《大学计算机》PPT课件.ppt

1 第二章 微型计算机硬件组成 2.1 微型计算机 2.2 微型计算机硬件系统 计算机系统 硬件 系统 软件 系统 主机 外部 设备 系统 软件 应用 软件 中央处理器（CPU） 主（内）存储器 运算器 控制器 只读存储器（ROM） 随机存储器（RAM） 高速缓冲存储器（Cache） 输入设备键盘、鼠标、扫描仪等 输出设备显示器、打印机、绘图仪等 辅助（外）存储器软盘、硬盘、光盘、闪存等 操作系统Dos、Windows系列、Unix、Linux等 计算机语言（C、Basic等）和语言处理程序（编译程序和解释程 序） 数据库管理系统Oracle、Access、SQL server等 通用软件文字处理软件、电子表格软件等 专用软件财务管理软件包、统计软件包等 计算机硬件的基本功能是接受计算机程序的控制来实 现数据的输入、运算、输出等一系列的操作。计算机 发展到今天已经发生了翻天覆地的变化，但硬件的基 本结构一直沿袭着冯诺伊曼的传统框架，即计算机 硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输 出设备五大部件构成。 2.1 微型计算机 2.1.1 微型计算机概述 20世纪70年代诞生微型计算机。 微型计算机与大、中、小型计算机的区别在于微型机计算 机的CPU采用了大规模和超大规模集成电路技术。 通常将微型计算机的CPU芯片称作微处理器（Micro Processing Unit，MPU）。微型计算机的发展是与微处理 器的发展同步的。 摩尔定律量化和揭示了微型计算机的这一独特的发展速度 ： 集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增 加一倍，性能也将提升一倍。摩尔定律是由英特尔(Intel) 名誉董事长戈登摩尔（Gordon Moore）经过长期观察发 现得之。 摩尔定律 晶 体 管 数 目 4004奔腾 2,300 42,000,000 32 年 P4 3,500,000 晶 体 管 数 10K 100K 1M 10M 100M 1975 19801985199519902000 单 位 时 间 执 行 的 指 令 数 百万条/每秒 0.1 1 10 25 500 4004 Pentium 每2年芯片能力增长一倍 8080 8088 8286 8386 8486 2000年的 微处理器 2006年，英特尔 酷睿TM 双核处理器的硅核大小为90.3 平方毫米，其中集成的晶体管 数量超过1.516亿个。在一平方毫米的面积上将近集成了 170 万个晶体管，或者可以说在 圆珠笔笔尖大小的空间上分布有 170 万个晶体管。制作工艺 65ns 45nm的处理器中的硅晶体管之间的距离为45nm，距离越小， cpu可以在一样的面积上集成更多的电子元件。电压低，发热量 低，超频性能更高。 2010年，Intel 酷睿 i3 530，制程工艺：32纳米 ，集成度更高 实验室 芯片的制作工艺可以达到20ns 2007年，英特尔发布第一款基于45纳米的四核英特尔至强处理器以 及英特尔酷睿2至尊四核处理器，带领世界跨入45纳米全新时代。 一个人需要耗费25,000年的时间才能开关电灯1.5万亿次。但是英特 尔研制的晶体管，如英特尔 酷睿TM 双核处理器中的晶体管每秒 均可打开并关闭1.5万亿次。 微型计算机的发展方向 高速化 处理器主频 超小型化 典型的标志是笔记本电脑和PDA的流行。 多媒体化 全新的多媒体处理芯片、多媒体和超媒体系 统的开发和标准化、虚拟现实技术和发展多媒体通信等。 网络化 网络计算机、具有联网功能的PDA以及各种类型 的个人计算机等正在飞速发展。 隐形化 今后将摆脱显示屏、键盘加主机的传统形像， 电视计算机、影音计算机等将大量出现。 2.2 微型计算机的配置 微型计算机基本结构 系统主板（又称母板） CPU 内存 硬盘驱动器 显示器适配器 DVD-ROM驱动器 网卡 电源 资料:主板图解 一般我们看到的PC机都是由 ：主机箱、输出设备（显示 器）和输入设备（键盘和鼠 标）三大件组成。 1机箱 n机箱为计算机系统的其它配件提供安装支架，此外还 可以减轻机箱内向外辐射的电磁污染，保护用户的健 康和其它设备的正常使用。