大學計算機基礎-第2章-計算機硬

計算機應用基礎主講人：徐光達編輯課件計算機硬件系統(tǒng)編輯課件早期計算機奠基人首次提出程序存儲概念設計形成早期計算機結構目前計算機基本上仍采用馮·諾依曼

編輯課件馮.諾依曼計算機結構計算機采用二進制碼存儲與處理在內存中存儲程序與數據計算機由五大部件組成輸入設備存儲器輸出設備運算器控制器程序/數據數據程序/數據數據數據數據指令地址命令命令狀態(tài)命令/響應請求/狀態(tài)請求/狀態(tài)命令/響應圖2.1馮·諾依曼結構計算機編輯課件微機的硬件組成結構現(xiàn)代微機由CPU、內存、總線、I/O接口和I/O設備組成CPU內存I/O接口I/O設備數據總線DB地址總線AB控制總線CB主機圖2.5微型計算機的概念結構編輯課件微型計算機系統(tǒng)的概念結構外部存儲器（硬盤、光盤、優(yōu)盤）輸入設備（鍵盤、鼠標、掃描儀）輸出設備（顯示器、打印機）其他（網卡、顯卡、聲卡、視頻卡）微型計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機外部設備CPU內存儲器輸入/輸出接口總線系統(tǒng)軟件應用軟件操作系統(tǒng)語言編譯系統(tǒng)工具軟件網絡系統(tǒng)OA軟件管理信息系統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)編輯課件硬件系統(tǒng)主機外部設備整個系統(tǒng)運行的物理平臺硬件系統(tǒng)的核心是主機，主機的核心是CPU編輯課件計算機系統(tǒng)的分類按綜合指標CPU個數及主頻、內外存容量、外設配備等巨型計算機大型計算機中型計算機小型計算機微型計算機編輯課件微型計算機工作原理指令和指令系統(tǒng)程序計算機的一般工作過程程序的執(zhí)行方式編輯課件指令的概念指令：計算機能夠識別并執(zhí)行的“操作命令”指令一般由操作碼和操作數組成指令碼目標操作數源操作數指令碼操作數表示功能（操作）表示操作的對象編輯課件指令舉例機器語言指令：1011000000001111

15→累加器A

0010110000001010

10+A→A

11110100結束,停機機器語言指令：MOVA,1515→累加器AADDA,1010+A→AHLT結束,停機C++語言指令：A=15+10

10+A→A

RETURN

結束,停機ACCESS數據庫SQL查詢指令?編輯課件程序的概念程序：為完成某個任務，按一定順序組織在一起的指令序列程序是讓計算機按人們事先安排好(設計好)的流程進行工作編輯課件計算機的工作過程計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程計算機是在程序的控制下工作的人們事先編寫設計好程序并將程序輸入到計算機中存儲起來CPU根據程序中的指令控制計算機各個部件工作各個部件根據指令碼規(guī)定完成各種動作編輯課件程序控制示意圖中央處理器運算器控制器程序存儲器程序程序程序程序程序程序程序指令指令指令指令指令指令指令編輯課件指令執(zhí)行的一般過程讀取操作數存放結果取指令分析指令執(zhí)行指令↓↓↓↓編輯課件程序執(zhí)行過程

分析指令執(zhí)行指令程序取下一條指令結束程序↓↓↓↓結束↓編輯課件?程序與數據在計算機中均按二進制存儲?要執(zhí)行的程序和處理數據，必須先存儲在內存中?在CPU的控制下，自動從存儲器中取出指令并執(zhí)行，完成各種動作。?指令處理方式按邏輯順序一條條指令地處理:在運行時，從內存中取出一條指令；按指令要求，從存儲器中取出數據進行指定運算；按地址把結果送到內存中去。再取下一條指令，重復上述操作，直到結束為止。計算機工作原理小結以中央處理器為核心的程序控制的工作原理編輯課件微機主機系統(tǒng)主機系統(tǒng)的邏輯結構主機系統(tǒng)的物理結構編輯課件主機系統(tǒng)的邏輯結構

