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前言
一、计算机概述
- 1.1 计算机发展史
- - 1.1.1 电子器件
  - 1.1.2 摩尔定律
  - 1.1.3 计算机发展过程的重要里程碑
- 1.2 现代计算机
- 1.3 计算机性能与发展趋势
- 1.3.1 计算机运算速度与存储容量
- 1.3.2 计算机的发展趋势
- 1.4 计算机的基本结构
- - 1.4.1 冯诺依曼模型
  - 1.4.2 计算机系统结构
  - 1.4.3 计算机的模块结构
二、计算机系统组成及工作原理
- 2.1 二进制数与信息表示
- - 2.1.1 为什么要用二进制
  - 2.1.2 信息在计算机内的表示
  - 2.1.3 数值型数据
  - 2.1.4 非数值型数据
  - 2.1.5 数据格式
  - 2.1.6 原码、补码、反码
  - 2.1.7 二进制加减运算
- 2.2 逻辑电路
- - 2.2.1 基础知识
  - 2.2.2 逻辑门电路
  - 2.2.3 组合逻辑电路
  - 2.2.4 时序逻辑电路
  - 2.2.5 典型的时序逻辑电路
  - 2.2.6 计数器
  - 2.2.7 寄存器
- 2.3 计算机的硬件组成
- - 2.3.1 CPU的组成
  - 2.3.2 指令系统
  - 2.3.3 CPU的工作过程
三、微型计算机的中央处理器
- 3.1 CPU概述
- 3.2 CPU的主要技术指标
- - 3.2.1 位、字节和字长
  - 3.2.2 时钟频率
  - 3.2.3 一级和二级高速缓存的容量和速率
  - 3.2.4 CPU的扩展指令集
  - 3.2.5 工作电压
  - 3.2.6 地址总线与数据总线的宽度
  - 3.2.7 制造工艺
- 3.3 提高CPU性能的先进技术
- - 3.3.1 流水线与超标量结构
  - 3.3.2 高速缓存技术
  - 3.3.3 NetBurst 架构Pentium4中的高速缓存实现技术
  - 3.3.4 扩展指令集
  - 3.3.5 64位技术
  - 3.3.6 超线程技术
  - 3.3.7 多核心技术
- 3.4 CPU的封装与接口类型
- - 3.4.1 CPU的封装
  - 3.4.2 CPU的接口
- 3.5 CPU的内核
- 3.6 典型的CPU
- - 3.6.1 Inter的CPU
  - 3.6.2 AMD的CPU
四、内部存储器
- 4.1 内部存储器概述
- 4.2 内存的作用及其分类
- - 4.2.1 内存的作用
  - 4.2.2 内存的分类
  - 4.2.3 内存的主要技术指标
- 4.3 半导体存储器的组成及工作原理
- - 4.3.1 随机存储器
  - 4.3.2 只读存储器
  - 4.3.3 内存的组成
- 4.4 RAM的基本工作方式
- 4.5 内存模组与基本结构
- - 4.5.1 物理存储体
  - 4.5.2 逻辑存储体
  - 4.5.3 内存条（模组）的结构及工作原理
- 4.6 主流内存条
五、总线与芯片组
- 5.1 总线
- - 5.1.1 总线的概念
  - 5.1.2 总线的类型和性能
- 5.2 芯片组
- - 5.2.1 芯片组的概念
  - 5.2.2 Inter公司早期的芯片组
- 5.3 主机板
- - 5.3.1 主机板的构成
  - 5.3.2 主机板标准
六、接口
- 6.1 接口的基本知识
- - 6.1.1 接口的构成
  - 6.1.2 接口信号
  - 6.1.3 接口的分类
  - 6.1.4 接口的操作方式
- 6.2 RS-232C
- - 6.2.1 RS-232C串行接口标准
  - 6.2.2 RS-232C接口信号
  - 6.2.3 RS-232C接口的实现
- 6.3 并行接口
- - 6.3.1 并行接口简介
- 6.4 USB接口
- - 6.4.1 新型串行传输技术
  - 6.4.2 USB简介
七、外部存储器
八、常用的外部设备
九、多媒体设备
十、计算机通信和通信设备
- 10.1 计算机通信
- - 10.1.1 计算机技术与通信技术的融合
  - 10.1.2 通信系统的组成
- 10.2 数字通信的基本概念
- - 10.2.1 数字通信的分类
总结

前言

一、计算机概述

1.1 计算机发展史

1.1.1 电子器件

计算机作为一种电子设备，其发展随着电子器件发展而发展；
电子器件的发展大体经历了电子管、晶体管和集成电路三个阶段；

电子管：体积大、功耗高、寿命短、速度慢、可靠性差；
半导体晶体管：体积小、功耗低、可靠性高，包括双极性晶体管和场效应晶体管；
集成电路（integrated circuits,IC）:速度快、体积更小、功耗更低、可靠性更高；

集成电路根据集成度不同可分为：

SSI（小规模集成电路）：晶体管数<100
MSI（中规模集成电路）：晶体管数100·3000
LSI（大规模集成电路）：晶体管数3000· 10⁵
VLSI（超大规模集成电路）：晶体管数10⁵ – 10⁸
ULSI（甚大规模集成电路）：晶体管数>10⁸

1.1.2 摩尔定律

计算机的发展就是电子技术发展的一种体现；随着集成电路工艺日趋完善，芯片上发现了一个具有历史意义的现象：“在相等面积（制作成本）上，CPU上的晶体管数量以每18个月倍增的趋势增加，执行性能的提升也大体符合这个趋势”，这就是著名的摩尔定律。

1.1.3 计算机发展过程的重要里程碑

1、第一台电子计算机

1946年在美国诞生的“埃尼亚克”（ENIAC）是举世公认的第一台电子计算机；其设计目的是为阿贝丁陆军试炮场进行弹道计算。主要研究者是宾夕法尼亚大学莫尔学院的莫契利（J.Mauchly）和埃克特（J.P.Eckert）；ENIAC共使用了l8000个电子管，另加1500个继电器以及其他器件，其总体积约90m’，重达30t，占地170m2。这台耗电量为140kW的计算机，运算速度为每秒5000次加法，或者400次乘法，至多只能存储20个10位的十进制数，无程序存储器。

ENIAC有两大缺点，一是没有内存储器，二是要由人像搭积木一样，将大量运算部件搭配成各种解题布局，每算一题就要重搭一次，又费时，又麻烦。有的题只要计算1秒钟，准备工作却要花上几十分钟。对ENIAC的改进，便是著名的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼提出的存储程序控制。

2、存储程序概念的提出

1945年6月，以美籍匈牙利数学家冯·诺依曼为首的研制小组与参与研制ENIAC主要人员联名发表了一篇长达101页的报告，即计算机史上著名的“101页报告”，提出了“存储程序控制”的计算机结构（即冯·诺依曼机），奠定了现代计算机的基础。概括来说，冯·诺依曼机的体系结构具有如下特点：

计算机硬件五大基础部件：运算器、存储器、控制器、输入/输出系统；
计算机内部采用二进制来表示指令和数据；
将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再执行程序，完成任务；

