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2006 模块3计算机硬件 2 1 冯 诺依曼模型2 计算机系统组成3 硬件系统组成4 多媒体信息处理 多媒体计算机 主要内容 3 3 1冯 诺依曼模型 我们可以认为计算机是一个接受输入数据 处理数据 产生输出数据的黑盒子 冯 诺依曼 美籍匈牙利数学家科学家 计算机之父 提出的冯 诺依曼模型着眼于计算机的内部结构 4 冯 诺依曼模型 5 冯 诺依曼模型 6 计算机的硬件组成包括 存储器 算术逻辑单元 ALU 控制单元和输入 输出设备 又称为五大基本部件 存储器 存储数据和程序 算术逻辑单元 ALU 进行算术逻辑运算 控制单元 控制程序的执行 输入 输出设备 接收来自外界数据 向外界发送数据 7 1945年6月冯 诺依曼在一篇论文中第一次提出了计算机三个主要思想 计算机由前述四个部分 五大基本部件组成 采用二进制来表示程序和数据程序和数据都必须存储在存储器中目前绝大多数计算机仍建立在这个思想的基础上 称之冯 诺依曼型计算机 8 硬件系统 设备软件系统 程序 文档 硬件通常是指一切看得见 摸得到的设备实体 软件通常是泛指各类程序和文件 它们实际上是由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的 计算机系统 3 2计算机系统组成 9 以CPU为核心 配以存储器 输入输出设备及其它辅助电路 组成计算机的硬件系统 以操作系统为核心的系统软件以及其它应用软件组成计算机的软件系统 10 1中央处理单元2主存储器3输入 输出4子系统间的连接5微型计算机的硬件组成6程序执行 3 3计算机硬件组成 11 通常可以把计算机硬件的五大基本部件可以分成三大类 CPU 存储器和输入 输出子系统 12 中央处理单元 CPU CPU 运算器 控制器主机主机 CPU 主存储器外部设备 广义的输入 输出设备 除去主机以外的硬件装置 如输入设备 输出设备 辅助存储器等 13 外 存储器 内 存储器 中央处理器 CPU 输入设备 输出设备 数据流地址控制流 运算器 控制器 14 CPU包括三部分 算术逻辑单元 ALU 控制单元和寄存器 3 3 1 中央处理单元 CPU 15 中央处理器 CPU 是计算机中的核心部件 决定了整个计算机的功能和性能指标 控制器 取指令 分析指令 执行指令运算器 执行算术运算和逻辑运算工作原理 把处理问题的程序和所需的数据均以二进制编码形式表示 并且预先按一定顺序存放到计算机的存储器里 计算机工作时自动执行程序 从而实现自动控制 16 计算机处理数据形成信息的加工部件 完成算术运算和逻辑运算 算术运算 包括加1 1 减1 1 加法 减法 乘法和除法等 逻辑运算 包括 非 与 或 和 异或 由控制器选择上述运算中的一种 算术逻辑单元 ALU 17 寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元 CPU的运算需要多个寄存器 常见的寄存器有 寄存器 寄存器 数据寄存器 指令寄存器 程序计数器 18 数据寄存器 用来存放输入数据 运算中间结果和最终结果 指令寄存器 存放从内存中取出的指令 以便于稍后解释和执行它们 程序寄存器 存放当前指令的地址 当前指令执行完后 程序计数器自动加1 指向下一条指令的地址 19 分析指令 执行指令 取指令 循环执行指令 一条指令的执行过程 控制器是计算机的指挥中心控制器根据指令指挥全机协调工作 指令是计算机进行操作的命令 将控制计算机完成规定动作的命令称为指令 有序指令的集合称为程序 计算机解决问题的过程是 控制单元 20 控制通过线路的开 高电平 或关 低电平 实现 控制单元的基本功能 从主存中取出指令 