計(jì)算機(jī)導(dǎo)論 課件 第2章 計(jì)算機(jī)硬件

第2章計(jì)算機(jī)硬件主要內(nèi)容主板、微處理器和內(nèi)存存儲(chǔ)設(shè)備輸入輸出設(shè)備其他設(shè)備主板主板又叫主機(jī)板、系統(tǒng)板或母板，安裝在機(jī)箱內(nèi)，一般為矩形電路板。主板主要由芯片組、擴(kuò)展槽和對(duì)外接口三個(gè)部分組成。主板主板芯片組是主板的核心部分，可分為北橋芯片和南橋芯片。其中北橋芯片主要負(fù)責(zé)CPU、內(nèi)存和顯卡間的通信，南橋芯片負(fù)責(zé)硬盤等存儲(chǔ)設(shè)備和PCI總線接口間的通信。擴(kuò)展槽是主板上用于固定擴(kuò)展卡并將其連接到系統(tǒng)總線上的插槽。對(duì)外接口主要包括硬板接口、鼠標(biāo)鍵盤接口、USB接口、打印機(jī)接口、聲卡接口等。微處理器微處理器是用來處理指令的集成電路。微處理器≠CPU（微處理器包括CPU、GPU、APU等）微處理器是主板上最大的芯片，是最重要的、通常也是最昂貴的計(jì)算機(jī)部件。CPUGPU影響微處理器性能的因素時(shí)鐘速度總線速度字長(zhǎng)緩存容量核心數(shù)量指令集處理技術(shù)時(shí)鐘速度時(shí)鐘速度通常以GHz（千兆赫茲，即1秒鐘有10億個(gè)時(shí)鐘周期）為單位，它代表著處理器中指令的執(zhí)行速度。微處理器執(zhí)行的每一項(xiàng)指令都以時(shí)鐘周期來度量。對(duì)不同的指令，需要的時(shí)鐘周期數(shù)從一個(gè)到多個(gè)不等。例如Intelcorei74770k的主頻是3.5GHz，就是說能在1秒鐘內(nèi)運(yùn)行35億個(gè)時(shí)鐘周期，但不一定能執(zhí)行35億條指令?？偩€總線速度是指前端總線的頻率。前端總線是用來與微處理器交換數(shù)據(jù)的電路，其頻率的高低直接影響著微處理器訪問內(nèi)存的速度，進(jìn)而影響著微處理器的性能。目前前端總線的頻率在1000MHz到2100MHz之間。頻率越高代表速度越快。字長(zhǎng)字長(zhǎng)是指微處理器能夠同時(shí)處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。字長(zhǎng)取決于ALU中寄存器的大小以及與之相連接的線路的容量。例如32位處理器ALU中的寄存器是32位的，可以同時(shí)處理32位數(shù)據(jù)。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，意味著處理器在相同的周期可以處理更多的數(shù)據(jù)。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常使用32位或64位處理器。緩存容量微處理器的緩存是專用的高速內(nèi)存，微處理器訪問緩存的速度要比訪問內(nèi)存快大約十倍，大容量的緩存可以提高計(jì)算機(jī)的性能。CPU的緩存具有多個(gè)級(jí)別，三級(jí)緩存、二級(jí)緩存、一級(jí)緩存的訪問速度依次提高，但單位容量的成本也依次顯著增加。以IntelCorei74770k為例，其三級(jí)緩存為8MB，二級(jí)緩存為1MB，而一級(jí)緩存只有128KB。核心數(shù)量微處理器可以包含多個(gè)處理單元電路，即多核處理器。多核處理器可以帶來更快的處理速度。如雙核的i52.3GHz處理器等效性能為4.6GHz（2.3×2），四核的i71.8GHz處理器等效性能為7.2GHz（1.8×4）。所以在其他條件沒有限制時(shí)，i71.8GHz處理器要比i52.3GHz處理器的性能要更好。指令集有些指令集中包含有需要幾個(gè)時(shí)鐘周期才能完成的復(fù)雜指令，擁有這種指令集的微處理器使用了復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)（ComplexInstructionSetComputer，簡(jiǎn)稱CISC）技術(shù)。而擁有數(shù)量有限且較簡(jiǎn)單指令集的微處理器使用了精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ReducedInstructionSetComputer，簡(jiǎn)稱RISC）技術(shù)。RISC微處理器執(zhí)行大部分指令的速度相比CISC微處理器要快，但完成同樣的任務(wù)需要更多的簡(jiǎn)單指令。目前大多數(shù)個(gè)人計(jì)算機(jī)都采用了CISC處理器，而手持設(shè)備大多數(shù)采用的是ARM（AdvancedRISCMachines，高級(jí)RISC機(jī)器）處理器。