计算机硬件系统与信息存储课件

计算机硬件系统与信息存储

计算机系统的基本构成中央处理器一般也称为CPU，是计算机的核心，具有运算能力和控制功能。

计算机由CPU、内存储器、输入输出接口电路和系统总线构成，通常称为计算机主机。计算机系统是以计算机为主体，并配上外设和系统软件之后构成的软硬件系统。

我们通常所说的“计算机”，其准确的名称应该是计算机系统。计算机硬件系统计算机硬件系统是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。目前的计算机硬件系统采用的仍是计算机的经典结构——冯·诺依曼结构，即采用总线结构将运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件连接起来。其中，运算器和控制器构成了计算机的核心部件——中央处理器（CenterProcessUnit，简称CPU）。数据流控制流各部分的功能：运算器：算术运算或逻辑运算控制器：取指令、译码、执行指令存储器：保存信息内存：ROM(只读存储器)RAM(随机存储器，断电后信息全部丢失)外存：磁盘(软盘、硬盘)、光盘、磁带输入设备：输入数据(键盘、鼠标、扫描仪、光笔等)输出设备：输出数据(显示器、打印机、绘图仪等)计算机软件系统软件系统由计算机程序、数据和有关的技术资料组成。程序是指挥计算机工作的步骤；技术资料包括软件和硬件的技术说明、使用方法和操作手册等文档。软件是计算机的“灵魂”。“裸机”是只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为，裸机几乎是不能工作的。

系统软件：操作系统语言处理程序数据库管理系统支持软件应用软件：程序库软件包套装软件用户开发的系统软件系统系统软件应用软件操作系统是系统软件中最重要的部分，功能是对计算机系统的全部硬件和软件资源进行统一管理、统一调度、统一分配。操作系统为用户提供了一个操作方便的环境，是用户与计算机的接口，同时又是用户进行软件开发的基础，其他的系统软件和应用软件必须在操作系统的支持下才能合理调度工作流程，正常的工作。计算机的基本工作原理

存储程序工作原理(存储程序、程序控制)计算机系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备组成，并规定了他们的功能程序和数据在计算机中用二进制数表示计算机的工作过程是由存储程序控制的1949EDSACJohnvonNeumann冯

诺依曼美籍匈牙利数学家指令和程序

指令是对计算机进行程序控制的最小单位，一个CPU能够执行的所有指令的集合称为该CPU的指令系统。程序是人们为解决某项任务而编写的指令的有序集合。指令的不同组合方式，可以构成完成不同任务的程序。指令格式

操作码

地址码

执行什么操作数据在存储器中的存放位置计算机的工作过程计算机的工作过程就是执行程序的过程。

在运行程序之前，首先通过输入设备将编好的程序和原始数据输送到计算机内存储器中，然后按照指令的顺序，依次执行指令。执行一条指令的过程是：读取指令：从内存储器中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的操作执行指令：CPU向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作微型机主机的逻辑结构内存，又称主存，是微型机主机的组成部分，存放当前正在使用或随时要使用的程序和数据，是CPU可以直接访问的存储器。CPU控制器运算器寄存器微处理器是计算机硬件系统的核心部件，负责控制和协调整个计算机系统的工作Cache计算机后面板I/O接口

主机与外设之间不能直接进行信息交换，必须通过I/O接口才能完成信息传送。I/O接口所起的作用是：数据缓冲。解决高速主机与低速外设间的矛盾信号格式配合。处理外设与CPU之间不同的信息格式，如A/D、D/A转换，串/并、并/串转换电平和驱动能力配合。使外设和主机的信号电平一致，并提高CPU信号的驱动能力时序配合。使主机与外设协调工作设备选择。每台外设都有设备地址微型计算机概述主要性能指标：字长、主频、内存容量、运算速度分类：按组成结构分单片机、单板机、多板机按用途分台式、便携式、手持式发展方向：高速化P4主频达3.40GHz超小型化笔记本电脑多媒体化多媒体处理器网络化网络计算机隐形化电视或影音计算机计算机的总线总线是计算机传输指令、数据和地址的通道，是计算机各部件联系的纽带。按照传送信息的类型，总线分为：数据总线(用于传送数据,位数等于机器字长)、地址总线(用来传送存储单元或输入输出接口的地址信号，位数决定存储器的最大容量,如24位总线的寻址数为224=16M个地址