对指令译码 产生相应的操作控制信号 指挥并控制CPU 主存和输入 输出设备之间的数据流动 控制单元 21 地址码 译码器 指令计数器 节拍发生器 操作控制部件 输入设备 输出设备 运算器 存储器 自动加 1 控制单元的基本结构 操作码 22 1存储器用来储存程序和数据 2存储器分为两大类 3 3 2 主存储器 23 内存储器由超大规模集成电路做成 内存储器按字节进行编址 每一个存储单元都有惟一的标识符 地址 数据以字 或字节 的形式在存储器中传入或传出 内存储器的容量和存取速度是主要的指标 3 3 2 主存储器 24 25 每个存储单元存放一个字 或字节 所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称为地址空间 存储地址用无符号二进制数表示 地址本身采用位模式 如果计算机有N个字的存储空间 则存储地址应当有log2N位 1 地址空间 26 主存储器分为三种类型 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 互补金属氧化物存储器 CMOS 主存储器 RAM ROM CMOS 2 主存储器的种类 27 RAM的特点 计算机中主存的主要组成部分 用户既可以读 又可以写 对所有存储单元的读写时间均相同 具有易失性 若断电或关掉计算机 全部存储的信息将会丢失 随机存取存储器 RAM 28 随机存储器 RAM 又分为两大类 静态RAM SRAM 利用触发器来存储信息 当通电的时候信息始终存在 不需要刷新 存取速度快 但容量较小 价格较高 动态RAM DRAM 利用电容上的电荷存储信息 电容上的电荷会泄漏 需要周期性的刷新 存取速度慢 但容量较大 价格较低 29 RAM的容量 速度 衡量RAM容量的单位通常用字节数表示 RAM的速度是重要的指标 如果RAM的速度低于CPU的速度 则CPU访存时需要等待 RAM的存取时间 存取时间指处理器从内存存取数据所需的时间 以纳秒表示 1ns 10 9s DRAM 50 70nsSRAM 7 20ns 30 ROM中的内容是预先写进去的 用户只能读 不能写 ROM具有非易失性 断电或关掉计算机 存储在ROM的信息不会丢失 通常用来存储那些关机后不能丢失的程序和数据 例如开机时运行的引导程序 只读存储器 ROM 31 ROM又可以细分为四种类型 掩模式ROM MROM 内容由芯片制造商写入 写入后任何人无法改变 一次可编程 PROM 用户可以借助专业设备一次写入自己的程序 一旦写入后将无法改变 可擦除可编程ROM EPROM 用户可编程 但需要用紫外线灯擦除 电可擦除可编程ROM EEPROM 用户可编程 用电子脉冲擦除 只读存储器 ROM 32 ROM常用来存放固定不变重复使用的程序 数据或信息 如存放汉字库 各种专用设备的控制程序等 最典型的是ROMBIOS 基本输入输出系统 其中部分内容是用于启动计算机的指令 内容固定但每次开机时都要执行 只读存储器 ROM 33 CMOS芯片一般用来存储计算机系统每次开机时所需的重要信息 例如计算机贮存容量 键盘类型 鼠标 监视器以及磁盘驱动器的有关信息 CMOS与RAM的区别在于 CMOS芯片通过锂电池提供电源 即关机后其存储的信息不会丢失 CMOS与ROM的区别在于 其内容随着计算机系统配置的改变或用户的设置而发生变化 CMOS 互补金属氧化物半导体 34 小 大 3 存储器的层次结构 不同的存储器具有不同的存储容量 不同存取速度 35 高速缓冲存储器的存取速度比主存快 但比CPU内部的寄存器慢 高速缓冲存储器容量较小 常置于CPU和主存之间 主存 4 高速缓冲存储器 Cache 36 通常有两种类型的cache 内部cache与CPU制作在同一个芯片内 