计算机硬件-课件

第三章

计算机硬件Overview处理器存储器输入输出系统系统连接和USB3.1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。主机箱音箱键盘鼠标器耳机和MIC显示器CD-ROM软盘PowerON/OFFPowerI/OPort键盘口鼠标口网络口显示器口声卡接口主机电缆—连接外设电缆—连接CD-ROM电缆—连接硬盘电缆—连接软盘电缆—电源线内存条插槽芯片组（北桥、南桥）

IDE(IDE插座)供CPU电源插口CMOS电池AGP扩展槽加速图形接口

PCI扩展槽

CPU插槽技嘉GA-MA785GT-UD3HPCI插槽CPU插槽内存插槽PCI-E插槽3.2处理器（计算机的大脑）计算机中的处理器系统可以是单一的CPU芯片，也可以是多个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、AMD、IBM、Motorola等公司。发展历史第1阶段（1971——1973年）：4位和8位低档微处理器时代第2阶段（1971——1977年）：8位中高档微处理器时代第3阶段（1978——1984年）：16位微处理器时代第4阶段（1985——1992年）：32位微处理器时代第5阶段（1993——2005年）：奔腾（pentium）系列微处理器时代第6阶段（2005年至今）：酷睿（core）系列微处理器时代2022/10/12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。为此，集成电路设计开始从芯片平面转向立体：在一个芯片上集成多个处理器。112022/10/12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。122022/10/12运算器（ALU）：执行算术运算和逻辑运算的电路部件。数据寄存器（DataRegister）：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。指令代码寄存器（InstructorCodeRegister）：存放处理器执行操作需要的指令代码。控制电路（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、发出到存储器进行数据读/写信号及其他各种控制信号。地址电路（Address，ProgramCounter）：负责产生并输出地址信号，在控制信号的作用下指定存储器或者外部设备进行相关的数据传输操作。132022/10/12内部总线总线就是一组导线，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。分为：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142022/10/12微处理器的性能指标CPU型号决定计算机的型号和性能衡量CPU性能的主要技术指标是频率、字长、浮点运算能力等两大阵营：15计算机科学基础IntelAMDCore台式机和笔记本Phenom台式机Pentium台式机Athlon台式机和笔记本Celeron台式机和笔记本Sempron台式机和笔记本Xeon服务器和工作站Turion笔记本Itanium服务器Opteron服务器和工作站Atorn平板电脑2022/10/12例：Intel酷睿i7

16计算机科学基础插槽类型：LGA1155CPU主频：3400MHz最大睿频：3800MHz制作工艺：32纳米二级缓存：4×256KB三级缓存：8MB核心数量：四核心八线程核心代号：SandyBridge总线类型：DMI总线5.0GT/s倍频：34倍例：AMDFX系列2022/10/12主频：衡量CPU运行速度的参数。集成度：芯片内的晶体管数目反映了处理器制造技术的先进程度和复杂性。字长：处理器一次能够处理的最大二进制数的位数。协处理器：不单独工作、在CPU的协调下完成任务，如：处理浮点运算的协处理器。内部高速缓存器：位于CPU与内存之间的临时存储器，容量比内存小但交换速度快。（L1、L2、L3）。工作温度范围电源电压范围芯片封装材料及结构17计算机科学基础2022/10/12CISC和RISC两种类型的处理器系统的设计，采用两种完全相反的设计方法，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（ComplexInstructionSetComputer，复杂指令集计算机）：

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。（一般个人计算机都采用CISC）RISC（ReducedInstructionSetComputer精简指令集计算机）：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。18计算机科学基础2022/10/123.3存储器实现计算机记忆功能的是存储器系统，它是保存程序代码和数据的物理载体。19计算机科学基础存储模式和存储容量字节（ByteB）

：8位（bitb）二进制组成基本存储单元；字长（word）：可以被CPU一次存取或运行的最长数据长度；存储器地址：每个字节的唯一标识，单元地址和存储单元中存放的内容都是二进制；存储空间：被标识的存储器中所有存储单元的地址的总和就是整个存储器的“空间”，也叫做存储器容量；2022/10/12内存与CPU经内总线连接的存储器是“内存”，也称为主存储器，简称主存。由半导体存储器组成，主要有两种类型：随机存取存储器（RAM，RandomAccessMemory），体积小，存取速度快，易失性。动态RAM（DynamicRAM）静态RAM（StaticRAM）只读存储器（ROM，ReadOnlyMemory），断电后存储的数据不会丢失，一个重要应用就是存放启动计算机所需的BIOS程序。PROM——一旦数据被写入，就不能再改变EPROM——如果数据需要被改写，就需要用一种紫外线光设备将原数据擦除后再重新写数据EEPROM——可以对部分单元进行重新写入20计算机科学基础目前主流内存类型DDR全称是DDRSDRAM(DoubleDateRateSDRAM，双倍速率SDRAM)，它占据了市场的主流。DDR只有一个缺口，而SDRAM有两个缺口。DDR内存采用了诸如双时钟差分信号等技术，使其在时钟触发沿的上、下沿都能进行数据传输，这样就可以达到双倍速率传输数据，同时由于仅多采用了下沿信号，因此并不会造成能耗增加。DDR-2：与DDR相比，DDR2最主要的改进是在内存模块速度相同的情况下，可以提供相当于DDR内存两倍的带宽。DDR3工作电压从DDR2的1.8V降落到1.5V，性能更好更为省电；DDR2的4bit预读升级为8bit预读。磁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。磁盘表面结构磁盘工作过程2022/10/1222计算机科学基础磁盘种类软盘硬盘硬盘参数：接口：IDE/ATASATASCSI转速5400rpm7200rpm容量采用垂直记录技术，容量大大提高2022/10/12光盘使用激光技术存储和读取数据，光盘上有凹点和空白，分别代表0和1，通过光驱进行读写。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蓝光——

