计算机硬件系统

2.1计算机硬件系统第2章计算机系统计算机系统硬件系统主机CPU运算器控制器存储器外设辅存(外存)输入/输出（I/O）设备软件系统系统软件应用软件2.1.1计算机的硬件组成组成计算机各种物理设备的总称冯·诺依曼型计算机1.中央处理器（CPU）中央处理器又称为微处理器（MPU）组成：运算器（ALU）控制器（CU）寄存器暂存指令、数据和地址高速缓冲存储器（Cache）运算器（ALU）功能：对二进制数据进行各种算术和逻辑运算主要组成：一个加法器——核心（相加和移位）若干个寄存器、累加器，一些控制线路主要技术指标：速度、字长控制器（CU）是计算机硬件系统的神经中枢；作用：控制程序的执行，指挥全机各部件自动、协调工作。CPU（中央处理器）=运算器+控制器

是计算机的核心部件功能：取指令：根据指令计数器中指定的地址，从内存取出指令译码：对指令的操作码进行译码执行指令：由操作控制部件有序地控制各部件完成操作码规定的功能高速缓冲存储器（Cache）问题：系统的“瓶颈”效应随着MPU（CPU)主频的提高，与内存的存取速度不匹配（相差10倍以上）。解决方法（性能价格比要高）MPU(CPU)寄存器Cache存储器内存在MPU芯片中集成了高速缓冲存储器（Cache），容量：几KB—几MB作用：利用程序访问的局限性原理，存放正在执行的程序和数据（内存信息的副本），提高CPU访问内存的速度。Cache容量越大，访问Cache命中率就越高，CPU实际工作速度就越快。2.存储器(Memory)存储器主存储器（内存）只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）辅助存储器（外存）硬盘移动存储器存储卡主存储器（内存）特点：存取速度快成本高、容量相对较小直接与CPU连接，CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作属于挥发性存储器(volatile)，用于临时存放正在运行的程序和数据分类：只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）只读存储器（ROM）特点：信息只能读出不能写入；且只能被CPU随机读取永久保存，断电信息不丢失，可靠性高用途：用来存放固定不变的控制计算机的系统程序和数据，如BIOS、显卡、U盘、存储卡等分类：可编程的只读存储器PROM可擦除、可编程的只读存储器EPROM掩膜型只读存储器MROM随机存取存储器（RAM）特点：CPU可以随时直接对其读写；当写入时，原存储的数据被覆盖断电数据会消失，且无法恢复用途：存储当前使用的程序、数据、中间结果与和外存交换的数据分类：静态RAM(SRAM)：集成度低、价格高、存取速度快、不需要刷新动态RAM(DRAM)：集成度高、价格低、存取速度慢、需要刷新辅助存储器（外存）特点：存取速度慢成本低、容量很大不与CPU直接连接，计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据必须先传送到内存，然后才能被CPU使用。属于不挥发性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息常见设备：硬盘（磁盘）U盘、移动硬盘光盘机械硬盘硬盘的组成及工作原理由一组盘片和硬盘驱动器构成；二者封装在金属盒中，称为硬盘。——温彻斯特技术（温盘）；防尘好、可靠性高、对环境要求不高；特点：容量大，存取速度快、不便携带。转速：5400rmp、7200rmp（分钟/转）10000rmp、15000rmp（服务器）硬盘接口（ATA标准）并行ATA接口（IDE）：100MB/s、133MB/s串行ATA接口（SATA）：150~300MB/s性能指标容量平均存取时间缓存容量及数据传输速度移动臂控制电路主轴磁盘盘片磁头移动存储设备移动硬盘体积小、重量轻、容量大，便于携带，使用方便支持：即插即用、热插拔存储速度快采用USB2.0（60MB/s）、USB3.0（640MB/s）等接口安全可靠（有防震功能）U盘无机械读/写装置，可避免移动硬盘因碰伤、跌落等原因造成的损坏体积小、重量轻，可以有写保护功能，数据可长期保存、安全可靠，可擦写100万次，使用寿命可长达10年之久。采用USB2.0（480Mbps=60MB/s）、USB3.0（640MB/s）种类：基本型：只提供读/写功能增强型：增加了系统启动功能加密型：提供文件加密和密码保护（最贵）USB标识USB3.0光盘1.结构与原理光盘存储器的结构存储原理：用光学的方式读、写信息。优点：容量大、价格低，不怕磁场干扰，比磁盘记录密度高，也更可靠缺点：读出以及数据传输速度比硬盘慢得多接口：SATA、IDE、USB1)光盘2)光盘驱动器记录数据的方式：是一条由里向外的螺旋形轨道2.光盘驱动器类型光盘驱动器特点CDDVD只读只能读、不能写(刻)光盘CD-ROMDVD-ROM向下兼容：可读CD盘刻录机能读/写(刻录)光盘CD刻录机CD-RWDVD刻录机(DVD-RW)向下兼容：可读/写CD盘大部分DVD刻录机能兼容大部或全部DVD光盘类型组合光驱(康宝COMBO)CD刻录机+DVD只读光驱光驱读取速度：1倍速：150KB/s（CD）,1350KB/s（DVD）主流CD光驱50倍速、52倍速

50倍速：50×150KB/s＝7500KB/s＝7.5MB/s3.输入/输出（I/0）设备输入设备将原始信息送入计算机的设备常见设备：键盘、鼠标、扫描仪、触摸屏、手写板、麦克风等输出设备将计算机处理和计算后所得的数据信息传送到外部设备常见设备：显示器、打印机、投影仪、绘图仪、音箱/耳机、刻录机等2.1.2计算机的结构总线（BUS）CPURAMROM辅助存储器接口辅助存储器输入设备接口输入设备输出设备接口输出设备总线类型（BUSTYPE）数据总线存储器、运算器、控制器和输入/输出设备部件之间传输数据信号的公共线路是计算机的一个重要指标（传输数据的能力）地址总线CPU向主存储器和输入/输出设备接口传送地址信息的公共通路控制总线存储器、运算器、控制器和输入/输出部件之间传输控制信号的公共通路2.1.3计算机的主要性能指标1.字长——计算机运算部件一次能同时（并行）处理（逻辑、算术运算）的二进制数据的位数是字节的整数倍：8、16、32（目前）、64位（部分）字长越长，运算精度越高。2.时钟频率（又称主频，指CPU