内部cache容量很小 可以以CPU的核心速度运行 外部cache位于CPU和RAM之间 有可能封装在CPU盒中 也有可能在CPU盒外 外部cache容量较大 一般运行速度比CPU核心速度稍低 4 高速缓冲存储器 Cache 37 cache用来存放主存中一部分内容的副本 拷贝 即当前正在执行的程序中的活跃部分 CPU可以直接访问cache 以便快速地向CPU提供指令和数据 当CPU需要程序和数据时 首先检索内部cache 然后检索外部cache 再往后是RAM 只有前者中找不到所需内容时才继续检索后者 4 高速缓冲存储器 Cache 38 输入 输出子系统中的设备可以分为两大类 非存储设备和存储设备 3 3 3输入 输出 39 非存储设备 40 一 键盘 键盘是组装在一起的一组按键阵列 通常包括字母 标点 功能键 专用控制键和数字键等 共101个或107个键 并分别放置在一定的区内 每一个键都把一个符号与指定的二进制代码联系起来 当按下一键时就产生相应的二进制代码 并通过接口送入计算机 就等于把该键代表的字符或控制信息输入到计算机中 输入设备 41 键盘打字区 指针移动键 数字键 功能键 42 二 指点输入设备 定位设备 计算机运行时会把计算结果和主要操作过程显示在屏幕上 并用光标表示下一个操作发生的位置 定位设备是一种可以方便地控制光标在屏幕上移动的输入设备 常见的定位设备有鼠标 轨迹球 触摸板 游戏杆 触摸杆 触摸屏和光笔等 43 指点输入设备 触摸板 轨迹球 鼠标 游戏杆 44 鼠标 鼠标从原理上可以分为两类 机械式鼠标光电式鼠标鼠标的基本操作 可以通过移动鼠标把光标移动到屏幕上的指定目标 并按按钮以执行相应的操作 这些目标可以是菜单 图标 按钮 连接等 基本操作包括单击 双击 拖动等 45 触模屏 46 扫描仪 光敏输入设备 通过扫描阅读打印文本或图形 将这些文档转换成可供计算机使用的形式 条型码 用宽窄不同的竖线和间隔组成的标识码 条形码阅读器是一种能识别条形码的扫描输入设备 三 扫描设备 扫描设备可以无需键盘输入 而直接将纸张上的原始数据转换成电子形式送入计算机 47 扫描设备 条码阅读器 传真机 48 扫描仪 49 语言输入设备 50 视频和图像输入设备 51 数码相机 数码相机与传统相机不同 它不用胶卷 而是用CCD感光 CCD由许多小的光电二极管构成 这些光电二极管可以寄存模拟电荷量 而该值正比于其感应到的光强度 经CCD输出的模拟电信号再经过A D模数转换器转换成数字信号 然后经压缩后保存在存储器内形成数码影像文件 52 数码相机 53 输出是指数据经过处理所形成的有用信息 它可以作为中间结果继续为计算机使用 或作为最终结果为人们所用 输出可以理解为一种操作的执行过程 执行的结果是将信息传送到中央处理机之外的介质上 硬拷贝 可以携带的 如打印纸软拷贝 是临时的 随时间的推移而消失 如显示器和音箱 输出设备 54 能够完成输出过程的计算机设备叫做输出设备 输出设备可以将输出信息传递给用户 55 显示器 显示器也叫监视器 是最常用的一种软拷贝输出设备 它可以将文字 图像和视频信息呈现在屏幕上 一 显示器 CRT显示器 阴极射线管显示器 CRT显示器的大小用屏幕对角线长度表示 56 2 平板显示器 液晶显示器 LCD 含有叫做液晶的特殊分子 它们沉积在两种材料之间 加电时液晶分子变形 能够阻止某些光波通过而允许另一些光波通过 从而在屏幕上形成需要的图像 气体等离子显示器 将LCD中的液晶代之以一层气体 加电时气体受控发光形成需要的图像 57 液晶显示器 58 二 打印机 打印机是最常用的一种输出设备 可以在打印纸或透明胶片等上面打印文本 图像信息 依据印字过程所采用的方式可以将打印机分为 打击式打印机 通过机械动作撞击位于打印纸上面的色带形成字符或图形 