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,計算機硬件基礎(chǔ),計算機導論,這是什么?,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,2,內(nèi)容摘要,本章以微型計算機為例介紹計算機硬件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；介紹了主板的結(jié)構(gòu)、微處理器的構(gòu)成、主存儲器的分類、輸入輸出原理；擴展槽、適配卡、系統(tǒng)總線和端口的分類；輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輔助存儲器的種類及基本工作原理。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,3,學習目標,掌握計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和基本工作原理，了解微處理器、存儲系統(tǒng)、主板、總線和接口的相關(guān)常識，了解各種輸入輸出設(shè)備和功能。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,4,本章主要內(nèi)容,2.1 計算機系統(tǒng)的組成與工作原理 2.2 微處理器 2.3 存儲系統(tǒng) 2.4 主板、總線與接口 2.5 輸入/輸出設(shè)備,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,5,本章主要內(nèi)容,2.1 計算機系統(tǒng)的組成與工作原理 2.2 微處理器 2.3 存儲系統(tǒng) 2.4 主板、總線與接口 2.5 輸入/輸出設(shè)備,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,6,計算機系統(tǒng)的組成與工作原理 2.1,在計算機系統(tǒng)中，對于軟件和硬件的功能沒有一個明確的分界線。軟件實現(xiàn)的功能可以用硬件來實現(xiàn)，稱為硬化或固化。反之，硬件實現(xiàn)的功能也可以用軟件來實現(xiàn)，成為硬件軟化。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,7,學習完本節(jié)后，你將了解到： 計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 計算機系統(tǒng)的工作原理 計算機體系結(jié)構(gòu) 計算機中數(shù)據(jù)的表示,計算機系統(tǒng)的組成與工作原理 2.1,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,8,計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 2.1.1,微型計算機是大規(guī)模集成電路發(fā)展的產(chǎn)物，是以中央處理器為核心，配以存儲器、I/O接口電路及系統(tǒng)總線所組成的計算機。 微型計算機以其結(jié)構(gòu)簡單、通用性強、可靠性高、體積小、質(zhì)量輕、耗電省、價格便宜等特點。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,9,馮諾依曼計算機的結(jié)構(gòu),2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,10,1、中央處理器（CPU）,中央處理器（CPU）由運算器和控制器組成 運算器：對二進制數(shù)進行運算的部件 算術(shù)運算：加、減、乘、除、求絕對值等 邏輯運算：與、或、非、比較大小、移位等 字符運算：字符的連接，取子串等,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,11,1、中央處理器（CPU）,運算器的組成： 算術(shù)邏輯單元（ALU） 是運算器的主要部件，完成指令系統(tǒng)所規(guī)定的各種算術(shù)運算和邏輯運算。 標志寄存器 也稱程序狀態(tài)字寄存器，存放反映運算結(jié)果的各種特征，如有無進位，是否溢出等。 寄存器組 包括通用寄存器組和專用寄存器組，前者為CPU內(nèi)部的高速數(shù)據(jù)暫存器，后者包括程序計數(shù)器、堆棧指示器、變址寄存器等。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,12,控制器：是指揮計算機的各個部件按照指令的功能要求協(xié)調(diào)工作的部件。 控制器的組成： 程序計數(shù)器（PC）：用來對程序中的指令進行計數(shù)，使控制器能依次讀取指令； 指令寄存器（IR）：在指令執(zhí)行期間暫時保存正在執(zhí)行的指令。 指令譯碼器（ID）：用來識別指令的功能，分析指令的操作要求。 時序控制電路：用來生成時序信號，以協(xié)調(diào)在指令執(zhí)行周期內(nèi)各部件的工作。 微操作控制電路：用來產(chǎn)生各種控制操作命令。,1、中央處理器（CPU）,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,13,2、存儲器,存儲器：用來存儲數(shù)據(jù)和程序的部件 存儲單位： 最小單位：“位”（bit） 最基本的單位：“字節(jié)”（byte） 存儲容量：存儲器所包含的存儲單元的總數(shù) 其單位為K（1K210B1024B）、M、G、T等 1MB 210 KB 1GB 210 MB 1TB210 GB,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,14,存儲器的分類： 內(nèi)存儲器：又稱為主存儲器，簡稱為內(nèi)存或主存，用來存放現(xiàn)行程序的指令和數(shù)據(jù)。 CPU可直接訪問內(nèi)存 是計算機中的工作存儲器 包括隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）等 外存儲器：又稱為輔助存儲器，簡稱為外存或輔存，用來存放需要長期保存的信息。 不能被CPU直接訪問，必須先調(diào)入內(nèi)存 外存容量大，但訪問速度慢,2、存儲器,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,15,3、輸入/輸出設(shè)備,輸入/輸出設(shè)備：簡稱為I/O設(shè)備，是外部與計算機交換信息的渠道。