计算机导论_ch2_new.ppt

1、第 二 章 计算机硬件系统,2-2,2.1 计算机硬件概述,一、计算机的硬件组成,2-3,2.1 计算机硬件概述,二、微型计算机的硬件结构 微型计算机是由微处理器、存储器、总线、I/O接口及其相应设备组成。,微处理器 CPU,键盘 鼠标器,显示器 打印机,内存,通信线路,通信 接口,外存 接口,硬盘 光驱 软驱,输入 接口,输出 接口,硬件结构,总 线,2-4,三、总线结构 总线：各模块间传送信息的公共通路。 分类：内部总线、系统总线、外部总线 数据总线、地址总线、控制总线 串行总线、并行总线,2.1 计算机硬件概述,2-5,系统总线 地址总线（单向） 地址总线的位数,它决定了CPU可以访问存

2、储器容量的大小。 20位地址总线：1MB 32位地址总线：4GB 数据总线（双向） 数据总线的位数,它决定了CPU与内存、输入输出设备之间一次数据传输的信息量。 64位数据总线：字长8 Bytes 控制总线（双向） 传输各种控制信号,2.1 计算机硬件概述,2-6,单总线结构,2.1 计算机硬件概述,2-7,双总线结构,2.1 计算机硬件概述,CPU,键盘 鼠标器,显示器 打印机,内存,通信线路,通信 接口,外存 接口,硬盘 光驱 软驱,输入 接口,输出 接口,总 线,2-8,多总线结构,2.1 计算机硬件概述,2-9,ISA: 16bit ;8MHz;16MB/s,1M(20) PCI: 3

3、2bit;33MHz;133MB/s;4GB(32) AGP: 32bit;133MHz;533MB/s,2.1 计算机硬件概述,2-10,外部总线 SATA: 硬盘、光盘等 300MB/s SCSI: 磁盘、光盘等 320MB/s USB: 2.0 480Mb/s,2.1 计算机硬件概述,2-11,串行（serial）总线 并行（ parallel ）总线,2.1 计算机硬件概述,2-12,2.2 中央处理器,一、CPU的内部结构 CPU微处理器中央处理器 CPU：控制器、运算器、寄存器,2-13,二、CPU的性能指标 主频、外频和倍频 主频：CPU工作的时钟频率(MHz, GHz)。 MH

4、z：每秒能执行一百万个时钟周期。 GHz：每秒能执行十亿个时钟周期。 指令执行：一些指令需要一个周期 另一些指令需要很多周期 主频外频倍频,2.2 中央处理器,2-14,高速缓存（cache） CPU缓存（Cache Memory）位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小但交换速度快。在缓存中的数据是内存中的一小部分，但这一小部分是短时间内CPU即将访问的，当CPU调用大量数据时，就可避开内存直接从缓存中调用，从而加快读取速度。 一级缓存:是CPU第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的性能影响较大，不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较

5、复杂，在CPU管芯面积不能太大的情况下，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一级缓存的容量基本在4KB到64KB之间， 二级缓存:CPU产品中，二级缓存的容量则分为128KB、256KB、512KB、1MB、2MB等。,2.2 中央处理器,2-15,三、CPU的发展历程,2.2 中央处理器,、AMD、Cyrix,2-16,2.3 存储系统,一、存储器概述 1.基本概念 存储器：由一些能表示0和1的物理器件组成的，如双稳态电路、磁性材料等。 存储位：存储信息的最小单位，0或1。 存储单元：若干个存储位组成，字节。 存储容量：存储器中存储单元的总数。 基本操作：读出数据取数 写入数据存数,2-17

6、,2.分类,基本要求：存取时间短、存储容量大、价格低,2.3 存储系统,2-18,3.层次结构,2.3 存储系统,CPU寄存器,高速缓存,主存储器,辅助存储器,海量存储器,存储容量更大,单位价格更高,存取速度更快,内存,外存,半导体静态存储器 几倍,半导体动态存储器 几十ns,硬盘和软盘 几十ms,光盘和磁带 s,几ns,2-19,4.性能指标 存储容量：存储器可以容纳的信息量。 例如：半导体存储器：4GB 硬盘：500GB 存取时间：指存储器从接到读或写命令开始，到读写 操作完成为止所需时间。 SRAM:100ns DRAM:150ns 磁盘：几十毫秒 存取周期：连续两次读写操作之间最小的时

