计算机体系结构

1、第三章 计算机体系结构,硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或设备，或由它们组成的计算机部件或整个计算机硬件系统。 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等多种结构形式，其硬件主要包括: 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。 计算机体系结构指的是构成计算机系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。,本章主要内容,一、计算机系统的硬件结构 1 现代计算机结构的特点 计算机硬件的典型结构 微型计算机常见总线标准 二、计算机系统的硬件组成 1 中央处理器 2 存储器 3 输入/

2、输出设备 4 主机板 三、计算机的主要技术指标,一、计算机系统的硬件结构,计算机系统包括大型计算机、中小型计算机、微型计算机等各种不同的硬件结构，不同种类的计算机硬件结构具有不同的硬件体系和结构特点，本节简要介绍不同计算机的硬件结构。 3.1.1 现代计算机结构的特点 3.1.2 计算机硬件的典型结构 3.1.3 微型计算机常见总线标准,3.1.1 现代计算机结构的特点,现代计算机的结构以存储器为中心。,图3-1所示结构的计算机，其工作步骤为：首先输入设备在控制器的控制下将原始数据和计算步骤输入存储器，其次控制器从存储器读出计算步骤(指令系列)，然后控制器控制运算器和存储器依次执行每一个计算步

3、骤(指令)，最后，控制器控制输出设备以各种方式从存储器输出计算结果。,与冯诺依曼型计算机结构样，图3-1所示结构的计算机也由5大部件组成。 其中，控制器（简称CU）和运算器 (又称算术逻辑单元，简称ALU)在计算机中直接完成信息处理的任务，合称中央处理器(简称CPU)，输入设备和输出设备合称输入/输出设备(简称I/O设备)，加上主存储器(简称MM)构成现代计算机3大部分。 中央处理器和主存储器构成了计算机主体，称为主机；相对地又把I/O设备称作外围设备或外部设备，简称外设。 于是，计算机又被看成是由主机和外设两大部分组成。但无论怎样划分，计算机的5大部件始终是相对独立的子系统，缺一不可。,3.

4、1.2 计算机硬件的典型结构,计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通道结构，它们是各种大、中、小、微型计算机的典型结构体系。 1总线 所谓总线，就是CPU、内存储器和I/O接口之间相互交换信息的公共通路，各部件通过总线连成一个整体。所有的外围设备也通过总线与计算机相连。按传送信息的类别，总线可以分为三种：地址总线（Address Bus 缩写为AB）、数据总线（Data Bus 缩写为DB）和控制总线（Control Bus 缩写为CB）。地址总线传送存储器和外围设备的地址，数据总线传送数据，控制总线则是管理协调各部分的工作,图3-2所示。,2微型机的一般结构 图3-3是微型计算机的一

5、般结构图，尽管把总线按信息类型分成了地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB，但仍然属于单总线结构。,图中将存储器分成两类芯片，只读存储器ROM中固定存放一些系统程序（如监控程序等），随机存储器RAM用于存储用户程序和一些需要调入调出的系统程序。I/O接口芯片可以是若干块，各种I/O设备要通过I/O接口与总线相连。,3小型机的总线型结构 （1）单总线结构 图3-4是单总线的计算机系统。中央处理器、主存储器和I/O设备（通过I/O接口）以同等地位连接到系统总线上。CPU与主存储器、主存储器与I/O设备、CPU与I/O设备、I/O设备之间均可以通过系统总线交换信息。,这种结构的优点是各种I/O设备

6、的寄存器和主存储器的存储单元可以统一编址，CPU可以通过统一的传送指令像访问主存储单元一样地访问I/O设备。既便于控制，又易于扩充系统需要添置的I/O设备；当I/O设备与主存储器交换信息时，CPU还可以继续处理默认的不需要访问主存储器或I/O设备的工作。缺点是同一时刻只允许连接到单总线上的某一对设备之间相互传递信息，限制了信息传送的吞吐量(或称速率)。此外，单总线控制逻辑比专用的存储总线控制逻辑更为复杂，CPU通过单总线向主存储器存取信息要比通过存储总线存取稍慢些。这种结构广泛用在小型计算机和微型计算机中。,3小型机的总线型结构 （2）CPU为中心的双总线结构 图3-5是以CPU为中心的双总线

7、结构，连接CPU和主存储器的是存储总线，CPU通过该总线从主存储器中取出指令和数据，并把处理结果经该总线送回主存储器。CPU与I/O设备交换信息的通路叫输入/输出总线(IO总线)，各种I/O设备通过I/O接口连接在I/O总线上。,这种结构的优点是控制线路简单，对I/O总线的传输速率相对地可降低一些要求。缺点是I/O设备与主存储器之间交换信息一律要经过CPU，将耗费CPU大量时间，降低了CPU的工作效率。,3小型机的总线型结构 （3）以存储器为中心的双总线结构 图3-6是以存储器为中心的双总线结构。这种结构既保持了单总线结构的优点，又在CPU和主存储器之间设置了一组高速存储总线，供CPU与主存储

