第2章計算機硬件

第2章計算機硬件本章內(nèi)容2.2中央處理器2.3存儲器2.4總線與接口添加文本添加文本2.6常用輸出設(shè)備添加文本添加文本2.5常用輸入設(shè)備2.1計算機組成2.7PC機組成計算機組成馮·諾依曼計算機

一個典型現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的硬件組成

計算機組成--馮·諾依曼計算機典型的馮·諾依曼計算機結(jié)構(gòu)框圖計算機組成--馮·諾依曼計算機運算器（ArithmeticUnit）完成數(shù)據(jù)的算術(shù)運算和邏輯運算。算術(shù)運算：加法、減法、乘法、除法以及乘方、開方等；邏輯運算：與、或、非等，例如兩個數(shù)的比較等控制器（ControlUnit）控制計算機各部件協(xié)調(diào)地工作。控制器的作用是對指令執(zhí)行過程的控制。存儲器（Memory）存儲程序和各種數(shù)據(jù)，輸入設(shè)備（InputDevices）向計算機輸入數(shù)據(jù)和程序。鍵盤、鼠標、攝像頭、掃描儀、數(shù)碼相機、光筆、手寫輸入板、游戲桿、語音輸入裝置等等。輸出設(shè)備（OutputDevices）把計算機中存儲、處理或傳送來的信息以人們熟悉的形式表示出來。計算機組成--馮·諾依曼計算機例2-1

：在馮·諾依曼結(jié)構(gòu)中，假設(shè)計算機在計算表達式3+4時，數(shù)據(jù)“3”和“4”通過鍵盤輸入，計算結(jié)果“7”在顯示器顯示。請回答下列問題。（1）在“存儲程序”的工作方式下，分析數(shù)據(jù)線上傳送的信息有哪些。（2）五大部件中哪一個部件協(xié)調(diào)著數(shù)據(jù)線上的信息有序傳送？（3）五大部件中哪一個部件具體實現(xiàn)了“+”操作？計算機組成--馮·諾依曼計算機答：（1）在數(shù)據(jù)線上流動著2種信息流：指令流、數(shù)據(jù)流。指令流：數(shù)據(jù)流：（2）在實現(xiàn)這一功能過程中，控制器協(xié)調(diào)著數(shù)據(jù)線上每種信息的有序流動。（3）運算器實現(xiàn)了“3+4”的加法運算。

①編寫好的程序：輸入設(shè)備→運算器→存儲器②執(zhí)行程序時：存儲器→控制器①“3”和“4”：鍵盤（輸入設(shè)備）→運算器；②“7”：運算器→顯示器計算機組成--一個典型現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機組成--一個典型現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的硬件組成中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU），專門用來執(zhí)行指令的部件就是處理器。計算機中的處理器很多，運行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件任務(wù)的處理器稱為中央處理器計算機最核心的部件。

存儲器（Memory）存儲器的種類繁多，例如主存儲器、磁盤等

總線（Bus）提供了計算機部件之間規(guī)范化交換數(shù)據(jù)的方式，包括一組共享的信息傳輸線和控制邏輯。I/O設(shè)備（Input/Output

Devices）I/O接口（Input/OutputInterface）每個I/O設(shè)備都通過一個控制器或適配卡與I/O總線相連?？刂破髋c適配卡區(qū)別：封裝方式不同，控制器是置于I/O設(shè)備本身或系統(tǒng)的主印刷電路板（通常稱為主板）的芯片組中，而適配卡是一塊插在主板插槽上的卡。中央處理器存儲器總線與接口添加文本添加文本常用輸出設(shè)備添加文本添加文本常用輸入設(shè)備計算機組成PC機組成中央處理器指令與指令系統(tǒng)

CPU的基本組成

程序與指令的執(zhí)行過程

CPU的性能指標

微處理器的發(fā)展和分類

中央處理器--指令與指令系統(tǒng)機器語言程序示例指令

二進制形式

中央處理器--指令與指令系統(tǒng)指令的基本格式：操作碼、地址碼操作碼：指令所要完成的操作，如加法、減法、傳送、移位等。地址碼：操作數(shù)地址、結(jié)果的地址或者下一條指令的地址。