非打击式打印机 没有打击动作 采用喷射方式 加热和加压方式形成图像 如喷墨打印机 激光打印机和热敏打印机 59 针式打印机 打印机 60 激光打印机 61 绘图仪 62 专用打印机 63 其他输出设备 音箱 64 投影仪 65 存储设备又称为辅助存储器 用来存放暂时不参与运行的程序和数据 CPU不能直接访问辅助存储器 需要时将信息先传送到主存 外存可以永久地保存信息 容量相当大 而且断电后仍能保存数据 外存实际上由存储介质和驱动器组成 存储介质存放数据 驱动器向存储介质上写数据和从存储介质上读数据 存储设备 66 存储设备 67 硬盘是由一张一张的盘片叠加而成的 硬盘实际上是磁盘组 表面结构 每个盘面都被划分成磁道 每个磁道又被分成为若干扇区 数据存取 属于随机存取设备 最小存储区域只能是一个扇区 硬盘的容量大于内存和软盘 硬盘的存储速度低于内存 但高于软盘 磁介质存储器 1 硬磁盘 68 硬盘驱动器 69 磁道 磁化区上闭合的圆环 扇区 一段磁道 簇 若干个扇区 70 圆柱面 在一个盘组中 各记录面上相同编号 位置 的诸磁道的总称 71 硬盘的主要技术指标有 容量 磁盘存储的信息总量 转速 磁盘的旋转速度 平均寻道时间 磁头移动到指定位置的时间 平均等待时间 等待被访问的记录区旋转到磁头下方所等待的时间 1 硬磁盘 72 传送时间 数据从磁盘移到CPU 主存所需的时间 或反之所需的时间 数据传输率 接口的传输速度 接口标准 硬盘的接口可分为IDE和SCSI两种 传统微机和便携机采用标准的IDE接口 而工作站和服务器则多采用SCSI接口 两种接口在物理上不兼容 1 硬磁盘 73 2 软磁盘 软盘是一种轻便 移动的存储媒体软盘片是聚酯薄膜塑料圆片 封装在护套内 74 软盘驱动器的内部结构 75 软盘的写保护 只读 读写 2 软磁盘 76 磁带宽度不一 磁带用两个卷轴承接起来 当磁带运动时 可以通过读 写磁头来读写磁带上的数据 磁带是顺序访问的 用户要找一个文件 必须从磁带头开始 3 磁带 77 磁带 78 3 磁带 磁带的特点 表面结构 分成9个磁道 磁道上的每个点存储1位信息 垂直的9个点可以存储8位 一个字节 信息 还有1位用作错误检测 79 3 磁带 数据存取 磁带是顺序存取设备 尽管磁带表面上分成若干块 但没有寻址机构来读取每个块 性能 虽然速度较慢但价格便宜 通常使用来备份存储大量的数据 80 利用激光技术来存储和读取数据 光存储设备有只读光盘 CD ROM 可刻录光盘 CD R 可重写光盘 CD RW 数字多功能光盘 DVD 光存储设备 81 光盘是利用表面有无凹痕来记录数据的 光盘上的数据记录在一条轨道上 轨从光盘中心呈螺旋状不断展开直至光盘边沿 这条轨又被分为多个段 数据就记录在这些段上 早期的光驱的速度为150KB s 将其规定为单速 之后的光驱都以单速的倍数表示光驱的速度 并表示为多少X的形式 82 CD ROM的内容是由制造商写入的 用户不能删除 也不能写入 CD ROM盘所需的费用是可调节的 尤其是大批量地生产 每个盘片的费用会很便宜的 CD ROM驱动器被使用来读CD ROM盘 CD ROM驱动器有不同的速度 如单倍速 多倍速等 1 只读光盘 CD ROM 83 CD ROM的制造需要先使用高能红外激光来制作主盘 激光在主盘上形成一系列的坑和纹间表面 然后依照主盘 作成相应的模盘 最后将溶解的聚碳酸酯树脂注入模盘中制成光盘 1 只读光盘 CD ROM 84 CD R制造时不需要主盘和模盘 CD R盘上的坑和纹间表面是模拟出来的 CD R是让用户自己制作的光盘 用户只需要一次写入信息 就可以多次读出信息 2 可刻录光盘 CD R 3 可重写光盘 CD RW CD RW技术又称之为可擦写光盘技术 CD RW光盘可以写入 