第2章 计算机硬件系统

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计算机硬件系统

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\◎3《大学计算机基础》

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大学讦算机基础

主要内容：

A计算机系统的组成

A微型计算机主机系统

»常用外部设备的一般工作原理

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§2.1.1计算机基本工作原理

»指令和程序

»计算机的一般工作过程

A程序的执行方式

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1.指令和程序

A指令：计算机能够识别的“命令”；指

令是对计算机进行程序控制的最小单位。

»指令系统：计算机能够识别的所有指令

的集合。指令系统是软件与硬件的界面。

A程序：为解决某一问题而设计的按一定

顺序组织在一起的指令序列称为程序。

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C语言程序段

例如，比较输出两数中的较大值的c语言程

序如下：

if(a>b)

printff'themaxnumberis”,a);

elseprintf^themaxnumberis”,b);

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指令格式

A指令是用来规定计算机执行的操作和操作对象

所在存储位置的一个二进位串

■一条指令由操作码和地址码两部分组成。例如二地址指

令格式如下：

操作码地址码1地址码2

LOAD1,[300]指令码目标操作数源操作数

说明指1令的功能说明指令操t作的对象-

■操作码：具体说明指令的性质或功能，每条指令只有一个操作码

■地址码：包括着操作数的来源，结果的去向或下一条指令的地址等

信息，不同指令中地址码的个数可以不一样。

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2•计算机的工作过程j

A计算机的工作过程就是执行程序的

过程

程序-------------------------执行结果

输入设备内存储器

地址/指令/数据

微处理器

控制命令控制命令

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L“存储程序”工作原理

>1945年美籍匈牙利科学家冯•诺依曼(VonNeumann)提出了一个

“存储程序”的计算机方案。

口采用二进制编码形式表示数据和指令。

口执行的程序存储在内存中，计算机能够自动

依次从内存中取出指令执行。

口计算机由运算器、存储器、控制器、输入和

输出五大基本部件组成。

>其工作原理的核心是“程序存储”和“程序控制”。

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冯•诺依曼机的特点：

A将计算过程描述为由多条指令按一定顺

序组成的程序，并放入存储器保存。

A指令按其在存储器中存放的顺序执行；

＞由控制器控制整个程序和数据的存取以

及程序的执行；

A以运算器为核心，所有的执行都经过运

算器。

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指令执行的一般过程

取指令—>分析指令一读取操作数

执行指令一存放结果

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计算机执行程序的方式

A顺序执行：一条指令执行完了再执行

下一条指令。P46图2-4

»并行执行：同时执行两条或多条指令。

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两种执行方式的比较

＞并行执行方式：（假设指令执行分为三个步骤）

,取指令1■分析.执行

指令1L，指令］

取指令2.分析.执行

指令2一指令2

取指令3■分析.执行

.指令3.指令3

»执行时间：T=3At+(n-1)At

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两种执行方式的比较

＞顺序执行方式：（假设指令执行分为三个步骤）

执行时间=取指令+分析指令+执行指令

A例：

设三个部分的执行时间均为At,则执行n条

指令时间£为：

T0=3nAt

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两种执行方式时间的比较

A相对于顺序执行方式，并行执行的加

速比：

S=T0/T

=3nAt/(3At+(n-1)At)

=3n/(2+n)

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2.计算机系统的概念结构

运算器

r中央处理器，寄存器

I控制器

「主机部分《r只读存储器（ROM）

内存储器［随机读写存储器（RAM）

输入/输出接口

＜硬件系统＜

总线

计

，外存储器（硬盘、软盘、光盘、优盘）

算

机外围部分1输入设备（键盘、鼠标、扫描仪）

系、输出设备（显示器、打印机）

统

「系统软件(DOS、Windows>UNIX、Linux等)

1软件系统

〔应用软件(Office、Photoshop>Flash

等)

OceanUniversityOfChinaDreamweaver

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软件系统

A软件：为运行、管理和维护计算机系统

或为实现某一功能而编写的各种程序的

总和及其相关资料。

,操作系统

系统软件管理、监控和维护计算机软硬件资源的软件

■系统应用程序

软件

—应用程序的开发和运行提供支持的软件平台

应用软件

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3.计算机系统的层次结构

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大学计算机基础计算机硬件系统

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§2.2主机系统

A主机系统的物理构成

A主机系统的逻辑构成

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§221主机板

>CPU插座

A芯片组（固定在主板上的一组超大规模集成电路芯片总称）

>内存插槽

A系统BIOS（含上电自检、系统初始化、系统设置）

>CMOS（存储系统配置信息）

>总线扩展槽

A串行、并行接口

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＞教务处网络教学--课程文档—-CAI课件-

—计算机硬件组装练习

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主机系统的逻辑构成

「中央处理器（CPU）

存储器

输入/输出接口

I总线

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L中央处理器CPU

A是计算机的核心，由控制器、运算器、

寄存器组和辅助部件组成。

图2・lPentiumMMX处理器

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CPU三部分组成

口运算器ALU：加工、处理数据的部件，主要完成对数

据的算术运算和逻辑运算。

口控制器：计算机的控制部件，它控制其他部件协调

统一的工作，并能完成对指令的分析和执行。

口寄存器组：用来暂时存放数据的部件。用来存放当

前运算所需的各种操作数、地址信息、中间结果等

内容。

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和石由住

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CPU工作频率不断提高，

而PC机的一些其他设备

（如插卡、硬盘等）却受

CPU性能指标到工艺的限制，不能承受

更高的频率，倍频技术使

CPU内部工作频率变为外

部频率的倍数，使外部设

备可以工作在一个较低外

频上，而CPU主频是外频

的仰•数。一

主频：CPU的时钟频率。是指CPU在单位时间（s）内发出

的脉冲数。时钟频率越快，计算机的运曼速鸟也越快。

L3GHZoj主板为CPU提供的'

