新版第2章硬件系统.ppt

第2章计算机硬件系统 信息工具 计算机计算机的工作原理微机系统及其主要指标嵌入式计算机系统计算机应用 2 1信息工具 计算机 2 1 1计算机的发展2 1 2计算机的特点2 1 3计算机的分类2 1 4计算机的应用2 1 5计算机的发展趋势 2 1 1计算机的发展 人类所使用的计算工具从简单到复杂 从低级到高级的发展过程中 相继出现了如算盘 计算尺 手摇机械计算机 电动机械计算机等 1946年2月 世界上第一台数字电子计算机 ENIAC ElectronicNumbericalIntegrateandCalculator 在美国宾夕法尼亚大学诞生 ENIAC 共使用了17468个电子管 占地170m2 功率174kw 重达30t 每秒进行5000次加法运算 它标志着计算机时代的到来 ENIAC 2 1 1计算机的发展 中国计算机的发展 1956开始研究 1958年研究出第一台电子管计算机1964年 晶体管计算机 1971年 集成电路计算机1983年 银河 巨型机 运算速度每秒1亿次1997年 银河 巨型机 运算速度每秒130亿次1995年 曙光1000 研制完成2001年 中科院计算所推出我国第一款通用CPU 龙芯 芯片 中国计算机的发展 2004年 曙光公司研制出 曙光400OA 2005年 龙芯2号正式面世2008年 曙光5000A研制成功 继美国后第二个成功研制浮点速度在百万亿次的超级计算机 2010年 国际超级计算机大会公布中国超级计算机 星云 是世界第二快的计算机 仅仅排在美国克雷公司的 美洲豹XT5 之后 2010年 经过一年时间全面的系统升级后 天河一号 在第36届全球超级计算机五百强排名中夺魁 实测运算速度可达每秒2570万亿次 2 1 2计算机的工作的特点 1 高速性计算机的运算部件采用的是电子器件 其运算速度远非其他计算工具所能比拟 而且其运算速度还在快速提高 2 1 2计算机的工作的特点 2 存储性计算机的存储性是计算机区别于其他计算工具的重要特征 计算机的存储器可以把原始数据 中间结果 运算指令等存储起来以备随时调用 存储器不但能够存储大量的信息 而且能够快速准确地存入或取出这些信息 存储性是计算机能够自动运算的前提和基础 2 1 2计算机的工作的特点 3 通用性通用性是计算机能够应用于各种领域的基础 任何复杂的任务都可以分解为基本的算术运算和逻辑操作集合 计算机程序员可以把这些基本的运算和操作按照一定规则 算法 写成一系列操作指令 加上运算所需的数据 形成适当的程序就可以完成各种各样的任务 2 1 2计算机的工作的特点 4 自动性计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的 只要把包含一连串指令的处理程序和要处理的数据输入计算机 计算机便会依次取出指令 逐条执行 完成各种规定的操作 直到得出结果为止 2 1 2计算机的工作的特点 5 精确性计算机通常采用二进制运算 这使得计算机的状态稳定 算术和逻辑运算规则简单 可靠性很高 差错率极低 一般来讲 只在人工介入的地方才有可能发生错误 这就是计算机的精确性 2 1 3计算机的分类 1 按信息表示形式和处理方式划分根据信息表示形式和处理方式的不同 计算机可分为模拟计算机和数字计算机两大类 模拟计算机的主要特点是 参与运算的数值由不间断的连续量表示 其运算过程是连续的 由于受元器件质量的影响 其计算精度较低 应用范围较窄 目前已很少生产 数字计算机的主要特点是 参与运算的数值用离散的数字量表示 其运算过程按数字位进行计算 目前主流的计算机都属于数字计算机 2 1 3计算机的分类 2 按计算机的用途划分电子计算机按用途可分为专用计算机和通用计算机 专用计算机与通用计算机在效率 速度 配置 结构复杂程度 造价和适应性等方面是有区别的 专用计算机针对某类问题能显示出最有效 最快速和最经济的特性 但它的适应性较差 不适于其他方面的应用 在导弹和火箭上使用的计算机很多是专用计算机 通用计算机适应性很强 应用面很广 但其运行效率 速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响 2 1 3计算机的分类 3 按计算机的规模划分通用计算机按其规模 速度和功能等又可分为巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机及单片机 这些类型之间的基本区别通常在于其体积大小 