“大学计算机基础”课程 3

1、Chapter 3计算机硬件 CS, ZJU9/14/2022Overview概述处理器存储器 输入输出系统系统连接和USB2022/9/142FCS, Chapter3, Tootal page 55ConceptionComputer Architecture，计算机系统结构计算机科学中，计算机系统结构是指研究硬件的原理、结构。尽管计算机有各种类型，但就其硬件组成而言并无本质上的差异。微型计算机即PC机为典型计算机的组成部分及其原理2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5532022/9/143.1 概述计算机硬件由处理器、存储器、输入/输出三个子系统构成

2、。4FCS, Chapter3, Tootal page 552022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 555PC机的基本配置即为图中所示的主机、键盘、鼠标、显示器主机箱内安放了包括处理器、内存安装在机箱上的有外存，如磁盘、光盘等用户可根据需要增加打印机、话筒、摄像头及音箱，或其他设备PC Based on Main board PC机功能电路安装在主机箱内部的一个主板（Main board）上，其逻辑结构：2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 556Main board 2022/9/147FCS, Chapter3, Toot

3、al page 552022/9/143.2 处理器ProcessorMicroprocessor ，MPComputer Processing Unit， CPU 处理器系统可以是单一的CPU芯片， or多个CPU芯片组成的阵列。PC机中的处理器即CPU，它是可插到主板CPU插座位置上的一个集成电路芯片，目前主要的CPU厂商有Intel、IBM、AMD、Motorola等公司。8FCS, Chapter3, Tootal page 552022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 559CPU 芯片处理器芯片处理器芯片的结构决定其安装的位置以及与外部其他部件的连接方

4、式。因为半导体材料单位面积内集成的电路数目不可能无限增长多核集成电路设计从芯片平面转向立体：在一个芯片上集成多个处理器2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5510处理器的结构模型在功能上，CPU是运算器和控制器的集合。从逻辑上，可分为5个部分，包括运算器、控制电路、地址电路和数据寄存器与指令代码寄存器2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5511处理器结构ALU，执行算术运算和逻辑运算的电路Data Register，存放运算器执行运算所需的数据。数据在执行运算前已经存入其中Instructor Code Register，

5、存放处理器执行操作需要的指令代码Controller，对指令代码进行译码并产生控制运算器执行运算的信号Address，Program Counter，产生并输出地址信号：指定存储器或者外部设备进行相关的数据传输操作2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5512And MoreCPU的运行过程就是执行指令的过程指令CPU完成的一个基本操作，Such as，+，-，/程序一系列指令的有序集合以，完成某种任务2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5513内部总线BUS 总线就是一组导线，它是信号的公共通路。 在主板范围内的总线叫做内

6、部总线，它是CPU与存储器及输入/输出控制电路进行数据交换的通路。三总线数据总线：接收或输出数据地址总线：向外输出地址信号 控制总线：输出控制信号或者接收来自外部的控制信号2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5514BUS2022/9/1415FCS, Chapter3, Tootal page 55处理器的性能指标主频：CPU运行速度的参数集成度：芯片内晶体管数技术的先进性和复杂性字长：一次能够处理的最大二进制数的位数协处理器：在CPU的协调下完成复杂任务，如：处理浮点运算的协处理器。内部高速缓存器工作温度，电源电压芯片封装材料及结构2022/9/14FC

7、S, Chapter3, Tootal page 5516CISC and RISC两种类型的处理器系统的设计相反的设计方法，主要区别是处理器所拥有的指令的数量和复杂程度不同： CISC （Complex Instruction Set Computer） 使用数量和种类较多的指令，典型的CISC有300条以上的指令，程序设计比较容易RISC （Reduced Instruction Set Computer） 只包含常用指令且指令的长度和执行时间都相同，一般使用的指令数目在100条以内简化程序控制逻辑，提升处理器的速度2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5

8、5173.3 Memory SystemMemory，存储器其一个重要特性是复制性其存放的数据被取出后，原存放的数据依然存在，因此可以被反复取用组成存储器系统的是多种类型的存储元件存储模式、存储元件(器) 原理、存储器系统的主辅结构，及PC机的存储器系统2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 55182022/9/143.3 存储器存储器系统实现计算机记忆功能保存程序代码和数据的物理载体存储模式和存储容量存储单元以字节（Byte）为单位：8个二进制位存储模式存储器由若干个字节组成，每个字节都有一个唯一的标识叫做存储器地址存储器地址用二进制的位模式进行标识存储容量

