第二章_计算机硬件.ppt

1、第二章 计算机硬件,1.1 计算机的组成与分类,计算机逻辑组成 计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。 硬件系统遵循冯诺依曼提出的存储程序与程序控制的原理，由五部分构成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。图2-1是计算机的硬件组成示意图，也称计算机的五大部件。,P 6,五大部件中，CPU、内存储器、总线等构成了计算机的主机；外存储器、输入设备、输出设备构成了计算机的外围设备，简称外设。,CPU+内存储器+总线= 主机 外存储器+输入设备+输出设备= 外设,主机,外设,P 6,P 6,主板上包含：CPU插槽、CPU、内存条插槽、内存、总线、PCI插槽、AGP插槽、I/O控制器、BI

2、OS芯片、CMOS芯片等。,P 6,计算机分类 按内部逻辑结构分为：单处理机、多处理机(并行机)。 按字长分为：16 位机、32 位机或64 位计算机等。 按计算机的性能、用途和价格分为：,五大部件中?部件根据字长进行分类,P 6,计算机的主要性能指标 微处理器的发展标志：字长、结构、功能、晶体管数目和工作频率。 运算速度 用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量单位：次秒（每秒执行加法运算的次数）；MIPS（每秒钟可完成100万次整数运算）。 世界第一台计算机ENIAC的运算速度：5000 次/秒 字长 中央处理器中运算器和寄存器的宽度。即数据在运算器中做运算或存储时的二进制位数。

3、字长决定了计算的精度，字长通常是2的整数次幂。 微处理器字长演变： Intel 4004：4位 （1971年，世界第一个微处理器） Intel 8008，8080：8位 Intel 8086：16位 Intel 80386，80486，Pentium：32位,64位机 AMD,CPU的发展历史:,1971年.intel 4004，intel 的发展史就是从这块cpu,P 7,CPU的结构和原理,处理器：能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入信息进行各种处理的部件。 微处理器：简称P或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的处理器。 并行处理和多处理器系统：使用多个CP

4、U(Central Processing Unit)（2，4，8或更多）实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。,7,CPU的结构 中央处理器主要由三个部分组成，分别如下：,P 7,CPU的工作速度比内存要快得多，为了匹配两者的工作速度，发挥CPU的高速性能，CPU中增加了指令快存（cache）和数据快存（cache）两个高速存储器，使运算器所需要的数据大部分来自数据快存，所需要的指令也大半来自指令快存。 为了加快CPU中指令的处理速度，CPU在执行当前指令的同时，可以使用指令预取部件提前向主存或快存去取出一些准备要执行的指令。CPU采取“流水线”式

5、的工作方式和结构，实现了“超标量结构”。,CACHE的概念,P 7,指令和指令系统 指令 指令是对计算机进行程序控制的最小单位。指令用二进制位表示，规定计算机执行什么操作。 指令系统 CPU所能执行的所有的指令的集合称为计算机的指令系统或指令组（instruction set）。通常，指令系统中有数以百计的不同指令，例如：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、位操作指令、控制转移指令、输入/输出指令。 兼容问题 由于每种类型的CPU都有自己的指令系统，因此，某一类计算机的可执行程序代码未必能在其他计算机上运行，这个问题称之为计算机指令系统的“兼容性”问题。 同一公司的CPU产品通

6、常“向下兼容” 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。,CPU的性能 CPU的运算速度与CPU的工作频率、cache容量、指令系统、运算器的逻辑结构等都有关系。 工作频率 主频：CPU内部的时钟频率，是CPU进行运算时的工作频率。一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。但由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPU性能一样。 外频：即系统总线，CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。 倍频：CPU主频的计算方式变为：主频=外频倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频，CPU主

