计算机硬件基础知识

计算机系统

第二讲

基本组成一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大局部组成。硬件系统：计算机的物理实体，是可以看得见、摸得着的部件的总称，它通常指计算机中的电子线路和物理装置。软件系统：计算机的逻辑实体，是计算机接受输入、产生输出、存储数据和处理数据的程序的总称。基于冯·诺依曼的“存储程序和程序控制〞的理论，计算机的硬件系统都是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部份组成。2.1计算机的根本组成计算机基本硬件结构图输入设备存储器输出设备运算器控制器数据流控制流五大部件之一——运算器运算器ALU:〔ArithmeticalandLogicalUnit〕1.概念：运算器是一个用于信息加工的部件。运算器又称算术逻辑单元2.主要功能：①对二进制数据进行算术运算和逻辑运算②暂存参加运算的数据和某些中间运算结果③把结果输到指定的部件3.运算功能：在控制器控制下对取自内存储器的二进制数据进行加、减、乘、除等算术运算和“与〞、“或〞、“非〞、“异或〞等逻辑运算，并将结果送至内存。练习：运算器的主要功能〔〕〔A〕算术运算〔B〕逻辑运算〔C〕算术和逻辑运算〔D〕函数运算

C五大部件之二——控制器控制器〔CU：ControlUnit〕---计算机神经中枢工作实质：按照计算机的工作节拍〔主频〕，从存储器中取出指令，经过译码〔分析指令〕，产生各种控制信号，从而指挥整个计算机协调工作、自动地执行程序。运算器〔ALU)和控制器(CU)共同构成CPU(中央处理单元〕,CPU是决定计算机性能的核心部件存储器〔MEMORY〕是计算机用来存放程序和数据的记忆装置。存储器分为外存储器(也称辅助存储器，简称外存或辅存)和内存储器(也称主存储器,内存或主存)①内存的读写速度很快，而外存普遍很慢，所有数据要被CPU访问，只有先调入到内存②一旦断电，内存中的数据会自动消失，而外存中的数据那么永久保存。五大部件之三——存储器RAM静态RAM〔SRAM〕：SRAM一般用作小容量的存储器系统。如:高速缓冲存储器〔Cache〕采用SRAM，以实现内存的高速存取，以适应高速CPU的需要。动态RAM〔DRAM〕：DRAM适合于做大容量的存储器系统。内存储器包括随机存储器RAM(RandomAccessMemory)和只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)。存储器的分类按照存储介质分 半导体存储器〔双极、MOS〕 磁介质、光存储器按照与CPU的关系分 高速缓冲存储器、内存储器、外存储器按照存取特性的不同分 随机访问存储器、只读存储器、 顺序存储器、直接存取存储器1、随机访问存储器〔RAM〕 内容按需随意取出或存入，速度与位置无关2、只读存储器〔ROM〕 只能读不能写3、顺序存储器〔SAM〕 只能按存储单元的位置，顺序地一个接一个地进存储4、直接存取存储器〔DAM〕分三步：定位操作、等待、读写速度指标：平均定位、平均等待、数据传输率

内存主要性能指标

读写速度:用CPU存取一次数据的时间来衡量。计量单位是ns。

内存容量:现在一般2GB以上

Cache的大小:可以提高CPU的运算速度

价格 可靠性：用平均无故障间隔时间衡量

存储系统存储系统：是由两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器以总线相连，用软件、硬件或二者相结合的方法连接起来成为一个系统。常用的两种存储系统：一种是由Cache和主存储器构成的Cache存储系统。〔提高存储速度〕一种是由主存储器和磁盘构成的虚拟存储系统。〔增加存储器的容量〕输入设备〔INPUTDEVICE〕1.概念：是将程序和数据变为计算机能接受的电信号并送入计算机内存储器的外部设备。2.输入设备与主机之间需通过接口连接。五大部件之四——

输入设备输出设备〔OUTPUTDEVICE〕概念：是将运算结果,工作过程(包括程序)以人们所期望的形式表示出来的电子设备。五大部件之五——

输出设备

微型机的结构组成电脑＝主机＋外设中央处理器(CPU)：包括运算器、控制器内/主存储器〔俗称内存条〕：包括随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)主

机

微型机的结构组成CPUCPU是一个高集成度的芯片，包含运算器、控制器、存放器，它是电脑中最关键的部件，相当于人的大脑。目前单核CPU用得最多的是赛扬和奔腾系列，主要生产厂家是Intel、AMD、VIA等公司；双核CPU多为酷睿，是Intel的主打产品。