例2-2．計算機的一條加法指令：MIPS一條加法指令：00000001111100000111000000000000匯編格式：addA，C，F(xiàn)若C和F單元分別存放有數(shù)據(jù)4和3。請問這條指令執(zhí)行后，A所在單元存儲的數(shù)據(jù)是多少？答：根據(jù)題意，該指令是一條加法指令，加法運算的結(jié)果保存在A單元中，加法運算的兩個加數(shù)分別是3和4，3+4=7，所以，該指令執(zhí)行后A所在單元存儲的數(shù)據(jù)是7。操作碼加數(shù)地址結(jié)果地址中央處理器--指令與指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)提供了軟件和硬件之間的界面一臺計算機能執(zhí)行的所有指令的集合就構(gòu)成這臺計算機的指令系統(tǒng)

中央處理器--指令與指令系統(tǒng)

兩種不同的指令集---CPU的不同設(shè)計理念和方法

復雜指令集CISC（ComplexInstructionSetComputer）精簡指令集RISC（ReducedInstructionSetComputer）指令系統(tǒng)兼容性

同一廠家推出的系列CPU，通常是保持指令系統(tǒng)的向下兼容性。例如：Intel公司生產(chǎn)的系列CPU采用的是x86指令集：

8086、80386、奔騰、奔騰II、奔騰4、酷睿2、corei3、corei3、corei7

不同公司生產(chǎn)的CPU可能有相同的指令集例如：AMD公司生產(chǎn)的CPU也采用x86指令集，所以與Intel公司的x86指令集的計算機之間軟件兼容。

不同公司生產(chǎn)的CPU可能采用各自的指令集例如：IBM的PowerPC指令集是RISC風格的，顯然與Intel公司CPU指令集CISC的不一樣，所以，這兩種計算機之間不兼容。中央處理器--數(shù)據(jù)通路控制部件CPU的邏輯組成寄存器堆、算術(shù)邏輯單元ALU

控制信號生成部件、程序計數(shù)器、指令寄存器、脈沖源CPU的基本組成中央處理器--CPU的基本組成例2-2中加法指令“addA，C，F(xiàn)”的功能實現(xiàn):①（C）→ALU

//4→ALU

（F）→ALU

//3→ALU②ALU執(zhí)行加法運算//3+4=7③ALU→A

//7→ACPU是一個時序部件，按照時間順序生成控制信號來控制每一步驟的操作。中央處理器--程序和指令的執(zhí)行過程編程序執(zhí)行程序“存儲程序”的工作方式

“存儲程序”的工作方式

“存儲程序”的工作方式

輸入程序：鍵盤（鼠標）→CPU→主存儲器保存程序：主存儲器→磁盤中央處理器--程序和指令的執(zhí)行過程編程序執(zhí)行程序“存儲程序”的工作方式

“存儲程序”的工作方式

“存儲程序”的工作方式

加載程序：磁盤主存儲器逐條執(zhí)行指令：主存儲器→CPU執(zhí)行中央處理器--程序和指令的執(zhí)行過程取指令分析指令一條指令的執(zhí)行

執(zhí)行指令MMAddA,C,F

AddA,C,F3477M+1中央處理器--CPU的性能指標計算機系統(tǒng)性能≠CPU性能系統(tǒng)性能是指系統(tǒng)響應(yīng)時間，是計算機完成某任務(wù)所需的總時間，包括硬盤訪問、內(nèi)存訪問、I/O操作、操作系統(tǒng)開銷和CPU執(zhí)行時間等。CPU性能主要指CPU運行用戶程序代碼的時間。

CPU性能主要有：（1）機器字長（2）主頻年后主頻的提升速度減緩。（3）CPU總線速度（4）處理器的微架構(gòu)（5）處理器芯片的集成度（6）內(nèi)核數(shù)量中央處理器--微處理器的發(fā)展與分類CPU可以集成在一個半導體芯片上，這種具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件，被統(tǒng)稱為“微處理器”

x86、ARM、MIPS、POWER成為全球四大流行處理器架構(gòu)。

48163264（位）19724004

8008

8088

198580386pentium

2006

Core

2

Duo

2008Core

i719811971199319788086Intel公司微處理器的發(fā)展：存儲器存儲器的特性

半導體存儲器

存儲器的性能指標

存儲器的層次結(jié)構(gòu)

主存儲器

常用外存儲器

存儲器--存儲器的特性存儲器的分類存儲器的存儲介質(zhì)半導體器件、磁性材料、光介質(zhì)

