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第2章 計算機硬件系統(tǒng),2-2,一、計算機硬件的組成 構(gòu)成計算機系統(tǒng)的元器件、部件和設(shè)備以及它們的工程實現(xiàn)(設(shè)計、制造和檢測)。 元器件：集成電路、印制電路板、磁性元件、電子元件、光電子元件、接插件等。 部件和設(shè)備：運算器、控制器、主存儲器、輔助存儲器、輸入和輸出設(shè)備、電源等,2.1 計算機硬件概述,2-3,2.1 計算機硬件概述,,CPU,內(nèi)部存儲器,主機,外部存儲器,通信設(shè)備,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,,,,,硬件組成,2-4,2.1 計算機硬件概述,二、微型計算機的硬件結(jié)構(gòu) 微型計算機是由微處理器、存儲器、總線、I/O接口及其相應(yīng)設(shè)備組成。,微處理器 CPU,鍵盤 鼠標器,顯示器 打印機,內(nèi)存,通信線路,通信 接口,,,外存 接口,硬盤 光驅(qū) 軟驅(qū),,輸入 接口,輸出 接口,,,,,,,硬件結(jié)構(gòu),,總 線,2-5,三、總線結(jié)構(gòu) 總線：與內(nèi)存和外部設(shè)備連接的一組公用的連接線路。 分類：內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線、外部總線 數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線,2.1 計算機硬件概述,2-6,多總線結(jié)構(gòu),2.1 計算機硬件概述,2-7,2.2 中央處理器,一、CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu) CPU←→微處理器←→中央處理器 CPU：控制器、運算器、寄存器,2-8,二、CPU的性能指標 1.主頻、外頻和倍頻 主頻：CPU工作的時鐘頻率(MHz,GHz)。 MHz：每秒能執(zhí)行一百萬個時鐘周期。 GHz：每秒能執(zhí)行十億個時鐘周期。 指令執(zhí)行：一些指令需要一個周期 另一些指令需要很多周期 主頻＝外頻倍頻,2.2 中央處理器,Windows XP中文專業(yè)版：300MHz(233MHz),2-9,2.地址總線寬度 地址總線的位數(shù),它決定了CPU可以訪問存儲器容量的大小。 20位地址總線：1MB 32位地址總線：4GB 3.數(shù)據(jù)總線寬度 數(shù)據(jù)總線的位數(shù),它決定了CPU與內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備之間一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘俊?64位數(shù)據(jù)總線：8B→字長,2.2 中央處理器,XP→128MB(64MB),2-10,4.高速緩存 一種具有很高速度的特殊內(nèi)部存儲器。 與內(nèi)存相比，高速緩存能夠使微處理器更快的獲取數(shù)據(jù)。 等級：一級緩存、二級緩存 5.CISC和RISC CISC：復(fù)雜指令集計算機 RISC：精簡指令集計算機→帶有有限的簡單指令集的微處理器。,2.2 中央處理器,2-11,三、CPU的發(fā)展歷程,2.2 中央處理器,、AMD、Cyrix,2-12,2.3 存儲系統(tǒng),一、存儲器概述 1.基本概念 存儲器：由一些能表示0和1的物理器件組成的，如雙穩(wěn)態(tài)電路、磁性材料等。 存儲位：存儲信息的最小單位，0或1。 存儲單元：若干個存儲位組成，字節(jié)。 存儲容量：存儲器中存儲單元的總數(shù)。 基本操作：讀出數(shù)據(jù)←→取數(shù) 寫入數(shù)據(jù)←→存數(shù),2-13,2.分類,基本要求：存取時間短、存儲容量大、價格低,2.3 存儲系統(tǒng),2-14,3.