结构复杂程度 功率消耗 性能指标 数据存储容量 指令系统和设备 软件配置等方面的不同 2 1 4计算机的应用 1 数值计算计算机最初是为解决科学研究和工程设计中遇到的大量数学问题的数值计算而研制的计算工具 随着现代科学技术的进一步发展 数值计算在现代科学研究中的地位不断提高 在尖端科学领域中尤为重要 例如 人造卫星轨迹的计算 房屋抗震强度的计算 火箭 宇宙飞船的研究设计都离不开计算机的精确计算 在工业 农业以及人类社会的各领域中 计算机的应用都取得了许多重大突破 就连我们每天收看的天气预报都离不开计算机的科学计算 2 1 4计算机的应用 2 数据处理 信息处理 在科学研究和工程技术中 会得到大量的原始数据 其中包括大量图片 文字 声音等 信息处理就是对数据进行收集 分类 排序 存储 计算 传输和制表等操作 目前计算机的信息处理应用已非常普遍 如人事管理 库存管理 财务管理 图书资料管理 商业数据交流 情报检索和经济管理等 信息处理是当代计算机的主要任务 是现代化管理的基础 据统计 全世界计算机用于数据处理的工作量占全部计算机应用工作量的80 以上 大大提高了工作效率和管理水平 2 1 4计算机的应用 3 自动控制自动控制是指通过计算机对某一过程进行自动操作 它不需人工干预 能按人预定的目标和预定的状态进行过程控制 所谓过程控制是指对操作数据进行实时采集 检测 处理和判断 按最佳值进行调节的过程 目前被广泛用于钢铁 石油化工 医药工业等操作复杂的生产中 使用计算机进行自动控制可大大提高控制的实时性和准确性 提高劳动效率 产品质量 降低成本 缩短生产周期 2 1 4计算机的应用 3 自动控制计算机自动控制还在国防和航空航天领域中发挥着重要作用 例如 无人驾驶飞机 导弹 人造卫星和宇宙飞船等飞行器的控制都是靠计算机实现的 可以说计算机是现代国防和航空航天领域的神经中枢 2 1 4计算机的应用 4 计算机辅助设计和辅助教学计算机辅助系统是指通过人机交互 使计算机辅助人们进行设计 加工 计划和学习等工作 计算机辅助设计 CAD ComputerAidedDesign 是指借助计算机的帮助 自动或半自动地完成各类工程设计工作 目前 CAD技术已应用于飞机设计 船舶设计 建筑设计 机械设计和大规模集成电路设计等 在京九铁路的勘测设计中 使用计算机辅助设计系统绘制一张图纸仅需几个小时 而过去人工完成同样工作则需要一周甚至更长时间 可见 采用计算机辅助设计可缩短设计时间 提高工作效率 节省人力 物力和财力 更重要的是提高了设计质量 CAD已得到各国工程技术人员的高度重视 2 1 4计算机的应用 4 计算机辅助设计和辅助教学有些国家已把CAD和计算机辅助制造 CAM ComputerAidedManufacturing 计算机辅助测试 CAT ComputerAidedTest 及计算机辅助工程 CAE ComputerAidedEngineering 组成一个集成系统 使设计 制造 测试和管理有机地成为一体 形成高度的自动化系统 因此产生了自动化生产线和 无人工厂 2 1 4计算机的应用 4 计算机辅助设计和辅助教学计算机辅助教学 CAI ComputerAidedInstruction 是指用计算机来辅助完成教学计划或模拟某个实验过程 计算机可按不同要求 分别提供所需教材内容 还可以进行个别教学 及时指出该学生在学习中出现的错误 根据计算机对该生的测试成绩决定该生的学习从一个阶段进入另一个阶段 CAI不仅能减轻教师的负担 还能激发学生的学习兴趣 提高教学质量 为培养现代化高质量人才提供了有效途径 2 1 4计算机的应用 5 人工智能方面的研究和应用人工智能 AI ArtificialIntelligence 是指计算机模拟人类某些智力行为的理论 技术和应用 人工智能是计算机应用的一个新领域 这方面的研究和应用正处于发展阶段 在医疗诊断 定理证明 语言翻译和机器人等方面已有了显著的成效 例如 用计算机模拟人脑的部分功能进行思维学习 推理 联想和决策 使计算机具有一定 思维能力 我国已开发成功的一些中医专家诊断系统 可以模拟名医给患者诊病开方 2 1 4计算机的应用 5 人工智能方面的研究和应用机器人是计算机人工智能的典型例子 机器人的核心是计算机 第一代机器人是机械手 第二代机器人对外界信息能够反馈 有一定的触觉 视觉 听觉 第三代机器人是智能机器人 具有感知和理解周围环境 使用语言 推理 规划和操纵工具的技能 模仿人完成某些动作 机器人不怕疲劳 精确度高 