硬件系统14计科专业

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1、计算机硬件系统,授课人：齐晓娜 信息管理与工程系,计算机的发展史,计算机是一种能按照事先存储的程序，通过程序控制，自动、高速进行大量数值计算和各种信息处理的代化智能电子装置。,100年以后,乘法机 莱布尼兹,1946年2月，世界上第一台电子数字计算机“埃尼阿克”(ENIAC)在美国宾夕法尼亚大学诞生，它每秒钟只能进行5000次加减运算，但它预示着科学家将从繁重的计算中解脱出来。ENIAC共用了18000多只电子管，重量达30吨，占地170平方米，每小时耗电150千瓦，真可谓“庞然大物”。,ENIAC的主机房,计算机的发展史,计算机系统的基本组成,计算机系统 硬件 (hardware): 机器系

2、统，电子设备 软件 (software) : 程序及其文档,1.4 计算机硬件系统概述,1.冯诺依曼计算机模型： 三要点： 计算机内采用二进制表示信息。 计算机包括运算器、控制器、存储器和输入输出设备。 程序存储：把计算步骤（程序）先存入内存，计算机不需要人的干预，会自动执行所存入的程序。 核心：“存储程序”,实线数据信息 虚线控制信息,控制器是计算机的控制指挥中心，它的主要作用是按照人们预先确定的操作步骤（程序），控制微机各部件步调一致地自动工作（执行程序）。,运算器也称为算术逻辑单元ALU，是执行算术运算和逻辑运算的功能部件。,存储器是计算机用来存储信息的重要功能部件。存储器分为内存储器和

3、外存储器，简称内存和外存。,输入设备用来接收用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机能识别的形式（二进制数）存放到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。,输出设备用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机等。,4、存储系统的组成,存储器三个主要技术参数：存储容量，存取速度，位价格。 主存储器（内存储器） 辅助存储器（外存储器） 高速缓冲存储器（Cache）,存储系统的层次结构,主存储器 存放当前参与运行的程序、数据和中间信息，并直接与CPU交换信息。 特点：存储容量小，存取速度快，位价格适当，存储数据不能长期保留。 辅助存储器

4、(磁盘和光盘) 存放当前不参与运行的程序和数据，与主存交换数据。 特点：容量大，速度慢，位价格低，存储数据长期保存。,高速缓冲存储器 存放正在运行的一小段程序和数据，在cpu与主存之间不停交换程序和数据。 特点：存储容量小，存取速度快，位价格高，存储数据不能长期保留。 读取速度：高速缓冲存储器内存硬盘光盘软盘,5、存储器的容量,(1)基本概念 存储单元：1个字节（8位二进制位） 存储单元地址：存储单元的编号 存储容量：存储设备上可以存储数据的最大数量，通常用字节(Byte)、千字节(KB)、兆字节(MB)和千兆字节(GB)来衡量。,采用字节（byte）作为计算机存储信息的基本计量单位。 1个字

5、节由8个二进制位(bit)来组成,可以表示1个英文字母、数字或符号 存贮一个汉字需要两个字节 1 Byte8 bit 1 KB1024 Byte210 Byte 1 MB1024 KB 210 KB 1 GB1024 MB 210 MB 1 MB1024 KB 10241024字节 1 048 576字节(约100万字节) 相当于50万汉字（300页的书）,3.计算机的基本工作原理,有关术语 （1）指令：就是控制计算机完成一个基本操作的命令。它是由0和1组成的二进制信息编码，其结构由操作码和操作数（或操作数地址）两部分构成。操作码规定了指令要进行什么样的操作，操作数则是指定参加该操作的数是什么

6、或它在内存中的地址。 （2）程序：一条指令只完成一个简单操作，而要完成一项复杂的任务，则需要人们把许多条不同的指令，有序地组织在一起这就是程序。 （3）指令系统：计算机能执行的指令的集合，称为该计算机的指令系统。,第一步：将程序和数据通过输入设备送入存储器； 第二步：启动运行后，计算机从存储器中取出程序指令送到控制器去识别，分析该指令要求什么事； 第三步：控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减法），将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算，再把运算结果送回存储器指定的单元中； 第四步：当运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出。 因此，计算机基本工作过程可归结为：取

