專題2-計(jì)算機(jī)組成原理（2021版）

計(jì)算思維導(dǎo)論大學(xué)計(jì)算機(jī)公共基礎(chǔ)教學(xué)部內(nèi)容安排第3章系統(tǒng)思維3.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述3.3計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)3.4計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)3.5操作系統(tǒng)專題2計(jì)算機(jī)組成原理專題3計(jì)算機(jī)軟件2計(jì)算機(jī)組成原理2.1

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

2.2CPU的結(jié)構(gòu)與原理（難點(diǎn)）2.3主板和內(nèi)存（重難點(diǎn)）2.4輔助存儲(chǔ)器補(bǔ)充閱讀材料1、微處理器的發(fā)展與應(yīng)用2、CPU常用術(shù)語解釋3、智能手機(jī)4、無線接口——藍(lán)牙和NFC5、顯示卡和GPU2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

（2）經(jīng)典計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)（3）現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備存儲(chǔ)器輸出設(shè)備系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)程序語言處理系統(tǒng)文字處理通信···娛樂計(jì)算機(jī)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有實(shí)際物理裝置的總稱計(jì)算機(jī)軟件是指在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的各種程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)的文檔計(jì)算機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)復(fù)雜性：硬件由數(shù)以億計(jì)的元器件組成，軟件由數(shù)以億計(jì)的指令組成多樣性：硬件與光、機(jī)、電、聲等有關(guān)，軟件與數(shù)學(xué)、邏輯···等有關(guān)層次性：分層(hierarchical)結(jié)構(gòu)模塊化：每一層均由許多模塊構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件的邏輯結(jié)構(gòu)1經(jīng)典計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)（馮.諾依曼計(jì)算機(jī)）運(yùn)算器和控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器（注：邏輯結(jié)構(gòu)意指概念上（即功能上）的結(jié)構(gòu)，而不是實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)）中央處理器CPU(CentralProcessing

Unit)計(jì)算機(jī)硬件的邏輯結(jié)構(gòu)2現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)相比的3個(gè)變化：集中控制→分散控制存儲(chǔ)器→內(nèi)存儲(chǔ)器＋輔助存儲(chǔ)器通過CPU通信→通過總線進(jìn)行通信中央處理器(運(yùn)算器及其控制)輔助存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器輸出設(shè)備總線(bus)輸入設(shè)備I/O接口I/O接口輔存接口控制器控制器控制器CPU控制器memorystorageI/O設(shè)備通過I/O接口與各自的控制器連接，然后由控制器與I/O總線相連(1)輸入設(shè)備輸入(input)的雙重含義：1.把信息送入計(jì)算機(jī)的過程;2.向計(jì)算機(jī)輸入的內(nèi)容輸入設(shè)備(inputdevices)功能：用來向計(jì)算機(jī)輸入信息輸入設(shè)備有多種，例如:鍵盤——

輸入文字、符號(hào)和命令鼠標(biāo)器——輸入鼠標(biāo)器移動(dòng)的位置信息及按鈕命令掃描儀——輸入圖片麥克風(fēng)——輸入聲音條碼、磁卡、IC卡等的掃描器/閱讀器——輸入文字符號(hào)輸入設(shè)備的共性：不論信息的原始形態(tài)如何，輸入到計(jì)算機(jī)中的信息都使用二進(jìn)位來表示(2)中央處理器(運(yùn)算控制器)什么是處理器(processor)？能高速執(zhí)行指令，完成二進(jìn)制數(shù)據(jù)的算術(shù)或邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等操作的部件，特點(diǎn)是：由數(shù)字電路組成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜所有電路都制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾個(gè)平方厘米)，稱為“微處理器”