3、第一台存储程序计算机
1949年在英国剑桥大学问世的EDSAC，是由3000个电子管为主要元件的存储结构的计算机。
1951年冯·诺依曼的EDVAC问世，总共只采用了2300个电子管，但运算速度却比拥有18000个电子管的ENIAC提高了10倍。

4、晶体管计算机诞生
1954年，贝尔实验室研制成功第一台使用品体管线路的计算机（TRADIC），装有800个品体管。
1958年，IBM公司制成了第一台全部使用晶体管的计算机RCA501。计算速度从每秒几千次提高到几十万次，主存储器的存储容量，从几千字提高到10万字以上。
1959年，IBM公司又生产出全部晶体管化的数字计算机IBM7090。

5、第三代计算机标志性产品IBM S/360系列计算机
1964年，由IBM公司主设计师吉恩·阿姆达尔（G.Amdahl）主持设计的第一个采用集成电路的通用计算机系列IBMS/360系统研制成功，该系列有大、中、小型，共6个型号。阿姆达尔提出了一种全新的思路：IBMS/360必须是一种“兼容性”的产品，这意味着大、中、小型IBMS/360系统计算机，都能以相同方式处理相同的指令，运行相同的软件，配置相同的外部设备，而且能够相互连接在一起工作。“兼容性”是一次伟大的观念变革，由此引起的现代计算机的技术进步，至今仍发挥着巨大的作用。IBMS/360系统取得了难以置信的成功，成为第三代计算机的标志性产品。

6、使用超大规模集成电路的第四代计算机
1965年，美国国防部拨款开发的ILLIAC-V计算机，是第一台全面以大规模集成电路作为逻辑元件和存储器的阵列计算机，它标志着计算机的发展已到了第四代。1976年问世的被誉为“美国民族智多星”的克雷公司的Cray系列巨型机（如图1-7所示）以及IBM公司的370系列、43XX、30XX、ES-9000系列和日本富士通公司生产的M系列都是比较有代表性的第四代计算机。

7、微型计算机

Intel系列CPU的发展，特别是1978年推出的16位CPU—-8086，为微型计算机的出现奠定了硬件基础。
1980年，IBM实行开放政策，采用lntel8088MPU、委托独立软件公司为它开发各种软件。
1981年8月12日，IBM在纽约宣布IBM个人计算机（PC）问世，

小结：

起始年份	代别	主要逻辑元件	软件
1946-1957	一	电子管	机器语言、汇编语言。
1958-1964	二	晶体管	高级语言、监控程序。
1965-1970	三	集成电路	简单操作系统
1970至今	四	大规模或超大规模集成电路	软件工程的研究及应用、数据库、语言编译系统和网络软件

1.2 现代计算机

巨型计算机
主机（大、中型机）
小型计算机
个人计算机

1.3 计算机性能与发展趋势

1.3.1 计算机运算速度与存储容量

运算速度是计算机的一项重要性能指标，计算机的运算速度与许多因素有关，如微处理器的主频、执行何种操作、主存本身的速度（主存速度越快，取指令、取数据就越快）等有关。

计算机的存储容量是计算机性能的又一重要指标。计算机的存储容量可用字节（B）来表示。一个字节可表示一个英文字母或数字，而汉字则需要用两个字节来表示。规定8个二进制位为一个字节。

1.3.2 计算机的发展趋势

巨型化
微型化
网络化
智能化

其中，人工智能是计算机发展的一个重要方向，新一代计算机将可以模拟人，还有新型材料计算机-光子计算机、生物计算机、超导计算机、各具优势，特点的量子计算机与纳米计算机也在研究中……

1.4 计算机的基本结构

1.4.1 冯诺依曼模型

1.4.2 计算机系统结构

Amdahl等人提出系统结构定义是指机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性：

机器内的数据表示，即硬件能直接辨认和处理的那些数据类型。
寻址方式，包括最小寻址单元和地址运算等。
寄存器定义，包括操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器等的定义、数量和使用方式。
指令系统，包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等。
中断机构，包括中断的类型和中断响应硬件的功能等。
机器工作状态的定义和切换，如管态和目态等。
输入输出结构，包括输入输出的连接方式，处理机/存储器与输入输出设备间数据传送的方式和格式、传送的数据量以及输入输出操作的结束与出错标志等。
信息保护，包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。

1.4.3 计算机的模块结构

计算机系统有硬件和软件两部分组成。

1、中央处理器
2、内存储器
3、外存储器
4、输入输出设备

二、计算机系统组成及工作原理

2.1 二进制数与信息表示

2.1.1 为什么要用二进制

我们通常使用十进制数进行计算，而计算机却用二进制数计算，这是由于计算机由电子元件组成，而电子元件有“通”和“断”两种状态、信号有“有”和“无”两种情况，电流有“正”和“负”两种方向。我们用二进制的“1”和“0”两个数码能很方便地分别表示这两种状态，因此，计算机采用二进制数来表示信息，这种设计最简单，工作也最为稳定。此外，二进制数的“1”和“0”正好可与逻辑值“真”和“假”相对应，这样就为计算机进行逻辑运算提供了方便。算术运算和逻辑运算是计算机的基本运算，采用二进制数可以简单方便地进行这两类运算。

2.1.2 信息在计算机内的表示

计算机内信息的表示形式是二进制数字编码。各种类型的信息（如数字、文本、音频、图像、视频等）必须转换成数字量即二进制数字编码的形式，才能由计算机进行处理。

数值型数据
非数值型数据

2.1.3 数值型数据

数值型数据指能进行算术运算（加、减、乘、除四则运算）的数据，即我们通常所说的“数”。
数值型数据通常按进位的方法进行计数，称为进位计数制。也就是说数字累计到最大计数（进制数）时，数码长度就增加一位或数码高位数值增1。

	二进制	八进制	十进制	十六进制	K进制
基数	2	8	10	16	K
进位	逢2进1	逢8进1	逢10进1	逢16进1	逢k进1
可用数码	0,1	0-7	0-9，A、B、C、D、E、F	0-9，…，K-1

不同进制的数字有不同的书写规则，通常有以下两种书写方式：

在数字后面加写相应的英文字母作为标识，

B（Binary）——表示二进制数。例如，二进制数的100可写成100B。
O（Octonary）——表示八进制数。例如，八进制数的100可写成1000。
D（Decimal）——表示十进制数。例如，十进制数的100可写成100D。一般约定D可省略，即无后缀的数字为十进制数字。
H（Hexadecimal）——表示十六进制数。例如，十六进制数100可写成100H。

在括号外面加数字下标
（1101）₂ ——表示二进制数的1101。
（3174）₈ ——表示八进制数的3174。
（6678）₁₀ ——表示十进制数的6678。
（2DF6）₁₆ ——表示十六进制数的2DF6。
进制转换

将K进制数转换为十进制数
其方法为按“权”展开，也就是按照各种进制的权值展开，求出系数与位权的乘积，然后对诸项乘积求和，即可得到转换结果。
将十进制数转换为K进制
方法是将整数部分和小数部分分别进行转换，然后再将它们合并起来。
整数部分转换：除以K，取余数。
小数部分转换：乘以K，取整数。确处虽示，第企包试包对词。

