计算机硬件系统1.ppt

第3章 计算机硬件系统,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。,3.1 计算机系统,计算机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。 经典的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 按存储程序原理进行工作 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）,8086 CPU的内部功能结构框图,3.1.2 计算机硬件体系结构的发展,从基于串行算法的体系结构改变为并行算法的体系结构，例如向量计算机、并行计算机、多处理机。 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相适应的计算机。 从传统指令驱动型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，如快速傅里叶变换计算机、过程控制计算机。 高可靠性的容错计算机。 处理非数值化信息的计算机，如处理声音、图像的计算机,3.1.3 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: 时钟频率(主频) 指令执行速度 等效指令速度 数据处理速率(processing data rate，PDR) 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 硬件检测小软件：鲁大师,（1）时钟频率（主频）,用于比较同类处理机之间，如Pentium II/450比Pentium II/300快50%。,（2）指令执行速度（millions instructions per second,MIPS）,表示每秒百万条指令数。对于一个给定程序，MIPS定义: MIPS = 指令条数/（执行时间106）=Fz/CPI=IPCFz 其中，Fz为处理机的工作主频； CPI（cycles per instruction）为每条指令所需的平均时钟周期数； IPC为每个时钟周期平均执行的指令条数。,（5）核心程序法,把应用程序中用的最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序，称为基准程序benchmark。 整数测试程序（Dhrystone）用C语言编写，100条语句。包括各种赋值语句、各种数据类型和数据区、各种控制语句、过程调用和参数传送、整数运算和逻辑操作。 浮点测试程序（Linpack）用Fortran语言编写，主要是浮点加法和浮点乘法操作。,3.1.4 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，称为微处理器（micro process unit ,MPU ）。 微型计算机内部的连接方式都是采用总线结构即各个部分通过一组公共的信号线联系。 数据总线：数据总线是传送数据和指令代码的信号线，它是双向总线。 地址总线：地址总线是传送CPU所要访问的存储单元或输入输出接口地址的信号线，它是单向总线。 控制总线：控制总线是管理总线上活动的信号线。控制总线中的信号是用来实现CPU对外部部件的控制、状态等信息的传送以及中断信号的传送等。,接口,总线上的信号必须与连接到总线上的各个部件所产生的信号协调。 将总线连接到某个部件或设备的电路称为接口。 例如，用于实现存储器与总线连接的电路称为存储器接口，而用于实现外围设备和总线连接的电路称为输入输出接口。 例如，打印机速度慢，CPU需等待其发来“准备好”的信号。,3.2.1 系统主板与时钟频率,系统主板：又称为底板或母板（motherboard），它是整个计算机系统的通信网(communications web)，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,3.2 系统单元,典型微型计算机主板结构图,3.2.2 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。 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,当用户在键盘上按下一个键时，该键所表示的字符自动转化成一系列计算机系统能识别的电子脉冲（有脉冲和无脉冲两个状态）。例如，按下字母键A，引起电子脉冲送到微型计算机，系统单元将其翻译成ASCII码01000001。 在计算机中，所有指令与数据在被执行以前，必须转化为二进制数据，例如指令3+5需要24位ASCII码： 0011 0011（3） 0010 1011（+） 0011 0101（5） 注意：当多台计算机共享数据文件时，必须使用同样的编码。若不同，则需转换。 在Internet上浏览其它计算机数据时，为什么感觉不到该问题？实际上许多应用软件已经隐含了自动转化程序。,3.2.3 微处理器,3.2.3 微处理器（MPU）,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。控制单元并不输入、输出、处理或存储数据，而是启动和控制这些操作的顺序。为了启动在存储器和输入输出设备进行数据或指令传递（复制而非移动），它还与输入/输出设备进行通信。 执行一条指令时，控制单元要完成如下功能： 确定要执行的指令 确定该指令完成的操作 如需要，确定需要的被操作数据及其存放位置 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,2. 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。 通用寄存器：暂存数据的寄存器 专用寄存器：指令寄存器、地址寄存器 3. 算术/逻辑单元（arithmetic-logic unit,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 逻辑操作：比较操作,3.2.3 微处理器（MPU）,4.微处理器芯片,CISC芯片：又称复杂指令集计算机(complex instruction set computer)，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（reduced instruction set computer），其使用较少的指令。这种设计比CISC具有简单和价格低的优点。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。,3.2.4 主存储器（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,3.2.4 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（random access memory,RAM） 闪存(flash RAM,Flash) 动态RAM（dynamic RAM,DRAM） 静态RAM（static RAM,SRAM） 只读存储器（read only memory,ROM） 可编程只读存储器(programmable, PROM) 可删除编程只读存储器(erasable,EPROM) 电可删除编程存储器(electrically erasable,EEPROM) 互补金属氧化物半导体（CMOS） 磁阻随机存取存储器(magnetic,MRAM)：,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 。 