)、控制总线(传送控制器的各种控制信号

)。按照总线在计算机中的位置可以分为内部总线和外部总线。

微机的结构示意图ISA总线：工业标准总线，16位，8MHz，数据传输率8Mb/s，寻址空间1MB，常用于80286至80486微处理器PCI总线：外部设备互联总线，Intel公司1991年推出，32或64位，33MHz，数据传输率133Mb/s，常用于Pentium微处理器AGP是Intel公司推出的新一代图形显示卡专用总线，AGP显示卡同主板芯片组直接相连，大幅提高了电脑对3D图形的显示能力，32位，66.6MHz，其视频信号的传送速率可以从PCI总线的133MB/s提高到266MB/s、533MB/s、1.064GB/s和2.128GB/s。微型机主机的物理构成

微型计算机的主机板CPU插座内存条插槽串行接口AGP扩展槽PCI扩展槽北桥芯片南桥芯片北桥芯片提供对CPU、内存、AGP显卡等高速部件的支持以及与PCI总线的桥接；南桥芯片提供对键盘接口、鼠标接口、实时时钟控制器、串行口、并行口、USB接口及磁盘驱动器接口的支持，以及与ISA总线的桥接。BIOS是一组有关微机系统最重要的基本输入输出程序，固化在微机主板上的一个ROM芯片中。BIOS功能主要有：上电自检。微机接通电源后，系统首先由POST程序来对内部各个设备进行检查。系统初始化(含可编程接口芯片的初始化)，设置BIOS中包含的中断服务程序的中断矢量启动自举程序。将操作系统中的初始引导程序装入内存，并由引导程序来完成操作系统的顺利启动。BIOS系统设置程序。存储容量1B(字节)=8个二进位1K=1024B1M=1024KB1G=1024MB1T=1024GB

Byte(字节):由8个二进位构成，如：10010101机器字：作为一个整体被传送和运算的一串二进制数。其位数称为机器字长。地址：内存由许多存储单元组成，为区分它们而对每个存储单元都给予一个编号，这个编号就是存储单元的地址。(字节地址、字地址)存储容量:存储器中存储单元的总数。输入/输出系统输入/输出系统是除CPU和内存储器之外的其他部分，他提供了处理器和外部设备进行信息交换的各种手段。输入/输出系统由三个部分构成：输入/输出接口、输入/输出软件、输入/输出设备。CPU与外围设备传送信息的控制方式：程序查询方式。当CPU查询到外部设备作好准备时进行数据传送。

中断控制方式。当中断发生时，CPU暂停现行程序转向中断处理程序，输入或输出一个数据。

直接存储器存取(DMA)方式。DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，直接在内存和外设之间进行高速数据传送内外存储器比较外存也称辅存，用来存放一些暂时不用而又需长期保存的程序或数据。外存上的程序和数据以文件的形式存储。当需要执行外存中的程序或处理外存中的数据时，必须通过CPU输入／输出指令，将其调入RAM中才能被CPU执行处理。外部存储器访问速度慢容量很大永久性价格低存储器是计算机的记忆装置内存又称主存，分为ROM和RAM，用于存放当前正在使用的或随时要使用的程序或数据。CPU可以直接访问内存。内存由半导体存储器组成，存取速度较快。内存中每个单元可存放一个字节(8位二进数)只读存储器ROM，只能读出而不能写入数据随机存储器RAM，它是一种读写存储器

我记住了内部存储器访问速度快

容量较小

暂时性价格高主存或内存辅存或外存可直接与CPU交换信息软盘是在聚酯塑料盘片上涂一层很薄的磁性材料，通过磁性材料的磁化方向来存储数据1和0。常用的软盘都是3.5英寸的，简称3寸盘。软盘存储器标签3.5英寸写保护读写口软盘在使用之前必须要先格式化软盘格式化后将软盘分为四个区域：引导扇区：用于存放系统的自引导程序，为系统启动和存放磁盘参数而设置。文件分配表：用于描述文件在磁盘上的存放位置及整个磁盘扇区的使用情况。