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,16,輸入設(shè)備的主要功能是把原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序轉(zhuǎn)換為計算機能夠識別的二進制代碼，通過輸入接口輸入到計算機的存儲器中，供CPU調(diào)用和處理。 常用的輸入設(shè)備有：鼠標、鍵盤、掃描儀、數(shù)字化儀、數(shù)碼攝像機、條形碼閱讀器、數(shù)碼相機、A/D轉(zhuǎn)換器等。,3、輸入/輸出設(shè)備,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,17,輸出設(shè)備是指從計算機中輸出信息的設(shè)備。它的功能是將計算機處理的數(shù)據(jù)、計算結(jié)果等內(nèi)部信息，轉(zhuǎn)換成人們習慣接受的信息形式（如字符、圖形、聲音等），然后將其輸出。 最常用的輸出設(shè)備是顯示器和打印機，還有繪圖儀、各種數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）等。,3、輸入/輸出設(shè)備,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,18,4、主板,主機由中央處理器和內(nèi)存儲器組成，用來執(zhí)行程序、處理數(shù)據(jù) 主機芯片都安裝在一塊電路板上，這塊電路板稱為主機板（主板）。 為了與外圍設(shè)備連接，在主機板上還安裝有若干個接口插槽，可以在這些插槽上插入與不同外圍設(shè)備連接的接口卡。 主板是微型計算機系統(tǒng)的主體和控制中心，它幾乎集合了全部系統(tǒng)的功能，控制著各部分之間的指令流和數(shù)據(jù)流。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,19,4、主板,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,20,5、總線,總線(BUS)：計算機中傳輸信息的公共通路。 總線寬度：一次能夠在總線上同時傳輸信息的二進制位數(shù)。 內(nèi)部總線：連接CPU內(nèi)部若干基本部件的總線 外部總線（系統(tǒng)總線）：連接系統(tǒng)其它各部件間的總線 按照總線上傳輸信息的不同，總線可以分為數(shù)據(jù)總線(DB)，地址總線(AB)和控制總線(CB)三種。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,21,6、接口,不同的外圍設(shè)備與主機相連都必須根據(jù)不同的電氣、機械標準，采用不同的接口來實現(xiàn)。 串行接口：按機器字的二進制位，逐位傳輸信息，傳送速度較慢，但準確率高； 并行接口：一次可以同時傳送若干個二進制位的信息，傳送速度比串行接口快。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,22,計算機系統(tǒng)的工作原理 2.1.2,計算機的指令系統(tǒng) 計算機的工作過程,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,23,1、計算機的指令系統(tǒng),指令：能被計算機識別并執(zhí)行的二進制代碼，它規(guī)定了計算機能完成的某一種操作。 指令系統(tǒng)：一臺計算機能執(zhí)行的所有指令的集合。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu)，而且直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍。 系列計算機:指基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同的一系列計算機。系列機解決了各機種的軟件兼容問題。但新機型運行的軟件在舊機型上不一定總能運行。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,24,基于使用復雜指令集CPU的計算機被稱為復雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，簡稱CISC）; 基于使用精簡指令集CPU的計算機被稱為精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，簡稱RISC）。,1、計算機的指令系統(tǒng),2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,25,CISC以VAX-11/780為代表，20世紀70年代后的各種微機如我們用的Intel 80x86均是這種風格的計算機，特點是：指令系統(tǒng)復雜，絕大多數(shù)指令需要多個機器周期方可執(zhí)行完畢。 RISC只有一個數(shù)量有限的指令集，但是這些指令的執(zhí)行速度很快。因此，在理論上，RISC計算機要比CISC計算機快。 RISC與CISC技術(shù)兩者的主要區(qū)別在于設(shè)計思想上的差別，RISC的設(shè)計思想是：將那些不是最頻繁使用的功能（指令）由軟件來加以實現(xiàn)，這樣就可以優(yōu)化硬件，并可使其執(zhí)行得更快。,1、計算機的指令系統(tǒng),2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,26,指令的格式：一條指令由操作碼和地址碼組成。 操作碼規(guī)定了該指令進行的操作種類，不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計算機指令系統(tǒng)的規(guī)模。 地址碼指明操作對象的內(nèi)容或所在的單元地址。,圖2.3 機器指令,1、計算機的指令系統(tǒng),2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,27,2、計算機的工作過程,計算機的工作過程實際上是快速地執(zhí)行指令的過程。指令的執(zhí)行過程分為以下4個步驟： 取指令：根據(jù)指令計數(shù)器中的地址從內(nèi)存儲器中取出指令，并將指令送入指令寄存器。 分析指令：即對指令寄存器中存放的指令進行分析，由操作碼確定執(zhí)行什么操作，由地址碼確定操作數(shù)的地址。