虚拟存储技术（virtual memory） cache,2.动态RAM和静态RAM,动态RAM（dynamic RAM,DRAM）元件是由一只单一的CMOS（金属氧化物半导体）晶体管组成的，通过存储电容器来驱动。 通过充满或放掉电容器中的电荷来存储数据。然而，由于负载泄露，必须连续不断地在极少毫秒对电容器再充电或更新电荷。 DRAM的优点是其高的密度（64MB芯片可用）和较低的成本。但缺点是耗电量比较高。 静态RAM（static RAM,SRAM）可以无限期地保持自己的形态，直到用电源改变为止。SRAM比DRAM密度低，因此成本更高。,BIOS与CMOS的区别,BIOS(basic input/output system)是一组设置计算机硬件的程序，保存在主板的一块ROM芯片中。它直接对计算机系统中的输入、输出设备进行设备级、硬件级的控制，是连接软件程序和硬件设备直接的枢纽。 就PC而言，BIOS包含了控制键盘、现实屏幕、磁盘驱动器、串行通信设备和其他功能的程序代码。BIOS程序在每次开机或计算机重启时，便会自动开始运行。 CMOS是计算机主板上的一块可读写芯片，它用来保存当前系统的硬件配置情况和用户对某些参数的设定。 CMOS芯片由主板上的充电电池供电，即使系统断电参数也不会丢失。CMOS芯片只有保存数据的功能，而对CMOS中各项参数的修改要通过BIOS的设定程序来实现。,3.3 输入输出系统,计算机系统的输入输出系统的2个基本功能： 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。 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。,3.3.1 输入输出原理,程序控制输入输出方式：程序控制输入输出方式又称为应答输入输出方式、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式等。 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工作的缺点。 直接存储器访问方式：主存储器既可以被CPU访问，也可以被外围设备访问。直接存储器服务方式在外围设备与主存储器之间建立直接数据通路。在DMA方式中，CPU不仅能够与外围设备并行工作，而且整个数据的传送过程不需要CPU干预。,3.3.2 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。,3.3.3 系统总线,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 总线分层: 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。见P81说明,3.3.4 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 扩展并行口（ECP）:由Microsoft和HP公司开发的，它具有和增强并行口一样高的速率和双向通信能力,3.3.4 端口和连接电缆（续）,加速图形端口（accelerated graphics port,AGPs）：连接显示器，支持高速图像和其他视频的输入 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 HDMI,3.4 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 无处理能力终端：能输入和接收数据，但不能独立处理数据。如航空、铁路、超市等。 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 终端功能：信息交换、数据收集（无线传感器网络）、查询和事物处理、远程作业处理以及图形显示与设计,3.4.2 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，绘画板 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，设计工程图纸 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,线阵CCD摄像机拍摄到的图像40801000,3.4.2 定点输入设备,网状裂缝图像轮廓跟踪方法,(a)原始图像C (b)图像分割 (c)边缘连接 (d)轮廓跟踪,对采集到的图像进行处理、分析、识别、参数提取,3.4.3 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,3.4.4 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,微软开发Kinect体感输入设备 可识别面部表情和语音,Kinect内置摄像头和麦克风以进行面部/姿态及语音识别，不仅可用于Xbox 360主机及相关游戏，基于Windows的PC也可利用它完成手势及语音交互。 伴随Kinect名称的正式发布，Kinect还推出了多款配套游戏，包括Lucasarts出品的星球大战、MTV推出的跳舞游戏、宠物游戏、运动游戏Kinect Sports、冒险游戏Kinect Adventure、赛车游戏Joyride等 它是一种3D体感摄影机(开发代号“Project Natal”)，同时它导入了即时动态捕捉、影像辨识、麦克风输入、语音辨识、社群互动等功能。玩家可以通过这项技术在游戏中开车、与其他玩家互动、通过互联网与其他Xbox玩家分享图片和信息等。 在游戏示范中，玩家们用脚踢仅存在于屛幕中的足球，并用伸手设法拦阻进球。在驾驶游戏中，玩家转动想像中的方向盘来操控电视游戏中的赛车。在绘画游戏，玩家则是说出颜色-“蓝色”或“浅褐色”-然后摇摆双臂来在数码式画板上飞溅一片油漆。,3.5.1 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,3.5.2 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,3.5.2 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,3.5.3 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,3.6.1 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,3.6.2 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