目前机箱多采用ATX结构 的立式机箱， n机箱用于安装容纳各种板卡和配件，一般在内部前面 板侧有用于安装硬盘、光驱、软驱的托架，后面板侧 上部有一个用来安装电源的位置，此外还附有一些引 线，用于连接POWER键，RESET键，PC扬声器， 以及电源指示灯、硬盘工作指示灯等。 10 PC99规范要求主板各接口必须采用有色识别标识，方便识别 2. 系统主板 系统主板是微型计算机中最大的一块集成电路板，主板由各种 接口，扩展槽，插座以及芯片组组成，它是计算机各部件相互 连接的纽带和桥梁。 计算机正常运行时对内存、存储设备和其它I/O设备的操控都必 须通过主板来完成，因此计算机的整体运行速度和稳定性在相 当程度上取决于主板的性能。 主板产品根据支持CPU的不同，分为INTEL系列以及AMD系列 11 系统主板 内存 总线插槽 接口卡 CPU 串行接口 USB接口 芯片组 12 芯片组 芯片组决定了主板的结构及CPU的使用。根据芯片的功能， 可分为南桥芯片和北桥芯片。 南桥芯片主要负责I/O接口控制、IDE设备（硬盘等）控制 以及高级能源管理等； 北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据 在北桥内部传输，由于北桥芯片的发热量较高，所以芯片 上会装有散热片。 13 2.2.2 CPU 性能指标 CPU字长：内部一次能够传送，处理的数据位数 x位CPU 通常用CPU字长和位宽来称呼CPU。例如，Pentium CPU字长是32位，位宽是64位，称为超32位CPU。 CPU主频：CPU的时钟频率 CPU外频：系统的时钟频率 生产工艺技术：通常用纳米数字来描述 高速缓冲存储器容量 核心数量 CPU主频 CPU的时钟频率。主频越高，运算速度越快。实际上 主频只是影响CPU速度的一个方面。 Intel Core i3 530 主频为 2.93GHz 。Intel CPU主频最 高的是3.8GHz, Pentium 4 570/670 CPU主频越高，功耗越大，所产生的热量越多，从而 导致一系列问题。因此各CPU公司纷纷转而研究新的 技术： 多核技术：使用多核技术来提高CPU的性能。多内核是指在 一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)，通过 在两个执行内核之间划分任务，多核处理器可在特定的时钟 周期内执行更多任务。 Core i7 980X采用六核十二线程设计，每个核心拥有3.33G主 频和12MB三级缓存，从强悍的规格来看，这款i7 980X的性 能将达到前所未有的高度。 CPU 早期使用过的微处理器 16 CPU Pentium 4微处理器和Itanium微处理器内部结构照片 Cpu的外频 是指系统总线的工作频率，是CPU与外部设备传输数据的 频率，目前CPU外频达到400MHz 由于CPU工作频率进一步提高，其他部件受到工艺限制， 不能承受更高的频率，INTEL推出了倍频技术，允许主频 是外频的倍数，完美解决了CPU与其他部件协同工作的问 题。 主频=外频倍数 例如：外频是200MHz ,倍数为15，则CPU的主频为3.0GHz 17 制作工艺 65ns 45ns 32ns，工艺精度不断提高，CPU面积不 断缩小，集成度不断提高，性能提高 高速缓冲存储器 (Cache),简称缓存,是位于CPU与内存之间的临时存储器，它 的容量比内存小,但读取速度比内存快。一般和CPU同频率 工作。 由于在短时间内CPU往往需要重复读取同样的数据块,如果 这些数据块被事先存放到缓存,就可避开内存直接从Cache中 调用，从而加快读取速度。 CPU要读取一个数据时，首先从Cache中查找，如果找到就 立即读取并送给CPU处理；如果没有找到，就用相对慢的 速度从内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在 的数据块调入Cache中，可以使得以后对整块数据的读取都 从Cache中进行，不必再调用内存。 18 这样的读取机制使CPU读取Cache的命中率非常高（大多数 CPU可达90%左右），也就是说CPU下一次要读取的数据 90%都在Cache中，只有大约10%需要从内存读取。