7、指令分析指令执行指令，反复进行直到结束。,计算机基本工作过程,看动画,2.1.2 微型计算机硬件系统组成,微型计算机的硬件系统是由主机系统和外部设备两部分组成的。 主机系统主要包括中央处理器、内存储器、输入输出接口和系统总线等，被封装在主机箱内； 外部设备是指与主机相连的所有设备，主要有外存储器、输入设备和输出设备。,计算机硬件系统的总体结构,中央处理器,主板,1.微处理器(CPU),socket 478,计算机硬件,微处理器,算术/逻辑单元（ALU）：计算机的“计算器”，完成两种类型的操作。 算术操作：加、减、乘、除。 逻辑操作：比较操作。 寄存器：CPU内部存储运算数据和系统信息，相似于内

8、存的单元，其速度更快以及使用方式不同。 专用寄存器：指令寄存器、地址寄存器。 通用寄存器：暂存数据的寄存器。 控制单元：协调和控制出现在中央处理器单元中的所有操作，还与输入/输出设备进行通信。,(1) CPU组成：,字与字长。计算机内部作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制数，称为一个字。组成该二进制数的位数试字长。“16位机”“32位机”“64位机”字长越长，运算能力就越强，计算精度就越高。 主频：CPU有主频、倍频和外频三个重要参数，它们的关系是：主频外频倍频。主频是CPU内部的工作频率，即CPU的时钟频率(CPU Clock Speed)。外频是系统总线的工作频率。倍频是主频和外频

9、相差的倍数。CPU的运行速度通常用主频表示，以赫兹(Hz)作为计量单位。,(2)微处理器主要性能指标,微处理器主要性能指标,3.前端总线(FSB)频率 前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。 4.缓存 缓存是指可以进行高速数据交换的存储器，它先于内存与CPU交换数据，因此速度很快。 5.制造工艺 指在硅材料上生产CPU时内部各元器材的连接线宽度，一般用微米表示。微米值越小制作工艺越先进，CPU可以达到的频率越高，集成的晶体管就可以更多。 6.CPU内核和I/O工作电压 从586CPU开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种。其中内核电压的大小是根

10、据CPU的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；I/O电压一般都在1.63V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。,酷睿i7 目前最新的Intel Core i7(-980X)是一款32nm原生六核十二线程处理器， 处理器拥有12MB三级缓存，支持三通道DDR3内存。,2、主存储器,用来存储程序和数据的记忆装置，是计算机中各种信息的存储和交流中心。 按功能和性能划分： 随机存储器(RAM)：可读可写 只读存储器(ROM)：只读不写,（1）随机存取存储器RAM(random access memory),主要用于保存计算机在运行过程中使用的数据，便于CPU对数据进行及时处理。 RA

11、M就像一块黑板，可以反复擦写。它的内容可以改变，是一个可重用资源。 RAM中的数据无法长期保存，如果计算机掉电或关机，保存在RAM中的数据就立刻永久丢失。 两种动态存储器（Dynamic RAM）（集成度高，用于大容量存储器）和静态存储器（Static RAM）（存取速度快，用于高速缓冲存储器）,主存储器,（2）只读存储器ROM(Read only memory):,由生产厂家将开机检测、系统初始化、等程序固化在其中。特点：信息固定不变，只能读出不能重写；关机后原信息不丢失。 ROM中保存的信息需要在特殊环境下才能写入。 每一台微机主板上都有一块ROM芯片 BIOS（Basic Input O