處理技術(shù)微處理器的處理技術(shù)可分為串行、流水線與并行三種。串行處理技術(shù)使得只有完成一條指令的所有步驟后才開始執(zhí)行下一條指令。流水線技術(shù)可以使得在某些復(fù)雜指令完成前就開始執(zhí)行下一條指令，以提高資源的利用率。并行處理技術(shù)則可以同時(shí)執(zhí)行多條指令。流水線技術(shù)和并行處理技術(shù)都提高了微處理器的性能。微處理器性能當(dāng)計(jì)算機(jī)中所有部件高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)2，微處理器才可發(fā)揮最大功效。超頻(overclocking)是指提高計(jì)算機(jī)部件速度的技術(shù)，超頻成功后，慢速部件的處理能力可提升到與更快更貴的部件相當(dāng)。但超頻是非常危險(xiǎn)的，超頻過的部件可能會(huì)更熱，甚至可能引起火災(zāi)。摩爾定律晶體管的密度每隔兩年翻倍其他一些計(jì)算機(jī)元件的發(fā)展同樣遵循摩爾定律。

硬盤存儲(chǔ)容量每隔20個(gè)月翻一番芯片速度每隔24個(gè)月翻一番摩爾定律已被用來描述一個(gè)元件的存儲(chǔ)容量或速度翻一倍大約所用的時(shí)間長(zhǎng)短。戈登·摩爾內(nèi)存內(nèi)存用來存放指令和數(shù)據(jù)，并能由CPU直接隨機(jī)存取。目前使用的內(nèi)存可分為：隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory，簡(jiǎn)稱RAM）只讀存儲(chǔ)器（Read-OnlyMemory，簡(jiǎn)稱ROM）CMOSEEPROM隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（RAM）RAM中存放了等待CPU處理的原始數(shù)據(jù)、程序指令，以及臨時(shí)存放CPU處理后的結(jié)果。除此之外，RAM中還存儲(chǔ)著操作系統(tǒng)的指令，以控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本功能。RAM是易失存的，即需要電來存放、維持?jǐn)?shù)據(jù)。一旦計(jì)算機(jī)失去電力供應(yīng)，存放在RAM中的數(shù)據(jù)就會(huì)立刻永久性消失。又可分為DRAM、SRAM、SDRAM及DDR1、DDR2、DDR3等。虛擬內(nèi)存：當(dāng)RAM不夠用時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)在硬盤上分配一塊區(qū)域存儲(chǔ)部分程序和數(shù)據(jù)。只讀存儲(chǔ)器（ROM）ROM主要存放系統(tǒng)引導(dǎo)程序、開機(jī)自檢程序等。這些一般是在計(jì)算機(jī)出廠前由制造商寫入的。ROM中的數(shù)據(jù)一旦寫入，只能讀，不能被改寫。與RAM的易失存性不同，ROM中的數(shù)據(jù)是永久的，即使斷電也不會(huì)消失。在打開計(jì)算機(jī)時(shí)，RAM是空的，沒有任何指令，因此需要ROM。微處理器可以調(diào)用ROM中的程序及指令集，以訪問硬盤、找到操作系統(tǒng)并加載到RAM中。加載完成后計(jì)算機(jī)便能借由RAM正常運(yùn)行了。內(nèi)存只讀存儲(chǔ)器隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器CMOS及EEPROM對(duì)于計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)需要知道的諸如內(nèi)存、存儲(chǔ)器、顯示器的配置等信息，ROM和RAM都不適合存儲(chǔ)。CMOS中的內(nèi)容可以隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配置或用戶的設(shè)置而改變，CMOS芯片可通過主板上集成的小型電池供電，因此關(guān)機(jī)時(shí)其存儲(chǔ)的信息不會(huì)丟失。EEPROM是非易失存的，它不需要電力就能存放數(shù)據(jù)，并且在更改計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配置時(shí)，它上面的數(shù)據(jù)也會(huì)更新。由于EEPROM不需要電力供應(yīng)，因此EEPROM正在取代CMOS技術(shù)CMOS及EEPROM主板上的CMOS芯片EEPROM閃存閃存（FlashMemory）是一種長(zhǎng)壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息）的存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)刪除不是以單個(gè)的字節(jié)為單位而是以固定的區(qū)塊為單位，區(qū)塊大小一般為256KB~20MB。