主機系統(tǒng)的邏輯結構，它包括以下基本部件：主板CPU內存硬盤驅動器軟盤驅動器光盤驅動器各種接口卡電源圖2.11主機內部安裝的部件CPU(帶風扇)電源光驅硬盤軟驅主板南橋北橋顯示接口卡內存條編輯課件中央處理器中央處理器簡稱CPU，主要包括：運算器進行加、減、乘、除運算控制器包括取指令、取數、運算順序的控制寄存器組

暫時存放中間的運算結果

運算器通用寄存器控制器專用寄存器編輯課件微處理器（a）Pentium4（b）Celeron（c）Core2duo（d）Athlon64FX（e）Sempron圖2.13流行的x86系列CPU（f）Athlon64X2編輯課件CPU的性能指標CPU的性能是計算機系統(tǒng)的主要技術指標之一。主要性能指標：速度（主頻）：指每秒執(zhí)行指令的條數或每秒主頻振蕩的次數；條數用MIPS來表示，即每秒百萬條指令；PentiumPro”可達400MIPS；主頻振蕩用MHZ來表示，即每秒百萬次；“PentiumⅣ”達2.8GHZ，最快的微處理器主頻達4GHz。字長：指CPU一次所能處理的數據的二進制的位數。如果字長是16位，要處理64位的指令就要讀取4次。80386以下的CPU為16位字長，80386及以上的CPU為32位字長。指令集：指令集功能強，計算機處理能力就強高速緩存：匹配CPU和內存儲器之間的速度的存儲器內核：將多個CPU核心集成在一起。16核甚至更多編輯課件雙核的概念雙核處理器是指在一個處理器上集成兩個運算核心，從而提高計算能力在處理多線程、多進程任務的時候相對單核CPU具有明顯速度優(yōu)勢。然而在處理單進程任務的時候，雙核技術的優(yōu)勢并不明顯IntelPENTIUMDual-Core奔騰雙核IntelCORE酷睿雙核編輯課件存儲器要運行的程序和要處理的數據都存放在內存中文件和程序在外存中永久保存內存儲器外存儲器用于存放計算機工作過程中需要操作的數據和程序器件編輯課件內存儲器由存儲體、地址寄存器、數據寄存器、譯碼器及讀寫電路等組成因在主板上、CPU直接控制存取而得名“內存”內存分為：⑴隨機存儲器RAM，供用戶使用。（RandomAccessMemory)⑵只讀存儲器ROM，供系統(tǒng)使用。（ReadOnlyMemory)內存的性能指標是:容量越大越好；目前在128MB～8GB速度存取數據的速度；一般在60～120ns（毫微秒10-9

s）內存儲器編輯課件插槽內存條編輯課件

每個單元都對應一個地址，以實現(xiàn)對單元內容的尋址。內存單元的地址和內容1011011038F04H內存地址單元內容喂！趙剛是住在2031房間嗎？編輯課件內存操作讀：將內存單元的內容取入CPU，原單元內容不改變；寫：CPU將信息放入內存單元，單元中原來的內容被覆蓋。編輯課件內存之外的存儲器稱為外存儲器，外存儲器不能被CPU直接訪問。外存儲器通常指磁盤、磁帶、光盤等。磁盤又分為軟磁盤和硬磁盤。有哪些常用外存儲器？……外存儲器編輯課件磁盤存儲原理磁盤指在合金基板表面上涂上磁性材料,利用單位面積內的磁場方向和強度存儲0和1磁盤驅動器:磁盤是在磁盤驅動器的帶動下工作的磁盤驅動器的功能是：控制磁盤的機械運動與磁頭的定位，執(zhí)行有關數據的傳輸命令。完成數據的存取操作。編輯課件磁盤的每個盤片的兩個表面都涂附了一層磁性材料，作為存儲信息的介質。讀寫磁盤時，磁頭直接接觸盤面,感應磁場強度和方向。為便于尋址，數據分布采取每個盤面劃分出許多不同半徑的同心圓，稱為磁道，每條磁道上又劃分出等分的區(qū)段，稱為扇區(qū)。磁道和扇區(qū)都分別編號，便于管理。磁盤容量計算公式?磁盤存儲格式扇區(qū)磁道編輯課件磁盤容量的計算公式以軟盤為例。3.5英寸高密度軟盤，格式化后有2個面、每面80個磁道，每個磁道18個扇區(qū)，每個扇區(qū)存儲512個字節(jié)。其存儲容量為：存儲容量=2×80×18×512=1.44MB容量=記錄面數×磁道數/面×扇區(qū)數/道×字節(jié)數/扇區(qū)編輯課件