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,28,執(zhí)行指令：根據(jù)指令分析結(jié)果，由操作控制部件發(fā)出完成操作所需要的一系列控制電位，指揮計算機有關(guān)部件完成這一操作。 指令完成：指令計數(shù)器加1，為執(zhí)行下一條指令做好準備。如果遇到轉(zhuǎn)移指令，則將轉(zhuǎn)移地址送入指令計數(shù)器。,2、計算機的工作過程,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,29,指令周期是取出并執(zhí)行一條指令的時間，指令周期常常用若干個CPU周期數(shù)來表示。 CPU周期也稱為機器周期，通常用內(nèi)存中讀取一個指令字的最短時間來規(guī)定CPU周期。一個CPU周期時間又包含有若干個時鐘周期。,2、計算機的工作過程,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,30,計算機體系結(jié)構(gòu) 2.1.3,現(xiàn)代計算機都遵循馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。馮諾依曼計算機在體系結(jié)構(gòu)上的主要特點包括以下三點: 計算機硬件包括五個基本部分：運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。機器以運算器為中心，所有的部件都由控制器集中控制。 采用二進制形式表示指令和數(shù)據(jù),2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,31,采用存儲程序工作方式。此為馮諾依曼思想的核心內(nèi)容。 所謂存儲程序原理，就是把程序和處理問題所需的數(shù)據(jù)都以二進制編碼形式預先按一定順序存放到計算機存儲器里。計算機在運行程序時就能自動、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令且執(zhí)行，直到完成預定的任務(wù)。 這是計算機能高速自動運行的基礎(chǔ)。,計算機體系結(jié)構(gòu) 2.1.3,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,32,常用的計算機體系結(jié)構(gòu)的評測方法 : (1)指令執(zhí)行速度-MIPS: 它表示每秒百萬條指令數(shù)，即一秒鐘內(nèi)計算機能執(zhí)行多少百萬條指令。 (2)MFLOPS: 它表示每秒百萬次浮點操作次數(shù)，即一秒鐘內(nèi)計算機能進行多少百萬次浮點操作。 (3)基準程序 (4)綜合基準測試程序,計算機體系結(jié)構(gòu) 2.1.3,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,33,(5)響應時間 從事件開始到結(jié)束所用的時間 (6)吞吐量 計算機在單位時間內(nèi)所能完成的工作量。 (7)時鐘頻率(主頻),計算機體系結(jié)構(gòu) 2.1.3,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,34,計算機中數(shù)據(jù)的表示 2.1.4,進制及進制間的轉(zhuǎn)換 碼制 常用字符編碼,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,35,1、進制及進制間的轉(zhuǎn)換,（1）數(shù)制：按進位的原則進行計數(shù)稱為進位計數(shù)制，簡稱數(shù)制。 （2）位權(quán)：數(shù)碼在不同位置上的權(quán)值。 （3）位權(quán)表示法數(shù)制的特點： 數(shù)字的總個數(shù)等于基數(shù)。 最大的數(shù)字比基數(shù)小1。 每個數(shù)字都要乘以基數(shù)的冪次，該冪次由每個數(shù)字所在的位置決定。 （4）任何一個N進制數(shù)A可表示為： AAn An1 A1 A0.A1 A2 Am,n AiNi i=-m,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,36,二進制,二進制：使用數(shù)字0和1等符號來表示數(shù)值且采用“逢二進一”的進位計數(shù)制。 二進制數(shù)制的特點： 僅使用0和1兩個數(shù)字。 最大的數(shù)字為1，最小的數(shù)字為0。 每個數(shù)字都要乘以基數(shù)2的冪次，該冪次由每個數(shù)字所在的位置決定。 二進制加法和乘法運算規(guī)則： 000 0 00 011 0 10 101 1 00 111 1 11,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,37,八進制與十六進制,八進制：使用數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7等符號來表示數(shù)值的，且采用“逢八進一”的進位計數(shù)制。 十六進制：使用數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9和A、B、C、D、E、F等符號來表示數(shù)值，其中A、B、C、D、E、F分別表示數(shù)字10、11、12、13、14、15。十六進制的計數(shù)方法為“逢十六進一”。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,38,十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為非十進制整數(shù),除基取余法：“除基取余，先余為低（位），后余為高（位）”。 例2-1 （55）10（110111）2 余數(shù) 2 55 1 2 27 1 2 13 1 2 6 0 2 3 1 2 1 1 0,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,39,十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換為非十進制小數(shù),乘基取整法:“乘基取整，先整為高(位),后整為低(位)” 例2-2 （ 0.625）10（0.101）2 0.625 整數(shù) 2 1 .25 1 0.25 2 0.5 0 2 1.0 1,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,40,十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為非十進制數(shù),十進制小數(shù)并不是都能夠用有限位的其他進制數(shù)精確地表示,這時應根據(jù)精度要求轉(zhuǎn)換到一定的位數(shù)為止，作為其近似值。 