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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,计算机,硬件系统,2-,*,第 二 章,计算机硬件系统,1,2.1,计算机硬件概述,CPU,内部存储器,主机,外部存储器,通信设备,输入设备,输出设备,硬件组成,一、计算机的硬件组成,2,2.1,计算机硬件概述,二、微型计算机的硬件结构,微型计算机是由微处理器、存储器、总线、,I/O,接口及其相应设备组成。,微处理器,CPU,键盘,鼠标器,显示器,打印机,内存,通信线路,通信,接口,外存,接口,硬盘,光驱,软驱,输入,接口,输出,接口,硬件结构,总 线,3,三、总线结构,总线,：各模块间传送信息的公共通路。,分类,：,内部总线、系统总线、外部总线,数据总线、地址总线、控制总线,串行总线、并行总线,2.1,计算机硬件概述,4,系统总线,地址总线（单向）,地址总线的位数,它决定了,CPU,可以访问存储器容量的大小。,20,位地址总线：,1MB,32,位地址总线：,4GB,数据总线（双向）,数据总线的位数,它决定了,CPU,与内存、输入输出设备之间一次数据传输的信息量。,64,位数据总线：字长,8 Bytes,控制总线（双向）,传输各种控制信号,2.1,计算机硬件概述,5,单总线结构,2.1,计算机硬件概述,微处理器,CPU,键盘,鼠标器,显示器,打印机,内存,通信线路,通信,接口,外存,接口,硬盘,光驱,软驱,输入,接口,输出,接口总 线,6,双总线结构,2.1,计算机硬件概述,CPU,键盘,鼠标器,显示器,打印机,内存,通信线路,通信,接口,外存,接口,硬盘,光驱,软驱,输入,接口,输出,接口,总 线,7,多总线结构,2.1,计算机硬件概述,8,ISA:,16bit;8MHz;16MB/s,1M(20),PCI:,32bit;33MHz;133MB/s;4GB(32),AGP:,32bit;133MHz;533MB/s,2.1,计算机硬件概述,9,外部总线,SATA:,硬盘、光盘等,300MB/s,SCSI:,磁盘、光盘等,320MB/s,USB:,2.0 480Mb/s,2.1,计算机硬件概述,10,串行（,serial,）总线,并行（,parallel,）总线,2.1,计算机硬件概述,11,2.2,中央处理器,一、,CPU,的内部结构,CPU,微处理器中央处理器,CPU,：控制器、运算器、寄存器,12,二、,CPU,的性能指标,主频、外频和倍频,主频,：,CPU,工作的时钟频率,(,MHz,GHz,),。,MHz,：每秒能执行一百万个时钟周期。,GHz,：每秒能执行十亿个时钟周期。,指令执行,：一些指令需要一个周期 另一些指令需要很多周期,主频外频,倍频,2.2,中央处理器,13,高速缓存（,cache,）,CPU,缓存（,Cache Memory,）位于,CPU,与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快。在缓存中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内,CPU,即将访问的，当,CPU,调用大量数据时，就可避开内存直接从缓存中调用，从而加快读取速度。,一级缓存,:,是,CPU,第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的,L1,高速缓存的容量和结构对,CPU,的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态,RAM,组成，结构较复杂，在,CPU,管芯面积不能太大的情况下，,L1,级高速缓存的容量不可能做得太大。一级缓存的容量基本在,4KB,到,64KB,之间，,二级缓存,:,CPU,产品中，二级缓存的容量则分为,128KB,、,256KB,、,512KB,、,1MB,、,2MB,等。