这大大 节省了CPU直接读取内存的时间，也使CPU读取数据时基 本无需等待。 因此高速缓存的容量，也是CPU的重要指标。由于受到 CPU面积的限制，Cache的容量都很小。通常分为一级高速 缓存L1和二级高速缓存L2。 19 核心数量 多核处理器是指在一个处理器上集成多个运算核心，从而提 高计算能力。双核架构并不是什么新技术，不过此前双核心处 理器一直是服务器的专利，现在已经开始普及到微机中。 目前主要有双核、 三核、四核 20 国产CPU龙芯 标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了“零”的突破，打破了 我国长期依赖国外CPU产品的无芯的历史。 龙芯2E最高运算速度是每秒40亿次，相当于Pentium 4 1.5GHz处理器 水平。 “龙芯”的意义 中国目前已经成为名副其实的“世界工厂”，在“珠三角”、“长三角”,众 多外资企业将生产过程的低端部分-主要是加工和组装环节转移到中 国，这些低端环节耗费劳动力多，劳动强度大，但附加值很低。 电脑业界赫赫有名的罗技鼠标，生产工厂设在苏州，每年向美国运 送2000万个贴着“中国制造”标签的鼠标，每只在美国的售价约为40美元 。在这一价格中，罗技拿8美元，分销商和零售商拿15美元，另外14美 元进入零部件供应商的腰包，中国从每只鼠标中仅能拿到3美元，而且 工人工资、电力、交通和其他开支全都包括在这3美元里! 站在电子爱好者角度看，鼠标的制造有何难?罗技能将小小鼠标产 业做得这么大，关键在于其知识产权和品牌。说得极端一点，小小的 CPU芯片，动辄成百上千甚至上万元一颗，其主要材料无非是一点金属 和可从沙子中提炼的硅，但是不掌握CPU设计技术、芯片制造技术，我 们又能有何选择? 进口一颗服务器用的CPU芯片（至强MP）价格高达几万元，占到服务 器成本的70%以上，据统计，光进口芯片，国外大公司每年就能从中国 赚走一百多亿美元。 21 CPU的生产厂商现在主要有Intel、AMD两家。 Intel的处理器在市场份额和商业利润方面相比于AMD都占有很 大的优势，赢得不少行业用户的青睐。 1.高端的是双核心的Pentium EE以及单核心的Pentium 4 EE 2.中端的是双核心的Pentium D和单核心的Pentium 4 3.低端的则是Celeron(赛扬) D以及已经被淘汰掉的Celeron(即俗 称的Celeron IV)；。 AMD方面， 1.高端的是Athlon（a sou long速龙） 64 FX(包括单核心和双核心) 2.中端的则是双核心的Athlon 64 X2和单核心的Athlon 64 3.低端就是Sempron(闪龙)。 AMD K8是AMD第8代处理器系列的通称，也是从32位的x86平台向 64位的AMD64平台的过渡世代。 23 内部存储器 访问速度快 信息暂时性 相对价格高 外部存储器 访问速度慢 信息永久性 相对价格低 2.2.3 存储器 微型计算机存储器分内部存储器和外部存储器 24 存储器 每个记忆单元由8位二进制位组成。 1KB=210B=1024B 1MB= 210KB= 1024KB 1GB= 210MB= 1024MB 1TB= 210GB= 1024GB 字节BYTE 7 6 5 4 3 2 1 0 位Bit （1）随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM) RAM通常指计算机主存， CPU对它们既可读出又可写入数据。 微型计算机上广泛采用动态随机存储器DRAM ，制作成内存条形式 出现。目前常用的内存条的引脚为168芯或184芯 。 内部存储器 用于笔记本电脑内存条 用于台式机内存条 内存性能指标有：内存主频和容量 内存主频决定着该内存最高能在什么样的频率正常工作，主频 越高在一定程度上代表着内存所能达到的速度越快。目前主流 的内存频率是800MHz的DDR2内存，以及一些内存频率更高的 DDR3内存。 内存容量是越大越好，但要受到主板所能支持的最大容量的限制 。目前，主流计算机的内存容量都在1GB，2GB左右，甚至更高 。