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大学计算机基础-第2章-计算机硬件_图文

发布时间:

计算机应用基础
主讲人:徐光达

计算机硬件系统

早期计算机奠基人
? 首次提出程序存储概念 ? 设计形成早期计算机结构 ? 目前计算机基本上仍采用
冯·诺依曼

冯.诺依曼计算机结构
? 计算机采用二进制码存储与处理 ? 在内存中存储程序与数据 ? 计算机由五大部件组成









/

/









控制器



地命







址令













/

/









程序/数据

存储器

数据

程序/数据

输入设备

数据

运算器

数据

图2.1 冯·诺依曼结构计算机

输出设备

数据

微机的硬件组成结构
? 现代微机由CPU、内存、总线、I/O接口和I/O设备组成

数据总线DB

C

地址总线AB

P

控制总线CB

U

内存

I/O接口

主机

I/O设备 图2.5 微型计算机的概念结构

微型计算机系统的概念结构

微型计算 机系统

硬件 系统
软件 系统

主机

CPU 内存储器 输入/输出接口 总线

外部存储器(硬盘、光盘、优盘) 外部 输入设备(键盘、鼠标、扫描仪) 设备 输出设备(显示器、打印机)

其他(网卡、显卡、声卡、视频卡)

系统 软件

操作系统 语言编译系统 工具软件

网络系统

应用 OA软件

软件 管理信息系统

图像处理系统

硬件系统
整个系统运行的物理平台
主机 外部设备
硬件系统的核心是主机,主机的核心是CPU

计算机系统的分类
?按综合指标
CPU个数及主频、内外存容量、外设配备等 ? 巨型计算机 ? 大型计算机 ? 中型计算机 ? 小型计算机 ? 微型计算机

微型计算机工作原理
? 指令和指令系统 ? 程序 ? 计算机的一般工作过程 ? 程序的执行方式

指令的概念

? 指令:计算机能够识别并执行的“操作命令”

? 指令一般由操作码和操作数组成

指令码

操作数

表示功能(操作) 表示操作的对象
指令码 目标操作数 源操作数

指令举例

机器语言指令:10110000 00001111 15→累加器A

00101100 00001010 10 + A → A

11110100

结束,停机

机器语言指令:MOV A , 15 ADD A , 10 HLT

15→累加器A 10 + A → A 结束,停机

C++语言指令:A=15+10
RETURN

10 + A → A 结束,停机

ACCESS数据库SQL查询指令?

程序的概念

开始

? 程序:为完成某个任

务,按一定顺序组织

指令1

在一起的指令序列

指令2

? 程序是让计算机按人

指令3

程 序

们事先安排好(设计好)

的流程进行工作



指令n

结束

计算机的工作过程
计算机的工作过程就是执行程序的过程
? 计算机是在程序的控制下工作的 ? 人们事先编写设计好程序 ? 并将程序输入到计算机中存储起来 ? CPU根据程序中的指令控制计算机各个部件工作 ? 各个部件根据指令码规定完成各种动作

程序控制示意图
存储器
中央处理器
程指序令 指令 指令 指令 指令 指指令令
运算器 控制器
程序
程序 程序程序程序 程序

指令执行的一般过程
取指令

分析指令

读取操作数

执行指令

存放结果

程序执行过程

程序 ↓
取下一条指令

分析指令

结束

执行指令


结束程序

计算机工作原理小结
以中央处理器为核心的程序控制的工作原理
?程序与数据在计算机中均按二进制存储 ?要执行的程序和处理数据,必须先存储在内存中 ?在CPU的控制下,自动从存储器中取出指令并执行,
完成各种动作。 ?指令处理方式按逻辑顺序一条条指令地处理:
?在运行时,从内存中取出一条指令; ?按指令要求,从存储器中取出数据进行指定运算; ?按地址把结果送到内存中去。 ?再取下一条指令,重复上述操作,直到结束为止。

微机主机系统
? 主机系统的逻辑结构 ? 主机系统的物理结构

主机系统的逻辑结构

? 主机系统的逻辑结构,它包括以下基本部件:

? 主板

? CPU

电源

光驱

软驱

? 内存

CPU (带风扇)