閃存是EEPROM的變種，閃存與EEPROM不同的是：EEPROM能在字節(jié)水平上進(jìn)行刪除和重寫而不是整個(gè)芯片擦寫，而閃存的大部分芯片需要塊擦除。由于閃存斷電時(shí)仍能保存數(shù)據(jù),因此閃存通常被用來保存設(shè)置信息，如在計(jì)算機(jī)的BIOS(基本程序)、智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)中保存資料等。內(nèi)存訪問時(shí)間內(nèi)存訪問時(shí)間是指處理器從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)、指令和信息所花費(fèi)的時(shí)間。計(jì)算機(jī)的訪問時(shí)間直接影響著計(jì)算機(jī)處理速度的快慢。例如，內(nèi)存中訪問數(shù)據(jù)的速度可達(dá)到比硬盤中訪問數(shù)據(jù)的速度快20萬倍。存儲(chǔ)設(shè)備目前常用的存儲(chǔ)技術(shù)有：磁存儲(chǔ)光存儲(chǔ)固態(tài)存儲(chǔ)云存儲(chǔ)衡量存儲(chǔ)技術(shù)主要從耐用性、通用性、容量、速度等方面考慮磁存儲(chǔ)磁存儲(chǔ)技術(shù)通過磁化磁盤或磁帶表面的微粒來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^指定微粒的朝向來表示“0”和“1”的序列。典型代表：機(jī)械硬盤機(jī)械硬盤驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)或多個(gè)盤片及與每個(gè)盤片相關(guān)的讀寫頭組成。硬盤驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行時(shí)，盤片會(huì)以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速繞固定軸旋轉(zhuǎn)。讀寫頭懸浮在每張盤片上方不到一微米處，可以通過磁化微粒寫入數(shù)據(jù)，也可以通過感應(yīng)微粒的磁極讀取數(shù)據(jù)機(jī)械硬盤的磁頭和盤片機(jī)械硬盤特點(diǎn)：存儲(chǔ)容量較大，單位容量成本較低；耐用性較差，收環(huán)境因素和人為因素影響較大。性能：機(jī)械硬盤的性能常以容量、訪問時(shí)間和轉(zhuǎn)速來衡量。盤片越多，磁微粒的密度越大，硬盤容量也越大。硬盤轉(zhuǎn)速越快，磁頭定位到指定數(shù)據(jù)的速度也越快。磁帶磁帶是一種能夠以低成本存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)和信息的磁性圖層塑料帶。與傳統(tǒng)磁帶錄音機(jī)相比，磁帶機(jī)可以直接讀寫磁帶數(shù)據(jù)。光存儲(chǔ)光存儲(chǔ)技術(shù)通過光盤盤片表面的平坦程度來表示數(shù)據(jù)，盤片表面的平坦區(qū)域表示二進(jìn)制“1”，不平坦區(qū)域（又稱凹點(diǎn)）表示二進(jìn)制“0”。典型代表：光盤光盤常見類型：CD、DVD、藍(lán)光常見光技術(shù)：只讀技術(shù)、可記錄技術(shù)和可重寫技術(shù)

光盤特點(diǎn)：光盤的優(yōu)點(diǎn)是它們的超大容量及便攜性；缺點(diǎn)是訪問、保存、修改數(shù)據(jù)的速度比較慢。雙面光盤：為了提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，被制成存儲(chǔ)兩層數(shù)據(jù)的圓盤的雙面光盤的存儲(chǔ)了幾乎翻了一番。為獲取更大的容量，光盤正朝著兩層以上發(fā)展，光盤也可以雙面錄制，但存儲(chǔ)在光盤兩面的數(shù)據(jù)不能同時(shí)訪問。固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)固態(tài)存儲(chǔ)器有時(shí)也稱閃存，是通過存儲(chǔ)芯片內(nèi)部晶體管的開關(guān)狀態(tài)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。固態(tài)存儲(chǔ)器不需要讀寫頭，也不需要轉(zhuǎn)動(dòng)，所以耗電量小，且持久耐用——不會(huì)受到振動(dòng)、磁場(chǎng)、高溫等的影響。