如果一個十進制數(shù)既有整數(shù)部分，又有小數(shù)部分，則應將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行轉(zhuǎn)換。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,41,非十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù),位權(quán)法：把各非十進制數(shù)按權(quán)展開，然后 求和。 例2-3 （10110）2 124023122121020 160420 （22）10 例2-4 （10101.1011）2 124023122021120 12-1+02 2123 1604010.500.125 （21.625）10 例2-5 （1207）818 328 208 178 0 51212807 （647）10 例2-6（1B2E）16116 3B16 2216 1E16 0 1409611256216141 （6958）10,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,42,二進制與八進制之間的轉(zhuǎn)換,二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)：以小數(shù)點為界，將整數(shù)部分自右向左和小數(shù)部分自左向右分別按每三位為一組（不足三位用0補足），然后將各個三位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為對應的一位八進制數(shù)。 八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)：把每一位八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為對應的三位二進制數(shù)。 例2-7 （10111001010.1011011）2（010 111 001 010 . 101 101 100）2 （2712.554）8 例2-8 （456.174）8 （100 101 110.001 111 100）2 （100101110.0011111）2,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,43,二進制與十六進制之間的轉(zhuǎn)換,二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)：以小數(shù)點為界，將整數(shù)部分自右向左和小數(shù)部分自左向右分別按每四位為一組，不足四位用0補足，然后將各個四位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為對應的一位十六進制數(shù)。 十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)：把每一位十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為對應的四位二進制數(shù)。 例2-9 （10111001010.1011011）2 （0101 1100 1010.1011 0110）2 （5CA.B6）16 例2-10 （1A9F.1BD ）16 （0001 1010 1001 1111.0001 1011 1101）2 （1101010011111.000110111101）2,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,44,2、碼制,原碼表示法：用符號位和數(shù)值表示帶符號數(shù)，正數(shù)的符號位用“0”表示，負數(shù)的符號位用“1”表示，數(shù)值部分用二進制形式表示。 反碼表示法：正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼為對該數(shù)的原碼除符號位外各位取反。 補碼表示法：正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的補碼是在其反碼末位加1。 數(shù)的原碼表示適合于進行乘除運算；補碼用于進行加減運算,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,45,3、常用字符編碼,ASCII：單字節(jié)字符編碼方案; ANSI編碼：用兩個字節(jié)表示一個字符; 本地化編碼格式：如GB2312-80，BIG5，JIS等 不同ANSI編碼之間互不兼容 UNICODE：一般為四字節(jié) 國際化編碼格式，為各種語言中的每一個字符設(shè)定了統(tǒng)一并且唯一的數(shù)字編號,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,46,本章主要內(nèi)容,2.1 計算機系統(tǒng)的組成與工作原理 2.2 微處理器 2.3 存儲系統(tǒng) 2.4 主板、總線與接口 2.5 輸入/輸出設(shè)備,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,47,微處理器 2.2,學習完本節(jié)后，你將了解到： 什么是微處理器 微處理器的分類 微處理器的組成 衡量CPU性能的技術(shù)指標,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,48,中央處理器是指計算機內(nèi)部對數(shù)據(jù)進行處理并對處理過程進行控制的部件 。 微處理器是指具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件。 