擦除 重写 85 DVD采用与CD类似的技术 两种盘尺寸相同 DVD盘的存储量远大于CD ROM盘 如单层DVD盘的容量为4 700MB 而CD ROM盘的容量仅为650MB DVD盘更适用于多媒体对存储大容量数据的需要 DVD光盘需要DVD驱动器 CD ROM CD R CD RW驱动器不能读DVD光盘 而DVD驱动器可以读CD ROM CD R CD RW光盘 注意 4 数字多功能光盘 DVD 86 1 CPU与主存之间的连接 3 3 4 子系统间的连接 CPU和主存之间通常通过系统总线连接 系统总线包括三组线路 数据总线 地址总线和控制总线 87 系统总线 数据总线 由双方向的多根信号线组成 CPU可以沿这些线从主存或外设读入数据 也可以沿这些线向主存或外设送出数据 地址总线 由单方向的多根信号线组成 用于CPU向主存 外设传输地址信息 控制总线 传输的是控制信息 包括CPU送出的控制命令和主存 外设反馈给CPU的状态信号 88 系统总线 数据总线 通常数据总线的位数取决于字的宽度 如果计算机的字长是32位 就需要32位宽度的数据总线 以便同一时刻能够同时传送32位的数据 地址总线 地址总线的位数取决于存储空间的大小 如果存储容量为2n个字 那么地址总线需要n位 控制总线 控制总线的位数取决于计算机所需要的控制命令的总数 如果计算机有2m条控制命令 那么控制总线需要m位 89 输入输出设备不能直接与CPU和内存的总线相连 因为输入输出设备往往都是机电 磁性或光学设备 比CPU和主存的速度慢得多 必须要有 中介 来处理速度上的差异 这个中介被称为设备控制器或接口 2 I O设备的连接 90 设备控制器有两种 串行控制器 只有一根数据线连接到设备上 并行控制器 数根数据线连接到设备上 2 I O设备的连接 91 串行接口 并行接口 92 微机的硬件 微处理器主板 扩展槽 适配器 接口 总线 一组内存辅助存储器输入输出设备电源机箱 3 3 5 微型计算机的硬件组成 93 微处理器是微型计算机的核心 它完成计算机所有的运算和控制工作 微处理器的性能指标决定了微型计算机的性能指标 微处理器 94 微处理器 微型计算机 微处理器不是微型计算机 因为它不能独立操作 必须与其它装置构成完整系统 95 微处理器的主要技术指标 字长 字长决定了微处理器在每个时钟周期内处理数据的能力 字长由微处理器的型号来区分 主频 主频就是微处理器的时钟频率 主频越高 微处理器的速度就越快 时钟频率以MHz或GHz为单位表示 96 主板 主板是一块印刷电路板 集中放置了微型机的主要部件 一些常用的接口电路也放在主板上 主板的主要部件包括 微处理器芯片芯片组一组高速内存储器基本输入输出接口总线及总线接口扩展槽其它一些支持电路 97 硬盘接口 总线扩展槽 CPU插座 输入输出设备接口 电源插口 只读存储器电源 主板 前面板接口 98 基本输入输出接口 例如 键盘 打印机接口等 扩展槽是适配器于微机总线之间的物理连接装置 其中可插入各类适配器 其它配套的支持电路 扩展槽 配套电路 键盘端口 总线及总线接口 CPU 内存条 配套芯片 主板 99 1 芯片组 主板性能好坏对总体指标产生举足轻重的影响 关键在于芯片组的选用 决定主板本身性能和整个计算机系统的级别 影响到支持什么性能的CPU 硬盘图形加速卡等 芯片组是指主板上各种设备间的接口电路 主要有内存控制器 硬盘控制器 CACHE控制器 总线控制器等 100 2 总线及扩展插槽 101 早期产品只有一种ISA总线 即 IndustryStandardArchitecture 工业标准体系结构 IBM制定的总线标准 只有16位 传输速率低 现在只有部分内置的调制解调器 10M网卡等还使用 102 PCI PeripheralComponentInterconnect 