? 硬盘驱动器

内存条

? 软盘驱动器 主板

北桥

? 光盘驱动器

显示 接口

南桥



? 各种接口卡

硬盘

? 电源

图2.11 主机内部安装的部件

中央处理器

? 中央处理器简称CPU,主要包括:
? 运算器 进行加、减、乘、除运算 ? 控制器 包括取指令、取数、运算顺序的控制 ? 寄存器组 暂时存放中间的运算结果

通用寄存器

控制器

运算器

专用寄存器

微处理器

(a)Pentium4

(b)Celeron

(c)Core 2 duo

(d)Athlon64 FX

(e)Sempron 图2.13 流行的x86系列CPU

(f)Athlon64 X2

CPU的性能指标
§ CPU的性能是计算机系统的主要技术指标之一。 § 主要性能指标:
§ 速度(主频):指每秒执行指令的条数或每秒主频振 荡的次数;条数用MIPS来表示,即每秒百万条指令; Pentium Pro”可达400MIPS;主频振荡用MHZ来表示, 即每秒百万次;“Pentium Ⅳ”达 2.8GHZ,最快的微 处理器主频达4GHz。
§ 字长:指CPU一次所能处理的数据的二进制的位数。 如果字长是16位,要处理64位的指令就要读取4次。 80386以下的CPU为16位字长,80386及以上的CPU为32 位字长。
§ 指令集:指令集功能强,计算机处理能力就强 § 高速缓存:匹配CPU和内存储器之间的速度的存储器 § 内核:将多个CPU核心集成在一起。16核甚至更多

双核的概念
? 双核处理器是指在一个处理器上集成两个运 算核心,从而提高计算能力
? 在处理多线程、多进程任务的时候相对单核 CPU具有明显速度优势。然而在处理单进程 任务的时候,双核技术的优势并不明显
? Intel PENTIUM Dual-Core奔腾双核 ? Intel CORE 酷睿双核

存储器
用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序器件
内存储器 外存储器
? 要运行的程序和要处理的数据都存放在内存中 ? 文件和程序在外存中永久保存

内存储器
? 内存储器由存储体、地址寄存器、数据寄存器、 译码器及读写电路等组成
? 因在主板上、CPU直接控制存取而得名“内存” ? 内存分为:
⑴ 随机存储器RAM,供用户使用。 (Random Access Memory)
⑵ 只读存储器ROM,供系统使用。 (Read Only Memory)
? 内存的性能指标是:
? 容量 越大越好;目前在128MB~8GB ? 速度 存取数据的速度;一般在60 ~120 ns(毫微秒
10-9 s)

插槽 内存条

内存单元的地址和内容

? 每个单元都对应一个地址,以实 现对单元内容的寻址。

喂!赵刚是住在 2031房间吗?

单元内容

38F04H 10110110 内存地址

内存操作
? 读:将内存单元的内容取入CPU,原 单元内容不改变;
? 写:CPU将信息放入内存单元,单元 中原来的内容被覆盖。

外存储器
v 内存之外的存储器称为外存储器,外存储 器不能被CPU直接访问。外存储器通常指磁 盘、磁带、光盘等。磁盘又分为软磁盘和 硬磁盘。
v 有哪些常用外存储器?……

磁盘存储原理
? 磁盘指在合金基板表面上涂上磁性材料,利用单位面 积内的磁场方向和强度存储0和1
? 磁盘驱动器:磁盘是在磁盘驱动器的带动下工作的 ? 磁盘驱动器的功能是:
? 控制磁盘的机械运动与磁头的定位,执行有关数据的传 输命令。
? 完成数据的存取操作。

磁盘存储格式
磁道
v 磁盘的每个盘片的两个表面都涂附了一层磁性材料, 作为存储信息的介质。读写磁盘时,磁头直接接触 盘面,感应磁场强度和方向。
v 为便于寻址,数据分布采取每个盘面划分出许多不 同半径的同心圆,称为磁道,每条磁道上又划分出 等分的区段,称为扇区。磁道和扇区都分别编号, 便于管理。
v 磁盘容量计算公式?