(microprocessor)Intel4004chipIntel8080chip關(guān)于(微)處理器和中央處理器(CPU)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中一般包含有多個(gè)(微)處理器，它們各有不同的分工和任務(wù)：用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的處理器稱為CPU，CPU是計(jì)算機(jī)必不可少的核心組成部件完成其它功能的處理器舉例：顯卡包含的繪圖處理器GPU（用于加速圖形繪制）聲卡包含的DSP（用于數(shù)字聲音信號(hào)的處理）注意，CPU和CPU芯片是兩個(gè)概念：CPU是邏輯上的概念，強(qiáng)調(diào)的是它的功能CPU芯片是IC產(chǎn)品的概念，1個(gè)CPU芯片可包含1個(gè)、2個(gè)或更多個(gè)CPU(稱為內(nèi)核)，還可以包含cache，存儲(chǔ)控制器，甚至GPU等需根據(jù)上下文進(jìn)行區(qū)別存儲(chǔ)器中央處理器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)處理結(jié)果CPU的任務(wù)CPU的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作(3)存儲(chǔ)器功能：儲(chǔ)存以二進(jìn)位形式表示的程序和數(shù)據(jù)分類：內(nèi)存儲(chǔ)器/輔助存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器(簡稱內(nèi)存或主存)輔助存儲(chǔ)器(俗稱外存，簡稱輔存)存取速度很快相對(duì)較慢存儲(chǔ)容量相對(duì)較小(因單位成本較高)

很大(因單位成本較低)

性質(zhì)按字節(jié)編址和訪問，斷電后信息消失按數(shù)據(jù)塊編址和訪問，斷電后信息保持用途存放已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行的程序和需要立即處理的數(shù)據(jù)長期存放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中幾乎所有的信息與CPU關(guān)系CPU所處理的指令及數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存中取出程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存后才能被CPU使用·····011010011010101000001000000001000011001001111011111·······存儲(chǔ)內(nèi)容地址存儲(chǔ)單元(4)輸出設(shè)備輸出(output)的雙重含義：1.把信息送出計(jì)算機(jī)的過程;2.從計(jì)算機(jī)輸出的內(nèi)容輸出設(shè)備(outputdevices)功能：從計(jì)算機(jī)輸出信息輸出設(shè)備有多種，例如:顯示器——輸出文字、符號(hào)和圖形打印機(jī)——打印文字、符號(hào)和圖形揚(yáng)聲器——輸出聲音(多數(shù))輸出設(shè)備的共性：把計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)位信息轉(zhuǎn)換成人可感知的形式(文字、符號(hào)、圖形、聲音等)(5)總線(bus)功能：用于連接CPU、內(nèi)存、輔存（外存）和各種I/O設(shè)備并在它們之間傳輸信息的一組共享的傳輸線及其控制電路分類：CPU總線（或前端總線）：用于連接CPU和內(nèi)存儲(chǔ)器的總線I/O總線：連接內(nèi)存和I/O設(shè)備（包括外存）的總線2.2CPU的結(jié)構(gòu)與原理（1）

CPU的邏輯結(jié)構(gòu)

（2）

指令馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理(1)計(jì)算機(jī)的工作由程序控制，程序是一個(gè)指令序列，指令是能被計(jì)算機(jī)理解和執(zhí)行的操作命令；(2)程序(指令)和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，均存放在存儲(chǔ)器中；(3)存儲(chǔ)器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進(jìn)行存?。?4)指令是由CPU一條一條順序執(zhí)行的。中央處理器運(yùn)算器和控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器“存儲(chǔ)程序控制”原理將問題的解算步驟編制成為程序，程序連同它所處理的數(shù)據(jù)都用二進(jìn)位表示并預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中程序運(yùn)行時(shí)，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止②CPU從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)④將指令的運(yùn)算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存⑤任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長久保存外存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器CPU①任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)從外存成批傳送到內(nèi)存指令1指令2指令k指令n程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)③CPU逐條執(zhí)行指令,按指令要求完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理存儲(chǔ)器中央處理器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)處理結(jié)果CPU的任務(wù)CPU的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作指令是什么？指令就是命令，它用來規(guī)定CPU執(zhí)行什么操作。指令是構(gòu)成程序的基本單位，程序是由一連串指令組成的指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下，指令由兩個(gè)部分組成：操作碼操作數(shù)指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)命令詞，例如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等指出該指令所操作(處理)的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在內(nèi)存的地址舉例:100206把02存儲(chǔ)單元和06存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容相加，和數(shù)保存在02單元CPU的結(jié)構(gòu)和任務(wù)CPU主要由運(yùn)算器、控制器和寄存器組3個(gè)部分組成CPU的任務(wù)：取指令并完成指令所規(guī)定的操作寄存器組運(yùn)算器中央處理器指令計(jì)數(shù)器指令寄存器控制器數(shù)據(jù)程序指令1指令2指令k指令n數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)內(nèi)存儲(chǔ)器指令