外部设备互连 总线 具有132MB S的数据传输能力和很强的带负载能力 被世界上大多数厂商采用 103 EIDE EnhancedIntegratesDriveElectronics 集成驱动器电子部件 是硬盘接口标准 AGP AcceleratedGraphicsPort 插槽 安装加速图形卡 有专用总线和内存连接 速度达到553MB S USB UniversalSerialBus 通用串行总线 用于连接摄象头 数码相机 打印机等 USB支持热插拔 安装较简单 PS 2鼠标 键盘插口 104 串行端口并行端口 USB口 鼠标键盘端口 3 输入输出设备端口 105 I O接口电路 微处理器 外部设备 内部总线 外部数据线 接口板 插在主板上与总线相连 外部端口与外设相连 4 适配器 106 适配器 适配卡 是微机系统中驱动某一个外部设备的功能模块电路的统称 该模块电路必须包含两个接口 一个是与主机连接的总线接口 一个是与外部设备连接的外设接口 显示卡 总线接口 外设接口 主机总线 外设端口 适配器具有独立的系统功能 可与系统并行工作 与主机板相连 与外设相连 适配器 107 微机计算机基本配置 键盘 显示器 鼠标 打印机 显示卡 并行接口卡 串行接口卡 主机板 软硬盘适配器 软盘驱动器 硬盘驱动器 电源 总线 机箱 108 RAM存储芯片和内存条过去 一般存储芯片都是双列直插封装的 简称DIP 目前 在微机上 越来越多地使用单列直插存储模块SIMM和双列直插存储模块DIMM 也就是通常所说的内存条 主存 109 SDRAM和DDRSDRAMSDRAM在同步脉冲的控制下工作 取消了内存等待时间 减少了数据传送的延迟时间 因而加快了系统速度 DDRSDRAM不仅能在时钟脉冲的上升沿读出数据而且还能在下降沿读出数据 不需要提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的速度 主存 110 标准的SDRAM有168线 2个小缺口 而DDRSDRAM有184线 多出的16个线占用了空间 故只有1个小缺口 DDRSDRAM目前的标准为PC 266 可以工作在2 5V的低电压环境下 主存 111 112 113 电源 硬盘 机箱 114 一般微机通常使用 5V或 12V直流电 其耗电功率为300瓦 微机的电源系统用于将220V的交流电转换成系统所需的直流电 电源 115 通用计算机通过执行程序来处理数据 指令是计算机进行操作的命令 将控制计算机完成规定动作的命令称为指令 程序是指令的有序集合 程序和数据都放在内存中 3 3 5 程序执行 116 CPU利用重复的机器周期来执行指令 指令执行的周期包括3步 117 取指令在取指令阶段 控制单元命令系统取出一条指令放在指令寄存器I中 程序计数器PC加1 译码把指令置于指令寄存器后进行译码 以确定这是一条什么样的指令 执行译码完毕后 控制单元发送命令到CPU的某个部件 完成指令所确定的功能 118 一条指令由操作码和地址码两部分组成 程序执行的实例 119 070 执行前主存和寄存器中的内容 120 第一条指令执行后 121 072 第二条指令执行后 122 073 14 10 第三条指令执行后 123 073 14 10 4 4 第四条指令执行后 124 14 10 4 4 最后一条指令执行后 125 有三种输入 输出控制方式 程序控制输入输出CPU和I O设备之间的数据传输是通过程序中的指令实现的 CPU不时地查询I O驱动器的状态 如果设备准备就绪 就进行一次数据传输 用于低速设备 输入 输出操作 126 中断控制输入输出CPU不需要不停地查询I O设备的状态 当设备准备好后 向CPU发中断情况 CPU暂时中止现行程序 执行中