计算机硬件系统

硬件系统2.2.1硬件系统组成硬件是组成计算机的物理实体，它提供了计算机工作的物质基础，人通过硬件向计算机系统发布命令、输入数据，并得到计算机的响应，计算机内部也必须通过硬件来完成数据存储、计算及传输等各项任务。

无论是那一种计算机，一个完整的硬件系统从功能角度而言必须包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分，每个功能部件各尽其职、协调工作。

微型计算机也是基于这五部分组成的，根据微型计算机的特点将硬件分为主机和外部设备两部分，如下图所示。

2.2.2主机系统主机是安装在一个主机箱内所有部件的统一体，是微型计算机系统的核心，主要由CPU、内存、输入/输出设备接口(简称I/O接口)、总线和扩展槽等构成，通常被封装在主机箱内，制成一块或多块印刷电路板，称为主机板，简称主板或系统板。

主机内部结构示意图主机箱内部实物图主板从功能上讲主板就是主机，是一个插槽的集合体，也是整个硬件系统的平台，无论是奔腾、赛扬还是毒龙，所用主板在工作原理、主要器件的设置上都差不多。

按结构分为AT主板和ATX主板，按其大小分为标准板、Baby、Micro板等几种。

主板是微型计算机系统的主体和控制中心，它几乎集合了全部系统的功能，控制着各部分之间的指令流和数据流。

随着计算机的不断发展，不同型号的微型计算机的主板结构是不一样的，典型的主板外观示例如下图所示。

主板外观主机板及其部分配件主板主要由以下部件组成：·芯片组芯片组是主板的灵魂，由一组超大规模集成电路芯片构成。

芯片组控制和协调整个计算机系统的正常运转和各个部件的选型，它被固定在主板上，不能像CPU、内存等进行简单的升级换代。

芯片组的作用是在BIOS和操作系统的控制下，按照统一规定的技术标准和规范为计算机中的CPU、内存、显卡等部件建立可靠的安装、运行环境，为各种接口的外部设备提供可靠的连接。

·CPU插座用于固定连接CPU芯片。

由于集成化程度和制造工艺的不断提高，越来越多的功能被集成到CPU上。

为了使CPU安装更加方便，现在CPU插座基本上采用零插槽式设计。

CPU的一种插法·内存插槽随着内存扩展板的标准化，主板给内存预留专用插槽，只要购买所需数量并与主板插槽匹配的内存条，就可以实现扩充内存和即插即用。

·总线扩展槽主板上有一系列的扩展槽，用来连接各种功能插卡。

用户可以根据自己的需要在扩展槽上插入各种用途的插卡，如显示卡、声卡、防病毒卡、网卡等，以扩展微型计算机的各种功能。

任何插卡插入扩展槽后，就可以通过系统总线与CPU连接，在操作系统的支持下实现即插即用。

这种开放的体系结构为用户组合各种功能设备提供了方便。

扩展卡的插法·输入输出接口输入输出接口是CPU与外部设备之间交换信息的连接电路，它们通过总线与CPU相连，简称I/O接口。

I/O接口分为总线接口和通信接口两类。

当需要外部设备或用户电路与CPU 之间进行数据、信息交换以及控制操作时，应使用微型计算机总线把外部设备和用户电路连接起来，这时就需要使用微型计算机总线接口；当微型计算机系统与其它系统直接进行数字通信时使用通信接口。

所谓总线接口是把微型计算机总线通过电路插座提供给用户的一种总线插座，供插入各种功能卡。

插座的各个管脚与微型计算机总线的相应信号线相连，用户只要按照总线排列的顺序制作外部设备或用户电路的插线板，即可实现外部设备或用户电路与系统总线的连接，使外部设备或用户电路与微型计算机系统成为一体。

常用的总线接口有：AT总线接口、PCI 总线接口、IDE总线接口等。

AT总线接口多用于连接16位微型计算机系统中的外部设备，如16位声卡、低速的显示适配器、16位数据采集卡以及网卡等。

PCI总线接口用于连接32位微型计算机系统中的外部设备，如3D显示卡、高速数据采集卡等。

IDE总线接口主要用于连接各种磁盘和光盘驱动器，可以提高系统的数据交换速度和能力。

通信接口是指微型计算机系统与其它系统直接进行数字通信的接口电路，通常分串行通信接口和并行通信接口两种，即串口和并口。

串口用于把像MODEM这种低速外部设备与微型计算机连接，传送信息的方式是一位一位地依次进行。

串口的标准是EIA(ElectronicsIndustryAssociation即电子工业协会)RS-232C标准。

串口的连接器有D 型9针插座和D型25针插座两种，位于计算机主机箱的后面板上。

鼠标器就是连接在这种串口上。

并行接口多用于连接打印机等高速外部设备，传送信息的方式是按字节进行，即8个二进制位同时进行。

PC机使用的并口为标准并口Centronics。

打印机一般采用并口与计算机通信，并口也位于计算机主机箱的后面板上。

I/O接口一般做成电路插卡的形式，所以通常把他们称为适配卡，如软盘驱动器适配卡、硬盘驱动器适配卡(IDE接口)、并行打印机适配卡(并口)、串行通讯适配卡(串口)，还包括显示接口、音频接口、网卡接口(RJ45接口)、调制解调器使用的电话接口(RJ11接口)等。