Blu-ray24计算机科学基础2022/10/12固态存储器采用半导体材料，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卡（快闪卡）MMC卡（多媒体卡）SD卡（安全数字卡）SM卡（智能卡）U盘25计算机科学基础2022/10/12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。26计算机科学基础存储层次存储容量越来越大，每位的价格越来越便宜访问速度越来越快各种存储器的主要性能参数

存储器层次存储周期存储容量价格位置寄存器<10ns<512B很高CPU内部高速缓冲存储器10～60ns8KB～4MB较高SRAM，CPU内部或外部主存储器60～300ns32MB～2GB高DRAM*磁、光存储器10～30ms

GB～TB较低磁表面，计算机外部2022/10/12基本工作原理：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，这种主存—辅存结构具有很好的互补性，同时也是经济的，它们之间的管理由硬件和操作系统协同完成。29计算机科学基础2022/10/12PC机的存储器PC机内存容量的大小取决于处理器处理器的地址空间。PC机可以设置虚拟内存（VirtualMemory），虚拟内存是在磁盘上开辟一个区域，其结构和内存单元相同，且虚拟内存的地址与内存的地址一一对应。当CPU执行程序时，将需要暂存到磁盘中的数据映射存放到虚拟内存中，需要时再从映射的虚拟内存中重新取出。由于与内存地址是对应的，因此存取虚拟内存的操作速度快于一般的磁盘操作，有利于提升系统的运行效率。30计算机科学基础虚拟存储器系统虚拟存储器是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。它借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，使之为更大或更多的程序所使用。在Windows系统中，在“我的电脑”的属性中可以设置。内存大小：设置虚拟内存最小为多少和最大为多少；存放位置，设置虚拟内存应使用哪个分区中的硬盘空间出现“虚拟内存不够”的几个可能感染病毒虚拟内存设置不当系统空间不足因为SYSTEM用户权限设置不当2022/10/123.4输入输出系统端口又称接口，是连接输入/输出设备的物理接插件。PC机一般有6种端口：键盘/鼠标接口、并行/串行接口、USB接口和音频接口，连接游戏操纵杆的插座、显示口。端口和主机的数据传输模式有两种：并行或串行。并行一次传输8位数据（字节模式），串行每次传输1位数据（也是位模式）。端口信号和连接设备信号相匹配，需要一些标准，即系统总线。32计算机科学基础2022/10/12输入设备

是人们向计算机系统发出操作命令、输入操作数据的装置。键盘与主机连接的端口有两种规格：PS/2和USB。101键、104键。鼠标移动鼠标指针并按下鼠标键，它在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。33计算机科学基础ErgonomicstyleTheMouse

TrackpadsTrackPointTheusercanpoint,tap,drawandwriteonthecomputer’sscreenwithapen.DevicesfortheHand–

TouchScreensGameControllersOpticalInputDevices–

BarCodeReaders2022/10/12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。显示器类型：主要有CRT、LCD以及LED。主要技术指标：分辨率、显示标准显卡指标和标准打印机针式打印机、喷墨打印机和激光打印机、热升华打印机、热蜡打印机43计算机科学基础Thediagonalsize(often15”)CRTLCD可卷曲显示器投影机亮度、对比度、画面尺寸等指标喷墨打印机照片打印机喷墨绘图仪Plotters2022/10/12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/视频设备数码产品播放器52计算机科学基础2022/10/123.5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53计算机科学基础2022/10/12系统总线标准外部设备是通过一组或一束导线的接插件端口与主机连接的，外部设备的总线标准规定了这些连接线如何排列且具有何种功能（如数据位宽度、数据传输速率），是否有和主机通信的请求响应信号，以及使用何种端口等。PCI总线PCMCIA54计算机科学基础2022/10/1255计算机科学基础USB它是一种总线标准，也是一种技术。由Intel公司发起并制定的通用串行总线标准。USB使用4线结构，USB设备自身无须配备电源，可以通过USB中的VBUS和GNG获得从主机提供的电源，它的另外两根线为数据线。它的连接端口主要有两种规格：A型和B型，分别连接计算机和外设。USB自动配置设备，可在计算机工作的情况下插进或拔出，即支持热插拔（Hot-Plugging），可以连接多达127个设备。2022/10/12接口高速主机和低速外设之间的矛盾，通过接口“机制”解决，使得它们在速度之间实现“匹配”。接口有两个部分，一部分是通过内部总线连接计算机的CPU和存储器的，另一部分则通过外部总线连接外设。57计算机科学基础2022/10/12输入/输出方式由于设备的复杂性和接口承担了在高速主机和低速外设之间