适应力强 现已开始用于搬运 喷漆 焊接 装配等工作中 机器人还能代替人在危险环境中进行繁重的劳动 如在有放射线 污染 有毒 高温 低温 高压 水下等环境中工作 2 1 4计算机的应用 6 多媒体技术应用随着通信和计算机技术的发展 人们已经有能力把文本 音频 视频 动画 图形和图像等各种媒体综合起来 构成一种全新的媒体 多媒体 Multimedia 在医疗 教育 商业 银行 保险 行政管理 军事 工业 广播和出版等领域中 多媒体的应用发展很快 有关多媒体应用的其他内容详见本书第8章 2 1 4计算机的应用 7 计算机网络与通信随着网络技术的发展 计算机的应用进一步深入到社会的各行各业 通过高速的网络实现数据与信息的查询 高速通信服务 电子邮件 电视电话 电视会议 文档传输 电子教育 电子娱乐 电子购物 通过网络选看商品 办理购物手续 质量投诉等 远程医疗和会诊以及交通信息管理等 计算机的应用将推动信息社会更快地向前发展 2 1 4计算机的应用 7 计算机网络与通信利用通讯技术 可以将不同地理位置的计算机互联 可以实现世界范围内的信息资源共享 并能交互式地交流信息 这是传统通信手段难以达到的 Internet的建立和应用使世界变成了一个 地球村 它正在深刻地改变着我们的生活 学习和工作方式 2 1 5计算机的发展趋势 1 巨型化由于多处理机结构和并行处理技术的采用 具有超强功能的巨型机也取得了稳步发展 巨型化是指发展高速的 大存储量和强大功能的巨型计算机 巨型计算机主要应用于天文 气象 地质 核技术 航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域 巨型计算机的技术水平是一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志 2 1 5计算机的发展趋势 2 微型化微型化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术 把计算机的体积进一步缩小 价格进一步降低 计算机的微型化已成为计算机发展的重要方向 各种笔记本式计算机和掌上计算机的大量面世和使用 是计算机微型化的一个标志 嵌入式系统通常将微小的计算机系统植入宿主设备 此类计算机一般不被设备使用者注意 这是计算机的微型化应用最多的领域 典型机型如微控制器 微处理器和DSP等 2 1 5计算机的发展趋势 2 微型化微型计算机也进入了大量的仪器 仪表 家用电器等小型仪器设备中 同时也作为工业控制过程的心脏 使仪器设备实现 智能化 随着微电子技术的进一步发展 笔记本型 掌上型等微型计算机必将以更高的性能价格比受到人们的欢迎 2 1 5计算机的发展趋势 3 网络化网络化是计算机发展的又一个趋势 从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果 所谓计算机网络化 是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来 组成一个规模更大 功能更强的可以互相通信的网络结构 网络化的目的是使网络中的软 硬件和数据等资源能被网络上的用户所共享 2 1 5计算机的发展趋势 3 网络化云是网络 互联网的一种比喻说法 是分布式计算 并行计算 效用计算 网络存储 虚拟化 负载均衡等传统计算机和网络技术发展融合的产物 云计算 CloudComputing 作为一种新兴的资源使用和交付模式逐渐为学界和产业界所认知 中国云发展创新产业联盟评价云计算为 信息时代商业模式上的创新 继个人计算机变革 互联网变革之后 云计算被看作第三次IT浪潮 2 1 5计算机的发展趋势 4 智能化智能化是指使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力 智能计算机是目前正在研制的新一代计算机之一 对智能化的研究包括模拟识别 物形分析 自然语言的生成和理解 博弈 定理自动证明 自动程序设计 专家系统 学习系统和智能机器人等 目前已研制出多种具有人的部分智能的机器人 可以代替人在一些特定的工作岗位上工作 2 2计算机的工作原理 2 2 1冯 诺依曼结构2 2 2计算机的心脏 CPU2 2 3存储器2 2 4计算机的工作过程 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 半个多世纪前 著名数学家 计算机科学理论的奠基人之一冯 诺依曼 