硬磁盤（硬盤機）是一種主要的外存儲器。目前的微機一般都至少配備一臺硬盤機在硬盤里永久保存著計算機系統(tǒng)工作必不可少的程序和重要數據,掉電后數據文件仍然存在硬盤具有容量較大、速度較快（7500轉～15000轉/分）及可靠性較好等優(yōu)點目前標準配置硬盤20～1TB⑴保持使用環(huán)境的清潔⑵避免震動與沖擊⑶避免頻繁開關電源硬盤使用注意事項硬盤編輯課件微機使用的小型硬盤機從外觀上看是一個密封的金屬盒子，其中有若干片固定在同一個軸上、同樣大小、同時高速旋轉的金屬圓盤片靠近每個盤片的兩個表面各有一個讀寫磁頭。這些磁頭全部固定在一起，可同時水平移到磁盤的某個磁道位置硬盤片表面分為一個個同心圓磁道，每個磁道又分為若干扇區(qū)，數據是以扇區(qū)為單位存放在盤片上,盤片旋轉尋找扇區(qū)硬盤結構編輯課件實際硬盤種類外置(活動)硬盤內置(固定)硬盤硬盤變U盤編輯課件光盤是利用激光原理存儲和讀取信息的存儲媒介利用激光束在鋁反射層上凹坑和非凹坑反射差別來存取0和1光盤具有體積小、速度快、容量大、可靠性高等特點。性能指標：容量:在600MB~幾十GB速度:1X（一倍速）是150KB/S，目前可達60X。光盤驅動器類型:只讀型(CD-ROM)追加型(WORM)可擦寫型（RW-CD)⑴不要用手觸摸盤面⑵不要重壓，以免損壞變形⑶不要用硬物或金屬劃傷盤面⑷不要用各種溶液擦洗盤面⑸防止高溫、潮濕、日光直射光盤使用注意事項常用的是只讀型光盤CD-ROM光盤刻錄機是寫光盤的設備后繼產品DVD-ROM。光盤編輯課件光盤

compactdiscread-onlymemory光盤的種類主要技術指標：容量、傳輸率、讀取時間640MB150KB/S(又稱1X)200~400MS40X50X只讀光盤CD—ROM