内存内存用于向CPU传输数据，并接收CPU的运算结果，它也是决定计算机运行性能上下的关键部件之一。内存的开展:SDRAM(同步动态随机存储器)DDR(双倍速率SDRAM)DRDRAM(接口动态随机存储器)

微型机的结构组成

输入设备输入设备是用于接收外部信息并通过相应接口输入到计算机中。常见输入设备：键盘：机械触点式、机械薄膜式、电容式鼠标：机械式、光电式扫描仪条形码扫描仪键盘鼠标麦克风

微型机的结构组成

输出设备输入设备是将计算机处理的数据结果输出给用户。常见输出设备：显示器、打印机打印机：非击打式(激光、喷墨)、击打式(针式)

微型机的结构组成RGB（n,n,n）n[0,255]CRTLCDLEDVFD显示器：阴极射线管、液晶、发光二极管、真空管

输入输出设备输入输入设备既有输入设备的功能，也有输出设备的功能。常见输入输出设备：触摸屏

微型机的结构组成

主板MotherBoard按结构分为：AT结构〔IBM公司〕ATX结构〔Intel公司〕主板的核心是芯片组，它对计算机性能起到了关键性的作用；为提升计算机各方面的能力，主板上还设有各类扩展槽和接口

微型机的结构组成

机箱、电源机箱是计算机的平安外套，合理的机箱布局具有更高的散热性，可以延长机箱各部件的使用寿命。卧式立式电源是计算机的动力装置，高效稳定的电源是计算机正常使用的根本保证。

微型机的结构组成

接口适配器接口适配器是沟通主板与各种外部设备之间的联系渠道。声卡并行接口

串行接口鼠标和键盘PS/2接口

网卡接口音频接口USB接口USB接口并行接口网卡显卡

微型机的结构组成外

设外存设备〔外存储器、辅存存储器〕：软盘、硬盘、光盘输入设备：键盘、鼠标、扫描仪输出设备：显示器、打印机、绘图仪输入输出设备：触摸屏其他设备：主板、机箱、电源、接口适配器外存储器用来长期存储程序和数据。不与CPU直打交道。存储容量大，存取速度慢。软盘：软盘是一块涂有磁性材料的塑料圆片，使用时需要相应的驱动器。硬盘：磁盘片和磁盘驱动器是一体。光盘：有机玻璃制成的薄圆片，使用时需要相应的驱动器。优盘：也叫闪盘、U盘，目前也以它的高存取速度和大容量代替了软盘。1、磁盘控制器：又称控制卡，控制驱动器的读写操作2、磁盘驱动器：其中的重要部件(读/写电路)是典型的输入输出设备3、盘片：信息的存储介质磁盘存储器:磁盘控制器、磁盘驱动器和盘片组成硬盘HardDisk光盘驱动器〔光驱〕用于读取光盘中的数据目前使用的光盘有3种类型：只读光盘〔CD-ROM〕一次写入型光盘(CD-WO)可改写光盘(CD-MO)光盘CompactDiskU盘U盘是USB〔UniversalSerialBus通用串行总线〕盘的简称，而优盘只是U盘的谐音称呼。它是闪存的一种，因此也叫闪盘。最大的特点就是：体积小、容量大、价格低、寿命长，是目前最常用的可移动存储设备之一。第一代：USB1.0的最大传输速率为12MBPS,1996年推出第二代：USB2.0的最大传输速率高达480MBPS第三代：USB3.0的理论传输速率达5-25GBPS软件〔software〕：计算机系统中的程序、数据及有关文档的集合。程序：完成特定任务所需要的指令序列。文档：为便于理解程序的结构、原理及操作使用所必需的说明性资料。2.2计算机软件系统