对计算机的各个部件及其功能进行了明确的定义 并提出了以下三条思想 由运算器 存储器 控制器 输入装置和输出装置构成计算机系统 采用二进制表示数据和命令 采用存储程序方式 即将数据和命令存入存储器中 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 1 计算机的基本结构计算机硬件应该包括运算器 存储器 控制器 输入设备和输出设备五个基本部分 冯 诺依曼计算机的基本组成 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 1 输入设备输入设备的主要功能是把原始数据和处理这些数据的程序转换为计算机能够识别的二进制代码 通过输入接口输入到计算机的存储器中 供CPU调用和处理 常用的输入设备有鼠标 键盘 扫描仪 数字化仪 数码摄像机 条形码阅读器 数码相机和模 数转换器 A D 等 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 2 输出设备输出设备是指从计算机中输出信息的设备 它的功能是将计算机处理的数据 计算结果等内部二进制信息转换成人们习惯接受的信息形式 如字符 图形 声音等 然后将其输出 最常用的输出设备是显示器 打印机和绘图仪等 输入设备和输出设备合起来称为外部设 I O设备 简称外设 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 3 存储器存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件 存储器分为内存储器和外存储器两大类 简称内存和外存 内存储器又称为主存储器 外存储器又称为辅助存储器 内存是存取速度快而容量相对较小的一类存储器 外存是存取速度较慢而容量相对较大的一类存储器 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 4 运算器运算器包括算术逻辑单元 ALU 累加器 标志寄存器 寄存器组等 算术逻辑单元是运算器的主要部件 完成指令系统所规定的各种算术运算和逻辑运算 标志寄存器也称为程序状态字寄存器 存放反映运算结果的各种特征 如有无进位 是否溢出等 寄存器组包括通用寄存器组和专用寄存器组 前者为CPU内部的高速数据暂存器 后者包括程序计数器 堆栈指示器 变址寄存器等 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 运算器的工作过程如下 1 从RAM 随机存取器 中取出数据 存储到运算器的寄存器中 2 从控制器发出控制信号 决定进行何种运算 算术运算或逻辑运算 3 运算器执行相应操作 将结果存储到累加器中 4 将最终运算结果存储到RAM中 以备输出 运算器工作过程示意图 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 5 控制器控制器是整个计算机系统的控制中心 它指挥计算机各部分协调工作 保证计算机按照预先规定的目标和步骤进行操作及处理 控制器主要包括指令计数器 指令寄存器 指令译码器和控制信号发生器 主要完成指令的翻译 并产生各种控制信号 执行相应的指令 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 控制器的作用是使整个计算机能够自动地执行程序 并控制计算机各功能部件协调一致地工作 控制器是指挥和控制计算机各部件进行工作的 神经中枢 其工作过程如下 1 控制器从主存中按顺序取出程序中的一条指令 并存储到指令寄存器中 2 指令计数器加1 指向下一条指令的地址 3 解释该指令并形成数据地址 取出所需的数据 4 向其他功能部件发出执行该指令所需的各种时序控制信号 5 按顺序从主存中取出下一条指令执行 如此循环 直到程序完成 控制器工作过程示意图 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 通常把控制器和运算器合称为中央处理器 CPU CentralProcessingUnit 它是计算机的核心部件 它的工作速度等性能对计算机的整体性能有决定性的影响 内存是CPU可直接访问的存储器 是计算机中的工作存储器 即当前正在运行的程序与数据都必须存放在内存中 计算机工作时 所执行的指令及操作数都是从内存中取出的 处理的结果也放在内存中 