7、频也就越高。,总线速度,倍频只不过是主频与外频中间的一个虚拟参数, 起到协调作用,Cache容量 随着微机CPU工作频率的不断提高，RAM的读写速度相对较慢，为解决内存速度与CPU速度不匹配，从而影响系统运行速度的问题，在CPU与内存之间设计了一个容量较小(相对主存)但速度较快的高速缓冲存储器(Cache)，简称快存。CPU访问指令和数据时，先访问Cache，如果目标内容已在Cache中(这种情况称为命中)，CPU则直接从Cache中读取，否则为非命中，CPU就从主存中读取，同时将读取的内容存于Cache中。Cache可看成是主存中面向CPU的一组高速暂存存储器。这种技术早期在大型计算机中使用

8、，现在应用在微机中，使微机的性能大幅度提高。随着CPU的速度越来越快，系统主存越来越大，Cache的存储容量也由128KB、256KB扩大到现在的512KB或2MB。Cache的容量并不是越大越好，过大的Cache会降低CPU在Cache中查找的效率。,缓 存,讨论 : 计算机中各设备的所使用的单位参数,多选,实际与CACHE相连,存储体系 存储器概述 概念 存储器：存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等)的部件。计算机包括两大存储体系，分别是内存储器和外存储器，它们各有不同的特点和功能。 功能比较 内存储器(简称内存或主存) 存取速度快、容量相对小，价格相对高，一般使用DRA

9、M芯片组成，速度大约比CPU慢10倍。 直接与CPU相连接（CPU可直接访问）。 易失性，用于临时存放CPU正在运行的程序、正被处理的数据以及产生的结果数据。 存储介质：半导体芯片。,P 8,P 8,外存储器(简称外存或辅存) 存取速度慢、容量相对大，价格相对低。 不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用）。 非易失性，用于长期存放各类信息。 存储介质：磁盘、光盘、磁带等。,多选,P 8,内存储器由称为存储器芯片的半导体集成电路组成。半导体存储器芯片按照是否能随机地进行读写，分为只读存储器(Read Only Memory，简称ROM

10、)和随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)两大类，如图2-2所示,只读存储器 只读存储器(Read Only Memory，简称ROM)，是一种能够永久或半永久地保存数据的存储器，即使掉电（或关机）后，存放在ROM中的数据也不会丢失，所以叫做非易失性存储器。按照ROM的内容是否能改写，ROM可分为以下几类： Mask ROM（掩膜ROM），存储的数据由工厂在生产过程中一次形成，此后也无法进行修改。 PROM（Programmable ROM）和EPROM（Erasable Programmable ROM），用户可使用专用装置写入信息。前者不能改写，后者可以通过

11、专用设备改写其中的信息。 Flash ROM（快擦除ROM，或闪速存储器），一种新型的非易失性存储器，在低电压下，存储的信息可读不可写，而在较高电压下，存储的信息可以更改和删除。经常用于PC中的BIOS程序，还可使用在数码相机和优盘中。,P 9,随机存储器 随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，多采用MOS(金属氧化物半导体)型半导体集成电路芯片制成，属于易失性存储器。根据其保存数据的机理又可分为SRAM（静态随机存取存储器）和DRAM（动态随机存取存储器）两类。 SRAM SRAM芯片用于构造高速Cache（高速缓冲存储器），简称缓存。它的速度几乎与CPU一

12、样快。CPU需要的数据和指令首先从Cache中读取，如果Cache中没有，CPU再直接访问内存。Cache的一个重要指标就是“命中率”，即CPU需要的指令或数据在Cache中能直接找到的概率。 一般来说Cache容量越大越好，访问Cache的命中率就越高。由于成本原因，Cache的容量并不大，Cache分为一级缓存和二级缓存，应用的早期一级缓存被设计在CPU内部，二级缓存被设计在主板上，随着集成电路制造工艺的改进，现在一级缓存和二级缓存都被设计在CPU内部。二级缓存的容量要大于一级缓存的容量。 一级缓存（L1 Cache）（容量：几KB几十KB） 二级缓存（L2 Cache）（容量：128KB

