计算机文化第3章计算机硬件系统

1、科学出版社科学出版社计算机导论计算机导论第第3 3章章 计算机硬件系统计算机硬件系统掌握冯掌握冯诺依曼体系结构及其主要特点；诺依曼体系结构及其主要特点；了解计算机体系结构的发展思路与改进办法；了解计算机体系结构的发展思路与改进办法；掌握计算机体系结构的评价标准；掌握计算机体系结构的评价标准；掌握微型计算机的硬件组成；掌握微型计算机的硬件组成；了解微型计算机的技术指标和性能评价标准；了解微型计算机的技术指标和性能评价标准；学习目标学习目标主要内容主要内容计算机硬件系统的体系结构计算机硬件系统的体系结构1第第3 3章章 计算机硬件系统计算机硬件系统微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成2计算机硬

2、件的性能评价算机科学与技术学科简介计算机硬件的性能评价算机科学与技术学科简介33.1 3.1 计算机硬件系统的体系结构计算机硬件系统的体系结构冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构1946年，美国数学家约翰年，美国数学家约翰冯冯诺依曼发表了论文诺依曼发表了论文电子计算装置逻辑设计的初步讨电子计算装置逻辑设计的初步讨论论，在文中深入细致地阐述了存储程序的原理，描述了一套完整的计算机体系结，在文中深入细致地阐述了存储程序的原理，描述了一套完整的计算机体系结构。人们把冯构。人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构。诺依曼体系结构。输入设备运算器（ALU）控制器存储器输出设备数据流

3、控制流图图3.1 冯冯诺依曼体系结构图诺依曼体系结构图3.1 3.1 计算机硬件系统的体系结构计算机硬件系统的体系结构冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构冯冯诺依曼型计算机结构的主要特点是：诺依曼型计算机结构的主要特点是：（1）采用二进制形式表示程序和数据；）采用二进制形式表示程序和数据；（2）程序存储方式；）程序存储方式；（3）由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；）由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成； （4）控制器根据存放在存储器中的指令序列）控制器根据存放在存储器中的指令序列(程序程序)来工作来工作 ；冯冯诺依曼提出的计算机诺依曼提出的计算机

4、“存储程序存储程序”工作原理决定了计算机硬件系统必须工作原理决定了计算机硬件系统必须由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。3.1 3.1 计算机硬件系统的体系结构计算机硬件系统的体系结构计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展计算机体系结构指的是构成计算机系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及计算机体系结构指的是构成计算机系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。这些部件之间的连接方式。冯冯诺依曼结构计算机的核心即为诺依曼结构计算机的核心即为“存储程序存储程序”的思想，的思想， 存储存

5、储程序计算机在体系程序计算机在体系结构上的主要特点如下：结构上的主要特点如下：（1） 机器以运算器为中心。机器以运算器为中心。 （2） 采用存储程序原理。采用存储程序原理。 （3） 存储器是按地址访问的、线性编址的空间。存储器是按地址访问的、线性编址的空间。 （4） 控制流由指令流产生。控制流由指令流产生。 （5） 指令由操作码和地址码组成。指令由操作码和地址码组成。 （6） 数据以二进制编码表示，采用二进制运算。数据以二进制编码表示，采用二进制运算。 3.1 3.1 计算机硬件系统的体系结构计算机硬件系统的体系结构计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展冯冯诺依曼结构计算机的核心即为诺依曼结

6、构计算机的核心即为“存储程序存储程序”的思想，的思想， 存储存储程序计算机在体系程序计算机在体系结构上的主要特点如下：结构上的主要特点如下：（1） 分布的分布的I/O处理能力处理能力（2） 保护的保护的存储存储器空间器空间 （3） 存储器组织结构的发展存储器组织结构的发展 （4） 并行处理技术并行处理技术 （5） 指令集的发展指令集的发展 3.3.2 2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成从工作原理的角度，计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和从工作原理的角度，计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备输出设备5部分组成。部分组成。从外观的角度，计算机系统的硬

7、件主要由监视器（显示器）、系统单元（主从外观的角度，计算机系统的硬件主要由监视器（显示器）、系统单元（主机）、鼠标、扬声器、打印机、键盘等部分组成，如图机）、鼠标、扬声器、打印机、键盘等部分组成，如图3.2所示。所示。 图图3.2 微型计算机硬件组成微型计算机硬件组成3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成系统单元系统单元系统单元也称为主机，是计算机系统的核心，包括主板、系统单元也称为主机，是计算机系统的核心，包括主板、CPU、内存、硬、内存、硬盘、软盘驱动器、光盘驱动器、各种接口卡（适配卡）、电源等。盘、软盘驱动器、光盘驱动器、各种接口卡（适配卡）、电源等。图图3.4 硬件组

8、成结构图硬件组成结构图3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成系统单元系统单元主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了CPU、各种接口卡、内存条、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接口连接到计算机上。接到计算机上。图图3.4 硬件组成结构图硬件组成结构图图图3.5 主板主板3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成系统单元系统单元中央处理器（中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是一台计算

9、机的运算核心）是一台计算机的运算核心和控制核心。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。和控制核心。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。图图3.6 CPU3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成系统单元系统单元计算机的内存储器是将多个存储器芯片并列焊接在一块长方形的电路板上，计算机的内存储器是将多个存储器芯片并列焊接在一块长方形的电路板上，构成内存组，一般称之为内存条，通过主板的内存插槽接入系统。构成内存组，一般称之为内存条，通过主板的内存插槽接入系统。图图3.7 内存条内存条3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成输入输入/输出