磁盘容量的计算公式
容量 = 记录面数×磁道数/面×扇区数/道×字节数/扇区
? 以软盘为例。3.5英寸高密度软盘,格式化后有2个 面、每面80个磁道,每个磁道18个扇区,每个扇区 存储512个字节。
? 其存储容量为:
存储容量 = 2×80×18×512 = 1.44MB

硬盘
? 硬磁盘(硬盘机)是一种主要的外存储器。目前的 微机一般都至少配备一台硬盘机
? 在硬盘里永久保存着计算机系统工作必不可少的程 序和重要数据,掉电后数据文件仍然存在
? 硬盘具有容量较大、速度较快(7500转~15000转/ 分)及可靠性较好等优点
? 目前标准配置硬盘20~1TB
硬盘使用注意事项
⑴ 保持使用环境的清洁 ⑵ 避免震动与冲击 ⑶ 避免频繁开关电源

硬盘结构
? 微机使用的小型硬盘机从外观上看是一个密封的金属盒子, 其中有若干片固定在同一个轴上、同样大小、同时高速旋转 的金属圆盘片
? 靠近每个盘片的两个表面各有一个读写磁头。这些磁头全部 固定在一起,可同时水平移到磁盘的某个磁道位置
? 硬盘片表面分为一个个同心圆磁道,每个磁道又分为若干扇 区,数据是以扇区为单位存放在盘片上,盘片旋转寻找扇区

实际硬盘种类
外置(活动)硬盘 内置(固定)硬盘 硬盘变U盘

光盘

? 光盘是利用激光原理存储和读取信息的存储媒介

? 利用激光束在铝反射层上凹坑和非凹坑反射差别来存取0和1

? 光盘具有体积小、速度快、容量大、可靠性高等特点。

? 性能指标:

? 容量:在600MB~几十GB

? 速度:1X(一倍速)是150KB/S,目前可达60X。

? 光盘驱动器类型:

? 只读型(CD-ROM)

? 追加型(WORM) ? 可擦写型(RW-CD)

光盘使用注意事项

⑴ 不要用手触摸盘面

? 常用的是只读型光盘CDROM

⑵ 不要重压,以免损坏变形 ⑶ 不要用硬物或金属划伤盘面 ⑷ 不要用各种溶液擦洗盘面

? 光盘刻录机是写光盘的设备

⑸ 防止高温、潮湿、日光直射

? 后继产品DVD-ROM。

光盘 compact disc read-only memory

? 光盘的种类

只读光盘CD—ROM 640MB~700MB DVD数字视盘digital video disc 4.7GB~17.7GB 一次性刻录光盘CD—R 650MB 可擦写光盘CD—RW、MO光盘、PD光盘
230MB、640MB、1.5GB

? 主要技术指标:容量、 传输率、 640MB 150KB/S(又称1X) 40X 50X

读取时间 200~400MS

光盘驱动器及光盘片

可移动盘
? “优盘”是一种可读写的半导体 存储器——闪速存储器(Flash Memory)。性能指标:可擦写 次数100万次以上,可保存10 年, 存取速度比软盘快15倍,容量在 16MB ~ 1GB,可望达到10GB 以上。
? USB硬盘是一种即插即用型移动式硬 盘(抗震性强)。性能指标:容量 10GB~80GB。使用方法与优盘类似。 USB指通用串行总线接口

内外存的区别

CPU直接访问 存取速度较快 数据暂时存放 存储容量较小
价格较高

CPU间接访问 存取速度较慢 数据永久存放 存储容量较大
价格较低

存储器系统

? 在一般计算机中主要有两种存储系统:

Cache存储系统

主存储器 高速缓冲存储器

注:Cache存储主要是解决速度问题,要求快。

虚拟存储系统

主存储器 磁盘存储器

注:虚拟存储主要是解决存储容量问题,要求存 储的数据量大。

高速缓冲存储器
内存储器
磁盘存储器

主存、cache和虚存的关系

Cache 存放 使用频率高、 要求响应速度
快的数据

CPU 直接存取

虚存 存放大 量处理数据, 解决转储问题

内存存放运行的程 序和中间结果数据
?主存:运行程序和保存中间结果。 ? Cache 高速缓存:基于局部性原理,事先预测,把
要调入的程序存入缓存,希望命中率越高越好。 ?虚存:把磁盘的部分空间开辟为虚存。

微型机中的存储系统

速度快 容量小
容量大 速度慢

通用寄存器 高速缓存 主存储器 联机外存 脱机 外存

高速静态存储器 周期<1ns
内存(动态存储器) 硬盘、光盘
磁带、U盘

总线
? 基本概念 ? 总线分类 ? 常用系统总线标准 ? 总线主要技术指标

总线
? 总线 是连接计算机各部件的一簇公共信号线, 它是计算机中各个部件之间传送地址、数据和控 制信息的公共通道。
? CPU内部的总线称为内部总线,CPU、存储器和I/O 接口之间的总线称为外部总线。

