《计算机导论》全套PPT电子课件教案-第3章 计算机硬件系统.ppt

第3章 计算机硬件系统,内容提要 本章以微型计算机为例介绍计算机硬件系统的组成，包括系统单元、内存、系统总线、扩展卡以及常用的输入输出设备和辅助存储器。通过本章学习，要求掌握计算机系统的基本结构和工作原理，了解多种输入输出设备及其功能。,冯诺依曼体系结构,体系结构指的是构成系统主要部件的总体布局、部件 的主要性能以及这些部件之间的连接方式。 冯诺依曼体系结构的要点： 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。 控制器和运算器是其核心称为cpu 数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放的位置由地址确定 控制器是根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器控制指令的执行。控制器具有判断能力,能以计算结果为基础,选择不同的工作流程.,冯诺依曼体系结构（续）,冯诺依曼体系结构规定控制器是根据存放在存储器中的程序来工作的,既计算机的工作过程就是运行程序的过程.为了使计算机能进行正常工作,程序必须预先存放在存储器中.因而这种结构的计算机是按存储程序原理进行工作的。 控制器中的程序计数器总是存放着下一条待执行指令在存储器中的地址，由它控制程序的执行顺序。当控制器取出待执行的指令后，对指令进行译码，根据指令的要求控制系统内的活动。,计算机硬件体系结构的发展,适应串行的算法的体系结构改变为适应并行的算法的计算机体系结构。 面向高级语言计算机和直接执行高级语言的计算机。 硬件系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应的计算机。 从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型的计算机。 各种适应特定应用的专用计算机。 高可靠性的容错计算机。 处理非数值化信息的计算机。,体系结构的评价标准,评价计算机系统的标准有速度、容量、功耗、体积、灵活性、成本等指标。 常用的计算机评测标准: 1时钟频率(主频),计算机是一个十分复杂的电子设备。它由各种集成电路和电子器件组成，每一块集成电路中都集成了数以万计的晶体管和其他电子元件。这样一个十分庞大的系统，要使它能够正常地工作，就必须有一个指挥，对各部分的工作进行协调。各个元件的动作就是在这个指挥下按不同的先后顺序完成自己的操作的，这个先后顺序我们称为时序。时序是计算机中一个非常重要的概念，如果时序出现错误，就会使系统发生故障，甚至造成死机。那么是谁来产生和控制这个操作时序呢？这就是“时钟”。“时钟”可以认为是计算机的“心脏”，如同人一样，只有心脏在跳动，生命才能够继续。不要把计算机的“时钟”等同于普通的时钟，它实际上是由晶体振荡器产生的连续脉冲波，这些脉冲波的幅度和频率是不变的，这种时钟信号我们称为外部时钟。它们被送入cpu中，再形成cpu时钟。,2指令执行速度 3等效指令速度 4数据处理速率 5核心程序法,整数测试程序(dhrystone) 浮点测试程序(linpack) whetstone基准测试程序 spec基准测试程序 tpc基准程序,微型计算机的硬件结构,微型计算机硬件的系统结构与冯诺依曼结构无本质上的差异，不过cpu已被集成在一片大规模或超大规模集成电路上，称为mpu。此外，微型计算机内部的连接方式都是采用总线结构。 特点:系统结构简单、系统扩展或更新容易、可靠性高，采用分时传输操作，降低了系统的工作效率。,db,ab,cb,系统主板与时钟频率,系统主板：又称为底板或母板,它是整个计算机系统的通信网,系统单元的每个元器件直接连接到系统主板,它们通过系统主板进行数据的交换 系统时钟：控制计算机操作的速度，这个速度用兆赫（mhz）表示。兆赫等于每秒一百万周期，时钟周期速度越快，则计算机处理信息的速度就越快,电子数据与指令,数据与指令是通过两种状态的信号表示, 例如电子电路的开与关。