7、间间隔。 SRAM：存取时间与存取周期相同 DRAM：存取周期 存取时间 如：190ns = 100 + 90(预充时间) 数据传输率：外存与内存交换数据的能力。如硬盘的数据 传输率：1.25-10MB/s 功耗、可靠性、集成度,2.3 存储系统,2-20,二、半导体存储器 1.分类,2.3 存储系统,2-21,2.随机存取存储器-RAM(Random Access Memory) 特点： 存放数据可以随机读写，但断电后RAM存放的数据全部丢失。 静态随机存取存储器SRAM： 以反相器交叉耦合构成的触发器作为存储单元，不需刷新。功耗高、存取速度快高速缓存 动态随机存取存储器DRAM： 用开关电

8、容作存储单元,需定时刷新（周期几ms）。功耗低、集成度高主存储器,2.3 存储系统,2-22,3.只读存储器ROM(Read Only Memory) 特点： 存放的数据只能读出不能写入，但断电后ROM存放 的数据仍存在。 系统主板上装有BIOS-ROM。（逐渐被闪存代替）,2.3 存储系统,MROM-掩膜ROM（厂家写入、便宜） PROM-可编程ROM（用户一次写入） ROM EPROM-可擦除可编程ROM（20分钟紫外线，整片擦除）千次 E2PROM-电可擦除可编程ROM（选择字节、较高电压） flash EPROM-快可擦除可编程ROM（闪存）万次,2-23,4.非易失RAM NV-RA

9、M (Non Volatile RAM) 特点： 具有RAM的随机读写性，具有ROM的非失性。 技术： （1）使用CMOS构成的功耗极低的SRAM （2）使用锂电池作后备电源 （3）使用一个智能控制电路,2.3 存储系统,2-24,三、磁表面存储器 1.存储原理,2.3 存储系统,写入时，数据经编码电路产生相应的电流变化，当数据位为“1”时,电流发生极性变换；数据位为“0”时,电流极性不变。电流送到磁头线圈，在磁表面形成与数据对应的磁化区。 读出时，把磁头的感应信号转换成数据输出。,2-25,2.硬盘(Hard Disk) 又称硬盘存储器，硬磁盘存储器。 特点：存储容量大、存取速度快 可靠性高

10、、每兆字节成本低 温彻斯特技术：工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，不与硬盘直接接触。 其精髓是密封、高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动。,2.3 存储系统,2-26,硬盘的工作原理,2.3 存储系统,若从查找操作开始，驱动机构根据柱面地址把磁头向目标磁道移动，并定位在目标磁道上，等待有关信息区段旋转到磁头下，然后进行读写操作。,2-27,硬盘的性能指标 平均寻址时间： 指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。 平均寻址时间平均寻道时间平均旋转时间 平均访问时间平均寻址时间启动延时+每扇区数据传送时间 磁道记录密度： 道密度沿盘片直径方向单位长度内的

11、磁道数。 位密度磁道上单位长度的数据位数。,2.3 存储系统,2-28,数据传输率：指硬盘读写数据的速度。 其计算公式如下 数据传输率位密度(位/英寸) 转速(转/秒)2R(英寸/转) R是最内圈磁道半径 转速：指硬盘盘片每分钟转动的圈数。也就是主轴转速，单位是rpm。 通常的硬盘转速为5200、5400 7200、10000rpm,2.3 存储系统,2-29,硬盘的逻辑容量：硬盘的存储格式是按柱面、磁道和扇区来衡量的，柱面是由一组盘片上的同一个磁道垂直形成的同心圆柱。 硬盘容量柱面数盘面数 扇区数512B 例如：通过BIOS检测发现，某型号硬盘逻辑上的面数为255，每面有1027个磁道,每磁

12、道有63个扇区，则 硬盘容量255102763512B 8.056GB,2.3 存储系统,2-30,硬盘的外部结构,2.3 存储系统,硬盘使用前要做：物理格式化、分区、高级格式化,2-31,3.软驱与软盘 软盘存储器是由软盘驱动器、软盘控制器和软盘三部分组成。 软盘驱动器：读写软盘信息的装置。 软盘控制器：与主机连接的接口。 软盘：信息的存储介质，可脱机保存。 特点：与硬盘相比，软盘价格便宜； 软盘及其驱动器体积小，携带方便； 可脱机存储，互换性好。,2.3 存储系统,2-32,软驱的工作原理 工作过程：电机带动盘片转动，磁头定位器是一个很小的步进电机，它负责把磁头移动到正确的磁道，由磁头完成