13、1MB）,P 9,P 9,DRAM 一般使用DRAM芯片组成。由于DRAM存储器芯片的电路、工艺、存储控制技术的不同，目前市场上有多个DRAM的品种。比较流行的是：SDRAM、DDR SDRAM、双通道RDRAM。后者运算速率比前者更大。,P 9,计算机的存储是按照字节为单位进行存储的,3. DRAM相关的重要概念和计算 (1)存储容量 含义：指存储器所包含的存储单元的总数。 单位：MB（1MB220字节）或GB（1GB230字节） 每个存储单元（一个字节）都有一个地址，CPU按地址对存储器进行访问。 (2)存取时间 含义：在存储器地址被选定后，存储器读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写

14、入存储器）所需要的时间。 单位：ns（1ns = 10-9秒）,P 10,(3)常见内存条规格 单列直插式内存条（Single In-line Memory Modules，SIMM）：72线，数据线宽度32位。 双列直插式内存条（Double In-line Memory Modules，DIMM）：SDRAM，168线，数据线宽度64位；DDR SDRAM，184线，数据线宽度64位。 Rambus内存条模块（简称 RIMM内存条）,P 10,(4)CPU寻址大小计算 如果CPU的地址线宽为n，那么CPU的寻址大小是2n（B）,2.3.3外存储器专题 1. 软盘存储器 (1)软盘存储器的组

15、成 软盘片、软盘驱动器、软盘控制器、软盘存储器 (2)3.5英寸软盘片的信息存储模式与存储容量 两个记录面，即两个读写磁头(从0开始编号) 每个记录面有80个磁道(从0开始编号，0号磁道位于最外圈) 每个磁道有18个扇区(从1开始编号) 每个扇区存储512字节二进制数据 存储容量= 磁盘面数磁道数扇区数 512字节 =28018512（字节）=1.44MB,多选,P 10,(3)读写数据的最小单位：扇区 (4)操作系统在软盘上为文件分配存储区的单位：簇（2-8个扇区）,(6)软盘写保护 3.5英寸软盘片封装在一个开有读写窗的硬塑料保护壳中，读写窗被一个可移动的金属套（快门）保护着，写保护口处有

16、一块可以动的翼片，移动翼片，露出写保护口，信息就无法记录到盘片上，因而实现了写保护。(见下图),2. 硬盘存储器 (1)作用：长期保存各类信息 (2)特点：可读写，大容量，不便携带,P 10,(4)工作原理 硬盘的盘片由铝合金（最新的硬盘盘片采用玻璃材料）制成，盘片上涂有一层很薄的磁性材料，通过磁层的磁化来记录数据。,盘片本身不可存储数据,主要靠表面的磁性材料,柱面cylinder：所有记录面中半径相同的所有磁道 每个磁道有若干扇区 每个扇区存储512字节的二进制数据 存储容量= 磁盘面数（磁头数）*磁道数（柱面数）*扇区数*512字节,P 11,(6)主要性能指标 存储容量（单位：GB） 平

17、均等待时间（Average Latency Time） 指当磁头移动到数据所在的磁道后，然后等待所要的数据块继续转动到磁头下的时间。它是盘片旋转周期的1/2。 平均寻道时间（Average Seek Time） 指硬盘在盘面上移动读写头至指定磁道寻找相应目标数据所用的时间，它描述硬盘读取数据的能力，单位为毫秒。 平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间。平均访问时间是评价硬盘读写数据所用时间的最佳指标。,P 11,Cache容量（单位KB或MB） 与主板上的高速缓存（RAM Cache）一样，硬盘缓存的目的是为了解决系统前后级读写速度不匹配的问题，以提高硬盘的读写速度。 数据传输速率（单位MB

18、/s） 硬盘的传输率也是硬盘重要参数之一。它主要指硬盘的外部和内部数据的传输率，它们的单位为Mb/s(兆位/秒)。硬盘的外部传输率即硬盘的突发数据传输率，它一般指硬盘的数据接口的速率；而硬盘的内部数据传输率是指磁头至硬盘缓存间的最大数据传输率。外部速率大于内部速率，内部速率是评价硬盘数据传输速率的最佳指标。,P 11,(7)硬盘驱动器与主机的接口电路 功能：在主机与硬盘驱动器之间提供一个数据、地址和控制信号的高速通道，实现主机对硬盘驱动器的各种控制，完成主机与硬盘之间的数据交换。 接口电路： IDE接口（Integrated Drive Electronics集成驱动电子设备） SCSI接口（