640MB~700MBDVD數字視盤digitalvideodisc4.7GB~17.7GB一次性刻錄光盤CD—R650MB可擦寫光盤CD—RW、MO光盤、PD光盤230MB、640MB、1.5GB編輯課件光盤驅動器及光盤片編輯課件可移動盤“優(yōu)盤”是一種可讀寫的半導體存儲器——閃速存儲器（FlashMemory）。性能指標：可擦寫次數100萬次以上，可保存10年，存取速度比軟盤快15倍，容量在16MB~1GB，可望達到10GB以上。USB硬盤是一種即插即用型移動式硬盤（抗震性強）。性能指標：容量10GB~80GB。使用方法與優(yōu)盤類似。USB指通用串行總線接口編輯課件內外存的區(qū)別CPU直接訪問CPU間接訪問存取速度較快存取速度較慢數據暫時存放數據永久存放存儲容量較小存儲容量較大價格較高價格較低編輯課件存儲器系統(tǒng)在一般計算機中主要有兩種存儲系統(tǒng)：Cache存儲系統(tǒng)主存儲器高速緩沖存儲器虛擬存儲系統(tǒng)主存儲器磁盤存儲器注：Cache存儲主要是解決速度問題，要求快。注：虛擬存儲主要是解決存儲容量問題，要求存儲的數據量大。編輯課件高速緩沖存儲器內存儲器磁盤存儲器編輯課件主存、cache和虛存的關系?主存：運行程序和保存中間結果。?Cache高速緩存：基于局部性原理，事先預測，把要調入的程序存入緩存，希望命中率越高越好。?虛存：把磁盤的部分空間開辟為虛存。CPU內存存放運行的程序和中間結果數據直接存取導入導出Cache存放使用頻率高、要求響應速度快的數據導入導出虛存存放大量處理數據，解決轉儲問題編輯課件微型機中的存儲系統(tǒng)通用寄存器高速緩存主存儲器聯(lián)機外存脫機外存硬盤、光盤磁帶、U盤內存（動態(tài)存儲器）高速靜態(tài)存儲器周期＜1ns速度快容量小容量大速度慢編輯課件總線基本概念總線分類常用系統(tǒng)總線標準總線主要技術指標編輯課件總線總線是連接計算機各部件的一簇公共信號線，它是計算機中各個部件之間傳送地址、數據和控制信息的公共通道。CPU內部的總線稱為內部總線，CPU、存儲器和I/O接口之間的總線稱為外部總線。編輯課件總線分類CPU總線

(包括地址總線數據總線控制總線)

系統(tǒng)總線

(又稱I/O通道總線地址線數據線控制線)外設總線

(指主機與外部設備接口的總線)按層次結構另一種總線分類按所處位置分:CPU片內總線CPU片外總線片內總線:在CPU內部各部件之間傳輸數據的總線片外總線:在CPU外連接存儲器和I/O設備的通路編輯課件總線工作示意圖編輯課件總線主要性能指標總線位寬（bit）能同時傳送的數據位數總線的工作頻率決定了流量（MHz）總線帶寬（B/S）單位時間內總線上可傳送的數據量總線的發(fā)展趨勢是位數越來越寬（從8位發(fā)展到64位），傳輸速率越來越快（從16MB/s發(fā)展到1GB/s）。編輯課件現(xiàn)代微機中多總線結構示意圖

北橋CPU磁盤控制器南橋PCI接口卡主存儲器PCI總線聲效卡MODEM卡ISA接口卡AGP總線存儲器總線AGP顯卡ISA總線前端總線網絡卡USB卡鍵盤、鼠標、串并行口IBM公司8/16位標準總線、數據傳輸率為8MB/sIntel32/64位標準總線。適應性強、速度快、數據傳輸率為133MB/s。一種專為提高視頻帶寬而設計的總線規(guī)范。32位,266MB/S編輯課件微機總線分類CPU總線微機總線結構地址總線（ABAddressBus）數據總線（DBDataBus）控制總線（CBControlBus）系統(tǒng)總線外部總線32位|64位地址總線數據總線控制總線連接CPU與外圍控制芯片，如主存連接CPU與接口卡IDE集成設備電子部件EIDE增強型IDESCSI小型計算機系統(tǒng)接口USB通用串行總線接口IEEE1394AGP擴展圖形端口PCI外設互聯(lián)總線ISA工業(yè)標準體系結構總線連接主機與外部設備編輯課件輸入/輸出接口CPU和外存儲器以及輸入／輸出設備之間不能直接交換數據，必須通過“接口”設備來轉接。編輯課件接口分類串行接口同一時間傳送一位、效率低；適合遠距離傳輸。例如，RS-232串口、打印機、鼠標接口。并行接口同一時間傳送多位,傳輸速度快、效率高。輸入接口鍵盤輸出接口打印機模擬接口

Modem調制解調器輸出數字接口

Modem調制解調器輸入編輯課件PCI擴展插槽PCI擴展插槽接插各種擴充設備;例如網卡、聲卡、多功能卡、電視卡等。編輯課件USP接口串行接口聲卡、Midi接口12V電源接口IDE接口IDE集成設備電子部件，連接硬、軟盤、光盤等編輯課件接口要解決的問題速度匹配CPU高速度與I/O設備低速度的匹配，通過緩沖區(qū)來解決