層次結(jié)構(gòu),2.3 存儲系統(tǒng),CPU寄存器,高速緩存,主存儲器,輔助存儲器,海量存儲器,,,,,,,,存儲容量更大,單位價格更高,存取速度更快,內(nèi)存,外存,半導(dǎo)體靜態(tài)存儲器,半導(dǎo)體動態(tài)存儲器,硬盤和軟盤,光盤和磁帶,,,,2-15,4.性能指標 存儲容量：存儲器可以容納的信息量。 例如：半導(dǎo)體存儲器→64-256MB 硬盤→60-160GB 存取時間：指存儲器從接到讀或?qū)懨铋_始，到讀寫操作完成為止所需時間。 數(shù)據(jù)傳輸率：外存與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)的能力。如硬盤的數(shù)據(jù)傳輸率：1.25-10MB/s,2.3 存儲系統(tǒng),2-16,二、半導(dǎo)體存儲器 1.分類,2.3 存儲系統(tǒng),2-17,2.隨機存取存儲器-RAM RAM→Random Access Memory 特點：存放數(shù)據(jù)可以隨時讀寫，但斷電后RAM存放的數(shù)據(jù)全部丟失。 靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM：以反相器交叉耦合構(gòu)成的觸發(fā)器作為存儲單元，不需定時刷新，存取速度快→高速緩存 動態(tài)隨機存取存儲器DRAM：用開關(guān)電容作存儲單元,定時刷新,集成度高→主存儲器,2.3 存儲系統(tǒng),2-18,3.只讀存儲器 ROM→Read Only Memory 特點：存放的數(shù)據(jù)只能讀出不能寫入，但斷電后ROM存放的數(shù)據(jù)仍存在。 系統(tǒng)主板上裝有ROM-BIOS。,2.3 存儲系統(tǒng),2-19,三、磁表面存儲器 1.存儲原理,2.3 存儲系統(tǒng),寫入時，數(shù)據(jù)經(jīng)編碼電路產(chǎn)生相應(yīng)的電流變化，當(dāng)數(shù)據(jù)位為“1”時,電流發(fā)生極性變換；數(shù)據(jù)位為“0”時,電流極性不變。電流送到磁頭線圈，在磁表面形成與數(shù)據(jù)對應(yīng)的磁化區(qū)。 讀出時，把磁頭的感應(yīng)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)輸出。,2-20,2.硬盤(Hard Disk) 又稱硬盤存儲器，硬磁盤存儲器。 特點：存儲容量大、存取速度快 可靠性高、每兆字節(jié)成本低 溫徹斯特技術(shù)：工作時磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，不與硬盤直接接觸。 其精髓是密封、高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片，磁頭沿盤片徑向移動。,2.3 存儲系統(tǒng),2-21,⑴硬盤的工作原理,2.3 存儲系統(tǒng),若從查找操作開始，驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)柱面地址把磁頭向目標磁道移動，并定位在目標磁道上，等待有關(guān)信息區(qū)段旋轉(zhuǎn)到磁頭下，然后進行讀寫操作。,2-22,⑵硬盤的性能指標 平均訪問時間：指磁頭從起始位置到達目標磁道位置，并從目標磁道上找到要讀寫的數(shù)據(jù)扇區(qū)所需的時間。 平均訪問時間＝平均尋道時間 ＋平均等待時間 磁道記錄密度：道密度→沿盤片直徑方向單位長度內(nèi)的磁道數(shù)。 位密度→磁道上單位長度的數(shù)據(jù)位數(shù)。,2.3 存儲系統(tǒng),2-23,數(shù)據(jù)傳輸率：指硬盤讀寫數(shù)據(jù)的速度。 其計算公式如下 數(shù)據(jù)傳輸率＝位密度(位/英寸) 轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/秒)2πR(英寸/轉(zhuǎn)) R是最內(nèi)圈磁道半徑 轉(zhuǎn)速：指硬盤盤片每分鐘轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。也就是主軸轉(zhuǎn)速，單位是rpm。 