13、对软盘的读写操作。 写操作：以电脉冲将磁头下方磁道上那一点磁化。 读操作：将磁头下方的磁化信息转化为电信号，通过电信号强弱来判断是0还是1。,2.3 存储系统,2-33,软驱与软盘的性能指标 磁道：以盘片中心为圆心的同心圆轨迹就是记录数据的磁道。 道密度：沿软盘径向方向单位长度上的磁道数，3.5in软盘有80个磁道。 扇区：每个磁道被划分为若干扇区,3.5in软盘的扇区一般有18个。,2.3 存储系统,2-34,存储容量：指每张盘片所能记录的二进制数据的总和。其计算公式为： 存储容量磁面数磁道数 扇区数512B 数据传输率：指软盘及软驱每秒钟与计算机主机交换二进制数据的位数。 常见的有：125

14、Kb/s、250Kb/s 300Kb/s、500Kb/s,2.3 存储系统,2-35,软盘的外部结构 软盘是由起保护作用的塑料封套和盘片组成，其结构包括塑料外壳、快门、标签、写保护口、盘片、金属环等。,2.3 存储系统,2-36,四、光盘存储器 光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和光盘控制器组成。 特点：存储容量大、非接触式读写、制作成本低、不怕热和磁、保存携带方便。 分类： 只读型光盘：CD-ROM 一次写型光盘：WORM、CD-R 可重写型光盘：CD-RW,2.3 存储系统,2-37,1.工作原理 光盘存储器是利用激光的单色性和相干性,通过调制激光把数据聚集到记录介质上,使介质的光照区(直径小

15、于1m)发生物理和化学变化，以写入数据。 读数据时，利用低功率密度的激光扫描信息轨道，其反射光通过光电检测器检测、解调，从而获得所需要的信息。,2.3 存储系统,2-38,2.性能指标 存储容量：一张光盘的数据存储量。 CD-ROM650MB DVD4.7-17GB 一个单层的蓝光光碟的容量为25或是27GB，足够烧录一部长达4小时的高清影片。双层可达到46或54GB。而容量为100或200GB的，分别是4层及8层。 数据传输率：标准速率为150KB/s 2x300KB/s(倍速) 4x600KB/s(4倍速) 48x7200KB/s(48倍速),2.3 存储系统,2-39,平均访问时间： 指

16、光驱在盘上定位并读取一定量的数据所需要的平均时间。该时间越短，光驱的启动速度越快。 平均访问时间250ms。 数据缓冲区： 指光驱内部缓冲存储器的容量。缓冲区越大，光驱的响应速度越快。 其大小一般为：128KB、256KB、4MB,2.3 存储系统,2-40,3.外部结构 光驱控制面板：立体声耳机插孔、音量控制、工作状态指示灯、弹出孔、弹出开关和光盘托盘。 光驱控制接口：电源插口、跳线设置、数据接口、EIAJ插座、音频输出。,2.3 存储系统,2-41,五、可移动存储器,2.3 存储系统,U盘,移动硬盘,2-42,2.4 输入设备,一、输入设备概述 输入：指将预备进行处理的数据送入计算机的过程

17、。 输入设备：把程序和原始数据等转变为计算机能识别的信息存放到存储器中。 分类：字符输入设备：键盘、磁卡机 指点输入设备：鼠标器、触摸屏 扫描输入设备：扫描仪、条形码 语音输入设备：IBM ViaVoice,2-43,二、键盘 1.键盘的结构 结构：电路板、按键、外壳。 按键：用户使用键盘的区域。 键盘上键位的排列有一定规律，一般可分为四个区域：,2.4 输入设备,打字机键区 功能键区 编辑键区 数字键区,2-44,2.键盘的工作原理 键盘电路大多采用Intel 8048或8049单片机控制的控制电路，该控制电路具有键扫描、消颤、生成键扫描码等功能。 键盘上的按键排列成矩阵形式，用软硬件的方法

18、分别对行、列进行扫描，以获取按键的位置，并生成键扫描码。 单片机将键扫描码以串行方式传输给主机，主机接到后进行如下操作：,2.4 输入设备,2-45,通过接口电路将串行数据转换为并行数据； 由并行接口送给CPU； 由软件将扫描码转换为该键ASCII码. 3.键盘的种类 机械式键盘、薄膜式键盘、无线键盘 4.键盘的接口 AT、PS/2、USB,2.4 输入设备,2-46,三、鼠标器 鼠标器是一种手持式屏幕定位装置，在图形界面中大多数操作都可用鼠标来完成。 机械式鼠标：移动鼠标时，用滚动小球来进行定位。 光电式鼠标：在特定的反射板上移动鼠标，用鼠标底部光电转换装置定位坐标点。,2.4 输入设备,2