,2.2,中央处理器,14,三、,CPU,的发展历程,时间,CPU,芯片,集成度,主频,字长,(b),最大内存,1971,4004,2300,108KHz,4,640B,1978,8086/8088,2.9,万,4.77-10MHz,16,1MB/20b,1982,80286,14.3,万,6-20MHz,16,16MB/24b,1985,80386,27.5,万,12.5-33MHz,32,4GB/32b,1989,80486,125,万,33-133MHz,32,4GB/32b,1993,Pentium,310,万,60-233MHz,64,4GB/32b,1997,Pentium,750,万,233-450MHz,64,4GB/32b,1999,Pentium,2800,万,450-800MHz,64,64GB/36b,2000,Pentium 4,4200,万,400M-3.2GHz,64,64GB/36b,2.2,中央处理器,、,AMD,、,Cyrix,15,2.3,存储系统,一、存储器概述,1.,基本概念,存储器,：由一些能表示,0,和,1,的物理器件组成的，如双稳态电路、磁性材料等。,存储位,：存储信息的最小单位，,0,或,1,。,存储单元,：若干个存储位组成，字节。,存储容量,：存储器中存储单元的总数。,基本操作,：读出数据取数,写入数据存数,16,2.,分类,按存储方式分类,随机存储器,(RAM),随机存取任何单元的数据,顺序存储器,(SAM),只能按某种顺序存取数据,只读存储器,(ROM),只能读取任何单元的数据,直接存储器,(DAM),介于,RAM,和,SAM,之间,按功能和存取速度分类,寄存器型存储器,CPU,内部的寄存器组,高速缓冲存储器,L1 Cache,L2 Cache,主存储器,内部存储器,辅助存储器,外部存储器,基本要求：存取时间短、存储容量大、价格低,2.3,存储系统,17,3.,层次结构,2.3,存储系统,CPU,寄存器,高速缓存,主存储器,辅助存储器,海量存储器,存储容量更大,单位价格更高,存取速度更快,内存,外存,半导体静态存储器,几倍,半导体动态存储器,几十,ns,硬盘和软盘,几十,ms,光盘和磁带,s,几,ns,18,4.,性能指标,存储容量,：存储器可以容纳的信息量。,例如：半导体存储器：,4GB,硬盘：,500GB,存取时间,：指存储器从接到读或写命令开始，到读写,操作完成为止所需时间。,SRAM:100ns DRAM:150ns,磁盘：几十毫秒,存取周期,：连续两次读写操作之间最小的时间间隔。,SRAM,：存取时间与存取周期相同,DRAM,：存取周期,存取时间,如：,190ns=100+90(,预充时间,),数据传输率,：外存与内存交换数据的能力。如硬盘的数据,传输率：,1.25-10MB/s,功耗、可靠性、集成度,2.3,存储系统,19,二、半导体存储器,1.,分类,按制造工艺分类,双极型半导体存储器,TTL,型存储器,ECL,型存储器高速缓冲存储器,MOS,存储器,SRAM,存取速度快高速缓存,DRAM,集成度高主存储器,2.3,存储系统,按工作性能分类,高速缓冲存储器,容量小，速度高。双极型半导体存储器,主存储器,随机存取存储器,RAM(SRAM,、,DRAM)MOS,型,只读存储器,ROM,辅助存储器,半导体盘,(,固态盘,SSD),20,2,.,随机存取存储器,-RAM,(Random Access Memory),特点,：,存放数据可以随机读写，但断电后,RAM,存放的数据全部丢失。,静态随机存取存储器,SRAM,：,以反相器交叉耦合构成的触发器作为存储单元，不需刷新。功耗高、存取速度快高速缓存,动态随机存取存储器,DRAM,：,用开关电容作存储单元,需定时刷新（周期几,ms,）。功耗低、集成度高主存储器,2.3,存储系统,21,3.,只读存储器,ROM(Read,Only,Memory),特点,：,存放的数据只能读出不能写入，但断电后,ROM,存放,的数据仍存在。,系统主板上装有,BIOS-ROM,。（逐渐被闪存代替）,2.3,存储系统,MROM-,掩膜,ROM,（厂家写入、便宜）,PROM-,可编程,ROM,（用户一次写入）,ROM,EPROM-,可擦除,可编程,ROM,（,20,分钟紫外线，整片擦除）千次,E,2,PROM-,电,可擦除,可编程,ROM,（选择字节、较高电压）,flash EPROM-,快可擦除,可编程,ROM,（闪存）万次,22,4.,非易失,RAM NV-RAM(Non Volatile RAM),特点：,具有,RAM,的随机读写性，具有,ROM,的非失性。,技术：,（,1,）使用,CMOS,构成的功耗极低的,SRAM,（,2,）使用锂电池作后备电源,（,3,）使用一个智能控制电路,2.3,存储系统,23,三、磁表面存储器,1.,存储原理,2.3,存储系统,写入时，数据经编码电路产生相应的电流变化，当数据位为,“,1,”,时电流发生极性变换；数据位为,“,0,”,时,电流极性不变。