2.1.4 非数值型数据

非数值数据指文字、声音、图像等信息。在计算机中，对非数值型数据进行处理时，首先要对其进行数字化处理，即用二进制编码来表示这类数据。在计算机系统中使用最广泛的文字编码是ASCIⅡ码，在中文系统中主要是汉字编码。

1、 ASCII码
目前，计算机中用得最广泛的字符集及其编码是由美国国家标准学会（American National Standards Institute，ANSI）制定的美国标准信息交换码（American Standard Code for Information Interchange，ASCII），它已被国际标准化组织（International Organization for Standardization IS0）定为国际标准，称为ISO646标准。ASCIⅡ码适用于对所有拉丁文字母进行编码。ASCIl码有7位码。
7位二进制数可以表示128（2’=128）种状态，每种状态都唯一地编为一个7位的二进制码，对应一个字符（或控制码），这些码可以排列成十进制序号0～127。在实际使用中，通常用8位二进制数表示一个ASCIⅡ码（一个字节），其中字节高位为0或1，用于数据传输时的校验位。

2、汉字编码及处理技术

西文是拼音文字，基本符号比较少，编码比较容易，因此，在计算机系统中，输入、内部处理、存储和输出都可以使用同一代码。汉字种类繁多，编码比拼音文字困难，因此在不同的场合要使用不同的编码。目前使用的汉字编码主要有三种，包括GBK、GB2312和BIG-5。

1）汉字编码

GB2312全称为《信息交换用汉字编码字符集基本集》，俗称国标码，由国家标准总局发布，1981年5月1日实施该编码，新加坡等地也使用此编码。这是一个简化字的编码规范，当然也包括其他的符号、字母、日文假名等，共7445个图形字符，其中汉字占6763个。通常说其中包含有6768个汉字，但其中有5个编码为空白，所以实际上总共有6763个汉字。
GB2312规定“对任意一个图形字符都采用两个字节表示，每个字节均采用7位编码表示”，习惯上称第一个字节为“高字节”，第二个字节为“低字节”。GB2312中汉字的编码范围：第一字节为0XB0_{0XF7（对应十进制数为176}247），第二个字节为0XA0_{0XFE（对应十进制数为160}254）。
GB2312将代码表分为94个区，对应第一字节（0XAl_{0XFE）；每个区94个位（0XA1}
0XFE），对应第二字节，两个字节的值分别为区号值和位号值加32（20H），因此也称为区位码01_{09区为符号、数字区，16}87区为汉字区（0XB0_0XF7），1015区、88~94区是有待进一步标准化的空白区。
BIG-5又称大五码，主要在中国香港与中国台湾地区使用，是一种繁体字编码。每个汉字由两个字节构成，第一个字节的范围为0X81～0XFE（即129_{254），共l26种。第二个字节的范围不连续，分别为0X40}0X7E（即64_{126）和0XA1}0XFE（即161~254），共157种。
GBK也是一个汉字编码标准，全称为《汉字内码扩展规范》，由全国信息技术标准化技术委员会于1995年12月1日制定。GB即“国标”，K是“扩展”的汉语拼音第一个字母。
GBK向下与GB2312编码标准兼容，向上支持ISO10646-l国际标准，是前者向后者过渡过程中的一个承上启下的标准。
IS010646-1是国际标准化组织（ISO）公布的一个编码标准，即Universal Multilpe-Octet Coded Character Set（UCS），译为《通用多八位编码字符集》，而在我国台湾地区译为《广用多八位元编码字元集》。我国1993年以GB13000-1国家标准的形式予以认可（即GB13000-1等同于I5010646-1）。
ISO10646-1是一个包括世界上各种语言的书面形式以及附加符号的编码体系。其中的汉字部分称为“CJK统一汉字”（C代表中国，J代表日本，K代表朝鲜）。而其中的中国部分，包括了源自GB2312、GB12345、《现代汉语通用字表》等法定标准的汉字和符号以及源自我国台湾地区的CNS11643标准中第1、2字面（基本等同于BIG-5编码）、第14字面的汉字和符号。
GBK亦采用双字节表示，总体编码范围为8140_{FEFE，第一字节在81～FE之间，第二字节在40}FE之间。总计23940个码位，共收入21886个汉字和图形符号，其中汉字（包括部首和构件）21003个，图形符号883个。

2）汉字输入码

输入码所解决的问题是如何使用西文标准键盘把汉字输入到计算机内。目前，汉字输入码有许多种，其中最常用的是拼音编码和字形编码。
拼音编码是按照汉语拼音规则来输入汉字的，不需要特殊记忆，只要会汉语拼音就可以输入汉字。但拼音输入法也有缺点：一是同音字太多，重码率较高，输入效率较低；二是对用户的发音要求较高；三是难于处理不识的生字。
字形编码是以汉字的形状确定的编码，即按汉字的笔画部件用字母或数字进行编码，如五笔字型、表形码便属于此类编码。字形编码的最大的优点是重码少，不受方言干扰，只要经过一段时间的训练，输入汉字的效率会有大大的提高。现在社会上，大多数打字员都是用字形编码进行汉字输入。但字形编码的缺点是需要记忆的东西较多，需要经过一段时间学习才能掌握，长时间不用会忘掉。
3）汉字字库
字库就是我们使用计算机时显示或打印汉字的图像源。计算机调用字库显示汉字时，不是直接调用汉字的图像，而是调用这个汉字的内码，程序通过这个内码到相应的图像源（字库）当中寻找相应的图像信息，并绘制到屏幕上或者打印到纸上。汉字字库分点阵与矢量两种。
，点阵字库是把每一个汉字都分成16×16或24×24个点，然后用每个点的虚实来表示汉字的轮廓，常作为显示字库使用。这类点阵字库汉字最大的缺点是不能放大，放大后文字边缘会出现锯齿。矢量字库保存的是对每一个汉字的描述信息，比如一个笔画的起始、终止坐标，半径、弧度等。在显示、打印这一类字库时，要经过一系列的数学运算才能输出结果。这一类字库保存的汉字理论上可以被无限地放大，即放大后汉字的笔画轮廓仍能保持圆滑，打印时使用的字库均为此类字库。Windows使用的字库也为以上两类。在FONTS目录下，如果字体文件的扩展名为FON，表示为点阵字库；扩展名为TTF，则表示为矢量字库。

2.1.5 数据格式

计算机中常用的数据表示格式有两种，一是定点格式，二是浮点格式。一般来说，定点格式容许的数值范围有限，但要求的处理硬件比较简单。而浮点格式容许的数值范围很大，但要求的处理硬件比较复杂。

定点数的表示方法
浮点数的表示方法

与定点表示法相比，在相同字长下，浮点表示法所能表示的数的范围要大得多，使用比较

2.1.6 原码、补码、反码

2.1.7 二进制加减运算

用原码进行加法运算时，必须根据两数的符号和数值大小来决定运算结果的符号，这将增加硬件的复杂性和运算时间。而补码加法运算是最简单的，只要求出被加数和加数的补码形式，然后连同符号位一起进行二进制加法运算，其结果即为两数和之补码。因此，在其计算机中通常采用补码进行加、减运算。