19、-47,四、数据手套,2.4 输入设备,2-48,五、三维激光扫描仪,2.4 输入设备,2-49,2.4 输入设备,2-50,六、头盔显示器,2.4 输入设备,2-51,2.5 输出设备,一、输出设备概述 输出：指将计算机处理的数据转换为用户需要的形式。 输出设备：把计算机的处理结果以人们或现场所接受的形式表达出来的设备。 分类：显示器：字符方式、图形方式 打印机：击打式、非击打式 绘图仪：平板式、滚筒式 语音输出系统：语音输出、音乐输出,2-52,2.5 输出设备,一、输出设备概述 输出：指将计算机处理的数据转换为用户需要的形式。 输出设备：把计算机的处理结果以人们或现场所接受的形式表达出来

20、的设备。 分类：显示器：字符方式、图形方式 打印机：击打式、非击打式 绘图仪：平板式、滚筒式 语音输出系统：语音输出、音乐输出,2-53,二、显示设备,主机,显示卡,显示器,总线扩展槽,多芯视频电缆,1.显示卡 显示卡(显示适配器、显示接口卡) 用于将主机中的数字信号转换成图像信号并显示在显示器上。,2.5 输出设备,2-54,显示卡的基本结构 显示卡是由显示芯片、显示内存、RAM DAC、VGA BIOS、总线接口等组成。 显示卡的工作原理示意图,PCI总线接口(数字信号),GPU,显 存,RAM DAC,BIOS,VGA输出 模拟信号,2.5 输出设备,2-55,显示卡的性能指标 分辨率：

21、指在显示器屏幕上所能描绘的像素个数(横纵比为4:3或16:9)，如800*600、1024*768、1280*1024、1920*1080。 颜色深度：指能同屏显示的色彩数量，如8、16、24、32(24/8)、36(24/12)位。 显存的容量大小决定了显卡支持的最高分辨率和颜色深度。 显存分辨率颜色深度,2.5 输出设备,2-56,2.CRT显示器(阴极射线管) 显示器的工作原理 CRT是由电子枪、偏转线圈、荧光粉层、荫罩和玻璃外壳组成。,2.5 输出设备,2-57,荫罩板 （shadow mask）,2.5 输出设备,2-58,显示器的分类 按显示颜色：单色显示器、彩色显示器 按器件材料

22、：阴极射线管、液晶显示器 等离子体显示器、发光二极管显示器 按屏幕形状：球面屏幕、柱面屏幕 平面直角屏幕、纯平面屏幕,2.5 输出设备,2-59,显示器的性能指标 屏幕尺寸：衡量显示器屏幕大小。 14、15、17、21英寸。 点距：指荧光屏上两个相邻的相同颜色磷光点之间的距离。点距越小，显示图像越细腻。 0.28(14in/1024*768) 0.27、0.26、0.25mm 分辨率：指屏幕上可容纳像素的个数，它受到屏幕尺寸和点距的限制。,2.5 输出设备,2-60,3.液晶显示器(LCD),2.5 输出设备,TFT（Thin Film Transistor）是指薄膜晶体管，意即每个液晶像素点

23、都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示器。,2-61,优点：空间小、重量轻、低功耗 性能指标：屏幕尺寸13.3、14.1in 可视角度水平角度1400 垂直角度1200 显示颜色TFT-LCD,2.5 输出设备,2-62,三、打印机（Printer） 打印机是用于打印输出计算机的处理结果，产生计算机输出的硬拷贝，以便在计算机之外也可使用计算机的处理结果。 1.分类,2.5 输出设备,2-63,2.性能指标 打印速度：CPS(字符/秒) LPM(行/分) 印字质量：低质量(草稿质量400DPI) 打印噪声：规定不超过55dB。,2.5 输出设备,2-64,3.激光打印机 工作过程：接受由主机发出的信息，然后进行激光扫描，将要输出的信息在磁鼓上形成静电潜像，使碳粉吸附到感光鼓上，再吸附到纸上，经加热定影后输出。,2.5 输出设备,特点： 打印速度