8、器交换信息。当主存储器通过存储总线和CPU交换信息时，主存储器还可以通过系统总线和I/O设备交换信息，而不必经过CPU控制，即减轻了系统总线的负担，又提高了传输速率。缺点是需要增加硬件。,4大、中型计算机的通道型结构 图3-7是大、中型计算机的通道型结构，分主机、通道、I/O控制器和I/O设备四级。组成大、中型计算机的目的是为了扩大系统的功能和提高系统的效率。扩大系统的功能要求配备日益增多的硬件和软件资源，提高系统的效率则强调合理地管理和调度资源。,软件资源的增多，信息存储问题就十分突出，促使由一级存储发展到多级存储，甚至在主存储器一级也采用多存储体交叉访问技术，出现了以存储系统为核心的计算机

9、系统结构。,3.1.3 微型计算机常见总线标准,计算机中总线按层次结构可分为内部总线、系统总线和外部总线。 内部总线 是计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互联，与计算机具体的硬件设计相关。(芯片组管理着CPU的连接。中断控制器、存储控制器、I/O控制器，提供一个到PCI总线的总线的接口。) 系统总线 是计算机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互联。系统总线需要遵循统一的标准，常见的系统总线标准有ISA、EISA、PCI、Future bus+、AGP等。 外部总线 则是计算机和外部设备之间的总线，计算机通过该总线和外部设备进行信息与数据交换。外部总线也遵循统一的

10、标准，常见的外部总线标准有USB、SCSI、IEEE 1394等。 在计算机的发展中，CPU的处理能力迅速提升，总线屡屡成为系统性能的瓶颈，使得人们不得不改造总线。总线技术不断更新，从PC/XT到ISA、MCA、EISA、VESA总线，发展到了PCI、AGP、USB 、IEEE 1394总线，目前还出现了EV6总线、PCIX局部总线、NGIO总线、Future bus+等新型总线。,（1）PCI总线,PCI（Peripheral Component Interconnect）总线是当前常用的总线之一，该总线是由 Intel、IBM、DEC公司所定制的一种局部总线。PCI总线与CPU之间没有直接

11、相连，而是经过桥接（Bridge）芯片组电路连接。该总线稳定性和匹配性出色，提升了CPU的工作效率，扩展槽可达3个以上。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。 PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA（视频电子标准）、ISA（接口转换装置）有极大的改善，支持突发读/写操作，最大传输速率可达132 MB/s，可同时支持多组外围设备。PCI局部总线不受制于处理器，是基于Pentium等新一代微处理器而发展的总线。现有32位和64位两种，是目前个人计算机、服务器主板广泛采用的总线。,（2）AGP总线,AGP插槽（Accelerated-Graphics-Port，加速图形

12、接口），它是为提高视频带宽而设计的总线结构。AGP总线实质上是对PCI技术标准的扩充，它提高了系统实际数据传输速率和随机访问主内存时的性能。AGP总线的首要目的是： 将纹理数据置于主内存，开通主内存到图形卡的高速传输通道，以减少图形存储器的容量。 为此，它将显示卡与主板的芯片组直接相连进行点对点传输，让影像和图形数据直接传送到显示卡而不需要经过PCI总线。但是它并不是正规总线，因为它只能和AGP显卡相连，故不具有通用性和扩展性。 AGP总线工作的频率为66 MHz，是PCI总线的一倍，并且可为视频设备提供528 MB/s的数据传输率，所以实际上就是PCI的超集。AGP 1X的总线传输率为266

13、 MB/s，工作频率为66 MHz；AGP 2X的总参传输率为532 MB/s，工作频率为133 MHz，电压为3.3V；AGP 4X的总线传输率为1.06 GB/s，工作频率为266 MHz，电压为1.5 V。,（3）SCSI接口,SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）接口是由美国国家标准协会制定的。级接口SCSI也是系统，可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连，是一种并行I/O总线，已普遍用于内，外部设备两个方面。 如硬盘驱动器、扫描仪和打印机等。采用SCSI标准的这些外设本身必须配有相应的外设控制器。总线上的主机适配器和SCSI

14、外设控制器最大为8个。SCSI可以按同步方式和异步方式传输数据。 SCSI-1在同步方式下的数据传输速率为4 MB /s，在异步方式下为 1.5 MB /s，最多可支持32个硬盘。SCSI-l接口的全部信号通过一根50线的扁平电缆传送，其中包含9条数据线及9条控制和状态信号线。其特点是操作时序简单，并具有仲裁功能。随后推出的SCSI-2标准增加了一条68线的电缆，把数据的宽度扩充为16/32位，其同步数据传送速率达到了20 MB/s。 SCSI总线上的设备没有主从之分，相互平等。启动设备和目标设备之间采用高级命令通信，不涉及外设特有的物理特性，因此使用十分方便，适应性强，便于系统集成。,（4）