2.2 逻辑电路

计算机采用二进制的“0”和“1”两个数码进行运算，逻辑电路就是通过二极管、晶体管等元器件把布尔代数应用到电子电路上，以实现逻辑运算的电路。

2.2.1 基础知识

逻辑电路中的0和1
逻辑代数
真值表
逻辑元件

2.2.2 逻辑门电路

所谓“门”就是一种开关，在一定条件下它允许信号通过；若条件不满足，信号就通不过。因此，门电路的输入信号与输出信号之间存在一定的逻辑对应关系，所以门电路又称为逻辑门电路。

“与”门
“或”门
“非”门
“与非”门
“或非”门
“异或”门

2.2.3 组合逻辑电路

按照逻辑功能的不同，数字电路分成两大类，一类是组合逻辑电路，另一类是时序逻辑电路。

组合逻辑电路是具有一组输入和一组输出的非记忆性逻辑电路，它的基本特点是任何时刻的输出信号状态仅取决于该时刻各个输入信号状态的组合，而与电路在输入信号作用前的状态无关，组合逻辑电路是由门电路组成的，但不包含存储信号的记忆单元，输出与输入间无反馈通路，信号是单向传输，且存在传输延迟。

组合逻辑电路的种类很多，主要有全加器、译码器、编码器、多路选择器等。

2.2.4 时序逻辑电路

时序逻辑电路是一种在任何时刻的输出不仅取决于该时刻电路的输入，而且与电路过去的输入有关的逻辑电路。组合逻辑电路在任一时刻的输出信号仅仅与当时的输入信号有关；而时序逻辑电路在任一时刻的输出信号不仅与当时的输入信号有关，而且与电路原来的状态有关。
从结构上看，组合逻辑电路仅由若干逻辑门组成，没三有存储电路，因而无记忆功能；而时序逻辑电路除包含组入组合逻辑电路出合逻辑电路外，还含有存储电路，因而有记忆功能；
在时序逻辑电路中，存储电路主要是触发器，是必不存做电可少的，而组合逻辑电路是可选的。
时序电路具有以下特点：
①除了组合逻辑电路以外，还包含有存储电路，具有图2-17时序逻辑电路记忆过去输入信号的能力。
②存储电路的状态反馈到输入端，与输入信号共同决定其组合逻辑电路部分的输出。

2.2.5 典型的时序逻辑电路

触发器是一种基本的时序电路，是能够存储一位二值信号的基本单元电路。触发器具备以下3个基本特点：
①具有两个能自行保持的稳定状态，用来表示逻辑状态的0和1或二进制数的0和1。
②根据不同的输入信号可以置成1或0状态。
③在输入信号消失以后，能将获得的新状态保存下来。
触发器的分类方式有很多种，按电路结构可分为：基本RS触发器、同步触发器、主从触发器、边沿触发器（包括维持阻塞触发器）等。不同电路结构的触发器有不同的动作特点。按逻辑功能可分为：RS触发器、D触发器、JK触发器、T和T^’触发器等几种类型。

基本RS触发器
同步RS触发器
JK触发器
D触发器
T^’触发器

2.2.6 计数器

计数器是常用的时序逻辑电路之一，它主要由具有记忆功能的触发器构成。计数器不仅仅用来记录脉冲的个数，还大量用于分频、程序控制及逻辑控制等，在计算机及各种数字仪表中，都得到了广泛的应用。

计数器对输入的时钟脉冲进行计数，每输入一个P脉冲，计数器状态变化一次。根据计数器的计数循环长度M，可将某种计数器称为模M计数器（M进制计数器）。通常，计数器的状态按二进制数的递增或递减规律来编码，相应的计数器称为加法计数器或减法计数器。一个计数型触发器就是一位二进制计数器。N个计数型触发器可以构成同步或异步N位二进制加法或减法计数器。当然，计数器状态编码并非必须按二进制数的规律编码，可以给M进制计数器任意地编排M个二进制码。

2.2.7 寄存器

寄存器是一种接收、存储和输出二进制数码或信息的逻辑部件。按寄存器的功能不同，可分为数码寄存器和移位寄存器。

2.3 计算机的硬件组成

2.3.1 CPU的组成

2.3.2 指令系统

1、指令格式
2、指令的分类
3、寻址方式

立即寻址
寄存器寻址
直接寻址
寄存器间接寻址

2.3.3 CPU的工作过程

CPU的工作过程实际上就是指令的执行过程；

第一步，取指令。这一步的任务是将指令（包含操作码和地址码）取出来并送到控制器的指令寄存器（IR）。取指令的数据传输路径如图2-28中①、②所示。
1）PC→MAR：将程序计数器（PC）中存放的指令地址送内存地址寄存器（MAR）。控制器发出的相应控制命令为：PC（1100）→AB，AB-MAR。
2）M一MDR：将指定的存储单元的内容A03000H（加法指令）送至内存数据寄存器（MDR）。
控制器发出的相应控制命令为：R。
3）MDR→IR：将数据寄存器（MDR）中的指令送到指令寄存器（IR）。控制器发出的相应控制命令为：MDR（A03000H）→DB，DB-IR。
4）PC+1→PC：程序计数器（PC）自动加1，为取出下一条指令做好准备。控制器发出的相应控制命令为：PC+1。
第二步，取加数。指令中的操作码经指令译码器译码后识别出是加法运算，接着从内存中取出加数。取操作数的数据传输路径如图2-28中③、④所示。
1）3000H→MAR：指令中的地址码3000H经地址形成部件产生操作数地址送到地址寄存器。控制器发出的相应的命令。
2）M→MDR：将指定的存储单元的内容0500H（加数）送至内存数据寄存器（MDR）。控制器发出的相应控制命令为：R。
3）MDR→R：数据寄存器的内容送到运算器的暂存寄存器（R）。控制器发出的相应控制命令为：（MDR）→DB，DB→R。ss国
第三步，求和数。把累加器A中的被加数和暂存寄存器R中的加数送入加法器，最后把和数送入累加器A，（A）+（R）→A。

三、微型计算机的中央处理器

3.1 CPU概述

PC机	CPU	出现年代	晶体管数目
第一代	8086和8088	1978-1981	29000
第二代80286	1984	134000
第三代	80386D和80386SX	1987-198	275 000.S
第四代	804865X、80486DX、80486ADX2和80486DX4	1990-1992	1200 0000
第五代	Pentiumo Cyrix 6×86 AMD K5 IDT WinChip C6	1993-1995 1996 1996 1997	3100000 – – 3500000
第五代改进型	Pentium MMX IBM/Cyrix 6x86MX IDT WinChip2 3D	1997 1997 1998	4500000 6000000 6000000
第六代	Pentium Pro AMD K6 Pentium Ⅱ AMD K6-2	1995 1997 1997 1998	5500000 8800000 7500000 9300000
第六代改进型	Pentium Ⅲ Katmai Pentium lⅢ CuMine Pentium Ⅲ Tualatin	1999 2000 2001	930万 2800万 4400万
第七代	Pentium 4 Willamette Pentium 4 Northwood Pentium 4 Prescot Pentium 4 Smithfield	2000 2001 2004 2005	42000万 55000万 125000万 230000万