指令地址

操作數(shù)地址存放待執(zhí)行指令的地址已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)存放待執(zhí)行的指令并進(jìn)行譯碼完成規(guī)定的運(yùn)算暫存等待處理的數(shù)據(jù)操作命令指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過程取指令：CPU的控制器從存儲(chǔ)器讀取一條指令并放入指令寄存器指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作、操作數(shù)在哪里執(zhí)行指令3.1取操作數(shù)3.2進(jìn)行運(yùn)算修改指令計(jì)數(shù)器，決定下一條指令的地址1取指令4修改指令計(jì)數(shù)器3執(zhí)行指令2指令譯碼指令執(zhí)行周期通常，每一步需要1個(gè)或幾個(gè)時(shí)鐘周期才能完成2.3主板和內(nèi)存2.3.1

主板、芯片組與BIOS

2.3.2內(nèi)存儲(chǔ)器臺(tái)式PC的物理組成臺(tái)式機(jī)臺(tái)式PC主機(jī)外部設(shè)備機(jī)箱、電源主板CPU內(nèi)存條顯示卡芯片組BIOSROMCMOSPCI插槽(I/O總線)網(wǎng)卡輸入設(shè)備外存儲(chǔ)器鍵盤鼠標(biāo)器麥克風(fēng)攝像頭輸出設(shè)備U盤、移動(dòng)硬盤顯示器打印機(jī)音箱/耳機(jī)聲卡插頭和插座(I/O接口)硬盤、軟驅(qū)光盤驅(qū)動(dòng)器1音箱5CPU2調(diào)制解調(diào)器6鍵盤3麥克風(fēng)7鼠標(biāo)器4內(nèi)存條8CD驅(qū)動(dòng)器9軟驅(qū)10硬盤驅(qū)動(dòng)器11打印機(jī)12I/O接口13CRT顯示器14擴(kuò)展卡主板2.3.1

主板、芯片組與BIOS臺(tái)式PC機(jī)(立式)的主機(jī)箱擴(kuò)展空間(1)主板主板的作用：安裝所有的電子器件、電路與連接件ROMBIOS：存放最基礎(chǔ)的軟件——基本輸入/輸出系統(tǒng)(BIOS)CMOS存儲(chǔ)器：存放硬件配置信息和系統(tǒng)基本參數(shù)（日期、時(shí)間、口令等）內(nèi)存條插座處理器