在386以上的微型计算机系统中，通常将这些适配卡做在一块电路板上，称为复合适配卡或多功能适配卡，简称多功能卡。

·基本输入输出BIOS和CMOSBIOS是一组存储在EPROM中的软件，固化在主板的BIOS芯片上，主要作用是负责对基本I/O系统进行控制和管理。

CMOS是一种存储BIOS所使用的系统存储器，是微机主板上的一块可读写的ROM芯片，用来保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。

当计算机断电时，由一块电池供电使存储器中的信息不被丢失。

用户可以利用CMOS对微机的系统参数进行设置。

BIOS是主板上的核心，由BIOS负责从计算机开始加电到完成操作系统引导之前的各个部件和接口的检测、运行管理。

在操作系统引导完成后，由CPU控制完成对存储设备和I/O 设备的各种操作、系统各部件的能源管理等。

中央处理器(CPU)中央处理器是微型计算机中的CPU，称为微处理器(MPU)，是一个超大规模集成电路器件，是微型计算机的心脏。

它起到控制整个微型计算机工作的作用，产生控制信号对相应的部件进行控制，并执行相应的操作。

不同型号的微型计算机，其性能的差别首先在于其微处理器性能的不同，而微处理器的性能又与它的内部结构、硬件配置有关。

每种微处理器具有专门的指令系统。

但无论哪种微处理器，其内部结构是基本相同的，主要由运算器、控制器及寄存器等组成。

通常所说的"奔腾"、PC等计算机实际上是指主板上CPU的型号。

其中运算器用于对数据进行算术运算和逻辑运算，即数据的加工处理；控制器用于分析指令、协调I/O操作和内存访问；寄存器用于临时存储指令、地址、数据和计算结果。

通常我们所说的奔腾、P6、奔腾Ⅲ、奔腾Ⅳ等，都是指CPU的型号，如下图所示。

CPU型号决定计算机的型号和性能。

奔腾系列CPU的部分型号现在流行的CPU内存储器内存储器是直接与CPU相联系的存储设备，是微型计算机工作的基础，位于主板上。

通常，内存储器分为只读存储器、随机读/写存储器和高速缓冲存储器三类。

各种常见的内存条·只读存储器(ROM：ReadOnlyMemory)ROM是指只能从该设备中读数据，而不能往里写数据。

ROM中的数据是由设计者和制造商事先编制好固化在里面的一些程序，使用者不能随意更改。

ROM主要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基本的输入/输出(I/O)控制程序，如存储BIOS参数的CMOS芯片。

ROM的特点是，计算机断电后存储器中的数据仍然存在。

·随机读/写存储器(RAM：RandonAccessMemory)RAM是计算机工作的存储区，一切要执行的程序和数据都要先装入该存储器内。

随机读/写的含义是指既能从该设备中读数据，也可以往里写数据。

CPU在工作时直接从RAM中读数据，而RAM中的数据来自外存，并随着计算机的工作随时变化。

RAM的特点主要有两个：一是存储器中的数据可以反复使用，只有向存储器写入新数据时存储器中的内容才被更新；二是RAM中的信息随着计算机的断电自然消失，所以说RAM是计算机处理数据的临时存储区，要想使数据长期保存起来，必须将数据保存在外存中。

目前微型计算机中的RAM大多采用半导体存储器，基本上是以内存条的形式进行组织，其优点是扩展方便，用户可根据需要随时增加内存。

常见的内存条有32MB、64MB和128MB 等几种。

使用时只要将内存条插在主板的内存插槽上即可。

·高速缓冲存储器(Cache)Cache是指在CPU与内存之间设置一级或两极高速小容量存储器，称之为高速缓冲存储器，固化在主板上。

在计算机工作时，系统先将数据由外存读入RAM中，再由RAM读入Cache 中，然后CPU直接从Cache中取数据进行操作。

Cache的容量在32KB～256KB之间，存/取速度在15ns～35ns(纳秒)之间，而RAM存/取速度一般要大于80ns。

总线总线是一组连接各个部件的公共通信线，即系统各部件之间传送信息的公共通道。

总线是由一组物理导线组成，按其传送的信息可分为数据总线、地址总线和控制总线三类。

按总线接口类型来划分，有ISA总线、PCI总线和AGP总线等。

不同的CPU芯片，数据总线、地址总线和控制总线的根数也不同。

总线示意图ISA总线示意图PCI总线是目前计算机常用的标准总线结构，它使图形显示、硬盘驱动器、网络适配器等需要高速性能的外设的速度进一步得到提高。

其传输方式如图所示。

PCI总线示意图AGP总线示意图·数据总线(DB：DataBus)数据总线用来传送数据信息，是双向总线。

CPU既可通过DB从内存或输入设备读入数据，又可通过DB将内部数据送至内存或输出设备。

它决定了CPU和计算机其它部件之间每次交换数据的位数。

80486CPU有32条数据线，每次可以交换32位数据。

·地址总线(AB：AddressBus)地址总线用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线。

传送地址信息的目的是指明与CPU交换信息的内存单元或I/O设备。

一般存储器是按地址访问的，所以每个存储单元都有一个固定地址，要访问1MB存储器中的任一单元，需要给出1MB个地址，即需要20位地址(220≈1MB)。

因此，地址总线的宽度决定了CPU的最大寻址能力。

80286CPU有24根地址线，其最大寻址能力为16MB。

·控制总线(CB：ControlBus)控制总线用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。

其中有的是CPU向内存或外部设备发出的信息，有的是内存或外部设备向CPU发出的信息。

显然，CB中的每一根线的方向是一定的、单向的，但作为一个整体则是双向的。

所以，在各种结构框图中，凡涉及到控制总线CB，均是以双向线表示。