1982年，Intel公司推出了著名的x86体系结构。直到今天，×86体系结构仍然是大多数Intel处理器的基础。现在所使用的CPU基本上都是x86系列及兼容CPU，x86系列即采用x86指令集的CPU。虽然随着CPU技术的不断发展，Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486、Pentium，直到今天的Pentium4系列，但为了保证微型计算机能继续运行以往开发的各类应用程序，以保护和继承丰富的软件资源，lntel公司所生产的所有CPU仍然继续使用x86指令集。另外，除In-
iel公司之外，AMD和Cyrix等厂家也相继生产出能使用x86指令集的CPU。由于这些CPU能运行所有为IntelCPU所开发的软件，所以微型计算机业内人士就将这些CPU列为IntelCPU的兼
容产品。由于Intel×86系列及其兼容CPU都使用x86指令集，就形成了今天庞大的x86系列及兼容CPU阵容。高

3.2 CPU的主要技术指标

3.2.1 位、字节和字长

CPU可以同时处理的二进制数据的位数是其最重要的一个品质标志。人们通常所说的16位机、32位机就是指其CPU可以同时处理16位、32位的二进制数据。
CPU按照其处理信息的字长可以分为：8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器等。
1、位
在数字电路和微型计算机技术中采用二进制数，代码只有“0”和“1”，其中无论是“0”或是
“1”，在CPU中都是一“位”，可代表信息的最小单位1个比特（bit）。
2、字节和字长
微型计算机技术中对CPU在单位时间内（同一时刻）能一次处理的二进制数的位数叫字长。
能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理，32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。由于常用的英文字符用8位二进制数就可以表示，所以通常将8位称为一个字节。对于不同的CPU，能够处理的字长是不一样的。8位的CPU一次只能处理一个字节，而32位的CPU一次能处理4个字节。同理，字长为64位的CPU一次可以处理8个字节。

3.2.2 时钟频率

在电子技术中，脉冲信号是按一定电压幅度、一定时间间隔连续发出的信号。我们将第一个脉冲和第二个脉冲之间的时间间隔称为周期；将在单位时间（如1s）内所产生的脉冲个数称为频率。频率用于描述周期性事件（如脉冲信号）所发生的频繁程度。频率的标准计量单位是Hz
（赫）。计算机中的系统时钟就是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。频率在数学表达式中用/表示，其相应的单位有；Hz（赫）、kHz（千赫）、MHz（兆赫）、GHz（吉赫）。其换算关系为1GHz=1000MHz，1MHz=1000kHz，1kHz=1000Hz。计算脉冲信号周期的时间单位有：s（秒）、ms（毫秒）、us（微秒）、ns（纳秒），其换算关系为1s=1000ms，1ms=1000us，
1μs=1000ns。
计算机中的时钟和我们日常所用的“时钟”不一样，它没有现在是“几点几分”的指示，而仅仅是一个按特定频率连续发出脉冲的信号发生器，是一个复杂数据处理系统。CPU处理数据是按照一定的指令进行的，每次执行指令时，CPU内部的运算器、寄存器和控制器等都必须相互配合。虽然每次执行的指令长短不一，参与运算的CPU内部单元也不止一个，但由于都能按照统一的时钟脉冲同步地进行工作，所以整个系统才能协调一致地正常运行。

1.主频、外频和倍频系数
主频也叫工作频率，是CPU内核电路的实际运行频率，也是表示CPU工作速度的重要指标。在其他性能指标相同时，CPU的主频越高，CPU的运算速度也就越快。当然，主频仅仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。CPU的运算速度还与CPU流水线的各方面的性能有关。
额外频是主板为CPU提供的基准时钟频率，单位也是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。它是PC系统的基本时钟，PC系统中各分系统中所有不同频率的时钟都与系统时钟相关联。
正常情况下CPU总线频率和内存总线频率相同，所以外频也是CPU与内存以及二级高速缓存之间交换数据的工作时钟。因此，当CPU外频提高后，与内存之间的交换速度也相应得到了提高。数据传输的最大带宽取决于同时传输的数据位宽度和传输频率，即数据带宽=（总线频率×数据位宽度）/8。例如，Intel公司的Pentium Ⅱ350使用100MHz的前端总线，数据总线宽度为64位，所以其数据交换峰值带宽为（100×64）/8MBbs=800MBps。倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下，倍频越高，CPU的频率也越高。
CPU的主频、倍频系数与外频之间有着十分密切的关系：主频=外频×倍频系数。在80486DX2CPU之前，CPU的主频与外频相等。从80486DX2开始，基本上所有的CPU主频都等于“外频乘上倍频系数”了。例如，若某台PC的CPU是PentiumIⅢ500，那么这台PC的系统时钟是100MHz，倍频系数为5，它的主频则是100MHz×5=500MHz。
2.超频运行与外频的选择
超频就是在实际使用中让CPU工作在高于额定的工作频率上。通常所提到的超频就是超主频，即让CPU工作在更高的主频上。一般而言，超频可以从超外频和超倍频两个方面着手，而现在的CPU一般都已经将倍频系数锁定，所以一般都是超外频，这就与主板有关了。超外频可以通过主机板上的DIP开关来调节，也可以通过专门的支持软件来超频。如Celeron300A的300MHz主频就是将66MHz的系统时钟进行4.5倍超频而获取的，如将原66MHz的系统时钟提高到100MHz，然后适当调整CPU的工作电压，这样尽管CPU的倍频系数不变，也能使其运行在100MHz×4.5=450MHz的主频上。

3.2.3 一级和二级高速缓存的容量和速率

高速缓存的大小也是CPU的重要指标之一，而且高速缓存的结构和大小对CPU运算速度的影响非常大。CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运行，工作效率远远高于系统内存。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存中寻找，以此提高系统性能。但是，从CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存一般都很小。

3.2.4 CPU的扩展指令集

CPU依靠指令来处理数据和控制系统。每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路
相配合的指令系统。指令集的强弱也是CPU的重要指标。指令集是提高微处理器效率的最有
效工具之一。从现阶段的主流体系结构来看，指令集可分为复杂指令集和精简指令集。Intel的
MMX（Multi Media Extended）、SSE、SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）、SEE3和AMD的3DNow！等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图像和In-
termet等的处理能力。通常把CPU的扩展指令集称为“CPU的指令集”。SSE3指令集也是目前规模最小的指令集，此前MMX包含有57条指令，SSE包含有50条指令，SSE2包含有144条指令，SSE3包含有13条指令。目前，SSE3也是最先进的指令集，Intel Prescolt处理器已经支持SSE3指令集，AMD会在未来双核心处理器当中加入对SSE3指令集的支持，全美达（Transmeta）的处理器也将支持这一指令集。

3.2.5 工作电压

3.2.6 地址总线与数据总线的宽度

1.地址总线宽度
地址总线宽度决定了CPU可以访问的物理地址空间，简单地说就是CPU到底能够使用多大容量的内存。对于32位地址线的宽度，最多可以直接访问4096MB（4GB）的物理地址空间。
2.数据总线宽度
数据总线负责整个系统的数据传输，而数据总线宽度则决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。。重定需标）。扣）工