USB、VGA、HDMI

等I/O接口光驅(qū)及硬盤連接器電源連接器擴(kuò)充卡插座(PCI)CPU插座芯片組

BIOSCMOS存儲(chǔ)器擴(kuò)充卡插座(PCI-Ex1)顯示卡插座(PCI-Ex16)例：華碩P8B75-VCorei7/i5/i3獨(dú)立顯卡PCI插槽(3個(gè))最大容量32GB(5個(gè))PCI-Ex1插槽(2個(gè))音頻端口PS/2接口(4個(gè))安裝了CPU和內(nèi)存條的主板(2)芯片組的作用芯片組是PC機(jī)各組成部分相互連接和通信的樞紐北橋芯片：1.存儲(chǔ)器控制功能；2.連接CPU、存儲(chǔ)器、顯卡、南橋芯片的樞紐南橋芯片：1.多種I/O設(shè)備的控制功能；2.I/O總線(PCI總線)功能；3.提供了各種I/O接口CPU芯片CPU前端總線北橋MCH圖形卡接口雙通道南橋ICH5USB2.0接口(x8)以太網(wǎng)接口PCI插槽(≤6個(gè))ROMBIOS硬盤接口(x2)音頻CodecSuperI/O鍵盤,鼠標(biāo),軟驅(qū),并口,串口等電話ModemDDR2電源管理、時(shí)鐘生成DDR2存儲(chǔ)器關(guān)于芯片組的一些說明芯片組與CPU芯片同步發(fā)展，有什么樣功能和速度的CPU，就有什么樣的芯片組與之配套由于集成電路集成度越來越高，為降低系統(tǒng)成本，芯片組中集成了越來越多的功能，包括網(wǎng)卡、顯卡、聲卡等功能由于CPU芯片越來越復(fù)雜，功能越來強(qiáng)大（如Corei3/i5/i7），有些已將北橋芯片的存儲(chǔ)器控制器和圖形控制器功能集成在CPU芯片之中，因此主板上北橋芯片已經(jīng)消失，只需一塊南橋芯片即可。(3)BIOS什么是BIOS（BasicInput/OutputSystem）？“基本輸入/輸出系統(tǒng)”，存放在主板上只讀存儲(chǔ)器（ROM）芯片中的一組機(jī)器語言程序（固件）功能：診斷計(jì)算機(jī)故障啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作在啟動(dòng)階段控制基本外設(shè)的輸入輸出操作(鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤讀寫、屏幕顯示等)BIOS芯片保存BIOS的只讀存儲(chǔ)器(ROM)芯片BIOS芯片中包含的程序加電自檢程序（POST）

(PowerOnSelfTest)用于檢測(cè)計(jì)算機(jī)硬件故障系統(tǒng)自舉程序（Boot）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作，加載并進(jìn)入操作系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)CMOS設(shè)置程序設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：日期、時(shí)間、口令、配置參數(shù)等常用外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序（Driver）在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)階段實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤、顯示器、軟驅(qū)和硬盤等常用外部設(shè)備輸入輸出操作的控制2.3.2內(nèi)存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器(RAM)的功能與原理主存是CPU可直接訪問的存儲(chǔ)器，用于存放供CPU處理的指令和數(shù)據(jù)特點(diǎn)：以字節(jié)為單位進(jìn)行連續(xù)編址，每個(gè)存儲(chǔ)單元為1個(gè)字節(jié)（8個(gè)二進(jìn)位）存儲(chǔ)容量：主存儲(chǔ)器中所包含的存儲(chǔ)單元的總數(shù)（單位：MB或GB）存取時(shí)間：從CPU送出內(nèi)存單元的地址碼開始，到主存讀出數(shù)據(jù)并送到CPU（或者是把CPU數(shù)據(jù)寫入主存）所需要的時(shí)間（單位：ns，1ns=10-9s）····· 0110100110101010存儲(chǔ)內(nèi)容00001000000001000011001001111011111·······存儲(chǔ)單元地址地址碼存儲(chǔ)單元地址寄存器地址譯碼器地址線讀寫控制電路數(shù)據(jù)線控制線讀/寫的數(shù)據(jù)讀/寫控制信號(hào)

(64位)(36位)每個(gè)存儲(chǔ)單元由8位二進(jìn)制位組成。1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB字節(jié)BYTE76543210位Bit存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元地址0000H0001H0002HFFFFH存儲(chǔ)體結(jié)構(gòu)圖存儲(chǔ)位存儲(chǔ)單元（字節(jié)）存儲(chǔ)體

