2010年-chapter02计算机硬件系统

2010年-chapter02计算机硬件系统第一页，共61页。第2章计算机硬件系统2.1计算机硬件系统概述 2.2计算机基本工作原理 2.3微型计算机硬件组成 第二页，共61页。2.1计算机硬件系统概述2.1计算机硬件系统概述 冯·诺依曼设计思想可以概括为三点：计算机由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。程序由指令构成，程序和数据都用二进制数表示。采用存储程序的方式，任务启动时程序和数据同时送入内存储器中，计算机应在不需操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令和执行任务。第三页，共61页。计算机的组成部件运算器控制器存储器输入设备输出设备图2.1计算机基本结构第四页，共61页。2.2计算机基本工作原理指令和指令系统指令就是让计算机完成某个操作所发出的指令或命令。由二进制代码构成。每种计算机都有一组指令集供用户使用，这组指令集即为计算机的指令系统。第五页，共61页。2.2.2程序的执行过程指令的执行过程分为以下4个步骤：①取指令：按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。②分析指令：对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。③执行指令：由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。④一条指令执行完成，指令计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到①。第六页，共61页。指令执行示例

第七页，共61页。2.3微型计算机硬件组成2.3.1微型计算机的主要性能指标衡量一台微型计算机的主要性能指标有字长、主频、内存容量和存储周期、外部设备配置、可用性、可靠性和可维护性等指标。此外，还有一些评价计算机的综合指标，如性能价格比、兼容性、系统完整性、安全性等。第八页，共61页。微型计算机发展--摩尔定律“摩尔定律”是以Intel公司的奠基人戈登.摩尔的名字命名的。戈登.摩尔认为，处理器的能力每18个月的时间就会翻一倍。在过去的几十年里，计算机特别是微型计算机，它的微处理器以及许多新技术的发展速度均遵循摩尔定律的法则。第九页，共61页。太平洋电脑网第十页，共61页。第十一页，共61页。PC99规范要求主板各接口必须采用有色识别标识，方便识别第十二页，共61页。第十三页，共61页。2.3.2主板第十四页，共61页。第十五页，共61页。芯片组内存插槽总线插槽USB接口CPU插座并行接口串行接口第十六页，共61页。系统主板内存插槽芯片组BIOS芯片CPU插座串行接口AGP扩展槽PCI扩展槽电池ATX主板是目前的主流产品主板是机箱中最大的一块集成电路板。在组装一台计算机时，主板是一个母板，其他部件或直接插在主板上，或通过电缆电线连接在主板上。第十七页，共61页。芯片组是系统主板的灵魂，它决定了主板的结构和CPU的使用。芯片组就象人体的中枢神经一样，控制着整个主板的运作。根据芯片的功能，有时把它们叫作南桥芯片和北桥芯片。1.芯片组第十八页，共61页。芯片组分为南桥芯片和北桥芯片南桥芯片距离CPU较远，主要负责管理PCI插槽、USB总线、IDE接口、网卡、BIOS以及其它周边设备的数据传输。北桥芯片是主板上离CPU最近的芯片，负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输。

IntelG965高速芯片组、AMD790FX/780G、SiS650/961

第十九页，共61页。

2.2.3CPUCPU是整个计算机系统的核心。CPU的功能是计算机主要技术指标之一，人们习惯用CPU的档次来大体表示微机的规格。CPU主要包括运算器、控制器和寄存器3个部件。第二十页，共61页。

1.CPU的分类CPU有通用CPU和嵌入式CPU两种。一般来说，通用CPU追求高性能，功能比较强，能允许复杂的操作系统和大型应用软件。嵌入式CPU则强调处理特定应用问题的高性能，主要用于面向特定领域的专用程序，配备轻量级的操作系统，例如手机、CD播放器等消费类家电等。第二十一页，共61页。2.主要性能指标字长：内部各寄存器之间一次能够传递的数据位。外频：CPU与主板之间同步运行的速度，即主板为CPU提供的基准时钟频率主频：CPU工作频率，主频=外频×倍频。制造工艺：指IC内电路与电路之间的距离，现在的单位用纳米（nm）表示。第二十二页，共61页。（1）CPU字长CPU字长是CPU内部各寄存器之间一次能够传递的数据位数。CPU内部有一系列用于暂时存放数据或指令的存储单元，称为寄存器。各寄存器之间通过内部数据总线传递数据，每条内部数据总线只能传递一位数据。型号字长（位）28616