3.2.7 制造工艺

线宽是指芯片上的最基本功能单元一—门电路的宽度。实际上，门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密
集，可以降低芯片功耗，系统更稳定；CPU得以运行在更高的频率下，而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆，于是成本降低了。随着线宽的不断降低，以往芯片内部使用的铝连线的导电性能将不敷使用，现在的处理器普遍采用导电特性更好的铜连线。Pentium CPU的制造工艺是0.35wm，PentiumⅡ是0.25um、PentiumⅢ是130mm，Pentium4所采用的制造工艺是90mm，而最新的Pentium4已达到了65mm的制造工艺。不外耐国讯索会部维边

3.3 提高CPU性能的先进技术

3.3.1 流水线与超标量结构

Intel在80486CPU中开始使用流水线技术。在CPU中由5~6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条x86指令分成5-6步，再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期内执行一条指令，因此提高了CPU的运算速度。经典的Pentium处理器的每条整数流水线都分为4级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果。

3.3.2 高速缓存技术

高速缓存的实现原理是基于CPU运行时的两个基本局限性：时间局限性和空间局限性。

3.3.3 NetBurst 架构Pentium4中的高速缓存实现技术

NetBurst架构是Intel推出Pentium4时提出的新的CPU内核结构，其高速缓存设计十分先进，在一定程度上代表了未来的发展趋势。
NetBurst架构Pentium4的一级高速缓存和其他CPU有些不一样。它没有了以前的指令缓存（instruction cache），取而代之的是回溯缓存（trace cache）；并且其容量度量单位也不再是KB，而是u-Ops。

3.3.4 扩展指令集

MMX技术
SSE指令集
3DNow!指令集
SSE2和SSE3指令集

3.3.5 64位技术

AMD的64位技术
Inter的64位技术

3.3.6 超线程技术

对于CPU来说，一个线程就是必须执行的指令集合；

3.3.7 多核心技术

多核心CPU的出现将大幅度提升处理器的运算能力，也是未来CPU发展的趋势。多核心可以赋子轻薄笔记本计算机更强大的处理能力，让笔记本计算机真正可以在体积、重量与性能之间取得平衡。
与单核处理器相比，多核处理器在运算能力和效率方面具有较大的优势，最终必将成为一种广泛普及的计算模式。Intel和AMD都在致力于多核心CPU的研发，在2005年下半年lntel与AMD推出了双核心的处理器。

3.4 CPU的封装与接口类型

3.4.1 CPU的封装

从外表上看，CPU通常是矩形或正方形的块状物，通过密密麻麻的众多管脚与主板相连。这就是CPU的外衣。

3.4.2 CPU的接口

CPU需要通过某个接口与主板连接才能进行工作。经过这么多年的发展，CPU的接口有引脚式、卡式、触点式等。目前，CPU都采用引脚式接口，而主板上有相应类型的插座。CPU接口类型不同，其插孔数、体积、形状都有所不同，所以不能互相接插。
不同接口CPU的引脚数各不相同。CPU接口类型的命名，习惯用引脚数来表示，比如，目前Pentium4系列处理器所采用的Socket478接口，其引脚数就为478；而Athlon XP系列处理器所采用的Socket939接口，其引脚数为939。
理论上，CPU性能的好坏和引脚数的多少是没有关系的，而且CPU上的引脚也并不是每一个都起作用，也就是说CPU上有些引脚其实是没有任何作用的。这是因为CPU厂商在设计CPU时，考虑到今后一段时间内的功能扩展和性能提高，通常会预留一些暂时不起作用的引脚。不过，随着CPU技术的发展，需要越来越多的引脚，以实现更丰富的功能以及更高的性能。例如，集成双通道内存控制器所需要的引脚数量，要比只集成单通道内存控制器所需要的引脚数多得多。因此，总的来说，CPU引脚数有越来越多的趋势，基本上可以认为引脚越多的CPU其架构也越先进。

3.5 CPU的内核

核心又称为内核，是CPU最重要的组成部分。CPU中心那块隆起的芯片就是核心，是用单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU所有的计算、接收/存储命令、处理数据都由核心执行。各种CPU核心都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都有科学的布局。
为了便于设计、生产、销售及管理，CPU制造商通常会对各种CPU核心编制相应的代号，这也就是所谓的CPU核心类型。
不同的CPU（不同系列或同一系列的不同型号）都会有不同的核心类型（例如，Pentium4的Northwood、Willamete以及K6-2的CXT和K6-2+的ST-50等），甚至同一种核心都会有不同的版本（例如，Northwood核心就分为B0和Cl等版本）。核心版本的变更是为了修正上一版本存在的一些缺陷，并提升一定的性能，而这些变化普通消费者是很少去注意的。每一种核心类型都有其相应的制造工艺（例如0.25um、0.18um、0.13um以及0.09um等）、核心面积（这是决定CPU成本的关键因素，成本与核心面积基本上成正比）、核心电压与电流的大小、晶体管数量、各级缓存的大小、主频范围、流水线架构和支持的指令集（这是决定CPU实际性能和工作效率的关键因素）、功耗和发热量的大小、封装方式（例如，S.E.P、PGA、FC-PCGA、FC-PGA2等）、接口类型（例如，Socket 370、Socket A、Socket 478、Socket T、Slof 1、Socket940等）、前端总线频率（FSB）等。因此，核心类型在某种程度上决定了CPU的性能。
一般说来，新的核心类型往往比老的核心类型具有更好的性能，例如，Nortlhwood核心的Pentium 41.8GHz的性能就要好于Wilamete核心的Pentium 41.8GHz。但这也不是绝对的，这种情况一般发生在新核心类型刚推出时，由于技术不完善或新的架构和制造工艺不成熟等原因，可能会导致新的核心类型的性能反而不如老的核心类型的性能。例如，早期Wilamete核心、Socket 423接口的Pentium4的实际性能，就不如Tualatin核心、Socket 370接口的Pentium Ⅲ
和Celeron，现在的低频Prescott 核心的Pentium 4的实际性能不如同频的Northwood 核心的Penti-
um4等。但随着技术的进步以及CPU制造商对新核心的不断改进和完善，新核心的中后期产品的性能必然会超越老核心的产品。
CPU核心的发展方向是更低的电压、更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的品体管、更小的核心面积（这会降低CPU的生产成本从而最终会降低CPU的销售价格）、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能（例如集成内存控制器等）以及双核心和多核心（也就是1个CPU内部有两个或更多个核心）等。CPU核心的进步对普通消费者而言，最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的CPU。

3.6 典型的CPU

3.6.1 Inter的CPU

3.6.2 AMD的CPU

四、内部存储器

4.1 内部存储器概述

存储系统是计算机的重要组成部分，计算机中的各种信息都存放在存储器中，存储器是根据容量大小、存取速度快慢、成本价格高低等因素按照一定的体系结构组织起来的。根据存储器在计算机中处于不同的位置，可分为主存储器和辅助存储器。在主机内部，直接与CPU交换信息的存储器称内存储器或主存储器。在执行期间，程序的数据放在内存储器内。各个存储单元的内容可通过指令随机读/写访问的存储器称为随机存取存储器（RAM）。另一种存储器叫只读存储器（ROM），里面存放一次性写人的程序或数据，仅能随机读出。RAM和ROM共同分享主存储器的地址空间。RAM中存取的数据掉电后就会丢失，而掉电后ROM中的数据可保持不变。因为结构、价格等原因，主存储器的容量受到限制。为满足计算的需要而采用了大容量的辅助存储器或称外存储器，如磁盘、光盘和磁带等。外存通常是磁性介质或光盘，能长期保存信息，并且不依赖于电源状态。