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 2 采用二进制形式表示数据和指令在计算机中 所有数据都以二进制的形式表示 二进制只有 0 和 1 两个数字 便于用计算机电子器件的截止和导通两个状态表示 实现比较容易 二进制运算规则简单 可使计算机结构大为简化 运算速度大大提高 在计算机中 采用二进制数可以非常方便地实现各种算术运算和逻辑运算 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 1 算术运算规则加法规则 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 10 向高位有进位 减法规则 0 0 0 10 1 1 向高位借位 1 0 1 1 1 0乘法规则 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1除法规则 0 1 0 1 1 1 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 2 逻辑运算规则逻辑与运算 AND 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1逻辑或运算 OR 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1逻辑非运算 NOT 1 0逻辑异或运算 XOR 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0逻辑异或运算即实现按位加的功能 只有当两个逻辑值不相同时 结果才为1 2 2 1冯 诺依曼计算机结构 3 采用存储程序方式所谓存储程序原理 就是把程序和处理问题所需的数据都以二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机存储器里 计算机在运行程序时就能自动 连续地从存储器中依次取出指令且执行 直到完成预定的任务 这是计算机能高速自动运行的基础 计算机的工作体现为执行程序 计算机功能的扩展在很大程度上也体现为所存储程序的扩展 计算机的许多具体工作方式也是由此派生的 2 2 2计算机的心脏 CPU 1 CPU简介CPU也称中央处理器或微处理器 第一块微处理器是1971年由美国Intel公司生产的 在这之后 又出现了很多生产CPU芯片的厂家 产品性能也不断提高 主要表现在 字长由最初的4位发展到今天的32位 64位 速度越来越快 主频由不到1MHz增加到现在的数GHz 集成度越来越高 第一块芯片集成了2200个晶体管 而现在集成71亿个晶体管的芯片已经问世 2 2 2计算机的心脏 CPU 1993年 Intel公司推出了32位微处理器芯片Pentium 它的外部数据总线为64位 工作频率为66 200MHz 以后的PentiumPro PentiumMMX Pentium 和Pentium 芯片也都是32位微处理器芯片 CPU内核逐渐由单核向双核 多核发展 主频最高达到3GHz以上 目前Intel公司的主流产品有酷睿系列 赛扬系列产品等 AMD公司目前的主流产品有羿龙 闪龙和速龙系列等 上述产品占据了85 以上的市场份额 2 2 2计算机的心脏 CPU 近几年 我国也开始了微处理器的研发 目前研制成功的龙芯3主频达到了1GHz 具有低能耗 多核心等特点 已经应用于桌面网络终端 低端服务器 网络防火墙 路由器 交换机 多媒体网络终端机等领域 并计划以此构建高性能计算机集群系统 图2 4所示是一款Intel酷睿i5四核CPU Intel酷睿i5四核CPU 2 2 2计算机的心脏 CPU 2 高速缓冲存储器 Cache 随着CPU主频的不断提高 CPU对RAM的存取速度变快了 而RAM的响应速度相对而言变慢了 所以CPU大部分时间都在等待从RAM中获得数据 这样就大大浪费了CPU资源 为协调二者之间的速度差 引入了Cache技术 2 2 2计算机的心脏 CPU Cache通常采用与CPU速度较接近的RAM 其实现方法是 当用户启动一个任务时 计算机预测CPU可能需要执行哪些程序或要处理哪些数据 并将当前要执行的程序和要处理的数据复制到Cache中 CPU在读写时 首先访问Cache 如果Cache中有数据 CPU就从Cache中取而不再到RAM中去取 从这一点可以看出 Cache越大 处理的速度越快 因此 