU、内存和外部设备之间传送数据的通路。 地址总线 传送CPU发出的地址信息，指出数据总线上传送数据的源地址和目的地址。地址总线的位数决定了CPU可以访问的内存物理地址的范围。 控制总线 传送控制信号、时序信号和状态信息，控制CPU、内存和外部设备完成指定的操作。,-14-,1.
10、2.2 计算机系统的运行过程,美国科学家冯诺依曼于1946提出“存储程序原理”，至今各种类型的计算机还是依据该原理而设计的。“存储程序原理”的核心是计算机具备两个基本能力，一是能够存储程序，二是能够自动执行程序。计算机系统怎样按照“存储程序原理”运行的？计算机系统的运行过程就是执行程序的过程： 首先将编写好的程序和需要处理的数据通过输入设备一起输入到内存。计算机进入运行状态后，从内存中取出第一条指令送入CPU，然后CPU对指令进行分析译码，判断该指令要完成的操作，向各部件发出完成该操作的控制信号，各部件完成该指令的功能。当CPU执行完一条指令，就会从内存再读出下一条指令来执行。 CPU自动地不
11、断取指令、分析指令、执行指令，直到遇到结束程序运行的指令，程序的执行过程结束，这就是计算机系统运行的一般过程。,-15-,1.3 微型计算机硬件系统的物理组成,1.3.1 微型计算机硬件系统的基本配置,微型计算机的硬件系统包括二大部分，即主机和外部设备。,微机硬件的基本配置,图1-2主机箱内部的硬件设备,最基本配置的外部设备是显示器、键盘、鼠标和硬盘，这是微机完成基本功能必需的配置。根据使用的需要，还可以配置其它外部设备，如光盘驱动器、软盘驱动器、打印机、耳机、音箱、话筒、摄像头、扫描仪、数码相机。,主机包括主机板（简称为主板）、中央处理器和内存条，中央处理器和内存条安装在主板上。,-16-,
12、主机板也称主板，是微机系统中的重要部件，好比是微机系统的骨架，将各种组件和外部设备连接起来形成一个整体并控制它们很好地协调工作。主板性能是决定微机系统性能的重要因素。,1.3.2 主机板,图1-3主板及其组件,-17-,1. 主板的结构主板一般是一块六层的印制线路板(PCB)，分上下表面两层、中间四层（人的肉眼看不到）。其中上表层是元件面，为CPU、内存条和各种功能卡提供安装的插座和插槽，为外存和各种输入输出设备提供接口，还有固焊的控制芯片组、CMOS和BIOS芯片等组件；下表层是各个组件的焊接面；中间层主要布有电源线和地线，还有各部件之间的连线；系统总线分布在上下表层。主板只提供CPU插座和
13、内存插槽，由用户根据需要选择相匹配的CPU芯片和内存条来安装。 主板按照结构主要有AT和ATX两种类型，主要以组件的排列位置和电源的接口外形为划分标准，功能也有些差异，尺寸也稍有不同。 AT主板使用5V、12V四组直流电源，通过两个六芯的白色扁平插头与主板相连。 ATX主板比AT主板多一组3.3V直流电源，通过一个20芯白色扁平插头与主板相连。图1-3所示主板就是ATX结构，目前大多数主板都是标准ATX结构。,-18-,一般的主板上只有一个安装CPU的插座。由于不同类型的主板支持的CPU不同，所以提供的CPU插座标准也不同。有Slot（卡式，条形）、Socket（针脚式、方形）、 LGA （触
14、点式、方形三种类型的CPU插座。选择CPU时一定要与主板上CPU插座的标准匹配。 目前大多数主板带有Socket插座，这种类型插座是方形的，有数百个针孔，对应的CPU也有数百个针脚。目前主流的Socket插座类型有：Socket 370（370个针孔）适用Intel公司Celeron系列CPU。Socket 478（478个针孔）适用Intel公司Pentium 4的第二代（核心代号Willamette）和新一代（核心代号Northwood）CPU。LGA 775（触点式，775个25mm的镀金钢片）对应的CPU有775个金属触点。主要适用高端Pentium 4（5xx和6xx系列）和双核CP
15、U 。,2. CPU的插座,-19-,3. 内存插槽 主板上带有若干个内存插槽，只要插入相应的内存条，就可以构成一定容量的内存储器，见图1-3。不同类型的主板提供的内存插槽标准也不同，主板上有SIMM和DIMM两种类型的内存插槽，目前主板采用的是DIMM类型的内存插槽。 DIMM（Dual Inline memory module） 双边接触直插式存储插槽，插槽两面都有金属引脚线。有168线和184线两种，适用DIMM内存插槽的内存条有16MB、32MB、64MB、128MB、256 MB、512 MB、1GB几种容量。 选择内存条时一定要与主板上内存插座的标准匹配。,-20-,4. 总线扩展