19、Small Computer System Interface，小型计算机系统接口） SATA接口,P 11,3. 光盘 (1)光盘存储器概述 优点：成本低，存储密度高，容量大，可靠性高，不易受损，耐用，易于长期保存数据 缺点：读出速度和数据传输速度比硬盘慢得多 光盘存储器两大类型：CD光盘存储器，DVD 光盘存储器 (2)CD光盘存储器系列 CD光盘存储器的组成：CD光盘片，CD光盘驱动器（光盘刻录机）。如图2-4所示。,P 12,P 12,CD光盘片（Compact Disk,小型光盘 ） CD-ROM光盘片：只读光盘。不能删除也不能写入，只能读出盘中的信息。存储容量650MB，700MB

20、 CD-R光盘片：只写一次式光盘。只能写一次，写后不能删除和修改，只能读出。 CD-RW光盘片：可擦写型光盘。 信息存储原理。在盘片的信息记录层上沿螺旋形轨道(光道)压制出一系列凹坑，凹坑的两个边沿处均表示数据 “1”；其它平坦处表示数据 “0”。 信息读取原理。CD-ROM 光盘片放入光盘驱动器中，当被激光束照射时，凹坑的两个边沿处产生的反射光弱作为数据“1”看待；平坦处产生的反射光强作为数据“0”看待。,P 12,CD光盘驱动器 CD-ROM 光盘驱动器（简称：光驱）。主要性能指标：读取数据速度；单速：150 KB/S；4速（4X）： 4150KB/S；40速（40X）：40150 KB/

21、S；（一般转速也是单速光驱的40倍） CD-RW 刻录机。主要性能指标：读取数据速度，复写数据速度，刻录速度 （例如，40X , 12X , 40X），数据缓冲区的大小，兼容性（数据格式），有无刻不死功能等。 CD光盘驱动器的接口类型 SCSI接口、IDE接口、并行口和USB接口等多种,P 12,(3)DVD光盘存储器 DVD光盘存储器的组成：DVD光盘片（Digital Versatile Disk,数字多用途光盘，存储容量一般为4.7GB，最大可达 17GB），DVD 驱动器。如图2-5所示。,图2-5 DVD 光盘存储器体系,P 补充,碟片规格表： 盘片类型 直径 面数/层数 容量 播放

22、时间 cd-rom 12厘米 单面 650mb 最多74分钟音频 dvd-5 12厘米 单面单层 4.7gb 超过2小时视频 dvd-9 12厘米 单面双层 8.5gb 大约4小时视频 dvd-10 12厘米 双面单层 9.4gb 大约4.5小时视频 dvd-18 12厘米 双面双层 17gb 超过8小时视频,P 13,PC机主板及主要部件,主板部件 CPU插座、芯片组、第2级高速缓存(有些已做在CPU中)、内存储器插座(SIMM或DIMM)、总线插槽、BIOS ROM芯片、CMOS芯片、时钟、电池、I/O控制器、I/O端口、扩充卡等部件。 为了便于不同PC机主板的互换，主板的物理尺寸已经标准

23、化。目前使用得比较多的是ATX规格的主板。,P 13,2. 芯片组（Chipset） (1)功能 芯片组集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内，是构成主板电路的核心。CPU类型不同，通常需要使用不同的芯片组。CPU的系统时钟及各种与其同步的时钟均由芯片组提供。芯片组还决定了主板上所能安装的内存的最大容量、速度及可使用的内存条的类型。一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。,P 13,组成 通常我们可以在主板上找到2个芯片，这2个芯片就是南桥芯片和北桥芯片。 近CPU的那个芯片叫北桥芯片，我们平时说的815、845、865、915、945等就是指北桥