Cache相当于内存与CPU之间的适配器 2 2 2计算机的心脏 CPU 2 高速缓冲存储器 Cache 缓存容量的大小对计算机性能有着很大的影响 高速缓存一般分为一级缓存 即L1Cache 和二级缓存 即L2Cache CPU在运行时首先从一级缓存读取数据 其次从二级缓存读取数据 然后从内存和虚拟内存读取数据 因此 高速缓存的容量和速度直接影响到CPU的工作性能 目前 一级缓存一般为64 128KB 二级缓存为1 3MB 面向高端服务器的CPU还可能设有三级缓存 其容量大小一般为8 16MB 2 2 2计算机的心脏 CPU 3 CPU执行的指令1 指令计算机执行某种操作的命令称为指令 计算机按照一定的指令序列去工作 通常一条指令对应一种基本操作 指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作 组成操作码的位数一般取决于计算机指令系统的规模 地址码给出了需要处理的数据或数据的地址 2 2 2计算机的心脏 CPU 3 CPU执行的指令2 指令集一台计算机中所有机器指令的集合称为这台计算机的指令集 也称指令系统 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素 它的格式与功能不仅直接与机器的硬件结构关联 而且直接影响到系统软件 也影响到机器的使用范围 系列计算机是指基本指令系统相同 基本体系结构相同的计算机 同一系列的各机型有共同的指令集 而且新推出的机型的指令系统一定包含所有旧机型的全部指令 即实现向下兼容 2 2 2计算机的心脏 CPU 3 CPU执行的指令3 指令集的风格基于复杂指令集CPU的计算机被称为复杂指令集计算机 CISC ComplexInstructionSetComputer 基于精简指令集CPU的计算机被称为精简指令集计算机 RISC ReducedInstructionSetComputer RISC的主要优点 2 2 2计算机的心脏 CPU 3 CPU执行的指令4 指令周期指令周期是取出并执行一条指令的时间 由于各种指令的操作功能不同 有的简单 有的复杂 因此 各种指令的指令周期是不尽相同的 指令周期常常用若干个CPU周期数来表示 CPU周期也称为机器周期 通常用从内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期 一个CPU周期又包含若干个时钟周期 通常情况下 取出和执行任何一条指令所需的最短时间为两个CPU周期 指令周期示意图 2 2 2计算机的心脏 CPU 4 CPU的主要性能指标1 主频主频是CPU的时钟频率 CPUClockSpeed 一般说来 主频越高 CPU的速度越快 2 内存总线速度 Memory BusSpeed 内存总线速度也叫系统总线速度 指CPU与二级高速缓存 L2Cache 和内存之间的通信速度 3 扩展总线速度 Expansion BusSpeed 扩展总线速度指安装在微机系统上的局部总线如VESA或PCI总线接口卡的工作速度 PCI局部总线的速度一般为33 33MHz 在33 33MHz下 具有32位数据位宽度的扩展总线的带宽为33 33MHz32b 1066Mb s 133MB s 扩展总线的速度也会影响计算机的整体运行速度 2 2 2计算机的心脏 CPU 4 CPU的主要性能指标4 工作电压 SupplyVoltage 工作电压指CPU正常工作所需的电压 早期CPU的工作电压一般为5V 随着CPU主频的提高 也为了解决发热过高的问题 CPU工作电压有逐步下降的趋势 CPU工作电压越低 CPU运行时耗电功率就越小 5 地址总线宽度地址总线宽度决定了CPU可以访问的内存物理地址空间 地址总线宽度越宽 可访问的内存物理地址空间越大 若地址总线的宽度为32位 则最多可以直接访问4096MB的内存物理空间 6 数据总线宽度数据总线宽度决定了CPU与二级高速缓存 内存以及输入 输出设备之间一次数据传输的信息量 若数据总线的宽度为64位 则CPU一次可以同时处理8个字节的数据 2 2 2计算机的心脏 CPU 4 CPU的主要性能指标7 内置协处理器含有内置协处理器的CPU 可以加快特定类型的数值计算 某些需要进行复杂计算的软件系统 如AutoCAD就需要协处理器支持 8 流水线流水线的工作方式就像工业生产上的装配流水线 在CPU中 由5 6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线 