通常的硬盤轉(zhuǎn)速為5200、5400 7200、10000rpm,2.3 存儲系統(tǒng),2-24,硬盤的邏輯容量：硬盤的存儲格式是按柱面、磁道和扇區(qū)來衡量的，柱面是由一組盤片上的同一個磁道垂直形成的同心圓柱。 硬盤容量＝柱面數(shù)磁道數(shù) 扇區(qū)數(shù)512B 例如：通過BIOS檢測發(fā)現(xiàn)，某型號硬盤邏輯上的面數(shù)為255，每面有1027個磁道,每磁道有63個扇區(qū)，則 硬盤容量＝255102763512B ＝8.056GB,2.3 存儲系統(tǒng),2-25,⑶硬盤的外部結(jié)構(gòu),2.3 存儲系統(tǒng),硬盤使用前要做：物理格式化、分區(qū)、高級格式化,2-26,3.軟驅(qū)與軟盤 軟盤存儲器是由軟盤驅(qū)動器、軟盤控制器和軟盤三部分組成。 軟盤驅(qū)動器：讀寫軟盤信息的裝置。 軟盤控制器：與主機連接的接口。 軟盤：信息的存儲介質(zhì)，可脫機保存。 特點：①與硬盤相比，軟盤價格便宜； ②軟盤及其驅(qū)動器體積小，攜帶方便； ③可脫機存儲，互換性好。,2.3 存儲系統(tǒng),2-27,⑴軟驅(qū)的工作原理 工作過程：電機帶動盤片轉(zhuǎn)動，磁頭定位器是一個很小的步進電機，它負責(zé)把磁頭移動到正確的磁道，由磁頭完成對軟盤的讀寫操作。 寫操作：以電脈沖將磁頭下方磁道上那一點磁化。 讀操作：將磁頭下方的磁化信息轉(zhuǎn)化為電信號，通過電信號強弱來判斷是0還是1。,2.3 存儲系統(tǒng),2-28,⑵軟驅(qū)與軟盤的性能指標 磁道：以盤片中心為圓心的同心圓軌跡就是記錄數(shù)據(jù)的磁道。 道密度：沿軟盤徑向方向單位長度上的磁道數(shù)，3.5in軟盤有80個磁道。 扇區(qū)：每個磁道被劃分 為若干扇區(qū),3.5in軟盤的扇 區(qū)一般有18個。,2.3 存儲系統(tǒng),2-29,存儲容量：指每張盤片所能記錄的二進制數(shù)據(jù)的總和。其計算公式為： 存儲容量＝磁面數(shù)磁道數(shù) 扇區(qū)數(shù)512B 數(shù)據(jù)傳輸率：指軟盤及軟驅(qū)每秒鐘與計算機主機交換二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。 常見的有：125Kb/s、250Kb/s 300Kb/s、500Kb/s,2.3 存儲系統(tǒng),2-30,⑶軟盤的外部結(jié)構(gòu) 軟盤是由起保護作用的塑料封套和盤片組成，其結(jié)構(gòu)包括塑料外殼、快門、標簽、寫保護口、盤片、金屬環(huán)等。,2.3 存儲系統(tǒng),2-31,四、光盤存儲器 光盤存儲器是由光盤、光盤驅(qū)動器和光盤控制器組成。 特點：存儲容量大、非接觸式讀寫、制作成本低、不怕熱和磁、保存攜帶方便。 分類： 只讀型光盤：CD-ROM 一次寫型光盤：WORM、CD-R 可重寫型光盤：CD-RW,2.3 存儲系統(tǒng),2-32,1.工作原理 光盤存儲器是利用激光的單色性和相干性,通過調(diào)制激光把數(shù)據(jù)聚集到記錄介質(zhì)上,使介質(zhì)的光照區(qū)(直徑小于1μm)發(fā)生物理和化學(xué)變化，以寫入數(shù)據(jù)。 讀數(shù)據(jù)時，利用低功 率密度的激光掃描信息軌 道，其反射光通過光電檢 測器檢測、解調(diào)，從而獲 得所需要的信息。,2.3 存儲系統(tǒng),2-33,2.性能指標 存儲容量：一張光盤的數(shù)據(jù)存儲量。 CD-ROM→650MB DVD→4.7-17GB 數(shù)據(jù)傳輸率：標準速率為150KB/s 2x→300KB/s(倍速) 4x→600KB/s(4倍速) … 48x→7200KB/s(48倍速),2.3 存儲系統(tǒng),2-34,平均訪問時間： 指光驅(qū)在盤上定位并讀取一定量的數(shù)據(jù)所需要的平均時間。該時間越短，光驅(qū)的啟動速度越快。 MPC-3規(guī)定：平均訪問時間≤250ms。 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)： 指光驅(qū)內(nèi)部緩沖存儲器的容量。