24、芯片的名称。北桥芯片是主板上最重要的芯片，主要负责与CPU内存显卡进行通讯，北桥芯片可以看成是CPU、内存、显卡之间的桥梁。 主板上另外一个就是南桥芯片，南桥芯片负责连接硬盘、USB接口、PCI接口等其他接口。南桥芯片和北桥芯片之间也有通道进行数据通讯。,P 13,2.4.2BIOS与CMOS 主板上还有两块特别有用的集成电路：一块是只读存储器（ROM），其中存放的是基本输入/输出系统（BIOS），它是PC机软件中最基础的部分。另一个集成电路芯片是CMOS存储器， (1)BIOS（Basic Input/Output System） 基本输入/输出系统，是存放在主板上只读存储器芯片（ROM）中

25、的一组机器语言程序，具有启动计算机工作，诊断计算机故障及控制低级输入输出操作的功能。是操作系统的最底层部分的可执行程序代码。由于BIOS存放在主板上只读存储器芯片（ROM）中，一般称该芯片为BIOS芯片。,P 13,BIOS包含4部分的程序，一般情况下是不能被修改的。 POST(Power On Self Test，加电自检)程序(检测计算机故障)。当接通计算机电源或按下Reset复位键时，系统首先执行POST程序，并根据CMOS中的配置信息对系统中各部件进行测试和初始化，目的是测试系统各部件的工作状态是否正常，从而决定计算机的下一步操作。测试中如发现不正常现象，POST程序会在屏幕上报告错误

26、信息。 系统自举（装入）程序（启动计算机）。自举程序按照CMOS中预先设定的外存启动顺序，并从中读出引导程序装入到内存，然后将控制权交给引导程序，由引导程序继续安装操作系统。 CMOS设置程序。在PC机进行自举程序前，用户若按下某一热键（如Del），就可以启动CMOS设置程序。进行相关信息的查看和修改。 基本外围设备的驱动程序（实现常用外部设备输入输出操作的控制程序）。以上工作过程中，键盘、显示器、软驱、硬盘等常用基本外围设备都需要参与工作。因此，它们的驱动程序必须存预先存放在BIOS中，成为BIOS的一个组成部分。,P 14,(2)CMOS芯片（互补金属氧化物半导体存储器） 存放用户对计算机

27、硬件所设置的一些参数（称为“配置信息”），包括当前的日期和时间，开机口令，系统中安装的软盘、硬盘驱动器的数目、类型及参数，显示卡的类型，Cache的使用状况，启动系统时访问外存的顺序等，这些数据非常重要，一旦丢失，系统将不能正常运行，甚至不能启动。 CMOS是一种半导体存储器芯片，使用电池供电，是易失性存储器，只要电池供电正常，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。 在启动过程中，若按下Del键（或其他键），进入CMOS设置程序，允许用户修改系统硬件的部分配置信息。,一般来说，在下列情况下需要启动CMOS设置程序对系统进行设置： PC机组装好之后第一次加电。 系统增加、减少或更

28、换硬件或I/O设备。 CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改。 用户希望更改或设置系统的口令。 系统因某种需要而调整某些设置参数。,P 14,2.4.3总线与总线带宽 I/O操作 概念 将输入设备输入的信息送入主存储器的指定区域，或者将主存储器指定区域的内容送出到输出设备。 特点 多数I/O设备在操作过程中包含机械动作，其工作速度比CPU慢得多。为了提高系统的效率，I/O操作与CPU的数据处理操作往往是并行进行的。 多个I/O设备必须能同时进行工作 除了键盘显示器鼠标器等基本的I/O设备之外，不同计算机所配置的I/O设备数量品种和性能差别很大，且经常需要增减和更新

29、I/O设备的种类繁多，性能各异，操作控制的复杂程度相差很大，与计算机主机的连接也各不相同,P 15,2. I/O接口 (1)概念 计算机中用于连接输入/输出设备的各种插头/插座以及相应的通信规程及电器特性。 (2)分类 从数据传输方式来分 串行端口（一次只传输1位）：COM1, COM2 并行端口（8位或者16位、32位一起进行传输）：LTP1,为了提高系统的效率,I/O操作与CPU的数据处理操作往往是进行的.,P 15,(3) USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）接口 特点 高速、可连接多个设备、串行传输 使用4线连接器，体积小，符合即插即用规范（Plug & P