总线分类

按层次结构

CPU总线 (包括地址总线 数据总线 控制总线) 系统总线 (又称I/O通道总线地址线 数据线 控制线) 外设总线 (指主机与外部设备接口的总线)

另一种总线分类按所处位置分:CPU片内总线 CPU片外总线
片内总线:在CPU内部各部件之间传输数据的总线 片外总线:在CPU外连接存储器和I/O设备的通路

总线工作示意图

总线主要性能指标
? 总线位宽(bit) 能同时传送的数据位数
? 总线的工作频率 决定了流量(MHz)
? 总线带宽(B/S) 单位时间内总线上可传送的数据量
? 总线的发展趋势是位数越来越宽(从8 位发展到64位),传输速率越来越快 (从16MB/s发展到1GB/s)。

现代微机中多总线结构示意图

一种专为提高视频 带宽而设计的总线 规范。32 位,266MB/S
AGP显卡
磁盘控制器
IBM 公司 8/16位 标准总线、数据 传输率为8MB/s

AGP总线
网络卡
USB卡

CPU

前端总线 北桥

存储器总线

主存储器

PCI总线

Intel 32/64位标准 总线。适应性强、 速度快、数据传输 率为133MB/s。

PCI接口卡

南桥

键盘、鼠标、串并行口

ISA总线

声效卡

MODEM卡

ISA接口卡

微机总线分类

微机 总线 结构

32位|64位
CPU总线
连接CPU与外 围控制芯片, 如主存
系统总线
连接CPU 与接口卡
外部总线
连接主机与 外部设备

地址总线(AB Address Bus) 数据总线(DB Data Bus) 控制总线(CB Control Bus)

地址总线 数据总线 控制总线

AGP 扩展图形端口 PCI 外设互联总线 ISA 工业标准体系结构总线

IDE 集成设备电子部件 EIDE 增强型IDE SCSI 小型计算机系统接口 USB 通用串行总线接口 IEEE 1394

输入/输出接口
? CPU和外存储器以及输入/输出设备之间不能直 接交换数据,必须通过“接口”设备来转接。

接口分类
? 串行接口 同一时间传送一位、效率低;适合远距离传 输。例如,RS-232串口、打印机、鼠标接口。
? 并行接口同一时间传送多位,传输速度快、效率高。
? 输入接口 键盘 ? 输出接口 打印机
? 模拟接口 Modem 调制解调器输出 ? 数字接口 Modem 调制解调器输入

PCI扩展插槽
? PCI扩展插槽 接插各种扩充设备;例如 网卡、声卡、多功能卡、电视卡等。

IDE 集成设备电子部件,连接硬、软盘、光盘等

IDE接口

USP接口

串行接口 12V电源接口

声卡、Midi接口

接口要解决的问题
? 速度匹配 CPU高速度与I/O设备低速度的匹配,通过缓冲区 来解决
? 信号的驱动能力 CPU需要的是低电平1~5V,而外设需要高 电平,通过电平转换器、驱动器解决
? 信号形式和电平的匹配 CPU只处理数字信号,外设的信号形 式有多种,如模拟信号,数字信号和模拟信号之间的转换, 即A/D、D/A
? 信息格式问题 CPU总线传送的是8、16、32位并行二进制数 据,而外设使用的数据格式、方式可能不同
? 时序匹配 CPU的操作是在统一的时钟信号作用下完成的,而 外设的定时和控制逻辑有所不同

主机系统的主板
? 主机的大部分部件主要安装在主机板上。例如 CPU、内存、时钟发生器等重要部件和电路都安 装在主板上。
? CPU插座 ? 芯片组(固定在主板上的一组超大规模集成电路
芯片总称,南桥、北桥) ? 内存插槽 ? 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 ? 串行、并行接口

系统主板
CPU插座
串行接口
COM1,COM2连接 串行鼠标和
Modem等设备
AGP扩展槽
加速图形接口
PCI扩展槽
CMOS电池
为CMOS电路 提供电源