根據(jù)微處理器的應用領(lǐng)域，微處理器大致可以分為三類： 通用高性能微處理器 嵌入式微處理器和數(shù)字信號處理器 微控制器,微處理器 2.2,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,49,通用處理器追求高性能，它們用于運行通用軟件，配備完備、復雜的操作系統(tǒng)； 嵌入式微處理器強調(diào)處理特定應用問題的高性能，主要用于運行面向特定領(lǐng)域的專用程序，配備輕量級操作系統(tǒng)，主要用于蜂窩電話、CD播放機等消費類家電； 微控制器價位相對較低，在微處理器市場上需求量最大，主要用于汽車、空調(diào)、自動機械等領(lǐng)域的自控設(shè)備。,微處理器 2.2,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,50,Intel奔騰II CPU Intel奔騰III CPU Intel奔騰CPU,INTEL酷睿2雙核心CPU,微處理器 2.2,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,51,微處理器的組成,運算器 控制器 高速緩沖存儲器,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,52,運算器的工作過程,（1）從RAM（隨機存取器）中取出數(shù)據(jù)，放到運算器的寄存器中； （2）控制器發(fā)出控制信號，決定進行何種運算（算術(shù)運算或邏輯運算）； （3）運算器執(zhí)行相應操作，將結(jié)果放到累加器中； （4）將最終運算結(jié)果放回RAM，以備輸出，如下圖所示。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,53,控制器的工作過程,控制器從主存中按順序取出程序中的一條指令，并放到指令寄存器中； 指令計數(shù)器加1，記錄下一條指令的地址； 解釋該指令并形成數(shù)據(jù)地址，取出所需的數(shù)據(jù)； 向其他功能部件發(fā)出執(zhí)行該指令所需的各種時序控制信號； 再從主存中取出下一條指令執(zhí)行，如此循環(huán)，直到程序完成。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,54,高速緩沖存儲器CACHE,引入cache的原因: 隨著CPU主頻的不斷提高，CPU對RAM的存取速度快了，而RAM的響應速度相對而言就慢了，所以CPU大部分時間都是在等待從RAM中傳送數(shù)據(jù)，這樣大大浪費了CPU資源，為協(xié)調(diào)二者之間的速度差，引入了Cache技術(shù)。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,55,Cache通常采用與CPU速度相接近的RAM Cache實現(xiàn)的方法是： 當用戶啟動一個任務(wù)時，計算機預測CPU可能需要執(zhí)行哪些程序或要處理哪些數(shù)據(jù)，并將當前要執(zhí)行的程序和要處理的數(shù)據(jù)復制到Cache； CPU在讀寫時，首先訪問Cache，如果Cache中有數(shù)據(jù)，CPU就從Cache中取而不再到RAM中去取。 Cache越大，處理的速度越快，因此，Cache就像內(nèi)存與CPU之間的適配器。,高速緩沖存儲器CACHE,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,56,衡量CPU性能的主要技術(shù)指標,(1)主頻 主頻是CPU的時鐘頻率（CPU Clock Speed）。 一般說來，主頻越高，CPU的速度越快。 由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，并非所有時鐘頻率相同的CPU的性能都一樣。 (2)外頻 外頻即系統(tǒng)總線的工作頻率。 倍頻則是指CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。 三者關(guān)系是：主頻=外頻倍頻。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,57,衡量CPU性能的主要技術(shù)指標,(3)CPU字長 一般說來，CPU在同一時間內(nèi)處理的一組二進制數(shù)稱為一個計算機的“字” 這組二進制數(shù)的位數(shù)就是“字長”。 在其他指標相同時，字長越大計算機處理數(shù)據(jù)的速度就越快。 (4)CPU的生產(chǎn)工藝 現(xiàn)在CPU的生產(chǎn)工藝通常以納米（nm）來描述，指的是生產(chǎn)工藝中器件的最小線寬，其數(shù)值越小說明生產(chǎn)技術(shù)越先進。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,58,本章主要內(nèi)容,2.1 計算機系統(tǒng)的組成與工作原理 2.2 微處理器 2.3 存儲系統(tǒng) 2.4 主板、總線與接口 2.5 輸入/輸出設(shè)備,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,59,存儲系統(tǒng) 2.3,學習完本節(jié)后，你將了解到： 什么是主存儲器 什么是外存儲器,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,60,存儲系統(tǒng) 2.3,存儲器是計算機中具有記憶能力的部件，它能根據(jù)地址接收和保存指令或數(shù)據(jù)。 存儲器的操作是一個不斷存入與取出的過程，我們把存入數(shù)據(jù)的操作稱為“寫”操作，把取出數(shù)據(jù)的操作稱為“讀”操作。 存儲器可分為主存儲器和輔存儲器兩大類。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,61,主存儲器 2.3.1,(1) 隨機存儲器（Random Access Memory，RAM） RAM就是平常所說的內(nèi)存。 靜態(tài)RAM（SRAM） 運行速度非?？?，CPU內(nèi)的一級、二級緩存使用SRAM。 動態(tài)RAM（DRAM） 就是通常所說的內(nèi)存，就是因為要不斷充電，所以它才叫做動態(tài)RAM。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,62,(2) 只讀存儲器（ROM） 特點： 存儲的信息只能讀(取出)不能寫(存入或修改)，其信息是在制作該存儲器時就被寫入； 不能隨意更新,斷電后信息不會丟失。ROM一般用于存放固定不變的、控制計算機的系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)。