ppt课件-顾刚第3章_上

,多媒体技术,大学计算机基础,顾刚计算机教学实验中心gugnaggg第2章微型计算机硬件基础,现代微机组成结构,冯.诺依曼计算机结构,微型机工作原理,微机主机系统,微机存储器系统,微机总线,微机I/O设备与接口,早期计算机奠基人首次提出程序存储概念设计形成早期计算机结构目前计算机基本上仍采用,冯诺依曼,2.1冯.诺依曼计算机结构,2.1冯.诺依曼计算机结构,计算机采用二进制码存储与处理在内存中存储程序与数据计算机由五大部件组成,存储器：存储各种信息的部件储存最小单位是BIT一次存入或取出的二进制位数构成存储单元每个存储单元又称机器字，其二进制位数称字长每个存储单元的编号称为存储地址任何程序运行要先存放到存储器中运算器：进行算术运算和逻辑运算的部件主要是由算术加法器和逻辑运算部件构成减法、乘法、除法都归结为加法,2.1冯.诺依曼计算机结构部件功能,控制器：控制指挥所有部件协调工作的部件指令：让计算机工作的命令指令由操作码和操作数构成程序：完成某项任务的指令集合输入设备：输入信息到计算机内部，转换信息主要由纸带机和控制面板上的开关构成输出设备：将计算机内部的信息输出出来主要由打印机和控制面板上的指示灯构成,2.1冯.诺依曼计算机结构部件功能,现代微机组成结构如下图所示：,2.2现代微机组成结构,现代微机主要部件如下：CPU：由运算器和控制器构成存储器：由集成电路构成，按字节编址总线：计算机各部件之间进行信息传输的一组公共信号线及相关的控制驱动电路I/O设备：由I/O接口和设备构成I/O接口：外设连接到总线上一组逻辑控制电路的总称I/O接口是CPU与外部设备间的桥梁和通道。不同的外设要与主机相连都要配备不同的接口,2.2现代微机组成结构,外部存储器（硬盘、光盘、优盘）输入设备（键盘、鼠标、扫描仪）输出设备（显示器、打印机）其他（网卡、显卡、声卡、视频卡）,微型计算机系统,硬件系统,软件系统,主机,外部设备,CPU内存储器输入/输出接口总线,系统软件,应用软件,操作系统语言编译系统工具软件网络系统,OA软件管理信息系统图像处理系统,2.2现代微机组成结构系统概念,主机外部设备,整个系统运行的物理平台,硬件系统的核心是主机，主机的核心是CPU,2.2现代微机组成结构硬件系统,软件系统是支撑硬件系统的逻辑平台，是计算机系统的灵魂、神经中枢和大脑。软件：为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。软件系统的核心是系统软件，系统软件的核心是操作系统。,2.2现代微机组成结构软件系统,指令和指令系统程序计算机的一般工作过程程序的执行方式,2.4微型机工作原理,指令：计算机能够识别并执行的“操作命令”指令一般由操作码和操作数组成,指令码目标操作数源操作数,指令码操作数,表示功能（操作）,表示操作的对象,2.4微型机工作原理指令概念,机器语言指令：101100000000111115累加器A001011000000101010+AA11110100结束,停机,机器语言指令：MOVA,1515累加器AADDA,1010+AAHLT结束,停机,C+语言指令：A=15+1010+AARETURN结束,停机,ACCESS数据库SQL查询指令?,2.4微型机工作原理指令概念,指令系统：计算机能够识别的所有指令的集合ADD,SUB,MUL,JMP,MOV,HLT不同类型的计算机所识别的指令集合不一样8086微处理器的指令系统包含基本指令92条PENTIUMIII的指令系统包含70条RISC精简指令系统计算机raducedinstructorsetcomputer,2.4微型机工作原理指令系统,程序：为完成某个任务，按一定顺序组织在一起的指令序列程序是让计算机按人们事先安排好(设计好)的流程进行工作,2.4微型机工作原理程序概念,比较两个数大小C语言程序,#includevoidmain()inta,b;cinab;if(ab)cout“最大数是”a;elsecout“最大数是”b;,2.4微型机工作原理程序概念,计算机的工作过程就是执行程序的过程,计算机是在程序的控制下工作的人们事先编写设计好程序并将程序输入到计算机中存储起来CPU根据程序中的指令控制计算机各个部件工作各个部件根据指令码规定完成各种动作,2.4微型机工作原理工作过程,程序控制示意图,中央处理器,运算器,控制器,程序,存储器,程序,程序,程序,程序,程序,程序,程序,指令,指令,指令,指令,指令,指令,指令,读取操作数,存放结果,取指令,分析指令,执行指令,2.4微型机工作原理指令执行过程,分析指令,执行指令,程序,取下一条指令,结束程序,结束,2.4微型机工作原理程序执行过程,程序与数据在计算机中均按二进制存储要执行的程序和处理数据，必须先存储在内存中在CPU的控制下，自动从存储器中取出指令并执行，完成各种动作。