四川工商学院《计算机基础Ⅱ》课件-第3章计算机硬件

第3章计算机硬件四川工商学院《计算机基础》内容摘要1.计算机硬件系统2.嵌入式系统与DSP计算机硬件系统构成计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成运算器主要由算术逻辑单元ALU和通用寄存器组成，主要用于完成算术运算和逻辑运算。控制器是整个计算机的控制中心。它的主要功能是周而复始地取指令、分析指令再根据指令功能向其它部件发出控制信号以执行指令。

计算机硬件系统构成续运算器和控制器合起来称为中央处理器CPU或微处理器存储器主要用于存储计算机的程序和数据，又分为内存和外存内存和CPU合起来称为主机I/O设备与外存统称为外部设备，简称外设。外设必须经过接口中转后才能和CPU通信系统总线将CPU、内存、各种接口相连接，是这些部件之间的公共信息通路。单总线硬件结构图CPU构成CPU，也称为中央处理器，是计算机系统的指挥控制核心

由运算器和控制器组成

计算机其它部件都受CPU控制运算器主要由算术逻辑单元、通用寄存器以及专用寄存器组成主要功能是在控制器的指挥下，进行算术运算和逻辑运算算术逻辑单元（ALU）是运算器中实现算术运算和逻辑运算的电路通用寄存器是运算器中的数据暂存器专用寄存器包括：数据缓冲寄存器（DR），程序状态字（PSW）等控制器由程序计数器、地址寄存器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，是整个计算机的控制核心。程序计数器（PC）地址寄存器（AR）指令寄存器（IR）指令译码器(ID)时序产生器操作控制器控制器续功能：指挥计算机的各个部件协调一致地自动运行。具体包括：程序控制：按照程序规定的顺序执行，指令的相互顺序不能任意颠倒操作控制：产生实现每条指令功能所需的操作信号时间控制：每种操作信号都有严格的时间先后顺序和时间长短规定

存储器是计算机中的记忆部件程序、数据、中间结果都以二进制形式存在于各种存储器中一个存储元只能存储一个二进制位，即一个“0”或者“1”，一般以bit为单位8位存储元组成的单位叫做一个字节（Byte）1Byte=1B=8bit1KB=1024B=210Byte1MB=1024KB=220Byte1GB=1024MB=230Byte1TB=1024GB=240Byte存储器续每个存储单元在整个存储中的位置都有一个编号,这个编号称为该存储单元的地址一个存储器中所有存储单元的总数量称为它的存储容量存储器续从一个存储单元读出或写入数据的时间称为读写时间，两次CPU对存储器读/写操作之间的最小间隔称为存取周期存储器和CPU最主要的连接线有地址线、数据线和控制线地址线用于从CPU向存储器发送读写地址数据线用于在CPU和存储器之间传输数据控制线用于指明对存储器的操作性质存储器分类按存储介质分类：磁介质存储器、半导体存储器和光介质存储器按存取方法分类：随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两类按存储原理分类：动态存储器（DRAM）和静态存储器（SRAM）两类根据在计算机中所处位置和作用的不同可以分为内存、外存和缓冲存储器等Cache结构图Cache主要由Cache存储器和Cache控制器两部分组成若在m次内存访问中有n次数据在Cache中找到，则我们称该Cache的命中率为n/m容量越大，命中率越接近1虚拟存储器

虚拟存储器简称为虚存，主要解决内存容量不够大的问题处于存储器层次结构的“主存-辅存”层次利用程序局部性原理使虚存容量达到辅存的容量，访问速度接近主存的速度，平均位成本接近辅存的成本由硬件和操作系统自动实现存储信息调度和管理的以页（512字节到几K容量）为单位进行调入调出存储器层次结构解决计算机存储器容量、价格、成本之间的矛盾。主要包括高速缓冲存储器Cache、内部存储器、外部存储器三层各层之间的信息流动由辅助硬件或操作系统自动完成。可以提高计算机的性能价格比，在速度方面接近最高级存储器，在容量和价格方面接近最底层存储器存储器层次结构续外部设备大部分是机械、光电等低速设备，无法直接和CPU通信采用接口电路做外部设备和CPU之间的中转站，每个接口里都有少量可供CPU读写的寄存器，称之为端口（Port）CPU通过对接口中的端口读写数据实现对外部设备的间接控制主要包括输入设备、输出设备、外部存储器、网络通信设备、工业控制设备等键盘与鼠标键盘：向计算机输入各种数据和命令。按工作原理分为机械式和电容式，按接口形式分为PS/2口和USB接口

鼠标：手持式坐标定位部件，用于向计算机发送操作命令。按工作原理分为机械式和光电式，按接口形式可分为COM口、PS/2口和USB接口

显示器显示器：将计算机中的数据以人可理解的方法显示出来显示器按显示内容可分为字符显示器、图形显示器和图像显示器。按工作原理可分为CRT显示器、LCD显示器、等离子显示器等。显示器的分辨率是指图形显示器中像素点的个数或者字符显示器中字符窗口的个数打印机