存儲器的存取方式隨機存取方式、順序存取方式、直接存取方式斷電后存儲信息的可保存性

易失性存儲器、非易失性存儲器

在計算機中的作用高速緩沖存儲器（cache）、主存儲器、輔助存儲器

CPU的可訪問性內(nèi)存、外存存儲器--半導體存儲器半導體存儲器(semi-conductormemory)是一種以半導體集成電路作為存儲媒體的存儲器隨機存儲存儲器RAM靜態(tài)隨機存儲器SRAM動態(tài)隨機存儲器DRAM不可在線改寫內(nèi)容ROM快擦除存儲器FlashROM高速緩沖存儲器主存儲器BIOS存儲器半導體存儲器只讀存儲器ROM存儲器--存儲器的性能指標存儲器性能指標:容量、速度、價格存儲器容量

容納的二進制信息量，單位是位（bit，b）、字節(jié)（Byte，B）或字等存儲器速度

存取時間、存儲周期、帶寬存儲器價格

總價格、單位價格，單位價格=總價格/存儲器容量存儲器--存儲器的層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一般只是在相鄰兩層之間復制傳送。CPU執(zhí)行程序時，大部分操作數(shù)都來自寄存器。如果需要從存儲器中讀取指令或讀/寫數(shù)據(jù)時，先檢測指令或數(shù)據(jù)是否在cache中，如果在cache中，則直接訪問cache，否則再訪問主存儲器，如果也不在主存儲器，則訪問磁盤。存儲器--主存儲器RAMDRAM的內(nèi)存條，插在內(nèi)存插槽用戶程序和數(shù)據(jù)斷電信息丟失ROMFlashROM芯片，插在主板固定的系統(tǒng)程序（BIOS）斷電信息不丟失主存儲器由半導體集成電路芯片組成，包括RAM和ROM

PC機中主存儲器的組成：，存儲器--主存儲器主存儲器容量=地址數(shù)×每個存儲單元的位數(shù)例如：6位地址能夠編址的地址數(shù)為26=64個每個存儲單元存放8位二進制，該存儲器容量為：26*8b=64字節(jié)。PC機中，按字節(jié)編址，即每個地址單元存放一個字節(jié)信息CPU按地址訪問存儲器，對存儲器的訪問：讀操作、寫操作主存儲器的存取時間是指從CPU給出存儲器地址開始，到存儲器讀出數(shù)據(jù)并送到CPU（或把CPU送來的數(shù)據(jù)寫入存儲器）所需要的時間主存儲器的存取時間單位為ns。存儲器--常用外存儲器硬磁盤存儲器由三部分組成：

（1）磁記錄介質(zhì)：保存信息。（2）硬磁盤驅(qū)動器：提供了對磁盤的訪問操作。（3）磁盤控制器：主機和硬磁盤驅(qū)動器之間的接口，串行ATA接口（即SATA）。硬盤上定位數(shù)據(jù)的參數(shù)：磁頭號（盤面號）磁道號扇區(qū)號硬盤格式化后的容量=2*盤片數(shù)*每盤磁道數(shù)*每磁道扇區(qū)數(shù)*每扇區(qū)字節(jié)數(shù)。硬盤平均存取時間：磁頭的尋道時間磁盤的旋轉(zhuǎn)速度數(shù)據(jù)的傳輸速率

存儲器--常用外存儲器光盤：存放文字、聲音、圖形、圖像和動畫等多媒體數(shù)字信息。光盤存儲器組成:光盤盤片、光盤驅(qū)動器在盤片上壓制凹坑來記錄信息，利用光頭發(fā)出的激光光束來進行信息讀寫。光盤按所用的激光類型分：紅光的CD盤、DVD盤和藍光的BD盤容量：CD盤<DVD盤<BD盤片光盤片按讀寫次數(shù)分:只讀型、一次寫入型和可擦寫型