15、IEEE 1394总线,IEEE 1394是一种串行接口标准，这种接口标准允许把计算机、外部设备、家电等非常简单地连接起来，的外部总线是一种连接外部设备。IEEE 1394总线的原型是运行在APPLE Mac计算机上的Fire Wire（火线），由IEEE（电气和电子工程师协会）采用并重新进行了规范。它定义了数据的传输协议及连接系统，可用较低的成本达到较高的性能，以增强计算机与外设（如硬盘、打印机、扫描仪）以及消费性电子产品（如数码摄像机、DVD播放机、视频电话）等的连接能力。 IEEE 1394总线是一种目前为止最快的高速串行总线，最高的传输速度达400 MB/s。它的支持性较好，对于各种需

16、要大量带宽的设备提供了专门的优化。IEEE 1394接口可以同时连接63个不同设备，支持带电插拔设备。 IEEE 1394也支持即插即用，现在的Windows 98、Windows 2000、Windows Me、Windows XP都对IEEE 1394支持得很好，在这些操作系统中用户不用再安装驱动程序也能使用IEEE 1394设备。,（5）USB总线,通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom七家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它和I

17、EEE 1394同样是一种连接外围设备的机外总线。从性能上看，USB总线在很多方面不如IEEE 1394，但是却拥有IEEE 1394无法比拟的价格优势，在一段时期内，它将和IEEE 1394总线并存，分别管理低速和高速外设。 优点：它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通使用串、并口的设备需要单独的供电系统。USB的最高传输率可达12 MB/s，比普通串口快100倍，比普通并口快近10倍，而且USB还能支持多媒体。 USB和IEEE 1394一样，目前都广泛地应用于计算机、摄像机、数码相机等各种信息设备上

18、，目前的普通PC都带有26个USB接口。,二、计算机系统的硬件组成,计算机系统中的硬件是由不同的硬件部件组成的，根据冯诺依曼理论我们知道计算机由5大部件组成，本节就这5大部件的结构组成和基本的工作原理进行较详细的分析。 1 中央处理器 2 存储器 3 输入/输出设备 4 主机板,1. 中央处理器,CPU (Central Processing Unit)由运算器和控制器组成，是微型计算机的核心，它的主要功能是执行程序指令，完成各种运算和控制功能。 1. 运算器：对数据进行基本的算术逻辑运算。 运算器与计算机性能：运算器的性能是衡量计算机性能的重要指标（单位：MIPS-Millions of I

19、nstructions Per Second)。 运算器与计算机字长：运算器处理数据的位数代表计算机的字长。（8位机，16位机，32位机，64位机等）。 现代计算机的运算器中有多个寄存器，称为寄存器，寄存器的设置可以减少访问存储器的次数，以提高运算器的速度。 CPU工作的四个步骤： 在CUP内部一切都按四个步骤进行 ：取数、译码、执行和存储。,CPU的性能是由什么决定的呢？ 一个CPU的性能表现的决定性因素在于CPU内核的设计。 超标量（Superscalar）CPU，就是在一个CPU中集成了多个ALU，多个FPU（Fioat Point Unit），多个译码器和多条流水线的CPU，以并行处理

20、的方式来提高性能。 刀片式CPU； 集群式； 并行处理；,2控制器,控制器是计算机的指挥中心，它使计算机各部件自动协调工作。控制器工作的实质就是解释程序，它每次从存储器读取一条指令，经过分析译码产生一串操作命令发给各个部件，控制各部件动作，使整个机器连续地、有条不紊地运行。 控制器提供指令执行所需要的控制信号，控制计算机各部分协调工作。达到执行指令的目的。 暂存当前要执行的指令。 对指令进行解释（译码）。 生成执行该执行所需的控制信号。 运算器和控制器合称为中央处理机（CPU-Central Processing Unit),控制信息的发源地是控制器。控制器产生控制信息的依据来自3个方面： 一

21、是指令，存储在指令寄存器中； 二是各部件的状态触发器，存放反映机器运行状态的有关信息； 三是时序电路，产生的各种时序信号保证整个机器协调地工作。 一台计算机的微操作序列是按照指令规定的功能，选择合适的算法并且结合计算机的结构来确定的。 总之，实际执行一个微操作序列 ，存在着时间分配、定时及同步配合的问题，即利用怎么样的时序方式来形成微操作序列的问题。这些都是时序控制逻辑所要完成的任务。,3CPU的发展过程,CPU的类型标志着微型计算机类型。就Intel CPU而言，已从8088发展到P4。除Intel公司的CPU外，还有AMD、Cyrix、TI等公司的CPU，目前较为流行的CPU是Pentiu

22、m (奔腾) CPU。 主频、总线宽度、内部缓存、外部缓存、协处理器、总线速度等参数是CPU的主要性能指标。CPU的内部结构可分为控制单元、逻辑单元和存储单元3大部分。 带宽：一个通信信道的容量就用带宽表示。在计算机中用每秒传送的位数度量。,例如，某个指令系统的指令长度为32位，操作码长度为8位，地址长度也为8位，当收到一条： 00000010 00000100 00000001 00000110的指令时，先取出前8位操作码，分析得出这是一个减法操作，有3个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地址。 CUP就到内存地址00000100处取出被减数，到 00000001处取出减数，送到ALU中