使用最广泛的硬拷贝输出设备

打印机按控制方式分为串行打印机和并行打印机按接口形式分为并口打印机和USB口打印机按工作原理分为针式打印机、喷墨打印机和激光打印机

硬盘使用最广泛的磁表面存储器，属于辅存主要用于长期存储操作系统以及应用程序，断电信息也不丢失，采用温彻斯特技术可靠性好、存储容量大、存储速度快硬盘由多个盘片组成，每个盘面都有一个磁头。每个盘面由许多称为磁道的同心圆组成，所有盘面上的相同编号的同心圆就组成许多圆柱面。每个磁道又由多个扇区组成。

硬盘续计算机通常以扇区为单位对硬盘进行读写，一个扇区的大小为512字节到几K字节硬盘容量=磁面数(磁头数)×柱面数(每面磁道数)×每磁道扇区数×每扇区字节数使用前需要格式化（Format），包括低级格式化和高级格式化常用的技术指标有存储容量、转速以及数据传输率可分为IDE（或ATA、PATA）硬盘、SATA硬盘、SCSI硬盘光盘

利用光学反射原理读写信息的外部存储器

由光盘片和光盘驱动器组成

容量大、速度快、不易受干扰、价格便宜按照物理格式分为CD和DVD按照读写限制可分为只读型、写一次型和可多次读写光盘按接口形式有：ATA、SATA、SCSI

总线

计算机系统内部多个模块之间的一组公共传输通道数据、地址和控制信息都经由总线传送在计算机中通常表现为主板上的一组并行信号线地址总线（AB），用来传送地址信息，n根地址总线可以访问的地址空间是2n数据总线（DB），用于传送数据信息，数据总线的根数决定了通过该总线一次可以传送的信息量控制总线（CB），用于在主控设备和被控设备之间传送控制信号：中断、DMA、时钟、复位、握手信号等

总线分类片内总线是CPU内部多个功能部件的数据传输通路系统总线又称为内总线，是计算机系统中各接口电路板和主存之间的信息通路，如ISA、EISA、PCI等通信总线也称为外总线，是计算机与计算机之间或者计算机与其它通信设备之间的连接线，如：RS232、RS485、USB、CAN总线等局部总线，也称为处理器总线，是为了提高系统数据传输率而设计的专用总线

常用总线标准ISA

EISA

PCI

AGP

USB

RS-232RS-485接口各种外部设备是通过接口电路连接到计算机系统中，CPU是通过控制接口电路间接实现对外部设备控制主要功能：信息变换

速度协调

中断处理电平转换信号放大

接口工作原理接口中可供CPU读写操作的寄存器叫做端口，这些寄存器的地址称为端口地址

通常包括数据端口、状态端口和控制端口

常见外设接口

并行接口：适合于高速、短距离通信，有EPP和ECP两种串行接口：通信距离远，抗干扰距，连线成本低，布线容易，波特率表示串行通信中每秒传输的二进制位数硬盘接口：连接硬盘，包括IDE（ATA）、SATA、SCSI等网络接口：也称网卡（NIC）或网络适配器，每个网卡都有全球唯一的网卡物理地址（MAC地址）常见外设接口续显示器接口：也称为显卡或显示适配器，用于将显示器连计算机系统中。声卡接口：也称音频卡，是计算机中处理音频信号和接口硬件。用于连接麦克风、音箱等声音设备USB接口：常用于连接键盘、鼠标、U盘、移动硬盘、数字摄像机、扫描仪、打印机等外设计算机系统分类

根据应用范围可分为通用计算机和专用计算机通用计算机应用范围广、通用性强、操作容易，是人们经常使用的计算机系统专用计算机是为解决特定问题而开发的计算机系统，使用面窄根据计算机的规模可分为巨型机、大型机、小型机、微型机、单片机计算机常用性能指标主频：即CPU的时钟频率，决定计算机的运算速度，常用单位为MHZ，GHZ字长：决定了计算机的运算精度和存储单元数据位数运算速度：表示计算机每秒可以运行的指令条数，通常用MIPS做单位存储容量：表示计算机以字为单位的存储单元总数计算机常用性能指标续内存寻址空间：表示计算机中最大可配置的内存容量，系统总线中地址总线的根数有关。存储周期：表示CPU对存储器两次连续访问的最短时间，用于衡量存储器的操作速度总线带宽:表示总线每秒可以传输的数据信息总量，常用单位是MB/S

嵌入式系统

嵌入式系统（EmbeddedSystem）是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应于对系统功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统软件与硬件集成于一体广泛应用于工业控制、信息家电、通信设备、医疗仪器、智能仪表、军事设备等领域。

嵌入式系统基本组成

由硬件部分和软件部分组成硬件部分主要包括嵌入式微处理器、程序存储器、数据存储器、时钟电路、电源电路、定时器、中断、异步通用串行口（UART）、通信电路、A/D、D/A、I/O等通用接口电路软件部分包括硬件抽象层HAL、嵌入式操作系统层和应用程序层嵌入式软件结构哈佛体系结构

哈佛结构是一种将程序存储器和数据存储器分开的存储器结构，两者独立编址哈佛结构的微处理器通常具有较高的访存速度和执行效率大多数单片机和嵌入式系统采用哈佛结构嵌入式系统的特点

软件硬件集成于一体软件硬件可按用户要求裁剪订制专用性强实时性好可靠性高功耗低代码量小，软件固化嵌入式系统的应用领域

信息家电、无线通信设备工业控制

环境监测军事国防智能调度管理系统智能机器人汽车电子、医疗仪器、网络设备DSP简介DSP是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的专用微处理器

软件可编程