386,48632

Pentium32、64CoreDuo264第二十三页，共61页。

主频：也叫时钟频率、内频，是CPU单位时间内（1秒钟）的时钟周期数。主频越高，CPU的运行速度越快。（2）CPU主频主频=外频*倍频系数超频：在实际使用过程中，允许用户为CPU设置的工作频率与这块CPU的标定频率不一致，这就是通常所说的超频。第二十四页，共61页。3.IntelCPU的发展1971年推出4004。286（1982年）、386（1988年）、486（1991年）的发展。1993年推出“奔腾”处理器系列。2006年发布了基于Core微架构的酷睿2（Core2）处理器：双核（Duo）四核（QUAD）八核第二十五页，共61页。CPU插槽Pentium4系列处理器采用的是2006年初推出的一种全新的Socket478接口。酷睿2系列采用的是LGA775接口，采用的不是针脚，而是触点。

Socket478接口

LGA775接口第二十六页，共61页。Intel迅驰移动计算技术Intel公司于2003年面向笔记本电脑推出的无线移动计算技术的品牌名称。组成部分：移动式处理器（CPU）相关芯片组以及802.11无线网络功能模块集成的芯片命名为Banias。第二十七页，共61页。4AMD系列星际前传第二十八页，共61页。什么是双核技术

双核处理器是指在一个CPU上集成两个处理核心的处理器，就象有两个大脑一样，处理数据的速度会更快。并且是各自运算不同的程序，就象两个大脑在同时考虑两件事情，真正做到了一心二用。“双核”的概念最早是由IBM、HP、Sun等支持RISC架构的高端服务器厂商提出的，不过由于RISC架构的服务器价格高、应用面窄，没有引起广泛的注意。最近逐渐热起来的“双核”概念，主要是指基于X86开放架构的双核技术。在这方面，起领导地位的厂商主要有AMD和Intel两家。

第二十九页，共61页。5国产CPU——龙芯龙芯CPU是中国科学院计算技术研究所研制的以通用CPU为核心兼顾嵌入式CPU特点的新一代32位CPU。龙芯基于90nm工艺，定点和浮点最高运算速度超过每秒2亿次。它的诞生标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了“零”的突破，打破了我国长期依赖国外CPU的无芯历史，标志着国产安全服务器CPU和通用的嵌入式微处理器产业化的开始。龙芯在linux下运行。第三十页，共61页。高速缓存CPU辅存主存内存：外存:(cache)ROM只读存储器保存有基本输入输出程序（BIOS）,系统设置程序及设置信息，开机自检程序等。RAM随机存储器CPU可以直接访问，允许随机读写其中的数据。断电后随机存储器中的数据全部丢失。当前PC使用的主流内存是DDR(DoubleDataRateSDRAM)1、内存储器2.3.4存储器第三十一页，共61页。内存主要技术指标

容量读写时间分类只读存储器ROM随机存取存储器RAMDDRSDRAM高速缓冲存储器

第三十二页，共61页。SDRAMDDR：在每个时钟周期处理2bit。DDR2：并行存取，在每个时钟周期处理多达4bit的数据。DDR3：工作频率更高；发热量较小；内存电压小，降低了系统平台的整体功耗；通用性好。

DDR-184针DIMM插槽DDR2-240针DIMM插槽第三十三页，共61页。高速缓冲存储器由于CUP处理速度越来越快,使CPU与主存处理速度不匹配，为此在它们中间加入高速缓冲存储器cache,cache“拷贝”CPU经常访问的信息。读取数据时，CPU先访问cache，cache中无所需信息，再访问内存。第三十四页，共61页。一级cache:集成在CUP芯片内，容量相对较小，一般为16KB或32KB,工作频率与CPU主频相同。二级cache:通常在CUP外部，容量相对较大，一般为256KB或512KB,工作频率与主板上总线的频率相同。主流CPU,例如：Intel的PentiumIII、CeleronII和AMD的Athlon、Duron等都采用了全速L2高速缓存。三级cache第三十五页，共61页。从一定程度讲，计算机的性能瓶颈并不在于CPU或者其它部件，而在于内存。现在的应用软件对内存的容量要求越来越高。因此，增加内存是提升电脑速度最有效、最实用的方法。第三十六页，共61页。1.软磁盘存储器用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材料制成。读写软盘时，磁头直接接触盘面。常用软盘容量为1.44MB、新型磁盘具有100MB~250MB容量2.外存储器第三十七页，共61页。2.硬磁盘存储器硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面柱面扇区磁道硬盘容量的计算公式为：硬盘的容量