指令处理方式按逻辑顺序一条条指令地处理:在运行时，从内存中取出一条指令；按指令要求，从存储器中取出数据进行指定运算；按地址把结果送到内存中去。再取下一条指令，重复上述操作，直到结束为止。,以中央处理器为核心的程序控制的工作原理,2.4微型机工作原理小结,主机系统的逻辑结构主机系统的物理结构,2.5微机主机系统,主机系统的逻辑结构，它包括以下基本部件：主板CPU内存硬盘驱动器软盘驱动器光盘驱动器各种接口卡电源,2.5微机主机系统逻辑结构,中央处理器简称CPU，主要包括：,运算器进行加、减、乘、除运算控制器包括取指令、取数、运算顺序的控制寄存器组暂时存放中间的运算结果,运算器,通用寄存器,控制器,专用寄存器,2.5微机主机系统中央处理器,2.5微机主机系统微处理器,CPU的性能是计算机系统的主要技术指标之一。主要性能指标：速度（主频）：指每秒执行指令的条数或每秒主频振荡的次数；条数用MIPS来表示，即每秒百万条指令；PentiumPro”可达400MIPS；主频振荡用MHZ来表示，即每秒百万次；“Pentium”达2.8GHZ，最快的微处理器主频达4GHz。字长：指CPU一次所能处理的数据的二进制的位数。如果字长是16位，要处理64位的指令就要读取4次。80386以下的CPU为16位字长，80386及以上的CPU为32位字长。指令集：指令集功能强，计算机处理能力就强高速缓存：匹配CPU和内存储器之间的速度的存储器内核：将多个CPU核心集成在一起。16核甚至更多,2.5微机主机系统CPU指标,双核处理器是指在一个处理器上集成两个运算核心，从而提高计算能力在处理多线程、多进程任务的时候相对单核CPU具有明显速度优势。然而在处理单进程任务的时候，双核技术的优势并不明显IntelPENTIUMDual-Core奔腾双核IntelCORE酷睿双核,2.5微机主机系统双核概念,要运行的程序和要处理的数据都存放在内存中文件和程序在外存中永久保存,内存储器外存储器,用于存放计算机工作过程中需要操作的数据和程序器件,2.5微机主机系统存储器,内存储器由存储体、地址寄存器、数据寄存器、译码器及读写电路等组成因在主板上、CPU直接控制存取而得名“内存”内存分为：随机存储器RAM，供用户使用。（RandomAccessMemory)只读存储器ROM，供系统使用。（ReadOnlyMemory)内存的性能指标是:容量越大越好；目前在128MB-2GB速度存取数据的速度；一般在60-120ns（毫微秒10-9s）,2.5微机主机系统内存储器,插槽,内存条,每个单元都对应一个地址，以实现对单元内容的寻址,2.5微机主机系统内存地址与内容,读：将内存单元的内容取入CPU，原单元内容不改变；写：CPU将信息放入内存单元，单元中原来的内容被覆盖。,2.5微机主机系统内存操作,内存之外的存储器称为外存储器外存储器不能被CPU直接访问外存储器通常指磁盘、磁带、光盘等。磁盘又分为软磁盘和硬磁盘。有哪些常用外存储器？,2.5微机主机系统外存储器,磁盘指在合金基板表面上涂上磁性材料,利用单位面积内的磁场方向和强度存储0和1磁盘驱动器:磁盘是在磁盘驱动器的带动下工作的磁盘驱动器的功能是：控制磁盘的机械运动与磁头的定位，执行有关数据的传输命令。完成数据的存取操作。,2.5微机主机系统磁盘存储原理,磁盘的每个盘片的两个表面都涂附了一层磁性材料，作为存储信息的介质。读写磁盘时，磁头直接接触盘面,感应磁场强度和方向。为便于寻址，数据分布采取每个盘面划分出许多不同半径的同心圆，称为磁道，每条磁道上又划分出等分的区段，称为扇区。磁道和扇区都分别编号，便于管理。磁盘容量计算公式?,2.5微机主机系统磁盘存储格式,以软盘为例。3.5英寸高密度软盘，格式化后有2个面、每面80个磁道，每个磁道18个扇区，每个扇区存储512个字节。其存储容量为：存储容量=28018512=1.44MB,容量=记录面数磁道数/面扇区数/道字节数/扇区,2.5微机主机系统磁盘容量计算,硬磁盘（硬盘机）是一种主要的外存储器。