计算机硬件系统与教学课件

计算机的硬件系统

1.4计算机的硬件系统

通过前面的学习，我们已经了解现代计算机硬件的五大基本组成部件，但目前计算机发展迅速，具体硬件设备种类较多，所以本节将以生活中经常接触的微型机为例，讲解常见的硬件结构及设备。微型机：它是以微处理器为核心，配上外围控制电路、存储模块电路、输入输出接口电路并通过微型机系统总线的连接所组成的计算机。微型机的基本部件是显示器、键盘、鼠标和主机，如图1-10所示。zxxkwzxxkw计算机的硬件系统1.4计算机的硬件系统zxxkwzx1主机

1.4.1主机

主机指计算机中放置了主板及其他主要部件的容器(mainframe)，在主机箱内通常包括有主板、CPU、内存、硬盘、光驱、软盘驱动器、电源、显卡、网卡、声卡等等，如图1-11所示。通常主机自身已经是一台能够独立运行的计算机系统，服务器等有专门用途的计算机通常只有主机，没有其他外设。

主机1.4.1主机2总线1.4.2总线和接口1．总线计算机各功能部件相互传输数据时，需要有连接它们的线路通道，这些公共通道就称为总线（BUS）。总线能同时传送的二进制数据的位数被称为总线的位宽，总线的位宽越宽，每秒钟数据传输率就越大。按照线路中所传输信息的种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线：数据总线(DB)用于传输数据信息，它是CPU同各部件交换信息的通道,数据总线都是双向的。地址总线(AB)用来传送地址信息，CPU通过地址总线把需要访问的内存单元地址或外部设备的地址传送出去。通常地址总线是单方向的。地址总线的位宽决定了寻址的范围，例如8位微型机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为216B＝64KB，反过来寻址1MB的地址空间，需要有20条地址线.控制总线(CB)用来传输控制信号，以协调各部件的操作，它包括CPU对内存储器和接口电路的读写信息、中断响应信号等。目前微型机中常用的有USB（UniversalSerialBus）、IEEE1394、PCI、SCSI、ATA、SATA等各种总线标准。如果某一设备要通过总线传输信息，就要遵循该总线标准，因此我们也经常用设备遵循的总线类型来统称该类设备，如USB设备。zxxkw总线1.4.2总线和接口zxxkw3接口

2．接口

通常，我们把两个部件之间的交接部件称为接口。因为经常两个部件之间在数据格式、工作速度及方式等方面存在差异，使其不能直接进行数据交换，这就需要接口电路的变换，把二者匹配起来，由此出现了专门的接口设备——适配器，如显卡、网卡、声卡等，如图1-12所示。主机实际上是通过系统总线连接到接口，再通过接口与外部设备相连接，如图1-13所示。接口2．接口4主板

1.4.3主板主板也叫系统板或母板，是微型计算机中最大的一块集成电路板。其中主要组件包括：CMOS、基本输入输出系统（BIOS）、高速缓冲存储器、内存插槽、CPU插槽、键盘接口、软盘驱动器接口、硬盘驱动器接口、总线扩展插槽（PCI等扩展槽）、串行接口（COM1，COM2）、并行接口（打印机接口LPT1）等，如图1-14所示。zxxkw主板1.4.3主板zxxkw5集成主板图

主板是计算机中最重要的部分，它基本决定了整个系统的性能、稳定性和兼容性，承担着系统部件的连接和数据传输功能，是硬件资源的调度中心。现在的主板通常都集成了一些外部设备的适配卡，如声卡、显卡、网卡等，如图1-15所示。使用这样的主板就没有必要再单独配置适配卡了，但这种集成方式的主板也存在一些问题，如部分集成卡的性能不高、容易损坏、不易升级等。zxxkw集成主板图主板是计算机中最重要的部分，它基本决定6CPU

1.4.4微处理器CPU（centralprocessingunit）意为中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器等组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器(MPU)，如图1-16所示。CPU1.4.4微处理器7CPU简介1．简介1971年，Intel公司推出了世界上第一款微处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器，它包含2300个晶体管；随后8位、16位及32位微型处理器芯片的先后出现，使微型机的广泛应用成为可能；之后Intel公司先后推出著名的“奔腾”、“安腾”、“酷睿”系列，微型机的性能得到进一步提高，以奔腾4处理器为例，该处理器最初推出时就拥有4200万个晶体管和仅为0.18微米的电路线；首款微处理器4004的运行速率为108KHz,而奔腾4处理器的初速率已经达到了1.5GHz。其他CPU生产商：AMD公司：AMD公司是Intel公司最有力的挑战者，其最新的AMD速龙IIX2和羿龙II具有很好性价比，其在3D上有很好的表现。IBM：IBM的优势在于高端的实验室、工作室的非民用CPU。IDT公司：IDT是处理器厂商的后起之秀，但现在还不太成熟。VIA威盛公司：VIA威盛是台湾一家主板芯片组厂商，收购了Cyrix和IDT的CPU部门，推出了自己的CPU。国产龙芯(GodSon)：是国有自主知识产权的通用处理器，目前已经有2代产品，已经能达到现在市场上Intel和AMD的低端CPU的水平zxxkwCPU简介1．简介zxxkw8CPU性能指标