电流送到磁头线圈，在磁表面形成与数据对应的磁化区。,读出时，把磁头的感应信号转换成数据输出。,24,2.,硬盘,(Hard Disk),又称硬盘存储器，硬磁盘存储器。,特点,：存储容量大、存取速度快,可靠性高、每兆字节成本低,温彻斯特技术,：工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，不与硬盘直接接触。,其精髓是密封、高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动。,2.3,存储系统,25,硬盘的工作原理,2.3,存储系统,若从查找操作开始，驱动机构根据柱面地址把磁头向目标磁道移动，并定位在目标磁道上，等待有关信息区段旋转到磁头下，然后进行读写操作。26,硬盘的性能指标,平均寻址时间,：,指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。,平均寻址时间平均寻道时间平均旋转时间,平均访问时间平均寻址时间启动延时,+,每扇区数据传送时间,磁道记录密度,：,道密度,沿盘片直径方向单位长度内的磁道数。,位密度,磁道上单位长度的数据位数。,2.3,存储系统,27,数据传输率,：指硬盘读写数据的速度。,其计算公式如下,数据传输率位密度,(,位,/,英寸,),转速,(,转,/,秒,)2R(,英寸,/,转,),R,是最内圈磁道半径,转速,：指硬盘盘片每分钟转动的圈数。也就是主轴转速，单位是,rpm,。,通常的硬盘转速为,5200,、,5400 7200,、,10000rpm,2.3,存储系统,28,硬盘的逻辑容量,：硬盘的存储格式是按柱面、磁道和扇区来衡量的，柱面是由一组盘片上的同一个磁道垂直形成的同心圆柱。硬盘容量柱面数,盘面数,扇区数,512B,例如,：通过,BIOS,检测发现，某型号硬盘逻辑上的面数为,255,，每面有,1027,个磁道,每磁道有,63,个扇区，则,硬盘容量,255102763512B,8.056GB,2.3,存储系统,29,硬盘的外部结构,2.3,存储系统,硬盘使用前要做：物理格式化、分区、高级格式化,30,3.,软驱与软盘,软盘存储器是由软盘驱动器、软盘控制器和软盘三部分组成。,软盘驱动器,：读写软盘信息的装置。,软盘控制器,：与主机连接的接口。,软盘,：信息的存储介质，可脱机保存。,特点,：与硬盘相比，软盘价格便宜；,软盘及其驱动器体积小，携带方便；,可脱机存储，互换性好。,2.3,存储系统,31,软驱的工作原理,工作过程,：电机带动盘片转动，磁头定位器是一个很小的步进电机，它负责把磁头移动到正确的磁道，由磁头完成对软盘的读写操作。,写操作,：以电脉冲将磁头下方磁道上那一点磁化。,读操作,：将磁头下方的磁化信息转化为电信号，通过电信号强弱来判断是,0,还是,1,。,2.3,存储系统,32,软驱与软盘的性能指标,磁道,：以盘片中心为圆心的同心圆轨迹就是记录数据的磁道。,道密度,：沿软盘径向方向单位长度上的磁道数，,3.5in,软盘有,80,个磁道。,扇区,：每个磁道被划分为若干扇区,3.5in,软盘的扇区一般有,18,个。,2.3,存储系统,磁道,扇区,00,33,存储容量,：指每张盘片所能记录的二进制数据的总和。其计算公式为：,存储容量磁面数,磁道数,扇区数,512B,数据传输率,：指软盘及软驱每秒钟与计算机主机交换二进制数据的位数。,常见的有：,125Kb/s,、,250Kb/s,300Kb/s,、,500Kb/s,2.3,存储系统,34,软盘的外部结构,软盘是由起保护作用的塑料封套和盘片组成，其结构包括塑料外壳、快门、标签、写保护口、盘片、金属环等。,2.3,存储系统,35,四、光盘存储器,光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和光盘控制器组成。,特点,：存储容量大、非接触式读写、制作成本低、不怕热和磁、保存携带方便。,分类,：只读型光盘：,CD-ROM,一次写型光盘：,WORM,、,CD-R,可重写型光盘：,CD-RW,2.3,存储系统,36,1.,工作原理,光盘存储器是利用激光的单色性和相干性,通过调制激光把数据聚集到记录介质上,使介质的光照区,(,直径小于,1m),发生物理和化学变化，以写入数据。