信號的驅動能力

CPU需要的是低電平1～5V，而外設需要高電平，通過電平轉換器、驅動器解決

信號形式和電平的匹配

CPU只處理數字信號，外設的信號形式有多種，如模擬信號，數字信號和模擬信號之間的轉換，即A/D、D/A

信息格式問題

CPU總線傳送的是8、16、32位并行二進制數據，而外設使用的數據格式、方式可能不同時序匹配

CPU的操作是在統(tǒng)一的時鐘信號作用下完成的，而外設的定時和控制邏輯有所不同編輯課件主機系統(tǒng)的主板CPU插座芯片組（固定在主板上的一組超大規(guī)模集成電路芯片總稱，南橋、北橋）內存插槽系統(tǒng)BIOS（含上電自檢、系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)設置）CMOS（存儲系統(tǒng)配置信息）總線擴展槽串行、并行接口

主機的大部分部件主要安裝在主機板上。例如CPU、內存、時鐘發(fā)生器等重要部件和電路都安裝在主板上。編輯課件內存條插槽芯片組（南橋、北橋）BIOS芯片存放與主板匹配的基本輸入/輸出程序。CPU插座串行接口COM1,COM2連接串行鼠標和Modem等設備AGP擴展槽加速圖形接口PCI擴展槽CMOS電池為CMOS電路提供電源系統(tǒng)主板編輯課件

系統(tǒng)主板編輯課件編輯課件常用外部設備輸入輸出系統(tǒng)的特點基本輸入輸出方法常用外部設備的工作原理編輯課件輸入輸出系統(tǒng)組成I/O系統(tǒng)輸入輸出設備輸入輸出接口輸入輸出軟件編輯課件I/O設備可按傳輸方式劃分：字符設備和塊設備字符設備以字符為單位傳輸的設備，如：鍵盤塊設備以塊為單位傳輸的設備，如：磁盤按速度可劃分為：高速設備和低速設備。高速設備例如光盤等；低速設備例如打印機等。常用I/O設備有：輸入設備鍵盤、鼠標器、掃描儀、數碼像機輸出設備顯示器、打印機、繪圖儀常用輸入輸出設備編輯課件標準輸入設備。用于編輯程序、輸入數據、發(fā)出命令等操作鍵盤按鍵字數分為：101～104鍵鍵盤鍵盤中的每個按鍵通過電路與計算機內部的掃描碼一一對應，再由掃描碼轉換成ASCII碼小鍵盤區(qū)功能鍵區(qū)控制鍵區(qū)主鍵盤區(qū)鍵盤KEYBOARD編輯課件Windows操作環(huán)境下的標準輸入設備。用于選擇窗口、菜單、控件等操作。鼠標器分機械式和光電式。鼠標的一個主要技術參數是分辨率（dpi），即鼠標每移動1英寸所能測出的點數。一般鼠標的分辨率為200～400dpi。操作方法極其簡單。主要有4種形式的操作：左鍵單擊選擇對象右鍵單擊擊活快捷菜單左鍵雙擊執(zhí)行選擇的對象左鍵拖動移動選擇的對象左鍵右鍵滾輪鼠標器MOUSE編輯課件標準輸出設備。用于顯示交互式操作的對話框及操作結果，是人機對話的主要界面顯示器用分辨率來衡量其性能，即屏幕畫面的清晰度是由橫、豎交叉點（像素）的多少來衡量。顯然，像素點越密，圖像就越清晰亮度、色彩、對比度也是顯示器的性能指標像素點顯示器MONITOR編輯課件

純屏顯示器液晶屏顯示器顯示器圖片編輯課件顯示器顯像原理與電視機的類似。屏幕上的文字或圖形是由一個個像素點組成的今天計算機使用的大都是高分辨率圖形顯示器，常見分辨