然后将一条指令分为5 6步后再由这些电路单元分别执行 这样就能在一个CPU时钟周期内完成一条指令 由此提高了CPU的运行速度 2 2 2计算机的心脏 CPU 4 CPU的主要性能指标9 高速缓存一级高速缓存 L1Cache 的容量一般为16 64KB 少数可达到128KB 频率与CPU相同 内置高速缓存可以提高CPU的运行效率 L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大 内部高速缓存越大 系统性能提高越明显 二级高速缓存 L2Cache 的容量和频率对CPU的性能影响也很大 L2Cache的时钟频率为CPU时钟频率的一半或者全速 L2Cache的容量一般为L1Cache容量的4 16倍左右 2 2 3存储器 存储器是计算机中具有记忆能力的部件 它能根据地址接收并保存指令或数据 存储器的操作是一个不断存入与取出的过程 把存入数据的操作称为 写 操作 把取出数据的操作称为 读 操作 存储器可分为主存储器和辅助存储器两大类 主存储器简称主存或内存 是计算机中用来存放指令和数据并能由中央处理器直接读取的存储器 计算机工作时 整个处理过程中用到的数据和指令在使用时都存放在内存中 辅助存储器简称辅存或外存 是不直接向中央处理器提供指令和数据的各种存储设备 它主要用来存放内存中难以容纳 但为程序执行所需要的数据信息 常用作外存的有硬盘 光盘和磁带等 2 2 3存储器 1 随机存储器 RAM RAM在CPU运行期间既可读出信息又可写入信息 主要用于暂存数据 便于CPU对数据进行处理 RAM的主要优点是存取速度快 存储体积小 可靠性高 主要缺点是断电后所存的信息会丢失 在RAM中使用电容来保存表示数据的电信号 电容充电表示数据 1 电容放电表示数据 0 RAM中的数据通过改变电容的状态来改变 衡量存储器容量的单位是字节 B Byte 现在RAM的容量通常为1GB和2GB 4GB等 DDR内存 内存中的数据表示 2 2 3存储器 2 CMOS存储器和BIOSCMOS存储器是指主板上一块可读写的存储芯片 它存储了微机系统的时钟信息和硬件配置等信息 它使用电池供电 即使关闭电源 其中的信息也不会丢失 CMOS存储器本身只有数据保存功能 而对CMOS中各项参数的设定要通过专门的程序 多数厂家将CMOS设置程序做到了BIOS 基本输入输出系统 芯片中 在开机时通过特定的按键就可进入CMOS设置程序方便地对系统进行设置 因此 CMOS设置又称为BIOS设置 ROMBIOS是主板上存放微机基本输入输出程序的只读存储器 其功能是实现微机的上电自检 开机引导 基本外设I O和系统CMOS设置 AMIBIOS芯片 CMOS配置主界面 2 2 3存储器 3 只读存储器 ROM 计算机工作过程中只能从ROM中读出事先存储的数据 一般不能改写 具有不易丢失性 即使电源被切断 ROM的信息也不会丢失 1 掩模只读存储器 2 一次编程只读存储器 3 多次编程只读存储器 2 2 3存储器 4 虚拟内存操作系统用虚拟内存来动态管理运行时的交换文件 为了提供比实际物理内存还多的内存容量以供使用 Windows操作系统提供了占用硬盘上的一部分空间作为虚拟内存的技术 下面介绍设置虚拟存储器的方法 以Windows7操作系统为例 1 在控制面板中双击 系统 打开 系统 窗口 2 单击 高级系统设置 弹出 系统属性 对话框 图2 10左图 在 高级 选项卡中 单击 性能 区对应的 设置 按钮 出现 性能选项 对话框 图2 10右图所示 然后在 高级 选项卡中单击 虚拟内存 区域的 更改 按钮 弹出 虚拟内存 对话框 然后根据需要设置即可 图2 10虚拟存储器设置虚拟内存不仅解决了存储容量和存取速度之间的矛盾 而且是管理存储设备的有效方法 2 2 3存储器 4 虚拟内存为了提供比实际物理内存还多的内存容量以供使用 Windows操作系统提供了占用硬盘上的一部分空间作为虚拟内存的技术 操作系统用虚拟内存来动态管理运行时的交换文件 虚拟内存不仅解决了存储容量和存取速度之间的矛盾 而且是管理存储设备的有效方法 虚拟存储器设置 2 2 3存储器 5 外存外存储器最常用的有磁盘 磁带 光盘和U盘 磁盘又可分软盘和硬盘 光盘包括CD ROM和DVD等 硬盘 1 硬盘常用的硬盘也叫温盘 是采用温彻斯特 Winchester 技术的小型密封组合式磁盘的简称 硬盘容量大 速度快 结构复杂 硬盘与硬盘驱动器封装在一起 固定在微机的主机箱中 