文件目录表：存放软盘根目录下所有文件名和子目录名、文件属性、文件在磁盘上存放的起始位置、文件长度、文件建立或修改的日期和时间等信息。数据区：用于存放用户文件。

磁道与扇区的划分磁道磁道：以轴孔为中心的同心圆。０磁道中存有引导记录和文件分配表(FAT)等信息扇区扇区：每一扇区规定存储512字节磁盘容量＝面数

磁道数/面

扇区数/磁道

字节数/扇区

＝2

80

18

512（字节）

＝1474560(Bytes)

1024

＝1440(KB)＝1.44(MB)软盘驱动器转速为300rpm－360rpm

硬盘存储器硬盘存储器是微机系统配置中必不可少的外存硬盘存储器分固定式和可移动式两种硬盘的存储容量很大，一般在40GB～200GB之间。存取速度高，一般有5400rpm、7200rpm硬盘是在非磁性的合金材料基片上涂上一层很薄的磁性材料，通过磁性材料来存储信息硬盘容量＝磁头数×柱面数×扇区数×字节数/扇区柱面是各个盘面上相同大小的同心圆

硬盘驱动器及内部结构光盘存储器包括光盘驱动器、光盘控制器和光盘。光盘驱动器是一个结合光学、机械及电子技术的产品。制定CD-ROM标准时，把150KB/s定为标准传输率,32倍速光驱的传输率为150×32=4,800KB/s光盘是按轨道的方式存储,光盘轨道则是一条从中心开始的渐开线光盘通常分为只读光盘、一次性刻录光盘、可擦写光盘、DVD四种移动存储器优盘又称闪存盘(FlashDisk)，通过通用串行总线接口(USB)与主机相连，可热插拔，读写文件、格式化等操作与软、硬盘操作一样。存储容量一般在16MB-1GB之间。

可移动硬盘与主机内的硬盘相比具有较强的抗震性，目前的USB硬盘容量一般在10GB-80GB之间。可移动硬盘的使用方法与优盘一样。MP3播放器也具有优盘的功能

输入设备键盘，微机用户普遍采用的是104键的键盘，接口主要有PS/2和USB鼠标，常用输入设备，通过移动鼠标可以快速定位屏幕上的对象，是计算机图形界面必备的外设之一分为机械式、光机式和光电式三大类

有COM、PS/2、USB三类接口扫描仪，将静态图像输入到计算机的图像采集设备触摸屏，是点式输入设备光笔，一种图像输入设备游戏操作杆，控制游戏程序运行的输入设备输出设备显示器，是人机对话或对生产过程控制进行监控的主要输出设备。分阴极射线管显示器CRT和液晶显示器LCD显示屏幕有14英寸、15英寸、17英寸和20英寸等显示卡有MDA、CGA、EGA、VGA、SVGA显示器主要指标像素和分辨率点距显示面积扫描频率带宽显示器的色温打印机，打印各种文档、程序、图形、图像等

通常通过并行接口与主机相连接常用的有针式机、喷墨和激光打印机等用于高级印刷的有热升华打印机、热蜡打印机等打印机主要指标分辨率打印速度打印幅面打印缓冲存储器

其它外部设备声音卡，是多媒体计算机中处理声音的接口卡，可把声音变成数字信号并以文件形式存盘，还可以把数字信号还原成为真实的声音输出。视频卡，是多媒体计算机中处理活动图像的适配器，其功能是将视频信号数字化。

网络接口卡，简称网卡。为计算机之间相互通信提供一条物理通道，并通过这条通道进行高速数据传输调制解调器（Modem）是拨号上网必不可少的外部设备。可实现数字信号与的转换。

设备驱动程序，是对连接到计算机系统的设备进行控制驱动，使操作系统能更好的管理和使用计算机硬件的程序。常见的需要用户自己安装的驱动程序有：显卡驱动程序、声卡驱动程序、网卡驱动程序、MODEM驱动程序、打印机驱动程序、USB设备驱动程序等。

即插即用(PlugandPlay)

，是一项用于自动处理PC机硬件设备安装的工业标准。PnP系统包含：PnP的BIOS、PnP操作系统、PnP硬件、PnP设备驱动程序。设备驱动程序的安装顺序是：主板驱动程序→显卡驱动程序→声卡驱动程序→其他设备驱动程序