緩沖區(qū)越大，光驅(qū)的響應(yīng)速度越快。 其大小一般為：128KB、256KB,2.3 存儲系統(tǒng),2-35,3.外部結(jié)構(gòu) 光驅(qū)控制面板：立體聲耳機插孔、音量控制、工作狀態(tài)指示燈、彈出孔、彈出開關(guān)和光盤托盤。 光驅(qū)控制接口：電源插口、跳線設(shè)置、數(shù)據(jù)接口、EIAJ插座、音頻輸出。,2.3 存儲系統(tǒng),2-36,五、可移動存儲器,2.3 存儲系統(tǒng),U盤,移動硬盤,2-37,2.4 輸入設(shè)備,一、輸入設(shè)備概述 輸入：指將預(yù)備進行處理的數(shù)據(jù)送入計算機的過程。 輸入設(shè)備：把程序和原始數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能識別的信息存放到存儲器中。 分類：①字符輸入設(shè)備：鍵盤、磁卡機 ②指點輸入設(shè)備：鼠標器、觸摸屏 ③掃描輸入設(shè)備：掃描儀、條形碼 ④語音輸入設(shè)備：IBM ViaVoice,2-38,二、鍵盤 1.鍵盤的結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)：電路板、按鍵、外殼。 按鍵：用戶使用鍵盤的區(qū)域。 鍵盤上鍵位的排列有一定規(guī)律，一般可分為四個區(qū)域：,2.4 輸入設(shè)備,打字機鍵區(qū) 功能鍵區(qū) 編輯鍵區(qū) 數(shù)字鍵區(qū),2-39,2.鍵盤的工作原理 鍵盤電路大多采用Intel 8048或8049單片機控制的控制電路，該控制電路具有鍵掃描、消顫、生成鍵掃描碼等功能。 鍵盤上的按鍵排列成矩陣形式，用軟硬件的方法分別對行、列進行掃描，以獲取按鍵的位置，并生成鍵掃描碼。 單片機將鍵掃描碼以串行方式傳輸給主機，主機接到后進行如下操作：,2.4 輸入設(shè)備,2-40,①通過接口電路將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)； ②由并行接口送給CPU； ③由軟件將掃描碼轉(zhuǎn)換為該鍵ASCII碼. 3.鍵盤的種類 機械式鍵盤、薄膜式鍵盤、無線鍵盤 4.鍵盤的接口 AT、PS/2、USB,2.4 輸入設(shè)備,2-41,三、鼠標器 鼠標器是一種手持式屏幕定位裝置，在圖形界面中大多數(shù)操作都可用鼠標來完成。 機械式鼠標：移動鼠標時，用滾動小球來進行定位。 光電式鼠標：在特定的反射板上移動鼠標，用鼠標底部光電轉(zhuǎn)換裝置定位坐標點。,2.4 輸入設(shè)備,2-42,2.5 輸出設(shè)備,一、輸出設(shè)備概述 輸出：指將計算機處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用戶需要的形式。 輸出設(shè)備：把計算機的處理結(jié)果以人們或現(xiàn)場所接受的形式表達出來的設(shè)備。 分類：①顯示器：字符方式、圖形方式 ②打印機：擊打式、非擊打式 ③繪圖儀：平板式、滾筒式 ④語音輸出系統(tǒng)：語音輸出、音樂輸出,2-43,二、顯示設(shè)備,主機,顯示卡,顯示器,,,,,總線擴展槽,多芯視頻電纜,1.顯示卡 顯示卡(顯示適配器、顯示接口卡) 顯示卡是用于將主機中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成圖像信號 并顯示在顯 示器上。,2.5 輸出設(shè)備,2-44,⑴顯示卡的基本結(jié)構(gòu) 顯示卡是由顯示芯片、顯示內(nèi)存、RAM DAC、VGA BIOS、總線接口等組成。 顯示卡的工作原理示意圖,2.5 輸出設(shè)備,2-45,⑵顯示卡的性能指標 分辨率：指在顯示器屏幕上所能描繪的像素個數(shù)(橫縱比為4:3)，如640*480、800*600、1024*768、1280*1024。 顏色深度：指能同屏顯示的色彩數(shù)量，如8、16、24、32(24/8)、36(24/12)位。 顯存的容量大小決定了顯卡支持的最高分辨率和顏色深度。 