图显示了微型计算机系统中的存储器组织：它呈金字塔结构，越往上，存储器件的速度越快，CPU的访问频度越高；同时，每位存储容量的价格也越高，系统的拥有量越小。从图中可以看到，CPU中的寄存器位于该塔的顶端，它有最快的存取速度，但容量极为有限；向下依次是CPU内的高速缓存、主板上的高速缓存（由高速SRAM组成）、主存储器（由DRAM组成）、外部存储器（半导体盘、磁盘）和大容量外部存储器（光盘、磁带）；位于塔底的存储设备，其容量最大、每位存储容量的价格最低，但速度可要能也是较慢或最慢的。

4.2 内存的作用及其分类

4.2.1 内存的作用

当计算机启动后，必须执行由一连串由指令组成的程序，才能完成指定的功能。如果这些程序放在磁盘等速度缓慢的数据存储装置上，那么处理器执行程序的速度就会很慢。这就需要一个更快的数据存储区域，先把计算机要执行的程序放在这个区域，处理器直接从这个区域读取指令和数据。内存的功能就是提供这个快速数据存放区域。其作用是在慢速的外部存储设备和高速的处理器之间承担中间角色。

在微型计算机中，通常所说的内存主要指的是动态随机存储器（DRAM），即内存条，其主要作用如下：

暂时存放正在执行的程序、原始数据、中间结果和运算结果。
作为CPU运行程序的区域。
配合CPU与外设打交道。

4.2.2 内存的分类

内存实质是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路。内存分为随机存储器和只读存储器两大类。随机存储器（RAM）中的内容可通过指令随机访问。只读存储器（RONM）中存放一次性写人的程序或数据，仅能读取这些程序或数据，不能进行修改。RAM和RONM共同分享主存储器的地址空间。RAM中存放的数据掉电后就会丢失，而掉电后ROM中的数据可保持不变。
现在的RAM多为MOS型半导体电路，它分为静态和动态两种。静态RAM是靠双稳态触发器来记忆信息的；动态RAM是靠MOS电路中的栅极电容来记忆信息的。由于电容上的电荷会泄漏，需要定时给予补充，所以动态RAM需要设置刷新电路。但动态RAM比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于做大容量存储器。所以主内存通常采用动态RAM，而高速缓冲存储器（Cache）则使用静态RAM。只读存储器又可分为不可改写只读存储器、可改写的只读存储器。不可改写只读存储器中的信息只能被读出，不能被操作者修改或删除（如掩膜 ROM、PROM）。可改写的只读存储器和一般的只读存储器不同点在于其内容可以擦除并重写（如EPROM、EEPROM）。图是内存的分类。

4.2.3 内存的主要技术指标

存储容量
存取周期
错误校验

4.3 半导体存储器的组成及工作原理

4.3.1 随机存储器

静态RAM
动态RAM

4.3.2 只读存储器

只读存储器（ROM）通常有掩模ROM、一次可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪存储器（Flash Memory）等几种类型。只读存储器的存储单元可以由二极管、晶体管或场效应晶体管构成。

掩模ROM
一次可编程只读存储器（PROM）
可擦除可编程只读存储器（EPROM）
电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）
快闪存储器（Flash Memory）

4.3.3 内存的组成

内部存储器一般由地址译码器、存储体、控制逻辑组成；

存储体
地址译码电路
读写控制逻辑

4.4 RAM的基本工作方式

RAM（主要指动态RAM）芯片设计得像一个二进制位的矩阵，每一个存储单元位于行与列的交叉点，并且具有一个行地址和一个列地址。芯片被读写前，主板上芯片组中的内存控制器要给出被读写的存储单元的地址。内存芯片内部的逻辑电路将地址转换成该单元的行、列值后，CPU才能读写指定单元的数据。

4.5 内存模组与基本结构

4.5.1 物理存储体

传统内存系统为了保证CPU的正常工作，必须一次传输完CPU在一个传输周期内所需要的数据。而CPU在一个传输周期能接收的数据容量就是CPU数据总线的位宽，单位是“位”。内存与CPU之间的数据交换通过主板上的北桥芯片进行，内存总线的数据位宽等同于CPU数据总线的位宽，这个位宽称为物理存储体（Physical Bank，P-Bank）的位宽。以目前主流的DDR系统为例，CPU与内存之间的接口位宽是64位，也就意味着CPU在一个周期内会向内存发送或从内存读取64位的数据，这64位的数据集合就是一个内存条存储体。

4.5.2 逻辑存储体

逻辑存储体的英文全称为Logical Bank，简称L-Bank。如果将物理存储体说成是内存芯片阵列的话，那么逻辑存储体可以看做是数据存储阵列。

4.5.3 内存条（模组）的结构及工作原理

4.6 主流内存条

五、总线与芯片组

5.1 总线

总线是各种信号线的集合，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。总线往往满足以下3个特性：高速性、公用性和标准性。当渠诚，口好别更3日0多个部件之间的信号传输都是通过一个总线通道进行的，而总线在某一个时刻，只能有一个点对点传输，在不同的时间段完成不同的部件之间的信号传输。

5.1.1 总线的概念

由于在总线上传输的信息可以分为3类，即数据信息、地址信息和控制信息，而且这3类信息在总线上有独立的传输通道，所以一般的传统总线都由3部分信号线组成，即数据总线、地址总线和控制总线。

数据信号：是信息本身。
地址信号：说明信息的存储位置，无论是存储器，还是端口的寄存器，信息的存放都是有地址的。
控制信号：说明当前的总线状态，控制信号主要包括存储器读/写控制、端口读/写控制、中断申请/应答信号、DMA控制信号等。

5.1.2 总线的类型和性能

片内总线
处理器总线
I/O总线
外部总线
片间总线

5.2 芯片组

5.2.1 芯片组的概念

芯片组包括处理器接口、存储器控制器、总线控制器、l/O控制器等。目前，芯片组包含了除CPU和存储器之外的构成微型计算机的几乎所有集成电路。在PC机中，芯片组用来实现处理器与其他部件的联络。不经过芯片组，处理器无法与存储器、适配器、外围设备等进行连接。芯片组是PC机的通信中心。当决定一个系统时，应该首先选择的是芯片组，之后才会决定处理器、存储器、VO及扩展功能。

计算机采用芯片组的主要原因如下：

计算机电路非常复杂，必须使用集成度更高的半导体器件。
可以大大缩短从推出新的CPU到开发出采用新CPU的计算机的时间。
提高计算机的可靠性，降低成本。
是计算机产业细分的结果。

5.2.2 Inter公司早期的芯片组

南北桥结构
Hub结构

两种结构的主要区别是连接南桥芯片和北桥芯片之间的通道不同。在南北桥结构中，南北桥之间通过PCl总线进行通信，PCI总线由北桥控制，而南桥控制的所有设备，必须和整个PCI总线共享总线带宽。当时PCI总线的数据线宽度为32位，工作频率为33MHz，所以总带宽为133MB/s。这样PCI总线就容易成为数据传输的瓶颈。典型的Intel440系列芯片组采用的是南北桥结构