光盤驅(qū)動器：內(nèi)置驅(qū)動器和外接驅(qū)動器只讀光驅(qū)和光盤刻錄機兩大類CD類、DVD類、BD類和組合式的光盤驅(qū)動器向下兼容：DVD光驅(qū)中可用CD盤，BD光驅(qū)中可用CD、DVD盤光盤驅(qū)動器的接口SATA接口、外接驅(qū)動器使用USB接口。存儲器--常用外存儲器光盤的速度比硬盤低一個數(shù)量級。硬盤系統(tǒng)與光盤系統(tǒng)的區(qū)別原理數(shù)據(jù)讀寫數(shù)據(jù)傳輸速率存儲容量速度硬盤系統(tǒng)單靠磁場來更改存儲的數(shù)據(jù)光盤系統(tǒng)是利用磁場和激光光束來更改存儲的數(shù)據(jù)硬盤是通過磁頭以感應(yīng)的方式從磁盤上讀寫數(shù)據(jù)，磁頭與高速旋轉(zhuǎn)的磁盤必須保持一定的間歇，讀寫過程中的震蕩容易造成磁頭碰撞盤片而損壞數(shù)據(jù)光盤驅(qū)動器中是以激光光束來進行數(shù)讀寫，一般不會發(fā)生光頭碰撞，安全性較好磁盤系統(tǒng)的傳輸率一般是恒定的光盤系統(tǒng)的傳輸率與激光輸出功率相關(guān)，激光輸出功率越高，數(shù)據(jù)傳輸率就越快硬盤系統(tǒng)的容量以磁盤的格式所限定光盤系統(tǒng)的容量與激光波長有關(guān)，激光波長越短，便能縮短間距而提高存儲容量，且盤片易于更換存儲器--常用外存儲器（1）移動硬盤(MobileHarddisk)

接口：有線接口（USB3.0、USB2.0、eSATA和Thunderbolt雷電接口）無線接口（WIFI或Bluetooth）特點：容量大、體積小、速度高、使用方便、安全可靠、防震功能（2）U盤----閃存（FlashMemory）接口：USB特點：體積小、重量輕、可重復寫入、即插即用、速度較快、性能可靠U盤抗震能力強于移動硬盤，電量比移動硬盤小，容量小于移動硬盤（3）存儲卡----閃存用于手機、數(shù)碼相機、便攜式電腦、MP3和其他數(shù)碼產(chǎn)品上的獨立存儲介質(zhì)，一般是卡片的形態(tài)，特點：體積小、攜帶方便、使用簡單、良好的兼容性種類：MMC系列、SD系列、記憶棒、PCle閃存卡、CF卡等等讀卡器（Card-reader）：讀寫存儲卡的接口設(shè)備總線與I/O接口總線

I/O接口

總線與I/O接口--總線總線是連接多個功能部件的共享的信息傳輸介質(zhì)，提供了部件之間規(guī)范化的交換數(shù)據(jù)的方式，或者說是以一種通用的方式為各組成部件提供數(shù)據(jù)傳送和控制邏輯。系統(tǒng)總線：連接CPU、存儲器和I/O模塊之間的總線的統(tǒng)稱。

處理器總線

存儲器總線I/O總線I/O總線：PCI總線、AGP總線和PCI-Express總線等總線與I/O接口--總線例2-4.若某總線在一個總線周期內(nèi)傳送一個4字節(jié)的數(shù)據(jù)，總線時鐘頻率為33MHz，求總線帶寬是多少?若改進后，在一個總線周期內(nèi)能傳送2次數(shù)據(jù)時，則總線帶寬又是多少？答：根據(jù)上述總線帶寬公式，在一個總線周期內(nèi)傳送一個4字節(jié)的數(shù)據(jù)時，總線帶寬是：

4B×33MHz×1=132MB/s。在一個總線周期內(nèi)傳送2次數(shù)據(jù)時，總線帶寬是：4B×33MHz×2=264MB/s?？偩€帶寬（MB/s）=（數(shù)據(jù)線寬度/8）×總線工作頻率（MHz）×每個總線周期的傳輸次數(shù)?？偩€與I/O接口--總線總線標準：為計算機制造商和I/O設(shè)備制造商提供了一種規(guī)范。目的：計算機系統(tǒng)的可擴充性和可維護性PCI（PeripheralComponentInterconnect）：PC機中的一種高帶寬I/O總線標準，用于中高速外設(shè)與主機相連。PCIExpress（簡稱PCI-E）：PC機中一種全新的I/O總線標準，基于更快的串行通信系統(tǒng)。PCI-E總線標準全面取代PCI總線和AGP總線，實現(xiàn)I/O總線標準的統(tǒng)一。PCI-E總線的特點：（1）點對點串行連接。（2）多種規(guī)格，滿足不同設(shè)備對數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需求。（3）數(shù)據(jù)傳輸速率高。（4）支持熱拔插。（5）較短的PCI-E卡可以插在較長的PCI-E插槽中使用（6）通用性總線與I/O接口--I/O接口例如：顯卡