顯存＝分辨率顏色深度,2.5 輸出設(shè)備,2-46,2.CRT顯示器(陰極射線管) ⑴顯示器的工作原理 CRT是由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈、熒光粉層、蔭罩和玻璃外殼組成，彩色管→三基色。,2.5 輸出設(shè)備,2-47,⑵顯示器的分類 按顯示顏色：單色顯示器、彩色顯示器 按器件材料：陰極射線管、液晶顯示器 等離子體顯示器、發(fā)光二極管顯示器 按屏幕形狀：球面屏幕、柱面屏幕 平面直角屏幕、純平面屏幕,2.5 輸出設(shè)備,2-48,⑶顯示器的性能指標 屏幕尺寸：衡量顯示器屏幕大小。 14、15、17、21英寸。 點距：指熒光屏上兩個相鄰的相同顏色磷光點之間的距離。點距越小，顯示圖像越細膩。 0.28(14in/1024*768) 0.27、0.26、0.25mm 分辨率：指屏幕上可容納像素的個數(shù)，它受到屏幕尺寸和點距的限制。,2.5 輸出設(shè)備,2-49,掃描方式：,逐行掃描 隔行掃描 輻射和環(huán)保：,電腦中多達30%塑料包裝可能有含溴阻燃劑。這些材料和另一類環(huán)境毒素PCB有關(guān)，懷疑可能對哺乳動物生殖能力有損害。 石墨可以在顯示屏、顯像管和電容中找到。它損害神經(jīng)系統(tǒng)并較高劑量可導(dǎo)致石墨中毒。鎘在可充電電池和某些電腦顯示器的色彩顯象層中存在。鎘損害神經(jīng)系統(tǒng)，高劑量時有毒。,2.5 輸出設(shè)備,2-50,3.液晶顯示器(LCD) LCD是通過液晶材料和彩色過濾器過濾光源，在平面面板上產(chǎn)生圖像。 優(yōu)點：空間小、重量輕、低功耗 性能指標：屏幕尺寸→13.3、14.1in 可視角度→水平角度1400 垂直角度1200 顯示顏色→TFT-LCD DSTN-LCD,2.5 輸出設(shè)備,2-51,三、打印機 打印機是用于打印輸出計算機的處理結(jié)果，產(chǎn)生計算機輸出的硬拷貝，以便在計算機之外也可使用計算機的處理結(jié)果。 1.分類,2.5 輸出設(shè)備,2-52,2.性能指標 打印速度：CPS(字符/秒) LPM(行/分) 印字質(zhì)量：低質(zhì)量(草稿質(zhì)量400DPI) 打印噪聲：規(guī)定不超過55dB。,2.5 輸出設(shè)備,2-53,3.激光打印機 工作過程：接受由主機發(fā)出的信息，然后進行激光掃描，將要輸出的信息在磁鼓上形成靜電潛像，并轉(zhuǎn)換成磁信號，使碳粉吸附到紙上，經(jīng)加熱定影后輸出。 特點：打印速度高、印字質(zhì)量高 無噪音、但價格高 典型打印機：HP Laser Jet系列 Canon Laser Jet系列,2.5 輸出設(shè)備,2-54,4.噴墨打印機 工作過程：靠墨水通過精制的噴頭射到紙面上而形成輸出的字符或圖形。 特點：價格便宜、體積小、無噪音 打印質(zhì)量高，對紙張要求高 墨水消耗量大 典型噴墨打印機：HP Desk Jet系列 Canon噴墨系列等,2.5 輸出設(shè)備,2-55,2.6 計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),一、并行處理的概念 并行性是指在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)，完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作，只要在時間上相互重疊的工作都存在并行性。 并行性：同時性、并發(fā)性 開發(fā)并行性的途徑：時間重疊 資源重復(fù) 資源共享,2-56,2.6 計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),二、流水線處理機,2-57,2.6 計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),三、并行處理機,2-58,2.6 計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),四、多處理機系統(tǒng),2-59,2.6 計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),五、機群系統(tǒng),