为了让主机板芯片的架构更加明确，Intel在开发8xx芯片组的时候，提出比较正式的主机板芯片组的结构—IHA（Intel Hub Arehitectiure），简称Hub结构

5.3 主机板

5.3.1 主机板的构成

总线扩展槽
AGP显卡插座
USB接口
ATA接口
SATA接口
电源接口
CPU 电源接口
软驱接口
串行接口
网络接口
显示器接口
音频插孔
键盘接口
MID/游戏杆插座等。

5.3.2 主机板标准

1.印刷电路板
主机板所用的印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）是由几层树脂材料黏合在一起的，内部采用铜箱走线。一般的主机板印刷电路板分为4层，最上和最下的两层是信号层，中间两层是接地层和电源层，如图5-16（a）所示。将接地层和电源层放在中间是为了便于对信号线进行修正。好的主机板的印刷电路板可达到6层，这是由于信号线必须相隔足够远的距离，以减小电磁干扰。6层的印刷电路板可能有3个或4个信号层、一个接地层以及一个或两个电源层，如图5-16（b）所示，以提供足够的电力供应。为使系统正常工作，信号迹线的布局与长度是至关重要的因素，它的设计宗旨是尽量避免由于信号线之间的干扰，造成信号失真，要求在相邻的两条迹线之间，留出足够大的间距。必须限制有些迹线的最大长度，以确保信号的最小衰减等。

六、接口

6.1 接口的基本知识

6.1.1 接口的构成

地址译码单元
数据、控制和状态信息寄存器
缓冲、暂存机制
数据转换
信号转换驱动电路

6.1.2 接口信号

单极性与双极性信号
归零与不归零信号
平衡与非平衡信号

6.1.3 接口的分类

传输距离
信息位传输方式
定时方式
传输媒介
传输方式
物理连接
标准

6.1.4 接口的操作方式

查询控制方式
中断控制方式
DMA方式

6.2 RS-232C

串行接口的特点是数据信息以串行方式逐位传送。在计算机中有很多接口都是串行方式的，如USB接口、SATA接口、键盘接口和鼠标接口等。串行接口又可分为同步串行和异步串行两类。同步串行接口在连接线中有时钟信号线，而异步串行接口没有时钟信号线。

6.2.1 RS-232C串行接口标准

RS-232C标准是美国电子工业协会（Electronic Industries Asociation，ElA）与贝尔等公司一起开发并于1969年公布的通信协议。字母RS表示Recommended Standard（推荐标准），232是识别代号，C是标准的版本号。
RS-232C标准最初是为远程通信连接数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）与数据通信设备（Data Communication Equipment，DCE）而制定的，但目前更广泛地应用于计算机与终端或外部设备之间的近距离连接。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号功能、电气特性和机械特性都做了比较明确的规定。由于通信接口与设备制造厂商都生产与RS-232C兼容的通信设备，因此它已成为微型计算机串行通信接口中广泛采用的标准接口。

1、连接器
2、电缆长度
3、RS-232C信号电平
4、接口信号参数

6.2.2 RS-232C接口信号

1、地线
2、接收、发送数据线
3、常用控制信号
4、与调制解调器有关的信号

6.2.3 RS-232C接口的实现

6.3 并行接口

并行接口一般用于连接打印机。这是并行接口最初唯一的用途，但是随着PC的发展，并行接口也逐步发展为多用途的、相对高速的设备间接口。目前，并行接口的传输速率与USB1.1接口相当。IEEE1284标准的最终版本于1994年3月被批准。该标准定义了并行接口的物理特性，包括数据传输模式和物理及电气规范。

6.3.1 并行接口简介

目前，在PC机上的并行接口是以Centronics 接口为基础发展起来的。Centronics接口是一种用三线信号交互的8位并行接口，这种接口不支持外部设备选址，因此在输出端只能接一个设备。由于并行接口主要用来连接打印机，所以并行接口的信号线定义都是为了连接打印机的方便

6.4 USB接口

通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口是一种全新的外部设备接口。从1998年开始，PC机主板开始支持USB接口。近几年，随着越来越多的USB接口外部设备的出现，USB接口已成为PC机主板的标准配置。从发展趋势上看，USB将取代PC机的大部分标准和非标准接口。
USB是外设总线标准，是由在PC和电信产业中的大型公司，包括Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Northern Telecom共同开发的。

6.4.1 新型串行传输技术

6.4.2 USB简介

七、外部存储器

八、常用的外部设备

九、多媒体设备

十、计算机通信和通信设备

10.1 计算机通信

计算机通信是计算机技术和通信技术相互融合的产物。计算机与通信的相互融合主要体现在以下两个方面：一方面，通信网络为计算机之间的数据传输和交换提供了必要的手段；另一方面，数字计算技术的发展渗透到通信技术中，又提高了通信网络的各种性能。现代术语“Telecommunication”（电信）一词可以说体现了这两方面的技术，计算机通信也从属于电信的范畴。
计算机通信是为了达到协同工作的目的，即在两台或多台计算机之间经由数据通路（包括通信网络）进行的信息交换。上述计算机必须是“自治的”，也可理解为任何一台计算机都是独立运行的，不受其他计算机的控制。

10.1.1 计算机技术与通信技术的融合

在通信设备不断使用计算机技术的同时，计算机也在越来越多地使用通信技术。许多数据处理的事务通常需要一组协同工作的计算机来实现，这称为分布式处理。分布式处理不仅要依靠通信设备将系统中的终端和计算机互连起来，而且要求计算机本身也必须具备通信的能力，并能实现高速及可靠的信息传输和交换。

10.1.2 通信系统的组成

1、信源
2、变换器
3、信道
4、反变换器
5、信宿
6、噪声源

10.2 数字通信的基本概念

根据所采用的信道，通信可分为模拟通信和数字通信。与模拟通信相比，数字通信具有如下的优点：

抗噪声（干扰）能力强。
可以控制差错，提高传输质量。
便于用计算机进行处理。
易于加密，保密性强。
可以传输语音、数据、影像，通用而灵活。

10.2.1 数字通信的分类

数据通信的分类可以有许多方式，下面是最常用的两种分类方式。
①根据数据传输是多位还是一位，数字通信可以分为并行通信和串行通信两种方式，而串行通信又可分为同步通信和异步通信。随着通信技术的发展，目前，有用串行通信取代并行通信的趋势。
②根据传输模式（通信方式，数据流动的方向）数字通信可以分为：单工（数据只能单向传输）、半双工（数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输）和全双工（数据可同时双向传输）。
数字通信两个方向的信号的传输可以具有两条物理上独立的传输线路，也可将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输。

总结

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人的一生就是一个储蓄的过程，在奋斗的时候储存了希望；在耕耘的时候储存了一粒种子；在旅行的时候储存了风景；在微笑的时候储存了快乐。聪明的人善于储蓄，在漫长而短暂的人生旅途中，学会储蓄每一个闪光的瞬间，然后用它们酿成一杯美好的回忆，在四季的变幻与交替之间，散发浓香，珍藏一生！

【计算机硬件基础】–学习笔记