內(nèi)存儲(chǔ)器的訪問過程向[0001]單元寫數(shù)據(jù)111011011100110110001101111011011110100111101101111011011110110111101101111011011110110111101101100011011100110110001101111011010000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111地址0001控制:寫數(shù)據(jù)1000000010000000復(fù)習(xí)：內(nèi)存與輔存的關(guān)系及比較內(nèi)存儲(chǔ)器(簡稱內(nèi)存或主存)存取速度快，成本高、容量相對(duì)較小按字節(jié)編址和存取直接與CPU連接，CPU(指令)可以對(duì)內(nèi)存中的指令及數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫操作大多屬于易失性存儲(chǔ)器(volatile)，用于臨時(shí)存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)內(nèi)存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器CPU指令1指令2指令k指令n程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)①任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)將從輔存成批傳送到內(nèi)存②CPU從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)④將指令的運(yùn)算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存⑤任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成批傳送到輔存以長久保存③逐條執(zhí)行指令，按指令要求完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理輔助存儲(chǔ)器(俗稱外存，簡稱輔存)存取速度慢，成本低、容量很大按數(shù)據(jù)塊編址和存取不與CPU直接連接，計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，外存中的程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先傳送到內(nèi)存，然后才能被CPU使用。屬于非易失性存儲(chǔ)器(Nonvolatile)，用于長久存放系統(tǒng)中幾乎所有的信息半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類及應(yīng)用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器有多種類型：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器非易失性存儲(chǔ)器易失性存儲(chǔ)器(RAM)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM

EEPROM閃速存儲(chǔ)器（FlashMemory）（用作Cache存儲(chǔ)器）

（用作主存儲(chǔ)器）每個(gè)存儲(chǔ)單元(cell)由6個(gè)晶體管組成只要加上電，信息就能一直保持對(duì)電器干擾相對(duì)不很敏感比DRAM更快，也更貴每個(gè)存儲(chǔ)單元由1個(gè)電容和1個(gè)晶體管組成.每10-100ms必須刷新一次對(duì)電器干擾比較敏感比SRAM慢，但便宜可用于存儲(chǔ)BIOS等固件用作輔存：U盤、固態(tài)硬盤NOR型NAND型速度較慢、容量不大，價(jià)格便宜，在低端產(chǎn)品中用得較多智能手機(jī)/平板電腦的輔助存儲(chǔ)器：NAND型閃速存儲(chǔ)器PC機(jī)主存儲(chǔ)器的物理結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器由1～4個(gè)內(nèi)存條組成內(nèi)存條的組成：把若干片DRAM芯片焊裝在一小條印制電路板上制成內(nèi)存條必須插在主板上的內(nèi)存條插槽中才能使用目前流行的是DDR3和DDR4內(nèi)存條：均采用雙列直插式，其觸點(diǎn)分布在內(nèi)存條的兩面PC機(jī)主板中一般都配備有2個(gè)或4個(gè)內(nèi)存條插槽