9、即存储器中存储单元的总数（字节数、地址空间）19FCS, Chapter3, Tootal page 55存储器地址和单元2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5520内存 内存位于主板上（机器内部） 与CPU经内总线连接， 也称为主存储器，简称主存。 由半导体存储器组成内存执行程序存储单位2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5521量词缩写量词描述实际字节数近似表示KB (Kilobyte)千字节210=1,024103MB (MebiByte)兆（百万）字节220=1,048,576106GB (MegaByte)吉（十

10、亿）字节（千兆）230=1,073,741,824109TB (Terabyte)太拉（万亿）字节（兆兆）240=1,099,511,627,7761012内存半导体内存 RAM，Random Access Memory体积小，存取速度快，易失性动态RAM（Dynamic RAM）静态RAM（Static RAM）只读存储器（ROM，Read Only Memory）断电后存储的数据不会丢失PROM ： 一次性写入，一旦数据被写入，就不能再改变 EPROM ：可改写EEPROM ：可以对部分单元进行重新写入 2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5522ROM

11、 & EPROMROM在计算机中存放那些即使关机也不能丢失的程序代码和数据例如PC机的开机程序基本输入输出系统（BIOS）就被保存在ROM芯片中因为PC每次开机都是执行相同的操作，所以BIOS被固化（Solidify）在了ROM中早前的PC使用ROM现在也使用EEPROM/Flash Memory2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 55233.3.3 磁盘 内存不能在关机或断电状态下保存数据，因此要使得数据保存不受关机或断电的影响，就需要使用其他类型的存储器 这类存储器主要是磁盘或光盘 它们被安装在主板外部的机箱上，用电缆和主板连接 通常被叫做外存 主要是磁

12、盘 磁盘 根据电磁学原理，用涂敷在圆盘表面的磁性材料的极化状态表示二进制数据。2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5524磁盘表面结构 2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5525 磁道是同心圆结构，数据存储在磁道上 盘片划分为若干个扇型的区域，代码和数据被存放在一个或几个扇区（Sector）的磁道上 磁头读写围绕一个区域进行，能有效提高读取效率磁盘工作过程2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5526 在磁盘控制器（电路）的作用下，读写磁头沿着盘片表面做直线移动，而盘片高速旋转，磁头和盘

13、片的相对运动提供了快速数据寻找和读取HD Hard Disk硬盘合金盘片盘片和读写装置、磁盘控制器电路一起被固定在密封的盒子中用一组电缆导线和主机板上的外存接口连接2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5527HD Type1IDE/ATA Integrated Driver Electronics， Advanced Technology AttachmentSATA ATA, Called PATA ( Parallel ATA) SATA, Serial ATASATA, Data band 150MB/s，1.5Gbps(bit/per second)

14、SATA I，Data band 300MB/s，3GbpsSATA4 wires connectorSCSI Small Computer System Interface2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5528Compact DiscLaser CDUse Laser Read/Write the DataPlastic CD Driver2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5529光盘 光盘上有凹点和空白代表0和1 ，光驱读写数据只读光盘 CDROM可刻录光盘 CDR可重写光盘 CDRW数字多功能光盘 DVD20

15、22/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5530光盘类型和指标2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5531类型典型容量描述CDCD-ROM650800MB存放商业软件、数据库等不变内容CD-R650800MB仅能写一次，用于存放大量数据CD-RW650800MB可重复使用，用于创建和编辑大的多媒体图像DVDDVD-ROM4.717GB存放音频和视频的不变内容 DVD-R4.717GB或DVD-R/W，仅能写一次，用于存放大量的数据DVD-RAM/RW2.65.2GB可重复使用，用于创建和编辑多媒体图像固态存储器 EEPROM/Fl

16、ash Memory，Solid State Disk，or called FLASH DISK、Serial ATA Flash Disk 采用半导体材料，没有磁盘、光盘的机械部件，不需要专门的机械驱动供电，可以直接使用主机供电，且不受到外界环境的影响，持久耐用。类型：CF（快闪卡）MMC（多媒体卡）SD（安全数字卡）SM（智能卡）U 盘2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5532存储器的主辅结构计算机存储器系统使用高速的半导体存储器作为主存储器，使用较低速的磁盘、光盘作为辅助存储器。2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page