随着内存成本的下降和软件对内存要求的越来越高，计算机的 内容容量有不断增大的趋势。 比较知名的品牌有现代（HY）、海力士（Hynix）、金士顿（ Kingston）、利屏、勤茂（TwinMOS）、胜创（Kingmax）、海 盗船（Corsair）、宇瞻（Apacer）、金邦（Geil）、威刚（ ADATA）等。 （2）只读存储器(Read only Memory，简称ROM) CPU对它们只取不存，其信息用户无法修改。断电时信息不 会丢失。ROM中一般存放计算机系统管理程序。 （3）高速缓冲存储器Cache 是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，用于 解决它们之间的速度冲突问题，Cache一般采用静态随机存 取存储器SRAM构成，它的访问速度是DRAM的10倍左右。 内部存储器 CPUCacheRAM 软盘 用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材 料制成 读写软盘时，磁头直接接触盘面。 常用软盘容量为1.44MB v将盘片逻辑地划分成若干个同心圆，每个同心圆称为一个磁道， 最外面的一个同心圆为0磁道。 v磁道又等分成若干段，每段称为一个扇区。一个扇区一般可存放 512B的数据。 磁盘的存储容量可由下面的公式求出： 磁盘总容量 = 磁道数扇区数磁面数扇区字节数 外部存储器 硬盘的磁道、 扇区、柱面 柱面 扇区 磁道 硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成 读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的 托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面 硬盘容量视具体类型而定 硬盘片 读写磁头 硬盘 资料:硬盘图解 硬盘主要有两个指标：存储容量和转速 硬盘的容量以兆字节（MB）或千兆字节（GB）为单位， 1GB=1024MB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取 1GB=1000MB，因此我们在Windows操作系统中看到的硬盘容量会 比厂家的标称值要小。现在主流硬盘容量都达到百G以上，TB容量 的硬盘也开始出现。 硬盘转速以每分钟的转数来表示，表示为RPM（Revolutions Per minute），即转/每分钟。个人PC的硬盘转速一般有 5400rpm和7200rpm两种；对于笔记本用户则是4200rpm和 5400rpm为主，7200rpm的笔记本硬盘在市场中还较为少见；服 务器用户对硬盘性能要求最高，服务器中使用的SCSI硬盘转速 基本都达到了10000rpm，甚至15000rpm。 知名的硬盘品牌有EMC、希捷(Seagate)、西部数据(Westdigital) 、日立(Hitachi)、三星(Samsung)、迈拓（Maxtor）、东芝（ Toshiba）、富士通（Fujitsu）等。 光介质存储器也是微型计算机上使用较多的存储设备。它 利用光学方式读/写数据， 按光盘的读/写性能，可分为只读型与可读写型。只读光盘 上的数据采用压模方法压制而成，用户只能读取上面的数 据，而不能写入或修改光盘上的数据。 衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速，一倍速率 为150kb/s。如果在一个40倍速光驱上读取数据，数据传输 速率可达到40150kb/s=6Mb/s。 光介质存储器 资料:光驱和光盘 移动存储产品 （1）移动硬盘 移动硬盘直接由台式电脑硬盘或者由笔记本电脑硬盘改装而 成，这类产品性价比非常好，通常来讲可按产品的接口类型 分为USB1.1、USB2.0和IEEE 1394这三种。 移动存储产品 （2）Flash存储设备 Flash Memory是一种非易失性半导体存储器，即在无电源状 态仍能保持片内信息，不需要特殊的高电流就可实现片内信 息的擦除和重写。其名称来源于TOSHIBA公司用Flash这个词 来描述这种存储器瞬间的清除能力。 用Flash Memory芯片构成的存储介质，被广