它们分别表示二进制0或1。 ascii码：ascii码是微型计算机中使用最广泛的二进制编码,使用7位分别表示09、az、az以及标点符号,用8位表示特殊字符。主要用于微型计算机 ebcdic码：用一个字节表示数字和字母等。主要用于大型机系统 unicode码：它是一种16位的编码，用于支持像中文、日文等国际语言,微处理器,控制单元：计算机的“交通警”，协调和控制出现在微处理器中的所有操作及这些操作的顺序，还与输入/输出设备进行数据或指令传递。 注意:数据传递在计算机中是将数据或指令从一个位置移动到另一个位置,这种移动并不是从原始位置移取,实际上是复制内容到新的位置.因为当一个数据项存储在一个指定位置时,它将替换该位置先前的内容. 在执行一条指令时,控制单元通常完成或部分完成如下功能: 确定要执行的指令确定该指令完成的操作如果需要,确定需要的被操作数据及它们存放的位置确定执行结果存放的位置确定下一条被执行指令的位置启动指令的执行将控制传递到下一条指令,算术/逻辑单元（alu）：是计算机的“计算器”，完成两种类型的操作。 算术操作：加、减、乘、除等运算 运行过程:,数据,寄存器,逻辑操作：比较操作,存储器,数据,寄存器：寄存 器的硬件组成相似于内存的单元，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,微处理器芯片,cisc芯片：又称复杂指令集计算机,其指令系统一般多达几百条指令,这种技术由intel公司推广,并且是该公司主流微处理器的基础。例如pentium和pentium 4 risc芯片：又称简化指令集计算机，其使用较少的指令。motorola、ibm和apple公司共同开发的powerpc芯片就是利用了risc技术 专用芯片：用于智能卡的微型内置式微处理器。例如交通卡、社保卡。,存储体系结构,通用寄存器堆,指令和数据缓冲栈,脱机外部存储器（磁带、光盘等）,联机外部存储器（磁盘等）,主存储器（dram）,cache（sram）,存储容量越来越大,速度越来越快,主存储器,主存储器又称为内存储器或内存，是指能够通过指令中的地址直接访问的存储器，它被用来存储正在被cpu使用的程序和数据。,随机存储器（ram） 闪存(flash ram,flash) 动态ram（dram） 静态ram（sram） 只读存储器（rom） 可编程只读存储器(prom) 可删除编程只读存储器(eprom) 电可删除编程存储器(eeprom) 互补金属氧化物半导体（cmos） 磁阻随机存取存储器(mram)：,主存储器容量,存储器的容量是衡量存储器性能的重要指标之一，以字或字节为单位来表示存储器存储单元的总数，就得到了存储器的容量。 1kb等于1024字节。 1mb等于10241024字节。 1gb等于102410241024字节。 1tb等于1024102410241024字节 。,各存储器性能的比较:,输入输出系统,计算机系统的输入输出系统的基本功能： 为数据传输操作选择输入输出设备。 在选定的输入输出设备和cpu（或主存储器）之间交换数据。,输入输出原理,对于工作速度、工作方式和工作性质的不同的外围设备，通常需要采用不同的输入输出方式有3种： 1、程序控制输入输出方式 特点： 何时对何设备进行输入输出操作完全受cpu控制 外围设备与cpu处于异步工作 关系。 数据的输入和输出都要经过cpu。 用于连接低速外围设备。 2、中断输入输出方式 采用中断输入输出方式能够克服程序控制输入输出方式中cpu与外围设备之间不能并行的缺点。 3、直接存储访问方式 直接存储访问方式在外围设备与主存储器之间建立直接数据通路，主要连接高速外围设备。 特点：不受cpu控制,扩展槽与适配卡,计算机系统有两种体系结构： 独立体系结构：它指的是制造商生产的机器不允许用户进行扩展，即用户不能够通过简单的方式增加新的设备。 开放体系结构：它允许用户通过系统主板上提供的扩展槽增加新的设备。其方法是插入适配卡到系统的主板扩展槽上，然后通过适配卡的端口和连接电缆连接适配卡和新的外部设备。