一般不能随意装卸 硬盘的容量从几百GB到数TB不等 现在微机的硬盘容量一般在250GB以上 硬盘示意图 磁带存储器 工作原理和录音机或录像机使用录音带或录像带相同 磁带存储器由磁带机和磁带两部分组成 与磁盘相比 磁带主要用于数据备份领域 单盘磁带具有几十GB的存储容量和20年以上的安全保存时间 CD ROM和DVD CD ROM是 密集盘 只读存储器 一张光盘盘片可存放650 700MB的信息 且保存时间长 可靠性高 CD ROM光盘盘片只能读取 不能写 DVD是数字多功能光盘 DigitalVersatileDisc 的简称 DVD与CD的外观极为相似 它们的直径都是120毫米左右 单面单层DVD的资料容量约为4 7GB 光盘信息表示示意图 USB接口与移动存储器 USB是UniversalSerialBus的缩写 意思是通用串行总线 这是一种计算机系统连接外围设备 如键盘 鼠标 打印机等 的输入 输出接口标准 U盘是采用USB接口和闪存 FlashMemory 技术结合的一种移动存储器 也称为闪盘 它具有体积小 重量轻 约20克 工作无噪音 无需外接电源 以及支持即插即用和热插拔等优点 成为理想的便携式储存器 类似的还有USB插口的移动硬盘 其他常用的闪存卡还有CF卡 SD卡 SD SDHC MINISD TF micro SD 记忆棒 SM卡 XD卡等 常用优盘 移动硬盘 存储卡外观 2 2 4计算机的工作过程 1 控制器控制输入设备或外存储器将数据和程序输入到内存储器 2 在控制器指挥下 从内存储器取出指令送入控制器 3 控制器分析指令 指挥运算器 存储器 输入输出设备等执行指令规定的操作 4 运算结果由控制器控制送存储器保存或送输出设备输出 5 返回到第二步 继续取下一条指令 如此反复 直到程序结束 计算机的工作过程 2 3微机系统及其主要指标 2 3 1微机分类2 3 2微机的主要性能指标2 3 3微机的常见外部设备 2 3 1微机分类 1 单片机将微处理器 一定容量的存储器以及I O接口电路等集成在一个芯片上 就构成了单片机 一般用于控制仪表 家用电器中 2 单板机将微处理器 存储器以及I O接口电路安装在一块电路板上 就构成了单板机 广泛应用于工业控制 微机教学或实验 3 PC机配置有显示器 键盘 硬盘 打印机 光驱以及机箱和接口插槽等 4 便携式微机包括笔记本和个人数字助理 智能手机等 2 3 2微机的主要性能指标 1 内核和流水线多核心处理器就是在一块CPU机板上集成两个或两个以上的处理器核心 并通过并行总线将各处理器核心连接起来 单处理器只有一个CPU 在执行指令时是以串行方式执行的 即一个时刻只执行一条指令 使用流水线技术 处理器就可以在完成上一条指令前开始执行另外一条指令 流水线技术可以加快CPU的处理速度 2 字长计算机进行数据处理时 一次存取 加工 和传送的一组二进制位 它的长度叫字长 字长决定CPU的寄存器和总线的宽度 2 3 2微机的主要性能指标 3 时钟频率 主频 CPU每秒平均执行的速度 它决定了计算机在一定时间内能够执行的指令数 是衡量微型计算机运行速度的一个重要指标 4 内存容量内存中能存储信息的总字节数 5 运算速度运算速度是一项综合性的性能指标 其单位是MIPS 每秒10 6条指令 和BIPS 每秒10 9条指令 2 3 2微机的主要性能指标 衡量一台计算机系统的性能指标很多 除上面列举的4项主要指标外 还应考虑机器的兼容性 系统的可靠性 系统的可维护性 机器允许配置的外部设备的最大数目 数据库管理系统及网络功能等 另外 性能 价格比也是一项综合性评价计算机性能的指标 2 3 3微机的常见外部设备 1 鼠标1 机械式鼠标机械式鼠标下面有个圆形小球 当在平面上移动时 小球与平面摩擦转动 带动鼠标的两个光盘转动 产生脉冲 测出X Y方向上的相对位移量 从而反映出屏幕上的鼠标的位置 2 轨迹球鼠标直接用手拨动轨迹球来控制鼠标箭头的移动 3 光电鼠标经底部表面反射光线 判断鼠标的移动方向和移动距离 从而完成光标的定位 4 无线鼠标与电脑主机之间无须用线连接 操作人员可在1米左右的距离自由遥控 并且不受角度限制 2 3 3微机的常见外部设备 显示器和打印机是最常见的输出设备 1 显示器显示器主要有阴极射线管 CRT 显示器和平面显示器 平面显示器有液晶显示器 LCD 等离子显示器等 2 打印机打印机一般常用的有击打式打印机和非击打式打印机两大类 在击打式打印机中 最常用的是点阵针式打印机 非击