外频：主.频二外频*倍频=<时钟频率，

字长：字长是指计算机能直接处理的二进制信息的位数。

高速缓冲存储器Cache：提高CPU访问内存储器的速度。

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2.存储器

A定义：

用于存放计算机工作过程中需要操

作的数据和程序。

r内存储器

;外存储器

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内存储器

特展存取速度较快，容量相对较小。

1.随机存储器(RandomAccessMemory)

可读写的易失性存储器

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2.CMOS存储器

CMOS是电脑主板上的一块可读写的RAM芯片,

用它来保护当前系统的硬件配置和用户对某些参数的

设定（开机时按下DEL键进入设置界面）

CMOSRAM是随机存储器，具有断电后消除记忆的

特点，人们就想到了使用电池保持其存储内容的方法。

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<http：//>GuxingSoft

CMOSSETUPUTILITY

AWARDSOFTWARE,INC.

STANDARDCMOSSETUPINTEGRATEDPERIPHERALS

BIOSFEATURESSETUPSUPERUISORPASSWORD

CHIPSETFEATURESSETUPUSERPASSWORD

POWERMANAGEMENTSETUPIDEHDDAUTODETECTION

PNP/PCICONFIGURATIONSAUE&EXITSETUP

LOADBIOSDEFAULTSEXITWITHOUTSAUING

LOADOPTIMUMSETTINGS

Esc：QuitT-l-><-：SelectItern

F10：Saue&ExitSetup(Shift〉F2：ChangeColor

Time，DateFHardDisk.Type...

<>GuxingSoft

STANDARDCMOSSETUP

AWARDSOFTWARE,INC.

Date<nn：dd：yy>：MonApr152002

Tine<hh：nn：ss>：10:58：28

HARDDISKSTVPESIZECYLSHEADPERCOttPLANDZSECTORMODE

4255063BA

PrimaryMaster：User6449M7800000

PrinarySlave：None0M00000

SecondaryMaster：None0M00000

SecondarySlave：None0M

DriveA：1.44M1.3.5in.

DriueB：NoneBaseMemory：640K

Floppy3ModeSupport：DisabledExtendedMemory：64512K

OtherMomory：384K

Uideo：EGA/UGA

HaltOn：NoErrorsTotalMemory：65536K

ESC：QuitTI-><-：SelectItemPU/PD/+Z-：Modify

OceanUniversityFl：Help(Shift〉F2：ChangeColor

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3.只读存储器（ReadOnlyMemory）:

ROM:存放BIO、

特点：可随即访问?写入。ROM中的指令是永久的。

BIOS（基本输入输出系统）

A固化于ROM中的程序，用

来引导计算机启动

»上电自检

A初始化

A系统设置（系统设置:装入或

更新CMOSRAM中的参数）

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内存储器

几个概念：

＞内存单元的地址和内容

A内存容量

»内存的操作

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内存单元的地址和内容

A内存所含存储单元的个数为内存的容量，以字节为单位

A每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容

的寻址。

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内存操作

»读：将内存单元的内容取入CPU,原

单元内容不改变；

A写：CPU将信息放入内存单元，单元

中原来的内容被覆盖。

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内存储器地址

Il43H

44H

45H

46H

47H

48H

849H

内存储器地址

31—'43H

5444H

45H

例46H

6847H

48H

8

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内存储器地址内存储器地址

写操作W

34l|43H3443H

J44H

5454I44H

控制总线

67145H6745H

3546H地址总线3546H

68

47H数据总线

124目48H

H)49H

8

内存储器地址

3443H

5444H

6745H

例3546H

6847H

12448H

8J49H

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§2.3.2外存储器

联机外存----硬盘

＜软盘

光盘

脱机外存

可移动磁盘

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1.软盘

»存储格式----------------写保护口，现处于保护状态

»格式化

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磁盘结构

周磁道(cylinders)0磁道中存

有文件分配表(FAT)信息

昌扇区(Sectors,512字节)

品簇(Cluster)一个磁道上的一

个或更多扇区组合成一个簇，簇

是DOS用来存储文件信息的最

〃、单位。

磁盘结构及磁道扇区划分

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软盘格式化

重新划分磁道/扇区

容量二磁盘面数X磁道数/面X扇区数/磁道X字节数/扇区

容量=2X80X18X512（字节）

=1474560（字节B）

:::::芬

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2.硬盘

A磁盘工作原理

A磁盘信息存储格式

厂记录面=磁头数

।磁道

I柱面：所有记录面上同一编号的磁道

I扇区：每个扇区容量为512字节

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硬磁盘

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硬盘的结构

磁道

柱面

扇区

柱面、磁头、扇区

唯一确切的扇区：

1磁头、0柱面、12扇区

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硬磁盘

A硬盘的存储容量

=磁头数X柱面数X扇区数X扇区容量

A例：

若已知磁头数为16,柱面数为4096,扇区数

为63,扇区容量512字节，贝卜

硬盘容量=16X4096X63X512=2.1GB

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硬磁盘

»硬盘接口标准

fEIDE简单，成本低；传输速度低，连接设备少,

|CPU占有率高。

「SCSI传输速度高，可靠性好，CPU占有率低，

连接设备多；构造复杂，成本较高。

接口图

IDE1接硬盘或光驱

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3.

r只读光盘CD—ROM

一次性刻录光盘CD—R

A光盘的种类

可擦写光盘CD—RW

DVD数字视盘

»主要技术指标：容量、传输率、读写时间

最早的为

150KB/S,记为

IX,50X——？

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媒M8章

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4.可

AUSB硬盘

爱国者移动加密硬盘-

军用型40GB

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