,主存儲器 2.3.1,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,63,ROM分為: PROM（可編程只讀存儲器 ） EPROM（可擦除可編程只讀存儲器-紫外線擦除 ） EEPROM（電改寫可編程只讀存儲器） Flash ROM（閃速存儲器） 計算機主板中的BIOS（Basic Input Output System）是一組固化到計算機內(nèi)主板上一個ROM芯片上的程序，它保存著計算機最重要的基本輸入輸出的程序、系統(tǒng)設(shè)置信息、開機上電自檢程序和系統(tǒng)啟動程序。,主存儲器 2.3.1,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,64,(3) 高速緩沖存儲器（Cache） Cache指在CPU與內(nèi)存之間設(shè)置的一級或兩級高速小容量存儲器，固化在主板上。 在計算機工作時，系統(tǒng)先將數(shù)據(jù)由外存讀入RAM中，再由RAM讀入Cache中，然后CPU直接從Cache中取數(shù)據(jù)進行操作。 通常人們所說的Cache就是指緩存SRAM。,主存儲器 2.3.1,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,65,外存儲器 2.3.2,外存儲器又稱為輔助存儲器，或外存。 容量相對較大，存放長期保存或相對來說暫時不用的各種程序和信息 斷電后信息不會丟失 微機中常用輔存有軟磁盤存儲器、硬磁盤存儲器、光盤存儲器、閃存和磁帶等。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,66,1、硬盤,硬盤是一種主要的電腦存儲媒介，由一個或者多個鋁制或者玻璃制的碟片組成。這些碟片外覆蓋有鐵磁性材料。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,67,硬盤接口,硬盤接口分類 IDE/ATA接口 SATA接口 SCSI接口 光纖通道,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,68,硬盤接口,IDE-Integrated Drive Electronics 即“電子集成驅(qū)動器” 它的本意是指把“硬盤控制器”與“盤體”集成在一起的硬盤驅(qū)動器。 優(yōu)點：減少硬盤的電纜數(shù)與長度，兼容性好，制造容易 注意：IDE也是集成開發(fā)環(huán)境的縮寫！ IDE-Integrated Development Environment,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,69,硬盤接口,IDE-Integrated Drive Electronics,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,70,硬盤接口,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,71,硬盤接口,SCSI-Small Computer System Interface,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,72,SATA-Serial ATA 串口硬盤，是未來PC機硬盤的趨勢 與以往相比其最大的區(qū)別在于能對傳輸指令（不僅僅是數(shù)據(jù)）進行檢查，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?串行接口還具有結(jié)構(gòu)簡單、支持熱插拔的優(yōu)點,硬盤接口,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,73,SATA-Serial ATA,硬盤接口,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,74,光纖通道-Fiber Channel 也不是專為硬盤設(shè)計的接口 專為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的，由于需要逐漸應用到硬盤系統(tǒng)中 大大提高多硬盤系統(tǒng)的通信速度 光纖通道的主要特性有：熱插拔性、高速帶寬、遠程連接、連接設(shè)備數(shù)量大等。,硬盤接口,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,75,常用硬盤分類,SCSI硬盤 活動硬盤 筆記本硬盤 微型硬盤 固態(tài)硬盤,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,76,常見的硬盤品牌,希捷-臺式機硬盤 西部數(shù)據(jù)-最穩(wěn)定最暢銷的臺式/筆記本硬盤 邁拓-最大的硬盤存儲方案供應商 日立-筆記本硬盤 東芝-最小、最先進的筆記本硬盤 三星-IDE硬盤,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,77,磁盤陣列技術(shù),磁盤陣列技術(shù)大部分屬于廉價磁盤冗余陣列RAID (Redundant Arrays Of Inexpensive Drives)。 在磁盤陣列中磁盤的數(shù)量越大，系統(tǒng)失效的概率也越大 因此，在磁盤陣列中需要增設(shè)一定的冗余存儲容量，一旦某個驅(qū)動器失效時，數(shù)據(jù)仍能恢復。 既能提供大容量，又能保證相當?shù)目煽啃浴?另外，可以通過磁盤陣列對其中的磁盤進行并行讀寫操作，提高了性能。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,78,2、光盤,光盤存儲的優(yōu)點： 容量大 攜帶方便 保存信息可靠性高 不易損壞 價格低廉,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,79,2、光盤,(1) 存儲原理 光盤與軟盤和硬盤一樣，光盤也是以二進制數(shù)據(jù)的形式存儲信息。 在寫入數(shù)據(jù)時，有光盤驅(qū)動器內(nèi)的激光頭發(fā)出激光照射光盤的記錄層。 從光盤上讀取數(shù)據(jù)的時候，定向光束(激光)在光盤的表面上迅速移動。根據(jù)反射光的強弱就能判斷出光盤記錄層的記錄信息。