柱面数

磁头数

扇区数512B。第三十八页，共61页。硬盘接口IDE、SATA、SCSI和光纤通道

主要技术指标硬盘容量平均寻道时间、平均等待时间和平均访问时间转速传输速率数据缓存第三十九页，共61页。3.磁盘阵列RAIDRAID：RedundantArraysofIndependentDisks，独立冗余磁盘阵列。由若干个硬盘构成，常应用于大容量数据存储。在网络中使用RAID，可提高服务器存储系统容量、传输数据的速度。第四十页，共61页。利用光存储技术进行读/写信息的存储设备，即应用激光在某种介质上写入信息，然后再利用激光读出信息。第四十一页，共61页。

使用激光进行读写，无接触，不退磁，可进行长久保存。根据存储数据，将光盘分为CD和DVD两大类。CD：650-700MBDVD：4.7GB、9.4GB、17GB、27GB、3.光盘存储器第四十二页，共61页。CD只读型光盘CD-ROM：一次成型的产品，光盘的信息只能读出，不能写入，通常CD可提供650MB～700MB存储空间。CD可记录式光盘CD-R：用光盘刻录机将数据一次写入CD-R光盘中。重复擦写式光盘CD-R/W第四十三页，共61页。DVDDVD-Video主要用于观看电影和其他可视娱乐。DVD-ROM包含与计算机兼容的文件格式。主要用于存储数据。DVD-R又称为一次写入式DVD。DVD-RAM能实现随机存取，可以重写100000次。使用非常方便，而且价格便宜。DVD-RW类似DVD-RAM，但是采用顺序读-写存取，可以重写1000次，兼容性好。DVD+RW是新推出的一种DVD刻录标准，不仅仅可以作为PC的数据存储，还可以直接以DVD视频的格式刻录视频信息，这在DVD工业上一大突破。第四十四页，共61页。优盘移动硬盘MP3Flash存储设备闪存芯片为存储介质采用USB的接口可擦写100万次以上

4.移动存储设备第四十五页，共61页。存储器：内部存储器访问速度快信息暂时性相对价格高外部存储器访问速度慢信息永久性相对价格低第四十六页，共61页。1.输入设备(1)键盘(2)鼠标(机械,光电)(3)MIC(4)扫描仪(5)摄像头扫描仪摄像头3.2.5输入/输出设备第四十七页，共61页。

(1)显示器(2)打印机(3)绘图仪(4)音箱2.输出设备第四十八页，共61页。(1)显示器主要种类：阴极射线管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD）等。第四十九页，共61页。显示器的主要参数(1)屏幕尺寸：指矩形屏幕的对角线长度，以in为单位，主要有14in、15in、17in、19in和22in几种规格。点距：指屏幕上荧光点间的距离，它决定像素的大小以及屏幕能达到的最高显示分辨率。点距越小越好，现有的点距规格有0.20mm、0.25mm、0.28mm、0.31mm等。第五十页，共61页。显示器的主要参数(2)显示分辨率：指屏幕像素的点阵。通常写成（水平点数）×（垂直点数）的形式。常用的有640×480、800×600、1024×768、1024×1024、1600×1200等。高的分辨率多用于做图像分析的大屏幕。刷新频率：指每分钟内屏幕画面更新的次数刷新频率越高，画面闪烁越小，一般是75Hz～200Hz。第五十一页，共61页。

击打式：针式打印机非击打式：喷墨打印机激光打印机

OKI5100F票据打印机EPSON喷墨打印机HP激光打印机（2）打印机噪声大，主要耗材为色带，价格便宜噪声小，打印速度次于激光打印机，主要耗材为墨盒打印速度快、噪声小，主要耗材为硒鼓，价格贵但耐用第五十二页，共61页。打印机主要技术指标打印速度，用cps（字符每秒）表示；打印分辨率，用dpi（点每英寸）表示，非击打式打印机一般超过600dpi；最大打印尺寸，一般为A4和A3两种规格。第五十三页，共61页。

AB地址总线DB数据总线CB控制总线输入设备输出设备随机存储器RAM只读存储器ROM接口接口CPU1.总线

为了实现CPU、存储器和外部设备的连接，微机系统总线结构。所谓总线（bus)就是在多个数字部件之间传送信息的公共信通道。代表性的I/O总线有ISA、EISA、PCI等。其中PCI总线是是目前最常用的一种总线。2.3.6总线与接口第五十四页，共61页。AGP总线，又称图形加速端口总线，是在PCI总线基础上专门针对3D图形处理开发的高性能总线。避免了图形数据经过窄带宽的PCI总线而形成系统瓶颈的现象，增加3D图形数据传输速度。第五十五页，共61页。总线是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道。数据总线地址总线控制总线前端总线频率可以用来衡