16、槽主板上的总线扩展槽是系统总线的延伸，插接各种外部设备的功能卡，是主机与功能卡之间传送数据的通道。 目前主板上常见的总线扩展槽有PCI、AGP、CNR三种类型，见图1-3 。（1）PCI扩展槽 是主板上必备的一种扩展槽，可以插接各种PCI功能卡，如声卡、网卡等。主板上一般带有4个左右白色的、引脚为120线PCI扩展插槽（支持32位数据总线），或188线PCI扩展插槽（支持64位数据总线）。 （2）AGP扩展槽（Accelerated Graphics Port，称图形加速接口） 是一个专用插槽，专门用来插接高速图像卡，可以显示高质量的3维动态图形和图像。大多数主板上都带有一个棕色的引脚为62线
17、的AGP总线扩展槽。 （3）PCI-Express扩展槽,随着3D显示水平的提高，AGP的速度已不能满足需要。有PCI-E1、16、32等， 见图1-4 。PCI-E1每个传输方向有一对信号线，两个传输方向共4条信号线，双向数据传输率总计为0.5GB/s。,-21-,外部设备接口用于主机和外部设备之间的连接，主要有：（1）硬盘接口 一种是主板上带有两个40线双排针插座，以“IDE1”和“IDE2”标注，是连接硬盘和光盘驱动器的并行接口，也称为“EIDE”接口，见图1-3，每个IDE插座可以在同一条数据线电缆上连接两个硬盘或光盘驱动器，一个是主设备，另一个是从设备。 另一种是主板上还有4个7针插
18、座，以“SATA1”“SATA4”标注，见图1-5 。称为串行ATA（简写为SATA）接口。每个SATA插座只能连接一个硬盘，特点是数据传输率高于并行ATA接口。 （2）软盘接口 主板上带有一个34线双排针插座，以“FDD”标注，是连接软盘驱动器接口，使主机能读写软盘，见图1-3。每个FDD插座可以在同一条数据线电缆上连接两个软盘驱动器，一个是主设备，另一个是从设备。,5. 外部设备接口,-22-,（3）I/O接口 主板在机箱后面板提供了各种I/O接口，如键盘、鼠标和显示器的专用接口；串行、并行以及USB（通用串行总线）等数据通信的接口；音频输入/输出、话筒、游戏杆等具有声音功能的接口；还有网
19、络接口等，可以连接键盘、鼠标、显示器、打印机、U盘、耳机、话筒、网络连接等I/O设备。,-23-,（1）CMOSCMOS是固焊在主板上的一片可读写的存储芯片，由电池供电，关机后信息不会丢失。CMOS中保存了微型计算机运行所必需的硬件配置信息，如磁盘驱动器、存储器、显示器等部件的参数。在微型计算机加电引导时会读取CMOS中的信息，初始化各个部件的状态。CMOS还提供了系统时钟，包括日期和时间。 （2）BIOS BIOS（Basic Input /Output System）即基本输入输出系统，是一组程序，存放在主板一片只读的存储芯片中，见图1-3。它有以下主要功能：,6. CMOS 和BIOS
20、芯片,-24-,BIOS的主要功能： 加电自检(Power-On Self Test，简写为POST) 在微机加电后，自动进入BIOS中的加电自检程序，测试微机能否正常工作。如果发现问题，会显示提示信息或鸣笛警告。 系统信息设置（Setup） 在微机加电后，按Del键可以进入Setup程序，修改CMOS中的参数。 系统初始化 按照CMOS中设置的启动顺序，搜索软盘、硬盘和光盘中的操作系统，通过BIOS中的自举程序，将操作系统中的初始引导程序装入内存，从而启动操作系统。,BIOS和CMOS的关系是： 通过BIOS中的Setup程序来设置CMOS中的参数,-25-,芯片组（Chipset）是固焊在
21、主板上的一组超大规模集成电路芯片，是与CPU配套的辅助电路，完成CPU和其他部件之间的连接，基本决定了主板的性能和各个组件的选型，但是不能像CPU和内存那样简单的升级。按照在主板上的位置不同，通常把芯片组中两个较大的芯片分别称为“北桥芯片”（或MCH）和“南桥芯片”（或ICH），见图1-3。“北桥芯片”负责对各级存储器、PCI总线、AGP总线的管理和信号传输，速度较快。“南桥芯片”负责提供I/O接口、EIDE硬盘接口等与输入/输出有关的功能，速度较慢。近年来，芯片组的最大特点是使用了“整合技术”，将其它部件（如显卡、声卡、网卡、调制解调器、CMOS等）的功能制作到芯片组中，从而缩小微机的体积，
22、提升微机的兼容性，但是会占用较多的CPU资源，所以整合芯片组只能面向中低端用户。选择主板和CPU时，一定要考虑芯片组的性能。,7. 芯片组,-26-,目前支持Pentium 4 系列CPU的芯片组主要有Intel、VIA 、SiS等公司的产品。其中Intel公司的主流芯片组有i845、 i850、 i865、 i875 四个系列的产品。,-27-,中央处理器（CPU）是微机的核心部件，使用时插入主板上的CPU插座，通常带有散热风扇。如图1-4。 CPU是一个大规模的集成电路芯片，内部集成了数百万个晶体管，外部有数百个引脚。主要完成算术和逻辑运算、自动执行程序并具有控制微型计算机各部件协调工作的