常見固態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)卡固態(tài)硬盤U盤存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)卡可廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、媒體播放器等數(shù)碼產(chǎn)品中。hi算計(jì)使用讀卡器能夠讀取并向存儲(chǔ)卡中寫入數(shù)據(jù)。多數(shù)計(jì)算機(jī)內(nèi)置讀卡器，這使得計(jì)算機(jī)和數(shù)碼產(chǎn)品直接能夠互相傳輸數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)卡的類型包括多媒體（Multimedia,MMC）卡、安全數(shù)字（SecureDigital,SD）卡、記憶棒等。存儲(chǔ)卡固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤（SolidStateDrive,SSD）是一種可替代硬盤驅(qū)動(dòng)器的設(shè)備，它在接口的規(guī)范和定義、功能和使用方法上與普通硬盤完全相同。在外形與尺寸上也與普通硬盤一致。固態(tài)硬盤的讀寫速度非?？?，功耗低，且工作時(shí)沒有噪聲，廣泛用作移動(dòng)設(shè)備的主存儲(chǔ)設(shè)備，一些筆記本電腦和上網(wǎng)本也開始使用固態(tài)硬盤替代機(jī)械硬盤。固態(tài)硬盤U盤U盤（USEFlashDrive）是一種便攜式存儲(chǔ)設(shè)備，它可以使用USB接口與計(jì)算機(jī)連接，無須驅(qū)動(dòng)器，U盤的核心部分致于拇指大小，但容量很大，適合在計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)。目前，主流的U盤有8GB、16GB的容量，部分U盤的容量可以超過128G甚至達(dá)到1TB。U盤的傳輸速度取決于USB版本。1TB的U盤云存儲(chǔ)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)中大量不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備通過應(yīng)用軟件集合起來協(xié)同工作，共同對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問功能。云存儲(chǔ)可以作為單獨(dú)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)存在，也可以作為云計(jì)算的一部分存在。典型代表：亞馬遜彈性計(jì)算業(yè)務(wù)（AmazonEC2）云存儲(chǔ)技術(shù)缺點(diǎn)：黑客可能截獲數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)的安全和隱私受到損害；如果云存儲(chǔ)服務(wù)因?yàn)槟承┰蛑袛?，用戶就不能進(jìn)行數(shù)據(jù)存取了。全息存儲(chǔ)全息存儲(chǔ)是一種三維存儲(chǔ)系統(tǒng)。全息驅(qū)動(dòng)器將發(fā)出的藍(lán)色激光束分成兩束——參照光束和數(shù)據(jù)光束參照光束的角度用于識(shí)別存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所在的物理位置；數(shù)據(jù)光束則負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。全息存儲(chǔ)特點(diǎn)：全息存儲(chǔ)十分快捷同樣大小的全息光盤或全息盒可以比CD、DVD或BD容納更多的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的檢索和讀取操作的結(jié)果是唯一確定的存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)（至少50年）耗能低應(yīng)用：目前的全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)是只讀類型的，回味大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的或快速數(shù)據(jù)檢索的/幾乎不修改數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供存儲(chǔ)服務(wù)，如：商業(yè)數(shù)據(jù)的存檔、醫(yī)療記錄、電視節(jié)目和傳感器數(shù)據(jù)等。