目前的微机一般都至少配备一台硬盘机在硬盘里永久保存着计算机系统工作必不可少的程序和重要数据,掉电后数据文件仍然存在硬盘具有容量较大、速度较快（7500转-15000转/分）及可靠性较好等优点目前标准配置硬盘20-80GB,2.5微机主机系统硬磁盘,微机使用的小型硬盘机从外观上看是一个密封的金属盒子，其中有若干片固定在同一个轴上、同样大小、同时高速旋转的金属圆盘片靠近每个盘片的两个表面各有一个读写磁头。这些磁头全部固定在一起，可同时水平移到磁盘的某个磁道位置硬盘片表面分为一个个同心圆磁道，每个磁道又分为若干扇区，数据是以扇区为单位存放在盘片上,盘片旋转寻找扇区,2.5微机主机系统硬磁盘结构,外置(活动)硬盘,内置(固定)硬盘,硬盘变U盘,2.5微机主机系统实际硬盘种类,光盘是利用激光原理存储和读取信息的存储媒介利用激光束在铝反射层上凹坑和非凹坑反射差别来存取0和1光盘具有体积小、速度快、容量大、可靠性高等特点。性能指标：容量:在600MB几十GB速度:1X（一倍速）是150KB/S，目前可达60X。光盘驱动器类型:只读型(CD-ROM)追加型(WORM)可擦写型（RW-CD),常用的是只读型光盘CD-ROM光盘刻录机是写光盘的设备后继产品DVD-ROM。,2.5微机主机系统光盘,光盘的种类主要技术指标：容量、传输率、读取时间640MB150KB/S(又称1X)200400MS40X50X,只读光盘CDROM640MB700MBDVD数字视盘digitalvideodisc4.7GB17.7GB一次性刻录光盘CDR650MB可擦写光盘CDRW、MO光盘、PD光盘230MB、640MB、1.5GB,2.5微机主机系统光盘,2.5微机主机系统光盘,“优盘”是一种可读写的半导体存储器闪速存储器（FlashMemory）。性能指标：可擦写次数100万次以上，可保存10年，存取速度比软盘快15倍，容量在16MB1GB，可望达到10GB以上。,USB硬盘是一种即插即用型移动式硬盘（抗震性强）。性能指标：容量10GB80GB。使用方法与优盘类似。USB指通用串行总线接口,2.5微机主机系统可移动盘,2.5微机主机系统内外存区别,主机的大部分部件主要安装在主机板上。例如CPU、内存、时钟发生器等重要部件和电路都安装在主板上CPU插座芯片组（固定在主板上的一组超大规模集成电路芯片总称，南桥、北桥）内存插槽系统BIOS（含上电自检、系统初始化、系统设置）CMOS（存储系统配置信息）总线扩展槽串行、并行接口,2.5微机主机系统主板,2.5微机主机系统主板,2.5微机主机系统主板,2.5微机主机系统内置设备,将两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法连接起来构成存储系统系统的存储速度接近最快的存储器，容量接近最大的存储器。,2.6微机存储器系统,在一般计算机中主要有两种存储系统：,Cache存储系统,主存储器高速缓冲存储器,虚拟存储系统,主存储器磁盘存储器,注：Cache存储主要是解决速度问题，要求快。,注：虚拟存储主要是解决存储容量问题，要求存储的数据量大。,2.6微机存储器系统,高速缓冲存储器,内存储器,磁盘存储器,2.6微机存储器系统,主存、cache和虚存的关系,主存：运行程序和保存中间结果。Cache高速缓存：基于局部性原理，事先预测，把要调入的程序存入缓存，希望命中率越高越好。虚存：把磁盘的部分空间开辟为虚存,通用寄存器,高速缓存,主存储器,联机外存,脱机外存,硬盘、光盘,磁带、U盘,内存（动态存储器）,高速静态存储器周期1ns,速度快容量小,容量大速度慢,2.6微机存储器系统,基本概念总线分类常用系统总线标准总线主要技术指标,2.7微机总线,总线是连接计算机各部件的一簇公共信号线，它是计算机中各个部件之间传送地址、数据和控制信息的公共通道。CPU内部的总线称为内部总线，CPU、存储器和I/O接口之间的总线称为外部总线。