进位计数制的特点计数制：十进制、二进制、八进制、十六进制、六十进制等进制

数符个数进位值十进制0～9,

10个10二进制0和1,2个2八进制0～7,8个8十六进制0～9及A～F,16个16R进制R个R逢

Ｒ

进１,

借

１当Ｒ二进制十进制计数：十个数符、位权10i

逢十进一、借一当十二进制计数：二个数符、位权2i

逢二进一、借一当二128瓦32瓦64瓦16瓦8瓦4瓦1瓦2瓦11111000一位二进制数只需一个具有两个稳定状态的器件四则运算简单，运算电路也简单；运行可靠位权值W１０１０Ｂ21202223１４３

Q818082０６３

H161160162１９９９D101100102103ＸＸＸＸ.ＸＸＸＸ(Ｒ)W=Rn--1W=R

--m任意相邻两位Ｗ的比值为Ｒ一个数的每个位置都有一个位权值，如：R进制转十进制—按权展开十进制

99=9×101+9×100二进制

01100011=0×27+1×26+1×25

+0×24+0×23+0×22

+1×21+1×20=99八进制

143=1×82+4×81+3×80=99十六进制

63=6×161+3×160=9901100011B=143Q=63H=99D十进制数转换为Ｒ进制数352171814020101

0最高位最低位(35)10=(100011)2整数部分转换例：将十进制数35.625转换为二进制数22222余数(.625)10=(.101)20.625×21.250×20.500×21.000小数部分转换(35.625)10=(100011.101)2整数除2取余乘2取整二、八、十六进制间的转换０１０１０１１０１●１０１B

＝2５５

●

５

Q

二进制1位扩3位八进制3位并1位1位扩4位十六进制4位并1位１０１０１１０１●１０１０

B

＝ＡＤ

●

Ａ

H进制转换表十0123456789二0000000100100011010001010110011110001001八

00000001001000110100010101100111十

0000000100100011010001010110011110001001六

101010111100110111101111

ABCDEF二进制数的运算减法：0﹣0=01﹣0=11﹣1=010﹣1=1乘法：0×0=00×1=01×0=01×1=1除法：0÷1=01÷1=1加法：0+0=00+1=11+0=11+1=10“与”运算（AND）ABAandB000010100111ABAandB开关合上为1，断开为0当A、B开关都合上时灯才亮ABAorB数值数据在计算机中的表示数据是计算机处理的对象，是信息的载体，或称为编码了的信息。信息是有意义的数据的内容。计算机要处理的信息除了数值信息以外，还有字符、图像、视频和音频等非数值信息。计算机只能识别和存储两个数字“0”和“1”。编码就是将各类信息转换成“0”和“1”表示的代码的过程。定点数：小数点在数据中的位置固定不变。固定小数点的位置有以下两种：定点小数

-０.９９＝１１１１１１１１默认小数点在符号位之后定点整数

-９９＝１１１０００１１

小数点在最低位之后浮点数：小数点在数据中的位置是可变的。阶码为整数，反映数的大小；

尾数为纯小数，反映数的精度，必须规格化；基数R=2是隐含的。

15

14——12

11

10————————————0阶符

阶码数符尾数位（ｂｉｔ）号任意的二进制数

N＝２±ｉ×(±Ｓ)基数尾数阶码数符阶符原码、反码、补码

机器数

+99０１１０００１１

-99１１１０００１１数的真值

±９９Ｄ＝±１１０００１１Ｂ特点：1.用二进制表示；

2.正负号数值化：０——＋；１——－;

3.规定小数点的位置；

4.表示的数值范围总是有限的。在计算机中使用的、连同符号一起数码化的数称为机器数，而它真正表示的数值叫真值。

［正数］原

＝［正数］反

＝［正数］补反码:

把负数的原码除符号位之外的各位按位取反补码:先求负数的反码,再把反码的最低位加1[X]原＝11011011

[X]反＝10100100

[X]补＝10100101一字节(8bit)原码表示的整数范围是－127～+127原码：数值化的符号位加上数的绝对值，如

X=+9