17、5533存储器系统主辅结构主辅结构很复杂复杂性表现在系统使用了多种类型的存储元件在系统的性能、功能和价格之间进行取舍功能主存运行程序，磁盘保存程序和数据性能磁盘的永久性，半导体的易失性互补磁盘慢，半导体快价格磁盘低，半导体高2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5534基本原理程序和数据存储在辅助存储器中，被执行的程序从辅助存储器中调入主存储器运行，运行结束程序和数据被重新存放回辅助存储器中互补性，同时也是经济的，管理由硬件和操作系统协同完成2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5535PC机的存储器PC机内存大小取决于处理器

18、处理器的地址空间PC Virtual Memory，在磁盘上开辟其结构和内存单元相同的区域，其地址与内存的地址一一对应内存映射虚拟内存中, 提升运行效率。2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5536Input and Output System计算机硬件的第三个子系统I/OHuman and Computer Interface, HCICan say：Input by PersonOutput From Computer基本输入输出相关知识常用的外部设备2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 55372022/9/14端口P

19、ortInterface 连接输入/输出设备的物理接插件PC机一般有6种端口38FCS, Chapter3, Tootal page 55I/O设备数据传输模式设备，也无论使用什么标准，它们和主机的数据传输模式只有两种并行或串行并行是一次传输8位数据(字节模式)串行每次传输1位数据（也是位模式）理论上并行传输要快，但需要更多的线路和控制，因此成本高串行传输成本低，适合长距离传输,在数据通信应用中以串行为主2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5539输入设备 人们向计算机系统发出操作命令、输入操作数据的装置 PC机的标准配置设备 自动识别Keyboard两种规

20、格：PS/2和USB两种标准：101键、104键Mouse显示器上的位置数据就会被捕捉到计算机中，并根据位置信息对按键动作进行响应2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5540Keyboard字母键，数字键，符号键控制键Ctrl，Shift，Alt，Tab，Cap Lock编辑键4个移动方向、Home、End、Insert、DeletePageUP、PageDowm、Backspace、EnterF1F12Print Screen（Prsc）、Pause、Scroll Lock、Break、Esc（Escape）小键盘区2022/9/14FCS, Chapte

21、r3, Tootal page 5541Keyboard工作原理键盘的每一个按键相当于使对应按键的机械开关闭合，产生一个信号键盘内置的处理电路对按键信号编码（即ASCII码）输入到计算机计算机中的程序接收到按键代码再进行相应的处理操作2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5542MousePoint DevicePort PS/2，USBKey pressClickDouble ClickMoveDrag MoveRight Key ClickShortcutMiddleScroll2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 554

22、3Output Devices输出设备 把计算结果的数据或信息，以数字、字符、图像、声音等形式表示出来 显示器主要有CRT和LCD两类打印机针式打印机、喷墨打印机和激光打印机、热升华打印机、热蜡打印机2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5544Display主要技术指标是分辨率Dot2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5545分辨率缩写模式标准720350MDA文本Monochrome Display Adapter320200CGA文/图Color Graphics Array640480VGA图形Video Graph

23、ics Array800600SVGAVGA（Super VGA）1024768XGAeXtend Graphics Array12801024UVGA超级VGA（Ultra VGA）16001200/无Display TypeCRTCathode Ray TubeLCDLiquid Crystal DisplayLEDLight Emitting DiodePlasmaDMDDigital Micro-mirror Device2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5546PrinterHard Copy DeviceSpecificationDOT/Per

24、 InchLaser PrinterBlack/ColorInkjetBlack/ColorStylus printer9/242022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5547图3-24 激光打印机原理示意图其他输入/输出设备数码相机、数码摄像机、摄像头、语音话筒、游戏操作杆光电阅读器、POS机、光笔读卡器扫描仪、传真机触摸屏专业的音频/视频设备绘图仪等数码产品播放器2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 55482022/9/143.5 系统连接和USB外设和主机连接，需要解决的问题是：设备和主机采用何种数据传输模式设备如果在主机的控制下进行工作解决主机和外设的速度匹配问题解决的方法 ：并行数据或串行数据模式设置总线标准接口49FCS, Chapter3, Tootal page 55系统总线标准 外设通过一组导线的接插件端口与主机连接 外部总线标准 规定了连线如何排列且， 具有何种功能、性能（如数据位