2．CPU的主要性能指标

主频主频也叫时钟频率，单位是MHz（或GHz），用来表示CPU的运算、处理数据的速度。主频影响着CPU的运算速度，但不代表CPU的整体性能，CPU的运算速度还要看CPU的流水线、总线等等各方面。字长计算机技术中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位(4个字节)的二进制数据。一般字长决定计算机的运算精度，字长越长，计算机的运算精度越高。缓存缓存大小也是CPU的重要指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大，CPU内缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时，CPU往往需要重复读取同样的数据块，而缓存容量的增大，可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率，而不用再到内存或者硬盘上寻找，以此提高系统性能,但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑，缓存都很小。

CPU性能指标2．CPU的主要性能指标9存储器

1.4.5存储器存储器（Memory）是计算机系统的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。存储器是用来存储程序和数据的部件,有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证计算机能够自动工作。存储器的存储容量是用最小单位bit(位/比特)、基本单位Byte(字节)以及KB(千字节)、MB(兆字节)、GB(吉字节)、TB(太字节)等表示。一般存储器的一个存储单元有1个字节的容量。在实际的微型机系统中，采用分级的方法设计整个存储系统，将存储器系统从内外分为三级，即高速缓冲存储器(缓存)、内部存储器(内存)和外部存储器(辅存)。它们之间的性能和价格的比较见表1-4所示。

项目

缓存

内存

辅存

速度快中慢容量小中大价格高中低zxxkw存储器1.4.5存储器项目缓存内存辅存速度快10内存1．内部存储器内部存储器简称内存，主要用来存放计算机执行中的数据和程序,CPU要操作的数据及程序大都要通过内部存储器来获得。内部存储器采用半导体技术，它的存取速度比较快，但由于价格等原因，其容量一般不能太大，随着微型机档次的提高，其容量可以逐步扩充。按内部存储器的读写功能通常可以分为只读存储器和随机存取存储器。（1）只读存储器也称ROM（ReadOnlyMemory），其存储的内容一般是由厂家一次性写入永久保存的，即使计算机断电，内容也不会丢失；用户只能读取其中的已有内容，而不能再写入新内容。只读存储器通常用来存放系统的一些监控程序、管理程序、检测程序等信息，例如BIOS系统。（2）随机存储器也称RAM（RandomAccessMemory）其特点是可以读写，通电时存储器内的内容可以保持，断电后存储的内容立即消失。随机存储器用来存放运行过程中的程序和数据。RAM又可分为动态（DynamicRAM）和静态（StaticRAM）两大类：

内存1．内部存储器11内存（图）动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件的。由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，因此称其为动态存储器。DRAM的特点是集成密度高，主要用于大容量存储器，例如我们经常所说的内存条就是使用DRAM进行集成的一块电路板，目前容量大都在1GB以上，如图1-17所示。静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的,它没有电容放电造成的刷新问题，只要有电源正常供电，其就能稳定地存储数据。SRAM的特点是存取速度快，主要用于缓冲存储器。注：我们经常所说的“内存大小”是指插在主板上的内存条的容量大小，不包含其他内部存储器的容量。

内存（图）动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储12缓存

2．高速缓冲存储器高速缓冲存储器应该属于内部存储器的一种，但为了说明存储系统的分级设计，我们对其单独归类说明。高速缓冲存储器简称缓存或Cache，是介于CPU与内存之间的存储器。计算机运行时需要CPU从内存中读写程序或数据，但因为硬件技术原因，CPU的运行速度要远高于内存的运行速度，影响了器件的运行效率，为解决该问题，专家们引入了高速缓冲存储器。当CPU在读写数据时，首先访问从内存中读取数据进行预存的Cache，如果Cache中有要操作的数据，就从Cache中取得数据；当Cache中没有所需数据时，CPU才去访问内存。因为Cache的运行速度远比内存快，使得CPU能迅速完成操作且减少访问内存的次数，进而提高了计算机整体的工作速度，大致过程如图1-18所示。CacheCPU内存外部存储器缓存2．高速缓冲存储器CacheCPU内存外部存储器13软盘

3．外部存储器外部存储器也称为辅助存储器，简称辅存，用于存储暂时不用的程序和数据。由于计算机系统的内存容量有限，大部分数据断电后消失，不能长期保存，因此计算机系统都配置大容量且断电后仍能长期保存数据的外部存储器。外部存储器中的数据不能直接被CPU操作，需要先将外部存储器中的数据先读取到内存中，经过CPU操作后，再经内存写回外部存储器，如图1-18。目前，常见的外部存储器有软盘、硬盘、光盘、U盘、移动硬盘等：（1）软盘（FloppyDisk）软盘由软盘片和保护套构成。软盘片是覆盖磁性涂料的易损的塑料片，可用来储存数据，是软盘的核心部件。软盘的读写是通过软盘驱动器完成的。目前常见的就是3.5英寸软盘，如图1-19所示。该软盘有一写保护口，在写保护状态下，只能从软盘中读取数据，不能写入数据；非写保护该状态下则可正常读写数据。软盘3．外部存储器14软盘（图）3.5英寸软盘其软盘片上、下两面各被划分为80个同心圆式的磁道，每个磁道被划分为18个扇区，每个扇区的存储容量固定为512字节，其中扇区是软盘的基本存储单位，见图1-20所示。因而利用公式计算得：3.5英寸软盘存储容量=2×80×18×512B≈1.44MB。现今软盘因容量较小且容易损坏，加上u盘的广泛应用，其已经基本被淘汰。