30、lay,即PnP） 使用“USB集线器” 扩展机器的USB接口，最多连接127个设备 可通过USB接口由主机向外设提供电源（5V，100500 mA） 支持热拔插 USB的两个版本：1.1版，2.0版 传输速率：USB 1.1版： 12 MB/s；USB 2.0版：480MB/s (4) IEEE-1394（i.Link或FireWire）接口 主要用于连接需要高速传输大量数据的音频和视频设备。数据传输速度特别快（高达400 MB/s），连接器共有6线，采用级联方式连接外部设备，在一个接口上最多可以连接63个设备，设备间以菊花链方式进行转接。速度高于USB接口。,I/O控制器 I/O控制器是一

31、组电子线路，不同设备的I/O控制器的结构与功能不同，复杂程度相差很大。有些设备（如键盘、鼠标、打印机等）的I/O控制器比较简单，它们已经集成在主板的芯片组中。有些设备（如显示器、网络设备等）的I/O控制器比较复杂，且设备的规格和品种也比较多养，这些I/O控制器就制作成扩充卡（也叫适配器或控制卡），插在主板的PCI或ISA扩充槽中。I/O控制器的作用主要是负责控制I/O操作的全过程。并与CPU进行通信。,P 16,I/O总线 总线的分类 总线的英文名字是“bus”，它指的是计算机各部件之间传输信息的一组公用信号线。采用总线结构便于部件和设备的扩充，使用统一的总线标准，不同设备间互连将更容易实现。

32、 从总线的层次角度来看 系统总线包括：CPU总线、存储器总线、I/O总线。 从总线传输的信号角度来看 不管是何种层次的总线，都传输三类信号：数据信号、地址信号、控制信号，相应的都具备数据总线、地址总线和控制总线。 从总线标准的角度来看 系统总线制定的标准有：ISA总线、EISA总线、PCI总线、Compact PCI总线，目前微机中流行的系统总线标准是PCI总线。ISA总线的位宽是16位，PCI总线的位宽宥32位和64位两种。,P 16,输入设备,I/O接口：PS/2接口，USB接口，无线接口（用于无线键盘）,分类（按结构） 机械式鼠标：结构简单，价格便宜，但准确性和灵敏度较差 光电式鼠标：速

33、度快，准确性和灵敏度高，寿命长。（需要专用垫板） 光机式鼠标：精度较高，不需特殊衬垫 连接到主机的接口：RS232串行口（9针D形）；PS/2接口（6针圆形）；USB接口；无线鼠标。,扫描仪 作用：将图片（照片）或文字输入计算机的一种输入设备。 工作原理：接收从稿件上反射回来的光线，经过光电转换成电信号，获得数字图像。CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）实现光电转换。 扫描仪性能指标（07 单选） 分辨率：用每英寸生成的像素数目（dpi）表示。一般为：6001200dpi，12002400dpi 颜色位数：位数越多，反映的色彩就越丰富。一般为：24位、30位、36位 幅面：原稿的最大尺寸。一般为：A4，A3等 扫描仪分类 手持式扫描仪：操作人员用手拿着扫描仪在被扫描的图件上移动。只适用于扫描较小的图件 平板式扫描仪：主要扫面反射式稿件，在家用和办公自动化领域用的最广。 胶片扫描仪和滚筒扫描仪：属于高分辨率扫描仪，多数用在专业印刷排版领域。 I/O接口：SCSI接口、USB接口、Firewire接口。,数码相机（数字相机） 作用：图像输入设备。不需要胶卷和暗房，能直接将数字形式的照片输入 电脑进行处理，或通过打印机打印出来，或与电视机连接进行观看。 性能指标：CCD像素的数目越高最终所得到的影像的分辨率（清晰度）就越高，