根据软件的功能和面向的工作对象，软件系统可分为系统软件、应用软件。2.2.1系统软件

１、概念：支持用户管理和使用计算机资源的程序。２、包括：操作系统，语言处理程序，数据库管理系统，各种语言程序，诊断程序，工具软件。

系

统

软

件

语言处理程序——将高级语言源程序翻译成机器语言目标程序的程序数据库管理系统DBMS——建立、访问和维护数据库的一种软件工具软件——软件开发过程中所使用的一些工具软件，如EDIT、LINK、DEBUG等操作系统——控制和管理软硬件系统资源；提供用户与计算机之间的接口(1)操作系统定义：操作系统是位于硬件层之上，所有其它软件层之下的一个系统软件，是管理系统中各种软件和硬件资源，使其得以充分利用，方便用户使用计算机系统的程序集合，是用户和计算机之间的接口。单用户单任务操作系统(DOS)常用操作系统多任务操作系统〔Windows和UNIX〕网络操作系统〔WindowsNT和Netware〕裸机操作系统系统服务程序网络软件数据库管理系统语言处理程序应用程序(2)程序设计语言和语言处理程序用户和计算机进行交流的“语言〞就是计算机语言,即我们经常说的程序设计语言。计算机语言按开展过程分：机器语言、汇编语言、高级语言。虽然目前存在各种计算机语言，但是计算机唯一能够读的懂的语言只有机器语言。高级语言源程序机器语言目标代码链接

执行高级语言源程序执行II>解释方式：是通过解释程序对高级语言源程序进行逐句解释，解释一句就执行一句，这种翻译方式不产生机器语言目标代码。解释程序高级语言的两种翻译：编译方式和解释方式。I>编译方式：是将高级语言源程序通过编译程序翻译成机器语言目标代码。编译程序(3)数据库管理软件系统：DBMS〔DataBaseManagementSystem〕作用：管理数据库，是有效的进行数据存储、共享和处理的工具。常用数据库管理系统：Sybase、Oracle、SQLServer、VisualFoxPro、DB2、Access……注意：数据库管理系统属于系统软件，例如VisualFoxPro；但由它所开发出来的各类数据库管理软件那么属于应用软件，如某学校的学籍管理系统、图书管理系统、某企业的人事管理系统。2.2.2应用软件应用软件：为解决某种专门问题而设计的软件。包括：应用程序库〔数值计算与统计分析的应用程序〕、软件包〔针对某种实际用途而设计应用程序，如AutoCAD〕、套装软件〔MicrosoftOffice〕面向问题的应用软件、用户自己编制的程序等。

应

用

软

件

软件包——针对某种实际用途而设计应用程序，例如AutoCAD套装软件——例如MicrosoftOffice，包括Word、Excel、PowerPoint等用户自行开发的软件——自己设计的程序计算机系统组成图解:内存储器输入设备输出设备

应用软件外存储器操作系统语言处理程序工具软件运算器控制器随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)主机(主板)外部设备系统软件中央处理器(CPU)计算机系统硬件系统软件系统各种应用软件包面向问题的应用软件应用开发的各种软件软盘硬盘光盘闪存数据库管理系统２.3工作原理2.3.1指令系统

指令：能被计算机直接识别与执行的，指示计算机进行操作的某种命令。完整的机器指令由操作码和操作数组成。2.3.2计算机工作原理存储程序、程序控制、二进制2.3.3信息交换方式接口、总线(BUS)指令

指令:是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。

机器指令格式

操作码

地址码

机器执行什么操作参与操作的数据在存储器中的存放位置读取指令分析指令执行指令

机器指令:是计算机唯一能够直接识别并执行的语言即机器语言。

微型机的体系结构中央处理器外部设备

接口电路I/O设备辅存地址总线AB控制总线CB数据总线DB主存总线--是连接各部件的公共信息通道DataBus位数与机器字长一致8位、16位或32位等AddressBus20位、24位或32位等

C

P

U

主

存

或

外

设

接

口ControlBusREADWRITEBUSYREADY位数决定存储器最大容量1、1个CPU的寻址能力为8KB，那么它的地址总线宽度为多少？CPU的寻址范围是多少？2、一个64K*32位的存储器，其地址总线和数据线的总和为多少条？8K=2^13所以地址总线为13根

即地址总线宽度为13位那么CPU的寻址范围就是〔一般用16进制表示，即0000H-1FFFH〕64K=2^16所以地址总线为16根

32位就是数据总线的宽度那么地址和数据总线的和就是16+32=48位

定义：在系统总线和I/O设备之间传输信号，提供缓冲作用，以满足接口两边的时序和匹配要求。接口接口是主机与外设相互连接的局部，是外设与cpu进行数据交换协调及转换的电路。接口的功能：〔1〕信号电平转〔2〕数据格式转换〔并、串〕〔3〕速度匹配〔4〕对外设的控件与检测〔5〕产生中断请求〔6〕DMA请求〔7〕寻址功能〔8〕可编程功能和错误检测功能接口类型：串行、并行、USBIDE/ATA〔电子集成驱动器/IDE的技术标准族〕SCSI〔小型号计算机系统接口：硬盘、光驱等〕IEEE1394〔苹果公司开发的串行标准，火线接口〕总线定义：是连