内存条插槽
芯片组(南桥
、北桥)
BIOS芯片
存放与主板匹 配的基本输入 /输出程序。

系统主板

常用外部设备
? 输入输出系统的特点 ? 基本输入输出方法 ? 常用外部设备的工作原理

输入输出系统组成

I/O系统

输入输出设备 输入输出接口 输入输出软件

常用输入输出设备
q I/O设备可按传输方式划分:字符设备和块设备
? 字符设备 以字符为单位传输的设备,如:键盘 ? 块设备 以块为单位传输的设备,如:磁盘
q 按速度可划分为:高速设备和低速设备。
? 高速设备 例如光盘等; ? 低速设备 例如打印机等。
q 常用I/O设备有:
? 输入设备 键盘、鼠标器、扫描仪、数码像机 ? 输出设备 显示器、打印机、绘图仪

键盘KEYBOARD
? 标准输入设备。用于编辑程序、输入数据、发出命令等操作 ? 键盘按键字数分为:101~104键键盘 ? 键盘中的每个按键通过电路与计算机内部的扫描码一一对应,
再由扫描码转换成ASCII码
功能键区

主键盘区

控制键区小键盘区

鼠标器MOUSE

v Windows操作环境下的标准输入设备。用于 选择窗口、菜单、控件等操作。

v 鼠标器分机械式和光电式。

v 鼠标的一个主要技术参数是分辨率(dpi), 即鼠标每移动1英寸所能测出的点数。一般 鼠标的分辨率为200~400dpi。

v 操作方法极其简单。主要有4种形式的操作:

? 左键单击 ? 右键单击 ? 左键双击 ? 左键拖动

选择对象 击活快捷菜单 执行选择的对象 移动选择的对象

左键 滚轮 右键

显示器MONITOR
? 标准输出设备。用于显示交互式操作的对话框及操作结果,是 人机对话的主要界面
? 显示器用分辨率来衡量其性能,即屏幕画面的清晰度是由横、 竖交叉点(像素)的多少来衡量。显然,像素点越密,图像就 越清晰
? 亮度、色彩、对比度也是显示器的性能指标
像素点

显示器图片

纯屏显示器

液晶屏显示器

显示器
p 显示器显像原理与电视机的类似。屏幕上的文字或图形 是由一个个像素点组成的
p 今天计算机使用的大都是高分辨率图形显示器,常见分 辨率有800×600,1024×768,1280×1024等多种
p 分辨率越高,显示的图像越清晰、逼真 p 显示器的适配器又称显示卡,显示器必须配备显示卡才
能完成其显示功能。常用显示卡的标准为:
p ESA增强型图形适配器,640×480、16色 p VGA视频图形阵列, 640×480、256色 p SVGA超级VGA型,分辨率可达1280×1024,真彩色( 16.7M色)

打印机PRINTER
? 打印机是输出设备,它将输出结果在打印纸上印出 ? 微机配备的打印机一般分为:
? 点阵打印机 它的打印头是由若干行和列根打印针及驱动电路组成
(16针、24针等),缺点:速度慢、噪声大;
? 喷墨打印机 是非击打式打印机,它将墨水通过喷墨管喷射到打印纸
上,优点是:低噪声、质量好、价格低;
? 激光打印机 采用激光和电子放电技术,通过静电吸附墨粉后在纸上
印出。它的主要特点是:速度快、分辨率高、无噪声、打印质量好、但 价格较高。
? 打印机输出过程:
? 英文字符 打印机中有一个“字符发生器”,打印时,将字符自动转
换成点阵信息印出;
? 汉字字符 采用类似方式将“汉字库”存放于打印机中,打印时,将
汉字机内码自动转换成汉字点阵码印出。

HP激光打印机

HP激光打印机

彩色打印机

综合打印机

打印机性能指标
⑴ 打印机的分辨率 点阵打印机常见的分辨率为每 英寸180个点或300个点,记为180dpi(或 300dpi)。常用的小型激光或喷墨打印机的分辨 率为300~600dpi。
⑵ 打印机的幅面宽度 一般打印副宽为80个字符或 132个字符。一般的打印幅面为A4型标准纸张。
⑶ 打印速度 点阵打印机用每秒打印字符来表示, 一般每秒300个字符,记为300cps。激光打印机以 页面计数,每分钟输出几页到几十页,记为ppm。

电源
? 电源 为计算机及外部设备提供电源动力。

计算机主要性能指标
? 主频 ? 内存容量 ? 硬盘容量 ? 显示器(大小、色彩、液晶、显存) ? 光盘驱动器(容量、倍速、刻录)

第2章作业
? 制定一个购机方案,并对该方案进行评价 (自己确定购机人群)




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