,扩展槽与适配卡,连接系统主板与输入/输出设备 网络适配卡：简称网卡,用来连接一台计算机到其他计算机，或通过网络总线连接多台计算机、打印机、服务器等设备。 小型计算机接口卡（scsi）：它使用计算机的一个扩展槽连接最多达七个设备，这种卡主要用于连接打印机、硬盘驱动器和cd-rom驱动器等设备。 tv调谐卡：利用tv调谐卡，计算机能在浏览internet的同时，观看电视节目。 pc卡：又称pcmcia卡，适合便携式计算机的尺寸。 其他：常用的适配卡还有用于匹配各种彩色显示器的视频适配卡、连接光盘驱动器的cd-rom卡、记录和回放数字声音的声卡以及用于连接计算机和电话插座的内置式modem卡以及一些即插即用设备等。,系统总线,总线:是cpu与外围设备之间传输信息的一组信号线. 一般pc系统的总线分为四层: 片内总线:是cpu内部各功能单元的连线延伸到cpu外,又称cpu总线。 片总线:是pc主板上以cpu为核心与各部件间的直接连线。 系统总线:是主板上适配卡与适配卡之间连接的总线。 外总线是pc与pc之间通信的数据线。 总线性能：时钟频率、总线宽度以及传输速率。 总线类型：工业标准体系isa、外围部件互连pci以及加速图像端口agp。,端口和连接电缆,端口是系统单元和外部设备的连接槽，连接电缆是端口与输入/输出设备之间的连接线。 串行口：用于连接鼠标、键盘、modem和许多其他设备到系统单元 并行口：用于连接需要在较短距离内高速收发信息的外部设备,如打印机 增强并行口（epp）:由intel、xircom、zenith等公司开发的，它实现了外部设备进行双向通信,端口和连接电缆（续）,加速图形端口agps：连接显示器，支持高速图像和其他视频的输入，目的是要大幅度提高图形图象的品质。 通用串行总线usb口：一个usb能同时连接多个设备，它提供快速的即插即用和热插拔的连接 “火线”口：又称ieee1394总线，用于连接高速打印机和数码相机，并且速度比usb更快,输入设备,输入设备是来自用户的数据和程序并且转换为计算机可以理解和执行的机器代码。 根据接受数据的方法分为： 1、键盘输入 2、直接输入 根据使用的特殊设备和方法分为： 1、定点输入设备 2、扫描输入设备 3、语音输入设备,键盘和终端,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 终端：一种连接大型计算机或计算机网络上的主机和服务器的输入输出设备。 终端功能：信息交换、数据收集、查询和事物处理、远程作业处理以及图形显示与设计 无处理能力终端：能输入和接收数据，但不能独立处理数据 智能型终端：包括一个处理器、内存和辅助存储设备，例如net pc 网络终端：功能和价格低于智能终端，一般依赖网上主机和应用软件进行工作 internet终端：又称web终端，访问internet并在一个标准电视机上显示web页,定点输入设备,使用定点设备在显示屏、文本材料以及图形材料上定位某些信息进行输入 鼠标：相似设备有跟踪球、触摸面和定位杆 光笔：连接计算机并放置在显示屏旁的特殊的输入笔 游戏杆：用于计算机动感游戏的操纵 触摸屏：覆盖一层塑料的特殊种类的显示屏 数字转换器：描绘或拷贝图画或照片的设备 数码相机：照相机的磁盘或内存中以数字形式记录图像 数字摄像机：将场景以数字形式记录在磁盘或内存中,扫描输入设备,扫描设备以图像形式输入文本、图画或特殊符号 图像扫描仪：平台式和手持式扫描仪，分辨率单位dpi 传真机：传真机将图像转换成一系列的线，将线又转换成连续的信息串进行发送 条形码阅读器：阅读条形码的光电扫描仪，条形码是垂直斑纹标记，条形码系统有upc和code 39 字符和标记识别设备： micr：银行中自动读取支票和存款条上的特殊数字 ocr：将源文档内容转换成机器可识别代码，如公用事业和电话的帐单 omr：快速录入设备，标准化考试和各种统计中得到广泛的应用,语音输入设备,将讲话转换成数字代码并输入到计算机，由麦克风、声卡和语音输入软件系统组成。 