23、功能。 CPU的发展非常快，不断有新的产品问世。目前生产CPU的主要厂家有Intel、AMD公司等，Intel公司主流的CPU芯片是高性能的Pentium 4系列CPU，字长32位，CPU时钟频率可高达3.4GHz。 关于CPU的知识将在第四章中详细介绍。,1.3.3 中央处理器,-28-,图1-4 主板上的CPU,-29-,内存条是焊接有存储芯片、电容、电阻等元件的一条印刷线路板，如图1-5。使用时插入主板上的内存插槽。内存条上采用可读写的存储芯片，关机之后保存的信息会丢失。目前流行的内存条有以下三种类型： （1）SDRAM（Synchronized Dynamic RAM） 同步动态随机存
24、储器，指的是在一个CPU时钟周期内可完成数据的访问和刷新、能够与CPU的时钟同步工作、随时可以读写存储器。有168条引脚线，引脚上有两个缺口，两侧各有一个缺口。 （2）DDR SDRAM（Double Date Rate SDRAM） 双倍数据速率同步动态随机存储器，在CPU时钟的上升沿和下降沿都可以进行数据读写，数据传输率比SDRAM高一倍。有184条引脚线，引脚上只有一个缺口，两侧各有两个缺口。,1.3.4 内存条,-30-,（3）DDR2 SDRAM DDR2 SDRAM内存插槽有240个引脚，有一个固定内存条的定位口，适用DDR2内存条，是对DDR SDRAM的升级，数据传输速率提高了
25、2倍。以上三种类型内存条使用的都是DIMM类型的内存插槽。,图1-5 三种类型的内存条,-31-,1.3.5 基本外部设备,微机系统最基本的外部设备包括键盘、鼠标、显示器和硬盘。 1. 键盘 可以输入数字、字符、程序和命令。键盘可以插接到机箱背面的专用接口或USB接口与主机连接。 2. 鼠标 代替键盘的光标键快速定位显示器上的光标，也可以代替键盘执行命令。鼠标插接到机箱背面的专用接口或USB接口与主机连接。 3. 显示器 显示计算机运行时的各种状态和运行结果。显示器插接到机箱背面的D型显示器插座，通过显卡连接到主机。有些微型计算机的显卡插接在主板的AGP或PCI扩展槽中，有些微型计算机将显卡制
26、作在主板上。 4. 硬盘 作为微机的大容量外存，存储程序和数据。 硬盘通过数据线电缆连接到主板的IDE插座，连接前还要参照硬盘正面的说明，用跳线设置硬盘的工作方式，如设置硬盘为连接的唯一设备或者两个设备中的主设备、从设备等。硬盘中的信息可以长期保存，关机后保存的信息不会丢失。,-32-,1.3.6 机箱与电源,1. 机箱 机箱与电源是配套的。机箱主要作用是放置和固定微型计算机的各个部件，还具有屏蔽电磁辐射的作用。按照结构，机箱一般由外壳、机箱内的支架和前面板组成。前面板上一般有电源开关(POWER)、复位开关(RESET)以及相应的指示灯（LED发光二极管）等，有的前面板上还有变速开关（TUR
27、BO）和键盘锁（LOCK）等。 由于AT和ATX这两种主板的主要组件的配置方式有很大区别，所以机箱也可以分为AT和ATX两种类型。ATX机箱能够安装现在绝大部分类型的主板，是目前最常用的机箱。 按照外型，机箱的一般分为立式和卧式两种样式。立式机箱中主板放在右侧，卧式机箱中主板放在下部。立式机箱的通风散热较好，便于放在较低的位置或桌子下面。卧式机箱便于安装并适于做成小型化或薄型机箱，安装和维修操作比较方便。,-33-,电源的作用是把220V交流电进行隔离和变换为微型计算机需要的低压直流电。微型计算机中的所有部件都由电源供电，因此电源质量对微型计算机的稳定运行有很大关系。 常用的电源按功率大小分为
28、200W、230W 、250W等几个档次。 电源管理模式目前普遍使用的是ATX形式。 提供微型计算机使用的直流电5V、5V、l2V、l2V、3.3V，只用一个20芯的白色扁平插头连接到主板。微型计算机能在Windows操作系统中自动关机。机箱的电源开关直接连到主板上。 Intel公司推出了配合Pentium 4微处理器的电源标准ATX1.2V，也称为P4电源。由于Pentium 4微处理器的功耗比较大，这种电源增加了一根4芯的l2V插头，为CPU单独供电。目前大多数适用Pentium 4的主板都提供了相对应的4针电源插座。,2. 电源,-34-,第一章结束,教学相长,老师的联系方式: 84708498 ,