23、进行减法运算，然后把结果送00000110处。 这只是一个相当简化的例子，实际情况要复杂得多。,8086/8088 8位和16位处理器，支持20位地址总线，可以直接访问1MB存储器I/O地址。 80286 PC/XT 16位处理器，集成了125000个晶体管。 80386 32 位处理器，提供32位寄存器和32位地址、数据总线 80486 ALU和协处理器单元以64位传输数据，集成了1200000个晶体管。 Pentium 处理器32/64位，一条64位的数据总线，内部集成了3100000个晶体管。（66MHZ=66*8=528MB 带宽） Pentium II处理器 双重独立总线结构，一条总

24、线连通二级缓存，一条总线连通主要内存。 Pentium III 处理器 双重独立总线结构，一级缓存32KB，二级缓存512KB，主频速度450MHz。 Pentium IV 一级高速缓存8KB，二级缓存256KB，主频速度1.4GHz。,2 存储器,1计算机的存储体系,图3-10 典型的存储器层次结构,内存的速度用纳秒（ns）表示,2内存储器,内存储器（简称内存）位于主机内部，是主机的一部分，它能够被CPU直接访问，是相对访问速度较快的一种存储器。内存储器主要由RAM（RandomAccess Memory，随机访问存储器）和ROM（Read-Only Memory，只读存储器）构成。,当要对

25、存储器进行读写操作时，来自地址总线的信号经地址译码器译码后，选中指定的存储单元，而读写控制电路根据读写命令实施对存储器的存取操作，数据总线用于传送写入或读出内存的信息。 存储器的材料： 内存：以半导体为主 外存： 磁盘、带等磁表面存储器。 光盘由塑料等材料制成，通过光学方式读写，发展较快。 由于外存设在主机外部，因此通常归属外部设备。,地 址 译 码 器,地址总线,数据总线,读写控制电路,读写命令,内存：速度快，容量小 外设：速度慢，容量大。,ROM,ROM的信息一般由出产厂家写入，使用时通常不能改变，只能读取，不能写人，所以用来存放固定的程序。存放在ROM中的信息是永久性的，不会在断电后消失

26、。一般认为ROM是只能读取、不能擦写的，实际上也有一些ROM是可擦写的，但需要经过特殊的处理。,RAM,RAM主要用来临时存放各种需要处理的数据或信息等，而不是永久性存储信息。在计算机断电后，RAM中没有保存到硬盘或其他存储设备的数据或信息将会全部丢失。RAM又可分为静态RAM（Static RAM，SRAM）和动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）。 SRAM在通电情况下，只要不写入新的信息，存储就始终保持不变。而DRAM必须不断定时刷新，以保证所存储的信息的存在。SRAM的速度较快，但价格较高，只适宜特殊场合的使用，例如前面介绍过的Cache一般用SRAM实现。 DRAM的速度相对

27、较慢，但价格低，因此在PC机中普遍采用它做成内存条。,内存容量,微型计算机可达到的内存容量是由它的地址数决定的，8086/8088地址总线有20根，它的地址空间可达220=l MB，所以PC和PC/XT机的内存空间最大是1MB。 随着计算机技术的发展，计算机的CPU芯片从8088发展到286、386、486甚至P、P4，286和386SX有24根地址线，最大内存空间可达16MB，386和486的地址线达32根，其内存空间可达4GB，P/P/P4有36根地址线，所以内存空间可达64GB。,几种常见的微型机随机存储器,(1) SRAM 静态RAM (Static Random Access Mem

28、ory，SRAM)制造工艺与DRAM相似，只是不需要定期刷新。SRAM比DRAM要快得多，但SRAM也比较贵。 随着Pentium CPU的不断升级，对与它匹配的RAM的要求也越来越高，因此也出现了许多特殊用途的RAM，如视频RAM、高速缓存、EDO、SDRAM（同步动态随机存储器）等。,（2）SDRAM 同步动态随机存储器SDRAM (Synchronous DRAM，SDRAM)是目前Pentium机器普遍使用的内存。 该技术是将CPU和RAM通过一个相同的时钟信号锁在一起，使RAM和CPU能够共享一个时钟周期，以相同的速度同步工作，每一个时钟脉冲的上升边沿便开始传递数据，速度比EDO内存

29、提高50，从而彻底解决CPU和RAM之间的速度匹配问题。通常SDRAM比一般DRAM要贵许多。SDRAM能节省执行指行者及数据传输的时间，故可提升计算机效率。,（3）RDRAM（2000年最新存储技术） RDRAM（Rambus DRAM）是Rambus公司提出的内存标准。作为新一代高速简单内存架构，是基于一种类RISC（精简指令集计算机）的理念，这个理念就是: 通过减少每时钟周期可通过的数据来减少复杂性，再通过提高工作效率来弥补它的不足。由于RDRAM只有16位的数据传输带宽，总线结构简化，工作频率可以较高（如533 MHz），再结合一定的技术，可使数据传输率达到相当高的水平，因为这是一种新