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,80,(2) 光盤分類 按照物理格式劃分： CD系列：CD-R、CD-RW、CD-RAM等。 DVD系列：DVD-R、DVD+R、DVD-RAM、DVD-RW等。,2、光盤,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,81,按照讀寫限制，可分為以下三種類型： 只讀式：CD-ROM、VCD、DVD-ROM； 一次性寫入，多次讀出式：CD-R、DVD-R、DVD+R； 可讀寫式：主要有磁光盤（MOD，Magneto - Optical Disk ）和相變盤（PCD，Phase Change Disc）兩種。常見的相變盤有CD-RW、CD-RAM、DVD-RW、DVD-RAM等。,2、光盤,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,82,3、閃存和U盤,(1) 閃存卡 CF卡，即Compact Flash，一種袖珍閃存卡。 MMC卡(Multi Media Card)， MMC是一種新型存儲卡。 SD卡就是Secure Digital Card安全數(shù)碼卡，具有大容量、高性能、安全等多種特點的多功能存儲卡。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,83,(2) U盤 從容量上講，U盤的容量比軟盤大得多，其容量已達到32GB。U盤外形小巧，更易于攜帶。且采用支持熱插拔的USB接口，使用非常方便。,3、閃存和U盤,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,84,4、磁帶,磁帶存儲器屬于順序存取設(shè)備，即磁帶上的文件是順序依次存放的。 當要訪問的文件存儲在磁帶的尾部，則需要將磁帶轉(zhuǎn)動到尾部才能對文件進行訪問。 這時，磁帶用于查找文件所用的時間要比磁盤存儲器長，訪問速度比較慢。 磁帶主要用于后備存儲和保存不經(jīng)常使用的信息，或用作不同系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據(jù)的一種介質(zhì)。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,85,本章主要內(nèi)容,2.1 計算機系統(tǒng)的組成與工作原理 2.2 微處理器 2.3 存儲系統(tǒng) 2.4 主板、總線與接口 2.5 輸入/輸出設(shè)備,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,86,主板、總線與接口 2.4,學習完本節(jié)后，你將了解到： 系統(tǒng)主板 擴展槽 適配卡 系統(tǒng)總線 端口,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,87,主機主要包括主板、硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、CD-ROM驅(qū)動器、電源、風扇、各種外設(shè)的適配器（接口板）等，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。,主板、總線與接口 2.4,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,88,系統(tǒng)主板 2.4.1,主板上面安裝了組成計算機的主要電路系統(tǒng)，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵盤和面板控制開關(guān)接口、指示燈插接件、擴充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。 主板的類型和檔次決定著整個微機系統(tǒng)的類型和檔次，主板的性能影響著整個微機系統(tǒng)的性能。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,89,1、芯片組（Chipset） 芯片組是主板的核心組成部分，就是把以前復雜的電路和元件最大限度地集成在幾顆芯片內(nèi)的芯片組。 芯片組決定了主板的功能，進而影響到整個電腦系統(tǒng)性能的發(fā)揮，芯片組是主板的靈魂。 芯片組按排列位置不同，分為北橋芯片和南橋芯片 南橋芯片負責I/O總線之間的通信 北橋芯片起主導作用，負責與CPU的聯(lián)系并控件內(nèi)存等,系統(tǒng)主板 2.4.1,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,90,系統(tǒng)主板 2.4.1,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,91,擴展槽和適配卡 2.4.2,2、擴展槽 微型計算機采用的是開放式體系結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)主板上裝有多個擴展槽 擴展槽與主板上的系統(tǒng)總線相連，任何插入擴展槽的電路板（例如顯卡、聲卡等）就可以通過總線與CPU相連。 擴展槽是一種添加或增強計算機特性及功能的方法。例如，可以添加獨立顯卡以增強顯示性能；可以添加獨立聲卡以增強音效；,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,92,擴展槽和適配卡 2.4.2,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,93,擴展槽和適配卡 2.4.2,常用擴展槽種類： AGP（1個）：棕色，插圖形加速卡，被PCI Express插槽取代 PCI（3-4個）：白色，接接顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,94,擴展槽和適配卡 2.4.2,常用擴展槽種類： ISA（2-3個）：黑色，接顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等，已淘汰 PCI Express：黃和綠色，第三代I/O總線技術(shù),黃和綠色,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,95,3、適配卡 (1) 顯卡（顯示卡、圖形加速卡） 顯示卡由顯示芯片、顯示內(nèi)存、RAMDAC等組成，這些組件決定了計算機屏幕上的輸出。 (2) 聲卡（音頻卡） 它有三個基本功能：一是音樂合成發(fā)音功能；二是混音器（Mixer）功能和數(shù)字聲音效果處理器（DSP）功能；三是模擬聲音信號的輸入和輸出功能。,擴展槽和適配卡 2.4.2,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,96,(3) 網(wǎng)卡（網(wǎng)絡(luò)適配器- NIC） 是連接計算機與網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備 常用的是以太網(wǎng)卡 傳輸速度有10M、10M/100M自適應、1000M (4) 電視卡 計算機安裝電視卡可以收看電視，并具有數(shù)碼錄像機的功能 常見的電視卡分為：電視盒、PCI電視卡、USB電視盒、視頻轉(zhuǎn)換盒。,擴展槽和適配卡 2.4.2,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,97,(5) SCSI卡 SCSI卡工作在計算機主板和SCSI設(shè)備(如SCSI硬盤、SCSI光驅(qū)、SCSI接口的掃描儀)之間 SCSI卡是一種32位或64位PCI設(shè)備，需要插在主板的32位或64位PCI插槽上 除上述幾種適配卡外，常用適配卡還有MODEM卡、IDE接口卡、PC卡等。,擴展槽和適配卡 2.4.2,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,98,系統(tǒng)總線 2.4.3,總線用來連接微機的各功能部件以成為一個整體 一個單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類： 內(nèi)部總線：CPU內(nèi)部連接各寄存器及運算部件之間的總線 系統(tǒng)總線：CPU同計算機系統(tǒng)的其它高速功能部件（例如存儲器等）互相連接的總線， I/O總線：中、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總線,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,99,按總線上傳送的信息，總線分為： 數(shù)據(jù)總線DB（Data Bus） 地址總線AB（Address Bus） 控制總線CB（Control Bus） 按照通信方式，總線分為： 并行總線 串行總線 系統(tǒng)總線與輸入輸出擴展槽相連接，而擴展槽通過插入不同的適配卡來連接不同的外部設(shè)備。,系統(tǒng)總線 2.4.3,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,100,2.4.3系統(tǒng)總線,總線位寬 總線可同時傳輸?shù)亩M制數(shù)據(jù)位數(shù)，單位：位 工作頻率 總線的工作時鐘頻率，單位：MHz 總線帶寬 總線在單位時間內(nèi)可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量，單位：MB/S（兆字節(jié)每秒） 總線帶寬=總線位寬*工作頻率8 例如：64位、800MHz總線的數(shù)據(jù)傳輸率是： 64bit * 800MHz 8Byte=6.4GB/s,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,101,微型計算機常用總線結(jié)構(gòu)類型： (1) ISA總線（工業(yè)標準體系結(jié)構(gòu)） ISA 是IBM公司為PC/AT電腦而制定的總線標準，為16位體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸率大約是8MB/S，已淘汰。 (2) PCI總線（外圍部件互連體系結(jié)構(gòu)） PCI是一種先進的局部總線。PCI 有32 位和64 位兩種，32 位PCI 的數(shù)據(jù)傳輸率為133MBs，大大高于ISA。,系統(tǒng)總線 2.4.3,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,102,(3) AGP總線（圖形加速接口） AGP總線是一種新型接口標準，它是一種專供顯卡使用的總線。所以它擁有很高的傳輸速率，這是PCI等總線無法與其相比擬的。 (4) USB總線（通用串行總線） USB（Universal Serial Bus）接口允許外設(shè)在開機狀態(tài)下熱插拔，最多可串接127個外設(shè)，傳輸速率可達480Mbps。,系統(tǒng)總線 2.4.3,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,103,(5) IEEE 1394總線 IEEE1394接口技術(shù)是一種高效的串行接口標準，可以在一個端口上連接多達63個設(shè)備，設(shè)備間采用樹形或菊花鏈拓撲結(jié)構(gòu)。 IEEE 1394是為了增強外部多媒體設(shè)備與電腦連接性能而設(shè)計的高速串行總線，傳輸速率可以達到400Mbps。 利用IEE1394技術(shù)我們可以輕易地把電腦和攝像機，高速硬盤，音響設(shè)備等多種多媒體設(shè)備連接。,系統(tǒng)總線 2.4.3,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,104,(6) PCI Express總線 PCI Express是新一代的總線接口，PCI Express的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質(zhì)量?，F(xiàn)在顯卡的接口已經(jīng)從AGP過渡到PCI Express接口，PCI Express已成為新一代的顯卡接口標準。,系統(tǒng)總線 2.4.3,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,105,端口與連接電纜 2.4.4,端口（port）是計算機與外界通訊交流的出口，其中硬件領(lǐng)域的端口又稱接口 端口有通用端口和專用端口 通用端口連接多種不同的外部設(shè)備 專用接口只能連接某一種特定的外部設(shè)備 連接電纜是端口與輸入輸出設(shè)備之間的連接線。,2019/7/11,曲阜師范大學計算機科學學院,106,幾種常見的端口,(1) 串行接口（Serial Port） 現(xiàn)在的計算機主板上一般有兩個串行口：COM1和、COM2。 串口在傳送二進制數(shù)據(jù)時只能一位一位進行傳輸，特別適