4個(gè)內(nèi)存條插槽存儲(chǔ)器與CPU速度差距愈來愈大DRAM,硬盤與CPU之間的速度差距愈來愈大：問題：由于CPU工作速度很快，內(nèi)存速度比較慢（差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)），從內(nèi)存取數(shù)或向內(nèi)存寫數(shù)時(shí)，CPU往往需要等待解決方案——高速緩存(cache)cache是一種小容量高速緩沖存儲(chǔ)器，它由SRAM組成cache直接制作在CPU芯片內(nèi)，速度幾乎與CPU一樣快程序運(yùn)行時(shí)，CPU使用的一部分?jǐn)?shù)據(jù)/指令會(huì)預(yù)先成批復(fù)制在cache中，cache的內(nèi)容是主存儲(chǔ)器中部分內(nèi)容的映象當(dāng)CPU需要從內(nèi)存讀(寫)數(shù)據(jù)或指令時(shí)，先檢查cache中有沒有，若有，就直接從cache中讀取，而不用訪問主存儲(chǔ)器012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息復(fù)制在cache存儲(chǔ)器中cache主存儲(chǔ)器CPUCPU芯片小結(jié)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)cache存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器(RAM和ROM)輔助存儲(chǔ)器（硬盤、光盤、閃速存儲(chǔ)器）后備存儲(chǔ)器（磁帶庫、光盤庫）內(nèi)存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器寄存器典型容量<1KB幾個(gè)MB幾個(gè)GB100GB-1TB10TB-100TB典型存取時(shí)間1ns2ns10ns10ms10s分析：速度越快，成本較高。為了獲得好的性能/價(jià)格比，計(jì)算機(jī)中各種存儲(chǔ)器組成一個(gè)層狀的塔式結(jié)構(gòu)，取長補(bǔ)短，協(xié)調(diào)工作工作過程：1）CPU運(yùn)行時(shí)，需要的操作數(shù)大部分來自寄存器2）如需要從(向)存儲(chǔ)器中取(存)數(shù)據(jù)時(shí)，先訪問cache，如在，取自cache3）如操作數(shù)不在cache，則訪問RAM，如在RAM中，則取自RAM4）如操作數(shù)不在RAM，則訪問硬盤，操作數(shù)從硬盤中讀出→RAM→cache2.4輔助存儲(chǔ)器2.4.1硬盤存儲(chǔ)器2.4.2U盤、存儲(chǔ)卡和固態(tài)硬盤2.4.3光盤存儲(chǔ)器PC機(jī)的輔助存儲(chǔ)器硬盤存儲(chǔ)器軟盤驅(qū)動(dòng)器光盤驅(qū)動(dòng)器2.4.1硬盤存儲(chǔ)器硬盤存儲(chǔ)器概述功用：長期保存二進(jìn)制信息（非易失性存儲(chǔ)器）特點(diǎn)：可讀可寫，按塊存取容量很大（當(dāng)前臺(tái)式PC：500GB~2000GB）可靠性高成本極低（當(dāng)前：1~2GB/元）技術(shù)發(fā)展很快，容量將更大，成本會(huì)更低磁盤存儲(chǔ)器的信息存儲(chǔ)原理(1)磁頭，用于寫入和讀出信息“0”“1”盤片旋轉(zhuǎn)方向磁盤片磁性材料粒子的兩種不同磁化方向，分別表示記錄的是“0”還是“1”磁盤存儲(chǔ)器的信息記錄原理(2)寫“1”寫“0”電流方向磁頭盤片旋轉(zhuǎn)方向磁性材料粒子磁盤表面磁道扇區(qū)磁盤的磁道和扇區(qū)磁盤表面被分為許多同心圓，每個(gè)同心圓稱為一個(gè)磁道。每個(gè)磁道都有一個(gè)編號(hào)，最外面的是0磁道每個(gè)磁道被劃分為若干段（段又叫扇區(qū)），每個(gè)扇區(qū)的存儲(chǔ)容量均為512字節(jié)。每個(gè)扇區(qū)都有一個(gè)編號(hào)注：所謂磁盤的格式化操作，就是在盤面上劃分磁道和扇區(qū)，并在扇區(qū)中填寫扇區(qū)號(hào)等信息的過程磁盤總?cè)萘浚酱琶鏀?shù)×磁道數(shù)×扇區(qū)數(shù)×扇區(qū)字節(jié)數(shù)硬盤存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)控制電路硬盤片接口柱面所有盤片上相同半徑處的所有磁道構(gòu)成一個(gè)“柱面”

磁頭磁頭浮在高速旋轉(zhuǎn)的盤片上，它負(fù)責(zé)盤片上數(shù)據(jù)的寫入或讀出移動(dòng)臂用來固定磁頭并可帶動(dòng)磁頭沿盤片徑向高速移動(dòng)，以便定位到指定的“柱面”

主軸帶動(dòng)盤片高速旋轉(zhuǎn)柱面扇區(qū)磁道54硬盤的磁道、扇區(qū)、柱面硬盤總?cè)萘浚酱蓬^數(shù)×磁道（柱面）數(shù)×扇區(qū)數(shù)×扇區(qū)字節(jié)數(shù)（512B）例如：某硬盤基本信息如下：磁頭數(shù)16，柱面數(shù)512000，扇區(qū)數(shù)64，每扇區(qū)512字節(jié)，請(qǐng)計(jì)算該硬盤的存儲(chǔ)容量。