12、utput System）,3.系统总线,总线的类型主要有 数据总线DB（Data Bus） 用于CPU与主存储器、CPU与IO接口之间传送数据。数据总线的宽度（根数）等于计算机的字长。 地址总线AB（Address Bus） 用于CPU访问主存储器或外围设备时，传送相关的地址。地址总线的宽带决定CPU的寻址能力。 控制总线CB（Control Bus） 用于传送CPU对主存器和外围设备的控制信号。,计算机硬件系统的总体结构,中央处理器,4.接口,输入输出设备一般不能直接通过总线与 CPU或内存相连 主机与外设速度相差很大 主机与外设信号不一致 数字信号与模拟信号 电子信号与机械动作 电平的高

13、于低 串行信号与并行信号 总线 接口电路 外设,微机主板（录像）,芯片组,北桥芯片： 主板上离cpu最近的一块芯片，负责与cpu联系并控制内存和显示系统，起主导作用，习惯成为主桥。 南桥芯片： 位于主板离cpu较远、PCI插槽附近，负责I/O总线之间的通信。,2.1.4 计算机外设,外存储器 输入设备 输出设备,一、外存储器,软盘 硬盘 光盘 优盘,软盘,80个磁道，每磁道18个扇区，每扇区512字节。,软盘驱动器（FDD）,Floppy disk drive,外存储器,硬盘 硬盘使用厚的、刚性的金属磁盘片 硬磁盘特征 大容量，通常可以存储几十个G（109）字节。 高速，硬盘的信息存取速度比较

14、快，其盘片的转速达5400转/分，高的达到7200转/分，甚至10000转/分。 盘片与驱动器密封在一起，不可调换。,硬盘 构造,外存储器,硬磁盘与软磁盘的对较，硬磁盘比软磁盘使用寿命长，存储容量大，存取速度快，价格高 硬盘使用注意事项 ： 不要频繁开关电源；供电电源应稳定 未经授权的普通用户切勿进行“硬盘低级格式化 ”、“硬盘分区 ”、“硬盘高级格式化 ”等操作,硬盘接口模式 IDE接口：可以接两个硬盘驱动器，使用标准的 IO端口指令来传送所有的命令、状态、数据。一般主板上集成了两个40针的双排针IDE接口插座，分别标注为IDE1和IDE2。 EIDE接口：较IDE接口有很大改进。可以支持4

15、个硬盘，包括光盘驱动器，较高的数据传送速率。 SCSI接口：SCSI接口可同时连接7个外设；更高的数据传输速率；但成本较高。一般用于工作站、服务器等高档计算机。,外存储器,光盘 通过激光束改变塑料或金属盘片的表面来表示数据，即二进制的1由盘片表面的平坦区域表示，0由不平的区域表示。 人称“海量存储器”,一般容量在650MB。 CD-ROM：只读光盘，由工厂加工生产，存入信息，使用时只能读取信息。 CD-R：又称WORM，它只可写一次数据，读多次，市场上的空白光盘，通过刻录机一次性写入。 CD-RW：可写光盘或可删除光盘。,外存储器,光盘 数字化视频光盘DVD DVD盘片的容量是CD盘片的720

16、倍。数据传输率大致等同于9倍速CDROM光驱 DVD-ROM：数字化视频光盘-只读存储器，能存放二小时高质量视频。 DVD-R。DVD-R即可记录的DVD，可写一次，读多次。 DVD-RAM（DVD随机存取存储器）和DVD-RW（可写DVD）。,外存储器,光盘驱动器,数据传输率 光盘CD最重要指标是旋转速度，如44速、52速等。光驱的标准数据传输速度为150KB/秒 平均寻道时间 CPU占用时间,CD-ROM主要技术参数,外存储器优盘,优盘 采用闪存芯片，它是非易失性存储器，即存储数据是不需要电压维持的，所消耗的能源主要是用在读写数据的。 实现即插即用，不需要安装驱动程序，也不用驱动器，使用时只需要插入电脑USB接口，就可以直接进行文件操作了。 它具备速度快，体积超小，重量极轻，非常适合随身携带的特点。由于这种存储器没有机械装置，因此不怕震动.,二、输入设备,键盘 键盘上除了英文的26个字母和0到9数字等与打字机相同内容外，还增加了小键盘和一些特殊功能键。,