存儲(chǔ)器比較存儲(chǔ)器類型主流容量單位容量花費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸速度可移動(dòng)性耐用性技術(shù)機(jī)械硬盤80GB-2TB較低較高較低中等磁存儲(chǔ)CD700MB低低高較高光存儲(chǔ)DVD8.5GB低低高較高光存儲(chǔ)藍(lán)光50GB低低高較高光存儲(chǔ)固態(tài)硬盤32GB-1TB高高較低（內(nèi)置）/較高（外置）高固態(tài)存儲(chǔ)U盤2GB-256GB較低中等高高固態(tài)存儲(chǔ)輸入設(shè)備常見輸入設(shè)備：鍵盤手寫板鼠標(biāo)、觸控板、觸摸屏、游戲控制器等定點(diǎn)設(shè)備熱門識(shí)別設(shè)備：條碼讀取器無線射頻識(shí)別（RFID）閱讀器生物識(shí)別閱讀器條碼讀取器條形碼條形碼b是通過具有不同寬度或高度的條格來表示數(shù)據(jù)的光學(xué)代碼，最常用的是UPC（UniversalProductCode，通用產(chǎn)品代碼）和ISBN（InternationalStandardBookNumber，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)圖書編號(hào)）常規(guī)的條形碼是一維條形碼，新型的二維條形碼容納的數(shù)據(jù)要比一維高幾百倍，最常用的二維碼是QR（QuickResponse，快速反應(yīng)）條碼讀取器條碼讀取器使用反射光技術(shù)或者是圖像處理技術(shù)將條形碼中的條格轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字或字母；然后讀取出與條形碼相關(guān)聯(lián)的典型識(shí)別碼。無線射頻識(shí)別閱讀器無線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)可以存儲(chǔ)、讀取和傳送位于RFID標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)，RFID標(biāo)簽上包含微型芯片和天線。優(yōu)點(diǎn)RFID標(biāo)簽只需要閱讀器在一定范圍內(nèi)即可完成識(shí)別；附加到每個(gè)物體上的RFID標(biāo)簽是獨(dú)一無二的；RFID芯片可以在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)被更新。應(yīng)用跟蹤物品運(yùn)動(dòng)；電子收費(fèi)；跟蹤食品和來源；過境點(diǎn)加快識(shí)別旅客的過程。生物識(shí)別閱讀器生物識(shí)別閱讀器用于讀取一個(gè)人的生物特征數(shù)據(jù)，使得個(gè)人的身份可以基于一個(gè)特定的、獨(dú)特的生理特征或個(gè)人特征來驗(yàn)證。生物識(shí)別閱讀器可獨(dú)立或內(nèi)置于計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備中，也可以內(nèi)置到其他硬件中?？捎糜谑跈?quán)用戶訪問計(jì)算機(jī)或存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)，也可用于電子支付、登錄到安全網(wǎng)站，或者導(dǎo)入和導(dǎo)出工作中的數(shù)據(jù)。輸出設(shè)備常見輸出設(shè)備顯示器打印機(jī)繪圖儀音響新興輸出設(shè)備3D顯示可穿戴式顯示器干涉式調(diào)制器（IMOD）顯示器3D打印機(jī)谷歌眼鏡顯示器與顯卡顯示器可分為L(zhǎng)CD、LED等類型LCD（液晶）顯示器，通過對(duì)顯示器內(nèi)部液晶粒子的排布組成不同的顏色和圖像。液晶顯示器機(jī)身薄、占地小、輻射小，但色彩不夠鮮艷、可視角度不夠大。LED（發(fā)光二極管）顯示器，通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管來顯示信息。LED顯示器色彩鮮艷、動(dòng)態(tài)范圍廣、亮度高、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠，正在替代LCD顯示器，應(yīng)用于社會(huì)的很多領(lǐng)域。顯示器與顯卡常見顯示器參數(shù)屏幕尺寸點(diǎn)距分辨率色深視角寬度響應(yīng)速率顯示器與顯卡顯卡與顯示器息息相關(guān)。顯卡是連接顯示器和個(gè)人計(jì)算機(jī)的重要元件，承擔(dān)著輸出顯示圖形的任務(wù)。顯卡