30、工艺，内存厂商生产RDRAM需要建立新生产线，所以RDRAM内存的价格相对较高，尽管这样，RDRAM已获得Intel的支持，并在Pentium 4主板中采用。 工作频率主要分为3种：300MHZ、356MHZ、400MHZ、主频高达533MHZ的芯片已研制成功。,(4)视频RAM 视频适配器使用的一种特殊RAM，也为VRAM。VRAM是双端口的，可以允许两个资源同时从中存取数据。PC机通过CPU写入VRAM把字符显示到屏幕上；同时，视频适配器上的显示电路以一定的间隔读取VRAM中的数据，从而决定何时布置屏幕。,(5)Cache存储器（亚微米尺寸零件） 所谓Cache存储器即高速缓存，这种存储器

31、位于CPU和主存储器DRAM之间，规模较小，但速度快。Cache存储器由一组SRAM芯片和Cache存储器控制电路组成。其具有与CPU相同的时钟速度。 Cache一般分为一级和二级。一级Cache一般集成在CPU内部。由于高档CPU的时钟频率很高，一旦出现一级Cache未命中的情况，就使用二级。二级Cache在CPU外部，通常认为Cache是内存CPU的真正缓冲。一级Cache容量比较小，如16KB，32KB，而二级Cache可达521KB。所以Cache容量大小将直接影响到CPU的执行速度。 因此，Cache通常可作为衡量CPU的重要指标。,(6)EDO EDO (Extended Data

32、 Out)即扩展的数据输出随机存储器。通常在一个DRAM (或SRAM、VRAM)阵列中读取一个存储器单元数据时，首先对数据所在的行进行充电，然后再对数据所在的列进行充电，这些需要一定的时间，制约了RAM的读写速度。 EDO存储器假设下一个要读写的单元地址和当前读写的单元地址是连续的(一般情况确实如此)，在读写周期内便启动下一个读写周期，EDO存储器取消了主板与内存两个周期之间的时间间隔，它每隔2个时钟脉冲周期传输一次数据，大大地缩短了存取时间，从而将RAM的速度提高了30，达到60ns。 EDO技术只需要在普通DRAM外部增加EDO逻辑控制电路，几乎没有增加成本。 因此，EDO存储器是目前P

33、entium机器中使用得最多的一种内存。,(7)CMOS存储器 CMOS是一种耗电极省的存储器，它是集成在主板上的一块可读写的RAM芯片，存储日期、时间、软硬盘规格等参数。 CMOS通常有一个SETUP程序，可以设置和修改系统的日期、时间、系统参数等。CMOS中的内容如果丢失，就不能启动机器。 CMOS一般靠一个电池供电。,（8）DDR SDRAM DDR SDRAM（Dual Date Rate SDRSM）简称DDR，即双倍速率SDRAM，它可以说是 SDRAM技术的延续。从技术上分析，DDR SDRAM最重要的改变是在数据传输上，它在时钟信号上升沿和下降沿时各传输一次数据，这使得无需提高

34、工作效率就能让DDR的数据传输速率为传统SDRAM的两倍。DDR在价格方面也有优势，因为只需对原有的SDRAM生产线进行小范围的改造就能转入DDR内存生产，因此生产成本上同传统的SDRAM相比只是略有提高。DDR内存已经得到许多主板厂商支持，因此， 目前DDR是内存条采用的主要技术标准。 常见的单条容量有16MB，32MB，64MB，128MB,2只读存储器,只读存储器 (Read Only Memory)的特点是只能读数据，不能写。其刷新原理与SRAM类似，但消耗能量少，所以通常关闭计算机电源之后，其中的数据还能保留。 常见的ROM存储器有ROMBIOS、键盘BIOS和影子ROM等。,(1)

35、ROM BIOS ROM BIOS (Basic Input-Output System，基本输入输出系统)是集成在主板上的一块ROM芯片，用来存储机器的基本输入输出程序。 这些程序包括：上电自检POST(Power On System Test)：程序、装入引导程序、外部设备(如键盘、显示器、磁盘驱动器、打印机和异步通信接口等)驱动程序和时钟控制程序。 这些程序永久地保留在ROM芯片中，不会因掉电而丢失。ROM BIOS又称为System BIOS，在主板上的ROM BIOS芯片印有BIOS字样。,(2)键盘BIOS PC机本身除了System BIOS外，键盘也有专用的Keyboard B

36、IOS。不过该BIOS并不是ROM，而是一块芯片，有自己的CPU在内。Keyboard BIOS除了接收来自键盘的信息外，还得负责A20地址线的切换。CPU从实模式到保护模式便是通过A20地址线的切换来实现的。 平常A20为0，CPU工作在DOS的实模式，当A20切换为1时，便可进入保护模式。,8048以每秒几百HZ频率扫描键盘线路，当某键按下时，便产生一扫描码，8048一方面将扫描码送缓冲区，一方面将扫描码送到BIOS端口处，然后向CPU发中断请示，BIOS从端口读取该扫描码，8048清缓冲区中内容。BIOS将扫描码送缓冲区及显示器。以上操作完成时，OS和应用程序从缓冲区中取走这些代码。,(