zxxkw软盘（图）3.5英寸软盘其软盘片上、下两面各被划分15硬盘

（2）硬盘(HardDiscDrive)硬盘作为微型机的主要外存储器，它将硬磁盘、硬盘驱动器封装在一起，其部件大都密封在一个金属腔体内，用户通常看不到，如图1-21所示，硬盘一般固定安装在主机箱的内部。硬磁盘由若干张合金盘片叠加而成；每张盘片的两面都涂有磁性材料，用于存放数据；每面都对应一个用于读写数据的磁头，如图1-22所示。硬盘工作时由驱动器马达带动盘片高速旋转，磁头沿盘片径向移动，完成数据的读写操作。zxxkw硬盘（2）硬盘(HardDiscDrive)zxxkw16硬盘容量参数

由于人们采用与软盘类似的结构生产硬盘，如图1-23所示，所以硬盘的存储容量取决于：磁头数(Heads)：表示硬盘总共有几个磁头，也就是有多少盘片盘面；柱面数(Cylinders)：表示硬盘每一面盘片上有几条磁道；扇区数(Sectors)：表示每一条磁道上有几个扇区；每个扇区一般是512个字节。因此硬盘容量的计算公式为：硬盘容量=磁头数×柱面数×扇区数×512B。目前单个硬盘的最高容量已经达几TB，市面上常见的硬盘一般都有几百GB的容量。硬盘容量参数由于人们采用与软盘类似的结构生产硬盘，17光盘

（3）光盘(CompactDisk)光盘是不同于磁性载体的光学存储介质，其利用光学原理进行数据的读写。光盘数据的读写也需要专门的设备——光驱。按光盘的数据读写方式，光盘分为两类：一类是只读型光盘；另一类是可记录型光盘，用户既可以从中读取数据，又可以写入甚至修改数据。光盘（3）光盘(CompactDisk)18U盘

（4）U盘(USBflashdisk)U盘全称“USB闪存盘”，它是一个无需物理驱动器的微型高容量移动存储器，可以通过USB接口与计算机连接，实现即插即用，如图1-25所示。中国朗科公司是世界上U盘的第一个发明者。U盘最大的优点就是：小巧便于携带、存储容量大、价格便宜、性能可靠，抗震性能极强。U盘（4）U盘(USBflashdisk)19移动硬盘

（5）移动硬盘(MobileHarddisk)移动硬盘顾名思义是以硬盘为存储介质，强调便携性的存储产品，见图1-26所示。市场上绝大多数的移动硬盘都是以标准硬盘为基础的，价格因素决定着主流移动硬盘还是以标准笔记本硬盘为基础。因为采用硬盘为存储介质，因此移动硬盘在数据的读写模式与标准硬盘是相同的。移动硬盘多采用USB、IEEE1394等传输速度较快的接口，可以较高的速度与系统进行数据传输。移动硬盘（5）移动硬盘(MobileHarddisk)20键盘

1.4.6输入/输出设备1．输入设备输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制存入到计算机存储器中。微型机的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、操纵杆、光笔等。下面介绍常见的输入设备键盘和鼠标。（1）键盘（Keyboard）键盘是目前计算机系统中最基本的输入设备之一，一般通过一根电缆线与主机相连接，当然也有无线键盘，键盘上包括数字键、字母键、符号键、功能键及控制键等。键盘的按键数常见的有104键、107键等，键盘的电缆线接口常见的有PS/2接口和USB接口。

键盘1.4.6输入/输出设备21鼠标

（2）鼠标（Mouse）

鼠标也是目前计算机系统中最基本的输入设备之一，它可以对当前屏幕上的光标进行定位，并通过按键和定位装置对光标所经过位置的屏幕元素进行操作。鼠标操作简便、高效，一般可进行单击、双击、拖动等操作。目前按照按键的数目，可分为两键鼠标、三键鼠标及滚轮鼠标等；按照鼠标接口类型，可分为PS/2接口的鼠标、串行接口的鼠标、USB接口的鼠标；鼠标按其工作原理，可分为机电式鼠标、光电式鼠标、无线遥控式鼠标等；如图1-28所示。鼠标（2）鼠标（Mouse）22显示器

2．输出设备输出设备用于将存储器中的由计算机处理的二进制结果转变为人们能接受的形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。（1）显示器（Display）显示器是向用户直接显示计算机处理结果的设备，是计