,2.7微机总线,CPU总线(包括地址总线数据总线控制总线)系统总线(又称I/O通道总线地址线数据线控制线)外设总线(指主机与外部设备接口的总线),按层次结构,另一种总线分类按所处位置分:CPU片内总线CPU片外总线片内总线:在CPU内部各部件之间传输数据的总线片外总线:在CPU外连接存储器和I/O设备的通路,2.7微机总线分类,2.7微机总线工作示意图,总线位宽（bit）能同时传送的数据位数总线的工作频率决定了流量（MHz）总线带宽（B/S）单位时间内总线上可传送的数据量总线的发展趋势是位数越来越宽（从8位发展到64位），传输速率越来越快（从16MB/s发展到1GB/s）,2.7微机总线性能指标,现代微机中多总线结构示意图,北桥,CPU,磁盘控制器,南桥,PCI接口卡,主存储器,PCI总线,声效卡,MODEM卡,ISA接口卡,AGP总线,存储器总线,AGP显卡,ISA总线,前端总线,网络卡,USB卡,键盘、鼠标、串并行口,IBM公司8/16位标准总线、数据传输率为8MB/s,Intel32/64位标准总线。适应性强、速度快、数据传输率为133MB/s。,一种专为提高视频带宽而设计的总线规范。32位,266MB/S,CPU总线,微机总线结构,地址总线（ABAddressBus）数据总线（DBDataBus）控制总线（CBControlBus）,系统总线,外部总线,32位|64位,地址总线数据总线控制总线,连接CPU与外围控制芯片，如主存,连接CPU与接口卡,IDE集成设备电子部件EIDE增强型IDESCSI小型计算机系统接口USB通用串行总线接口IEEE1394,AGP扩展图形端口PCI外设互联总线ISA工业标准体系结构总线,连接主机与外部设备,2.7微机总线分类小结,输入输出系统的特点输入输出接口基本输入输出方法常用外部设备的工作原理,2.8微机I/O设备与接口,I/O系统,输入输出设备输入输出接口输入输出软件,2.8微机I/O设备与接口I/O系统组成,CPU和外存储器以及输入输出设备之间不能直接交换数据，必须通过“接口”设备来转接。,2.8微机I/O设备与接口I/O接口,2.8微机I/O设备与接口I/O接口,串行接口同一时间传送一位、效率低；适合远距离传输例如，RS-232串口、打印机、鼠标接口并行接口同一时间传送多位,传输速度快、效率高输入接口键盘输出接口打印机模拟接口Modem调制解调器输出数字接口Modem调制解调器输入,2.8微机I/O设备与接口PCI接口,PCIPeripheralComponentInterconnect外围部件互连接插各种扩充设备例如网卡、声卡、多功能卡、电视卡等下面图示PCI扩展插槽,IDE集成设备电子部件连接硬、软盘、光盘等下面图示IDE接口,2.8微机I/O设备与接口IDE接口,2.8微机I/O设备与接口I/O接口,USP接口,串行接口,声卡、Midi接口,12V电源接口,2.8微机I/O设备与接口接口功能,速度匹配CPU高速度与I/O设备低速度的匹配，通过缓冲区来解决信号的驱动能力CPU需要的是低电平1-5V，而外设需要高电平，通过电平转换器、驱动器解决信号形式和电平的匹配CPU只处理数字信号，外设的信号形式有多种，如模拟信号，数字信号和模拟信号之间的转换，即A/D、D/A信息格式问题CPU总线传送的是8、16、32位并行二进制数据，而外设使用的数据格式、方式可能不同时序匹配CPU的操作是在统一的时钟信号作用下完成的，而外设的定时和控制逻辑有所不同,I/O设备可按传输方式划分：字符设备和块设备字符设备以字符为单位传输的设备，如：键盘块设备以块为单位传输的设备，如：磁盘按速度可划分为：高速设备和低速设备。高速设备例如光盘等；低速设备例如打印机等。常用I/O设备有：输入设备键盘、鼠标器、扫描仪、数码像机输出设备显示器、打印机、绘图仪,常用输入输出设备,2.8微机I/O设备与接口常用I/O设备,标准输入设备。用于编辑程序、输入数据、发出命令等操作键盘按键字数分为：101-104键键盘键盘中的每个按键通过电路与计算机内部的扫描码一一对应，再由扫描码转换成ASCII码,2.8微机I/O设备与接口键盘,Windows操作环境下的标准输入设备。用于选择窗口、菜单、控件等操作。鼠标器分机械式和光电式。鼠标的一个主要技术参数是分辨率（dpi），即鼠标每移动1英寸所能测出的点数。一般鼠标的分辨率为200-400dpi,左键,右键,滚轮,2.8微机I/O设备与接口鼠标,标准输出设备。用于显示交互式操作的对话框及操作结果，是人机对话的主要界面显示器用分辨率来衡量其性能，即屏幕画面的清晰度是由横、竖交叉点（像素）的多少来衡量。显然，像素点越密，图像就越清晰亮度、色彩、对比度也是显示器的性能指标,2.8微机I/O设备与接口显示器,纯屏显示器,液晶屏显示器,2.8微机I/O设备与接口显示器,显示器显像原理与电视机的类似。屏幕上的文字或图形是由一个个像素点组成的今天计算机使用的大都是高分辨率图形显示器，常见分辨