10、设备输出设备 输入输出设备是计算机系统的重要组成部分，文字、声音、图像等媒体信息输入输出设备是计算机系统的重要组成部分，文字、声音、图像等媒体信息通过输入设备进入计算机，计算机经过加工、处理后，由输出设备输出到屏通过输入设备进入计算机，计算机经过加工、处理后，由输出设备输出到屏幕或纸张、磁盘、光盘等介质中保存。幕或纸张、磁盘、光盘等介质中保存。输入设备包括键盘、鼠标、手写板、扫描仪、光电阅读机、磁盘或光盘等输入设备包括键盘、鼠标、手写板、扫描仪、光电阅读机、磁盘或光盘等。输出设备包括显示器、打印机、绘图仪、扬声器、磁盘或光盘等。输出设备包括显示器、打印机、绘图仪、扬声器、磁盘或光盘等。3.2

11、3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成输入输入/输出设备输出设备 输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。图图3.8 机械式键盘机械式键盘 图图3.9 薄膜式键盘薄膜式键盘图图3.10 无线传输键盘无线传输键盘 图图3.11 游戏杆游戏杆图图3.12 数据手套数据手套图图3.13 光笔光笔3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成输入输入/输出设备输出设备 输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。输入设备是向计算机输入数据和信息的设备。图图3.14 条形码阅读器条形码阅读器图图3.15 磁墨水字符识别设备磁墨水字符识别设备图图3.

12、16 光学标记识别设备光学标记识别设备3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成输入输入/输出设备输出设备 输出设备（输出设备（Output Device）是计算机的终端设备，用于接收计算机数据的）是计算机的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。图图3.17 CRT显示器显示器图图3.19 LED显示器显示器图图3.19 LCD显示器显示器3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成输入输入/输出设备输出设备 输出设备（输出设备（Output Device）是计算机的终端设备，用于接收计算机数

13、据的）是计算机的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。图图3.20 3D显示器显示器图图3.21 绘图仪绘图仪3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成辅助存储设备辅助存储设备辅助存储器在辅助存储器在CPU外部保存永久信息。辅助存储器的特点是容量大、成本外部保存永久信息。辅助存储器的特点是容量大、成本低、通常在断电后仍能保存信息，是低、通常在断电后仍能保存信息，是“非易失性非易失性”存储器。常用的辅助存储存储器。常用的辅助存储器有软盘、硬盘、光盘以及磁带等。器有软盘、硬盘、光盘以及磁带等。软盘（软盘（Fl

14、oppy Disk，FD）是）是个人电脑个人电脑设备中，最早使用的可移动存储媒设备中，最早使用的可移动存储媒体。体。 图图3.22 软盘软盘3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成辅助存储设备辅助存储设备辅助存储器在辅助存储器在CPU外部保存永久信息。辅助存储器的特点是容量大、成本外部保存永久信息。辅助存储器的特点是容量大、成本低、通常在断电后仍能保存信息，是低、通常在断电后仍能保存信息，是“非易失性非易失性”存储器。常用的辅助存储存储器。常用的辅助存储器有软盘、硬盘、光盘以及磁带等。器有软盘、硬盘、光盘以及磁带等。硬盘（硬盘（Hard Disk Drive，HDD）是）是电脑

15、电脑上使用坚硬的旋转盘片为基础的上使用坚硬的旋转盘片为基础的非易失性非易失性存储设备存储设备 。图图3.22 硬盘硬盘3.2 3.2 微型计算机的硬件组成微型计算机的硬件组成辅助存储设备辅助存储设备光存储器简称光盘，是近年来颇受重视的一种外存设备，更是多媒体计算光存储器简称光盘，是近年来颇受重视的一种外存设备，更是多媒体计算机不可缺少的设备。光盘采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密机不可缺少的设备。光盘采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息，以介质材料的光学性质度信息，以介质材料的光学性质(如反射率、偏振方向如反射率、偏振方向)的变化来表示所存的变化来表示所存储信息的储信息的“

16、1”或或“0”。闪存（闪存（Flash Memory）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的持所存储的数据信息）的存储器存储器， U盘是闪存的一种，也叫闪盘、优盘，盘是闪存的一种，也叫闪盘、优盘，最大的特点就是：小巧、存储容量大、价格便宜，是移动存储设备之一。最大的特点就是：小巧、存储容量大、价格便宜，是移动存储设备之一。 磁带（磁带（Magnetic tape）是一种非挥发性的）是一种非挥发性的存储存储媒体媒体，由带有可，由带有可磁化磁化覆料覆料的的塑料塑料带状物组成。由于磁带是循序存取的装置，特别是一次读写大量带状物组成

17、。由于磁带是循序存取的装置，特别是一次读写大量资料的状况，因此磁带是一种传统的存储和备份方式。资料的状况，因此磁带是一种传统的存储和备份方式。3.3 3.3 计算机硬件的性能评价计算机硬件的性能评价计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某项指标决定的，而是由它的系计算机功能的强弱或性能的好坏，不是由某项指标决定的，而是由它的系统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。总统结构、指令系统、硬件组成、软件配置等多方面的因素综合决定的。总体来说，可以从以下几个方面来考虑。体来说，可以从以下几个方面来考虑。1运算速度运算速度2字长字长3内存储器的容量内存储器的容量4外存储器的容量外存储器的容量5存取周期存取周期6系统的兼容性系统的兼容性7系统的可靠性和可维护性系统的可靠性和可维护性8外设配置外设配置9软件配置软件配置10性能价格