37、3)影子ROM 影子内存(Shadow ROM)是为了提高系统效率而采用的一种专门技术。影子内存占用系统内存中的786KBlMB区域(地址范围为C000C7FFF)，这个区域称为内存保留区，16KB大小的尺寸分为块，由用户设定是否使用。C000427FFF这两个16KB块用作显卡ROM BIOS的影子区。C8000EFFFF这10个16KB可作为其他适配器的ROM BIOS影子区。F000FFFFF共64KB规定为系统ROM BIOS的影子区。 影子内存的主要用途是将一些频繁使用的程序(如ROM BIOS复制到该区域，系统要用到这些程序时，直接到该区域中调用，从而提高速度。这是因为，访问ROM

38、 BIOS代码的速度约为200ns，而访问影子内存的速度为50l00ns。,高速缓存(cache)： 为解决高速CPU和低速内存之间矛盾而采取的技术。 特点:速度快，容量小，存放当前正在执行的程序块和数据块。以接近CPU的速度提供程序指令和数据。加快了指令执行速度。它与CPU封装在一块芯片内。 虚拟存储技术： 将主存和部分外存空间构成一个整体，提供比实际物理存储器大的多的存储器，解决在较小的内存中运行较大的程序。 虚拟存储器的工作原理： 将正要执行的程序代码调入内存，OS根据一定算法进行管理。页进：即将执行到的那段程序代码由外存调入物理内存。 页出：如内存已满，系统将暂时不执行的代码送回到外存

39、。OS通过页进页出保证程序段都在内存。,虚拟存储器如同物理存储器，但比物理存储器慢，虚存技术实际上是用时间（变慢）换取了空间（增大）。,4外存储器,外存储器（简称外存）存放着计算机系统几乎所有的主要信息，其中的信息要被送入内存后才能被使用，即计算机通过内外存之间不断的信息交换来使用外存中的信息。它是访问速度相对较慢的存储器，容量很大但CPU不能直接访问。外存主要有磁带、光盘、磁盘（软盘和硬盘）、可移动硬盘以及U盘等。,（1）软盘 软盘是一种可插人驱动器内的塑料圆片，其表面磁层用来记录数据与信息。软盘驱动器是驱动软盘旋转并同时向软盘写人数据或从软盘读出数据的设备。 软盘的规格主要由盘片的直径决定

40、，现在最常见的是3.5英寸盘，其容量为 1.44MB。盘片被分为许多半径不同的同心圆，每个圆周称为一个磁道。磁道的编号是从外边的磁道向内磁道编号，从0，l，2，逐次增大，3.5英寸盘的磁道编号为079。各磁道均划分为等量的存储单位，称为扇区。扇区是磁盘存储的基本单位，每个扇区存储等量的数据字节。3.5英寸盘的每个扇区存储的数据为512 Byte。,软盘转速较慢，但价格低廉、携带方便，比较适用于小容量数据的保存。可以对已经使用过的软盘重新进行格式化，再次利用。格式化就是对一个盘片进行磁道和扇区的划分，登记各扇区地址标志。没有格式化的盘片是无法使用的，格式化工作一般由专门的格式化程序来完成。现在的

41、软盘在出厂前一般已经过格式化，可以直接使用。,（1）硬盘存储器的类型和性能 硬盘的性能指标：盘径、磁道数、柱面数、扇区数等。 硬盘容量=柱面数磁头数 扇区数512字节 （2）数据传输率硬盘的运行速度是购买者最关心的。硬盘的数据传输率是衡量硬盘速度的一个重要参数。 （3）平均寻道时间 平均寻道时间是指计算机在发出一个寻址命令，到相应目标数据被找到所需时间， 我们常以它来描述硬盘读取数据的能力。 （4）硬盘高速缓存 与计算机的其他部件相似，硬盘也通过将数据暂存在一个比其磁盘速度快得多的缓冲区来提高速度， 这个缓冲区就是硬盘的高速缓存 （CACHE）。,硬盘存储器,硬盘存储器,硬盘存储器 （5）硬盘

42、主轴转速较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间，从而提高硬盘的运行速度。 一般硬盘的主轴转速为3600RPM12000RPM（转/每 分钟）。,IBM 10MB硬盘的内部结构图,硬盘存储器 （6）根据硬盘的标签看信息型号为WD200BB，如下图 所示。从型号上可以判断，它是一款容量为20GB的7200RPM高速硬盘，产品序列号为 WMA9L1203351，产地为马来西亚，出厂日期是2001年8月15日。,硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储 1.主分区、扩展分区、逻辑分区 一个硬盘的主分区也就是包含操作系统启动所必需的文件和数据的硬盘分区，要在硬盘上安装操作系统，则该硬盘必须得有一个