,读数据时，利用低功率密度的激光扫描信息轨道，其反射光通过光电检测器检测、解调，从而获得所需要的信息。,2.3,存储系统,37,2.,性能指标,存储容量一张光盘的数据存储量。,CD-ROM650MB,DVD,4.7-17GB,一个单层的蓝光光碟的容量为,25,或是,27GB,，足够烧录一部长达,4,小时的高清影片。双层可达到,46,或,54GB,。而容量为,100,或,200GB,的，分别是,4,层及,8,层。,数据传输率,：标准速率,为150,KB/s,2x300KB/s(,倍速,),4x600KB/s(4,倍,速,),48x7200KB/s(48,倍速,),2.3,存储系统,38,平均访问时间,：,指光驱在盘上定位并读取一定量的数据所需要的平均时间。该时间越短，光驱的启动速度越快。,平均访问时间,250ms,。,数据缓冲区,：,指光驱内部缓冲存储器的容量。缓冲区越大，光驱的响应速度越快。,其大小一般为：,128KB,、,256KB,、,4MB,2.3,存储系统,39,3.,外部结构,光驱控制面板,：立体声耳机插孔、音量控制、工作状态指示灯、弹出孔、弹出开关和光盘托盘。,光驱控制接口,：电源插口、跳线设置、数据接口、,EIAJ,插座、音频输出。,2.3,存储系统,40,五、可移动存储器,2.3,存储系统,U,盘,移动硬盘,41,2.4,输入设备,一、输入设备概述,输入,：指将预备进行处理的数据送入计算机的过程。,输入设备,：把程序和原始数据等转变为计算机能识别的信息存放到存储器中。,分类,：,字符输入设备：键盘、磁卡机,指点输入设备：鼠标器、触摸屏,扫描输入设备：扫描仪、条形码,语音输入设备：,IBM,ViaVoice,42,二、键盘,1.,键盘的结构,结构,：电路板、按键、外壳。,按键,：用户使用键盘的区域。,键盘上键位的排列有一定规律，一般可分为四个区域：,2.4,输入设备,打字机键区,功能键区,编辑键区,数字键区,43,2.,键盘的工作原理,键盘电路大多采用,Intel 8048,或,8049,单片机控制的控制电路，该控制电路具有键扫描、消颤、生成键扫描码等功能。,键盘上的按键排列成矩阵形式，用软硬件的方法分别对行、列进行扫描，以获取按键的位置，并生成键扫描码。,单片机将键扫描码以串行方式传输给主机，主机接到后进行如下操作：,2.4,输入设备,44,通过接口电路将串行数据转换为并行数据；,由并行接口送给,CPU,；,由软件将扫描码转换为该键,ASCII,码,.,3.,键盘的种类,机械式键盘、薄膜式键盘、无线键盘,4.,键盘的接口,AT,、,PS/2,、,USB,2.4,输入设备,45,三、鼠标器,鼠标器是一种手持式屏幕定位装置，在图形界面中大多数操作都可用鼠标来完成。,机械式鼠标,：移动鼠标时，用滚动小球来进行定位。,光电式鼠标,：在特定的反射板上移动鼠标，用鼠标底部光电转换装置定位坐标点。,2.4,输入设备,46,四、数据手套,2.4,输入设备,47,五、三维激光扫描仪,2.4,输入设备,482.4,输入设备,49,六、头盔显示器,2.4,输入设备,50,2.5,输出设备,一、输出设备概述,输出,：指将计算机处理的数据转换为用户需要的形式。,输出设备,：把计算机的处理结果以人们或现场所接受的形式表达出来的设备。,分类,：显示器：字符方式、图形方式,打印机：击打式、非击打式,绘图仪：平板式、滚筒式,语音输出系统：语音输出、音乐输出,51,2.5,输出设备,一、输出设备概述,输出,：指将计算机处理的数据转换为用户需要的形式。,输出设备,：把计算机的处理结果以人们或现场所接受的形式表达出来的设备。,分类,：显示器：字符方式、图形方式,打印机：击打式、非击打式,绘图仪：平板式、滚筒式,语音输出系统：语音输出、音乐输出,52,二、显示设备,主机,显示卡,显示器,总线扩展槽,多芯视频电缆,1.显示卡,显示卡(显示适配器、显示接口卡),用于将主机中的数字信号转换成图像信号并显示在显示器上。,2.5,输出设备,53,显示卡的基本结构,显示卡是由显示芯片、显示内存、,RAM DAC、VGA BIOS、,总线接口等组成。,显示卡的工作原理示意图,PCI,总线接口(数字信号),GPU,显,存,RAM,DAC,BIOS,VGA,输出,模拟信号,2.5,输出设备,54,显示卡的性能指标,分辨率,：指在显示器屏幕上所能描绘的像素个数(横纵比为4:3或,16:9),，如800*600、1024*768、,1280*1024,、,1920*1080,。