语音输入系统分: 离散语音识别系统：用户的发音必须是一个单词接着一个单词，不能连读 连续语音识别系统：能根据上下文识别单独的单词和短语 语音输入应用：办公室环境下桌面计算中的一系列应用、完成人与计算机的对话功能以及帮助人类不同语种之间的交流 例如：语音拨号，语音查询等,显示器,特征是尺寸和清晰度，常用的21寸、19寸、17寸、15寸 标准：表示显示器的分辨能力 svga：高级视频图形阵列，分辨率800600像数，用在15寸显示器 xga：扩展图形阵列，分辨率1024768像数，用在17寸和19寸显示器 sxga：高级扩展图形阵列，分辨率12801024像数，用在19寸和21寸示器 uxga：超高级图形阵列，分辨率16001200像数，用于对图像要求较高的领域和21寸显示器中,类型：,阴极射线管crt：通过光栅扫描方法产生图像 平面显示器：常用的等离子和液晶显示器 高清晰度电视机hdtv,打印机,通过打印机或绘图仪将信息输出到纸上称为硬拷贝（显示器输出称为软拷贝） 非接触式打印机 喷墨打印机：喷墨打印机以非常高的速度喷射微滴墨水到打印纸的表面，不仅产生字符质量的图像，也能打印彩色的图像 激光打印机：激光打印机使用与复印机相似的技术，即利用激光束产生很高质量的字符和图像 热学打印机：热学打印机使用热元素在热敏感打印纸上产生字符和图像,打印机（续）,接触式打印机：使用“锤子”敲击字符形体，字符形体进一步敲击色带，引起色带上的字符图像印刷在打印纸上 点针打印机：它通过打印头上的细小针所形成的模型打印字符和图形 菊花轮打印机：使用一个塑料或金属打印元素，其形状相似于菊花上的花瓣 行式打印机：利用一个打印轮或一个运动的链，一次能够打印整个一行,绘图仪,绘图仪是用于产生直方图、地图、建筑图纸以及三维图表的专用输出设备 笔式绘图仪：通过在设计图纸上移动一个水笔或铅笔创建线图 喷墨绘图仪：通过喷射墨水微滴创建线图和彩色立体图像 静电绘图仪：使用静电电荷在特殊处理的纸张上创建高分辨率的“图像点” 直接成像绘图仪：使用热感应纸和电加热针创建图像,软 盘,软盘主要用来存储和传输数据文件，包括电子文档、电子表格以及小型数据库文件。 软盘：是一种轻便、移动式的存储媒体，常用的是1.44mb 3 1/2英寸 软盘的格式：平面圆片在逻辑上划分成面、磁道和扇区 大容量软盘：盒式软盘是大容量软盘的标准，比1.44mb 3 1/2英寸软盘更厚，并且需要特殊驱动器 zip盘：容量可达100mb或250mb 超级盘：容量为120mb，可以使用1.44mb 3 1/2英寸软盘驱动器，主要用于笔记本电脑 hifd盘：容量可达200mb，可以使用1.44mb 3 1/2英寸软盘驱动器,硬 盘,与软盘使用薄的、柔性的塑料盘不同,硬盘使用厚的、刚性的金属磁盘片。除此之外，硬盘能快速地存储和读取信息，并且其容量远远大于软盘 硬盘种类： 内置硬盘：简称硬盘，安装在系统单元的内部 盒式硬盘：与录音机的磁带一样，可以方便的移动，用于作为内置硬盘的补充 硬盘组：存储大容量信息、可移动的存储设备，其容量远远大于上述两种硬盘 usb移动硬盘：支持即插即用。 硬盘性能的提高：磁盘缓冲、价格低廉磁盘的冗余阵列raids和文件压缩/解压缩,光 盘,光盘技术中，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 光盘cd：最重要指标是旋转速度，如24速、32速等 cd-rom：光盘-只读存储器，相似音乐cd。只读 cd-r：又称worm，它代表写一次、读多次，即空白光盘 cd-rw：可写光盘或可删除光盘 数字化视频光盘dvd: 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：可记录的dvd，即写一次，读多次 dvd-ram：dvd-随机存取存储器或dvd-rw（可写dvd）,闪存和u盘,闪存不仅具有ram内存可擦除、可编程的优点,而且还具有rom内存的写入数据在断电后不会消失的优点。usb闪存盘普遍采用usb接口，与计算机的理论传输速率可达12mb/s，具有易扩展、即插即用的优点。 compactflash又称cf卡，是美国sandisk公司于1994年推出的，它广泛应用于笔记本计算机和