一頭插在PCI-Ex16總線插槽中另一頭通過電纜連接顯示器CPU和內(nèi)存（主機）—I/O總線—I/O控制器-插座—電纜—外設(shè)?？偩€與I/O接口--I/O接口

常用I/O設(shè)備接口有PS/2接口、USB接口、DVI接口、HDMI接口、VGA接口視頻輸出接口總線與I/O接口--I/O接口音頻接口IEEE1394接口網(wǎng)絡(luò)接口RJ45e-SATA接口USBPLUS接口常用輸入設(shè)備鍵盤

鼠標器

觸摸屏

掃描儀數(shù)碼相機

常用輸入設(shè)備--鍵盤鍵盤：輸入設(shè)備，通過鍵盤可以將英文字母、數(shù)字、標點符號等輸入到計算機中，從而向計算機發(fā)出命令、輸入數(shù)據(jù)等。有線鍵盤：接口有AT接口、PS/2接口、USB接口，無線鍵盤：藍牙、紅外線等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

常用輸入設(shè)備--鼠標器鼠標器（Mouse）：輸入設(shè)備，手持式的定位設(shè)備，能方便地控制屏幕上的光標移動到指定的位置，并通過按鍵完成各種操作。

鼠標的定位精度：分辨率，指鼠標移動中，每移動一英寸能準確定位的最大信息數(shù)。單位是dpi或cpi。Dpi（dotsperinch）：鼠標每移動一英寸，指針在屏幕上移動的點數(shù)Cpi（countperinch）：每英寸的采樣率，即鼠標每移動一英寸，鼠標自己能夠從移動表面上采集到多少個點的變化。例:鼠標向左移動一英寸時，400dpi的鼠標會使屏幕上的指針移動400個點；400cpi的鼠標會向計算機發(fā)出400次“左移”信號。dpi的概念中涉及到了顯示器的因素，cpi屬性完全屬于鼠標自己的性能機械鼠標器、光電鼠標器兩鍵鼠標、三鍵鼠標、五鍵鼠標、多鍵鼠標、3D鼠標有線鼠標:接口有PS/2接口、USB接口無線鼠標:應(yīng)用紅外線、藍牙(Bluetooth)技術(shù)常用輸入設(shè)備--觸摸屏觸摸屏（touchscreen）：輸入設(shè)備，一種定位設(shè)備，用戶可以直接用手向計算機輸入坐標信息。鼠標相對定位：光標移動觸摸屏絕對定位設(shè)備：使用絕對坐標，觸碰點就是定位點觸摸屏通常是在顯示器上覆蓋了一層透明的觸摸面板，其對壓力有高敏感度，當觸頭施壓于其上時會產(chǎn)生電流信號，以確定出壓力源位置，并可對其動態(tài)追蹤。依靠傳感器來工作單點觸摸屏、多點觸摸屏常用輸入設(shè)備--掃描儀掃描儀（scanner）：輸入設(shè)備，輸入圖像信息，照片文本頁面、圖紙、膠片、美術(shù)圖畫等利用光電技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)，以掃描方式捕獲影像，并轉(zhuǎn)換成計算機的數(shù)字信號，配合光學字符識別軟件OCR（OpticCharacterRecognize）還能將掃描的文稿轉(zhuǎn)換成計算機的文本形式。。核心部件:感光元件、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器掃描儀工作時發(fā)出的強光照射在稿件上，沒有被吸收的光線將被反射到光學感應(yīng)器上。光學感應(yīng)器接收到這些信號后，將這些信號傳送到模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器再將其轉(zhuǎn)換成計算機能讀取的信號，然后通過驅(qū)動程序轉(zhuǎn)換成顯示器上能看到的正確圖像。反射稿：不透明文件，如報刊、雜志等透射稿：幻燈片（正片）、底片（負片）。分辨率、色彩位數(shù)、掃描幅面接口：SCSI接口、EPP接口、USB接口等常用輸入設(shè)備--數(shù)碼相機數(shù)碼相機：圖像輸入設(shè)備，集光學、機械、電子一體化的產(chǎn)品分辨率：像素的數(shù)目，像素是相機成像元件上的感光最小單位常用輸出設(shè)備顯示器

打印機

常用輸出設(shè)備--顯示器顯示器：圖文輸出設(shè)備顯示器：監(jiān)視器+顯卡陰極射線管顯示器（CRT）、液晶顯示器LCD、等離子顯示器PDP3D顯示