43、主分区。扩展分区也就是除主分区外的分区，但它不能直接使用，必须再将它划分为若干个逻辑分区才行。逻辑分区也就是我们平常在操作系统中所看到的D、E、F等盘。 2.分区格式 “格式化就相当于在白纸上打上格子”，而这分区格式就如同这“格子”的样式，不同的操作系统打“格子”的方式是不一样的，目前Windows所用的分区格式主要有FAT16、FAT32、NTFS，其中几乎所有的操作系统都支持FAT16。但采用FAT16分区格式的硬盘实际利用效率低，因此如今该分区格式已经很少用了。 FAT32采用32位的文件分配表，使其对磁盘的管理能力大大增强，它是目前使用得最多的分区格式，Win98/Me/2000/XP

44、都支持它。一般情况下，在分区时，阿King建议大家最好将分区都设置为FAT32的格式，这样可以获得最大的兼容性。,2.5.硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储 3.分区原则 不管使用哪种分区软件，我们在给新硬盘上建立分区时都要遵循以下的顺序：建立主分区建立扩展分区建立逻辑分区激活主分区格式化所有分区2.分区格式。,硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储 一、磁盘空间的划分 进行格式化时候，除了对磁盘划分磁道，扇区外，还要分4个区：引导扇区、文件分配表、文件目录表和数据区。 （1）引导扇区：磁盘上第0面、0磁道、1扇区上放的是引导程序，就是引导扇区。 （2）文件分配表（FAT）:用于描述文件在软盘

45、上的存放位置，以及整个磁盘的使用情况。 （3）文件目录表：存放磁盘目录下，所有文件和子目录的文件名和文件属性等。 （4）数据区：用来存放用户的信息的。,硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储 二、用Fdisk进行分区 最简单的分区软件非“Windows启动软盘”中的“Fdisk”莫属。 Win98启动盘中所附带的Fdisk版本比较老，无法识别64GB以上容量的大硬盘。具备上网条件的用户，安装该修正程序后制作出来的启动盘，就能够对大于64GB的硬盘进行分区了。 1.进入DOS并执行Fdisk 通过Win98启动盘进入DOS状态下，在A盘符下输入“Fdisk”后回车。出现一些英文说明，并要求用户做出

46、选择。 此对话框的大致意思是问你“是否启用FAT32支持”，键入“Y”并回车后，便进入了Fdisk的主界面,硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储,硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储 2.建立主分区 在Fdisk主界面的“Enter choice：”处键入“1”后回车，进入分区功能界面。,硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储 注意：除非你想将整个硬盘作为一个分区，否则此时绝对不能选择“Y”，输入“N”后回车。程序再次扫描硬盘，完成后要求输入主分区的大小。,硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储 按照自己的分区方案，在这里输入相应的数字后回车（单位是MB，例如想建立一个2GB的分区，就输入2048

47、，即将数值乘以1024即可）。然后屏幕提示主分区已建立，并显示主分区容量和所占硬盘全部容量的比例，此时按“Esc”返回Fdisk的主界面。 3.建立扩展分区 在Fdisk主界面中继续选择第一项进入分区功能界面，然后再选择第二项建立扩展分区。程序扫描完硬盘后会显示当前硬盘可建为扩展分区的全部容量。直接回车后将所有的剩余空间建立为扩展分区。 4.在扩展分区上建立逻辑分区 扩展分区建立完毕后，按照程序提示“按Esc键继续”，此时程序并不会真正退出，而是立刻扫描扩展分区，最后列出扩展分区的可用空间，并要求输入逻辑分区的大小。,硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储,硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储

48、通过上面几步的操作，已经分好了主分区，现在所做的“在扩展分区上建立逻辑分区”就是建立D、E、F、G、H等分区。 根据自己的分区方案，输入D盘的容量后回车，系统会自动为该区分配逻辑盘符“D”。因为扩展分区还没有分完，程序还会出现如上图所示的画面，要求用户输入下一个逻辑分区的大小。用户只要依次按照方案输入逻辑分区的大小即可，系统会自动给它们分配盘符。扩展分区分完后，系统会显示所有逻辑分区的数量和容量，并提示按“Esc”返回。,硬盘存储器,磁盘区间的划分和优化存储 5.激活主分区 当硬盘上同时建有主分区和扩展分区时，必须将主分区激活，否则硬盘就会无法引导系统。返回Fdisk主功能界面，选择“2”（S

49、etactivepartition），此时屏幕将显示主硬盘上所有分区供用户进行选择。当前硬盘上只有主分区“1”和扩展分区“2”，在对话框中键入“1”后按回车退回到Fdisk主界面。至此，新硬盘的分区工作结束，按两次“Esc”键退出Fdisk，然后重新启动电脑。 6.格式化分区 按照前面所讲的方法利用Win98启动盘再次进入DOS状态，在A盘符下输入“FormatC：”并回车，系统提示此举将删除C盘上的所有数据。键入“Y”后回车确认，此时程序开始对C盘进行格式化，完成后，程序提示是否给C盘分配卷标。回车确认，程序会自动给C盘添加卷标，至此，C盘格式化工作完成，该盘就能存储数据了。以此类推，格式化