,颜色深度,：指能同屏显示的色彩数量，如8、16、24、32(24/8)、36(24/12)位。,显存的容量大小决定了显卡支持的最高分辨率和颜色深度。,显存分辨率,颜色深度,2.5,输出设备,55,2.,CRT,显示器,(,阴极射线管,),显示器的工作原理,CRT,是由电子枪、偏转线圈、荧光粉层、荫罩和玻璃外壳组成。,2.5,输出设备,56,荫罩板（,shadow mask,）,2.5,输出设备,57,显示器的分类,按显示颜色,：单色显示器、彩色显示器,按器件材料,：阴极射线管、液晶显示器,等离子体显示器、发光二极管显示器,按屏幕形状,：球面屏幕、柱面屏幕,平面直角屏幕、纯平面屏幕,2.5,输出设备,58,显示器的性能指标,屏幕尺寸,：衡量显示器屏幕大小。14,、15、17、21,英寸。,点距,：指荧光屏上两个相邻的相同颜色磷光点之间的距离。点距越小，显示图像越细腻。0.28(14,in/1024*768)0.27、0.26、0.25mm,分辨率,：指屏幕上可容纳像素的个数，它受到屏幕尺寸和点距的限制。,2.5,输出设备,59,3.液晶显示器(,LCD),2.5,输出设备,TFT,（,Thin Film Transistor,）是指薄膜,晶体管,，意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的,LCD,彩色显示设备之一，其效果接近,CRT,显示器。,60,优点,：空间小、重量轻、低功耗,性能指标,：,屏幕尺寸,13.3、14.1in,可视角度,水平角度140,0,垂直角度120,0,显示颜色,TFT-LCD,2.5,输出设备,61,三、打印机（,Printer,）,打印机是用于打印输出计算机的处理结果，产生计算机输出的硬拷贝，以便在计算机之外也可使用计算机的处理结果。,1.,分类,2.5,输出设备,热敏打印机,打印机,击打式打印机,非击打式打印机,激光打印机,喷墨打印机,串式打印机,行式打印机,62,2.,性能指标,打印速度,：,CPS(,字符,/,秒,),LPM(,行,/,分,),印字质量,：低质量,(,草稿质量,400DPI),打印噪声,：规定不超过,55dB,。,2.5,输出设备,63,3.,激光打印机,工作过程,：,接受由主机发出的信息，然后进行激光扫描，将要输出的信息在磁鼓上形成静电潜像，使碳粉吸附到感光鼓上，再吸附到纸上，经加热定影后输出。,2.5,输出设备,特点,：,打印速度高,印字质量高,无噪音,64,4.,喷墨打印机,工作过程,：,靠墨水通过精制的喷头射到纸面上而形成输出的字符或图形。,特点,：,价格便宜、体积小、无噪音,打印质量高，对纸张要求高,墨水消耗量大,2.5,输出设备,65,四、绘图机,(Ploter)2.5,输出设备,66,2.6,计算机的系统结构,一、并行处理的概念,并行性是指在,同一时刻,(,同时性,),或,同一时间间隔内,(,并发性,),，,完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。,计算机中提高并行性的措施多种多样，基本思想可归纳如下：,（,1,）时间重叠。相邻处理过程在时间上错开，轮流重叠,使用同一套硬件的各部分。,（,2,）资源重复。重复设置硬件资源提高可靠性和性能。,（,3,）资源共享。让多个用户按照一定的时间顺序轮流使,用同一套资源，提高资源利用率。,(,是软件方法，分时等,),67,2.6,计算机的系统结构,二、流水线处理机（,pipeline,）,时间上的并行,资源相关、数据相关,68,2.6,计算机的系统结构,三、并行处理机,单一控制部件，多个处理单元，一个内存单元，对各自的数据完成同一条指令规定的操作，主要用于向量或矩阵运算中。,Single Instruction Multiple Data,69,2.6,计算机的系统结构,四、多处理机系统（紧密耦合）,由多台处理机（包括,PU,和,CU,）组成的单一计算机系统，由统一的操作系统控制。各处理机可有自己的控制部件,(,不同于并行处理机,),，可带自己的局部存储器能执行各自的程序，通过共享主存实现机间通信。同时处理同一作业中能并行执行的多个任务，实现指令以上级并行。,70,2.6,计算机的系统结构,五、机群系统（松散耦合）,由多独立的台计算机组成的系统系统，各计算机分别在逻辑上独立的操作系统控制下运行，各机通信以文件或数据集形式进行，实现多个作业的并行。,71,