選講：信息的平均存取時(shí)間磁盤上的信息以扇區(qū)為單位進(jìn)行讀寫，平均存取時(shí)間為：

T=尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間+數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間尋道時(shí)間——磁頭尋找到指定磁道所需時(shí)間(大約5ms)旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間——指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所需要的時(shí)間(大約4～6ms)(轉(zhuǎn)速：4200/5400/7200/10000rpm)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間——(大約0.01ms/扇區(qū))磁頭磁道旋轉(zhuǎn)軸碟片硬盤存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)（1）容量：以GB為單位，目前硬盤單碟容量約為幾百個(gè)GB（2）平均存取時(shí)間：在幾ms～幾十ms之間，由硬盤的旋轉(zhuǎn)速度、磁頭尋道時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸速率所決定（3）緩存容量：原則上越大越好，通常為幾MB～幾十MB（4）數(shù)據(jù)傳輸速率外部傳輸速率指主機(jī)從（向）硬盤緩存讀出（寫入）數(shù)據(jù)的速度，與采用的接口類型有關(guān)內(nèi)部傳輸速率指硬盤在盤片上讀寫數(shù)據(jù)的速度，轉(zhuǎn)速越高內(nèi)部傳輸速率越快

（5）與主機(jī)的接口：以前使用：并行ATA（ATA）接口當(dāng)前流行：串行ATA（SATA）接口2.4.2U盤、存儲(chǔ)卡

和固態(tài)硬盤閃速存儲(chǔ)器（flashmemory）閃速存儲(chǔ)器是半導(dǎo)體集成電路存儲(chǔ)器，非易失性存儲(chǔ)器優(yōu)點(diǎn)：閃存沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)無噪音，尺寸小、輕便，抗震性更好，能耐受高壓高溫不足之處：寫入過程較復(fù)雜，寫入速度慢于讀出速度，寫入次數(shù)有限制；性價(jià)比低于傳統(tǒng)硬盤分類：NOR型閃存，可以按字節(jié)地址讀出，用來存儲(chǔ)需要運(yùn)行而不要經(jīng)常更新的程序代碼，可作內(nèi)存使用

NAND型閃存，比NOR型閃存的存儲(chǔ)密度高、每個(gè)比特的成本也低，它具有較快的抹寫速度，可抹除次數(shù)也高出NOR閃存十倍。但NAND閃存不能按字節(jié)隨機(jī)讀寫，只能像硬盤那樣以數(shù)據(jù)塊為單位存取信息優(yōu)盤采用NANDFlash存儲(chǔ)器（閃存）芯片，體積小，重量輕容量按需要而定（幾個(gè)GB～幾百GB），具有寫保護(hù)功能數(shù)據(jù)保存安全可靠，使用壽命長使用USB接口，即插即用，支持熱插拔(必須先停止工作)讀寫速度比較快可以模擬光驅(qū)和硬盤啟動(dòng)操作系統(tǒng)固態(tài)硬盤（SSD）固態(tài)硬盤(SolidStateDisk、SolidStateDrive)是使用NAND型閃存做成的外存儲(chǔ)器用途：在便攜式計(jì)算機(jī)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬盤外形及與主機(jī)的接口和常規(guī)硬盤相同，如1.8英寸、2.5英寸或3.5英寸存儲(chǔ)容量：64GB～128GB或更大優(yōu)點(diǎn)：低功耗、無噪音、抗震動(dòng)、低熱量，讀寫速度也快于傳統(tǒng)硬盤存在問題：成本：高于常規(guī)的硬盤壽命：Flash存儲(chǔ)器都有一定的寫入壽命、壽命到期后數(shù)據(jù)會(huì)讀不出來且難以修復(fù)平板電腦/智能手機(jī)的輔助存儲(chǔ)器多數(shù)平板電腦的輔助存儲(chǔ)器既不是硬盤也不是SSD：iPad是將NAND型Flash芯片直接焊接在主板上作為外存儲(chǔ)器，容量可以是16,32,64,或128GB；微軟公司的平板電腦Surface使用的是microSDXC存儲(chǔ)卡多數(shù)智能手機(jī)的外存儲(chǔ)器是microSD存儲(chǔ)卡，其接口控制有兩種：eMMCUFS2.4.3光盤存儲(chǔ)器