50、D、E等盘。现在你就可以在硬盘上安装操作系统了。,硬盘存储器,磁盘区间的优化存储 （1）采用增加和减少文件的长度。 （2）采用数据压缩技术。 （3）尽量减少磁盘碎片,（3）光盘存储器,光盘存储器 光盘，就是我们常说的CD-ROM，是Compact Disc Read Only Memory的缩写。它是一种大容量的存储媒介，其容量一般为650MB，我们可以用它来存放歌曲（如CD唱片），也可以存放电影（如VCD）、软件、数据等。光盘的出现，极大地拓宽了电脑的多媒体用途，有了光盘，我们就可以在电脑上听CD音乐、看VCD电影、唱卡拉OK等。好了，现在就让我们一起走入光盘大世界。 光盘的分类：,光盘存储

51、器,光盘存储器 光盘的扇区、光道及容量计算 与软盘类似，光盘上也有扇区，不过光盘上的扇区要比软盘上的扇区复杂的多，一共有三种物理扇区格式，它们分别是扇区格式0、扇区格式1、扇区格式2。这些扇区格式有不同的用途。 扇区格式0不用于存放用户数据，只用作导入区和导出区； 扇区格式1用于存放计算机程序，用户数据等； 扇区格式2可用于存放用户数据，也可以存放声音、图像等。 光盘上的光道是螺旋形的，与黑胶唱片上的音轨很相似。光道与磁道相比，光道的密度以及光道上的数据密度都远远大于磁道。,光盘存储器,光盘存储器 光盘的扇区、光道及容量计算 光盘的容量如此之大，我们是怎样算出来的呢？原来在光盘上有74分钟长的

52、螺线，即光道，而光驱每秒钟可以读75个扇区，因此光盘上总的扇区数为： 746075=333000 又因为每个扇区有2352个字节，其中有304个字节为系统使用，剩下2048个字节给用户存放数据，所以光盘的总容量为（3330002048）（10241024）=650 MB。,CD-ROM驱动器 只能读，不能改写 Audio CD (歌曲等) CD-ROM (数据) CD-I和Video-CD (影视信息） 数据传输率：单速（150Kbps）、倍速、四倍速、8倍速、12倍速、24倍速等。,Eject(Open/Close),光盘存储器,光盘存储器 光盘使用及选购指南 光盘不象软盘那样可以对损坏的地

53、方进行修复或标识，光盘坏了就不能修复了，所以保养光盘是非常重要的。请注意下面几点： 不用的光盘应放在盒中； (2) 拿光盘时不要用手接触盘面； (3) 经常清洗光盘，方法是用软布从光盘的中心开始向外擦试，不能绕着圆周擦拭。如果光盘太脏可以用清水加清洁剂清洗； (4) 光盘工作时不能强行弹出。,（4）移动硬盘 移动硬盘主要指采用计算机外设标准接口（USB/IEEE 1394）的硬盘。作为一种便携式的大容量存储系统，它有许多出色的特性：容量大，单位储存成本低，速度快，兼容性好。除了Windows 98操作系统，在Windows Me、Windows 2000和Windows XP下完全不用安装任何

54、驱动程序，即插即用，十分方便。 USB硬盘还具有极高的安全性，一般采用玻璃盘片和巨阻磁头，并且在盘体上精密设计了专有的防震、防静电保护膜，提高了抗震能力、防尘能力和传输速度，不用担心锐物、灰尘、高温或磁场等对USB硬盘造成伤害。,（5）U盘 U盘是一种基于USB接口的无需驱动器的微型高容量活动盘，可以简单方便地实现数据交换。U盘体积非常小，容量比软盘大很多（目前一般为8 MB256 MB，最高达2 GB）； 它不需要驱动器，无外接电源，使用简便，即插即用，带电插拔；存取速度快，约为软盘速度的15倍，可靠性高，可擦写达百万次，数据可保存10年以上；采用USB接口，并可带密码保护功能。,（6）磁带

55、 磁带存储器是一种顺序存储设备，它的运行情况类似于录音机上录音带的运行的磁带。存储量大，一卷磁带可存10MB20MB信息，而且存满后可卸下换上空带。它的主要缺点是读/写速度慢，而且只能顺序存取，不能随机读取。磁带一般用作数据备份。,3 输入/输出设备,输入输出（Input/Output）设备是计算机系统与外界进行信息交流的工具。输入设备将信息用各种方法传入计算机，并将原始信息转化为计算机能接受的二进制数，以使计算机能够处理。输入设备有很多，主要有键盘、鼠标和扫描仪，还有数码相机等。输出设备是将信息从计算机中送出来，同时把计算机内部的数据转换成便于人们利用的形式。常用的有显示器、打印机、绘图仪和

56、音箱等。,在计算机系统中，主机与外围设备之间传输数据的硬件机构称为I/O系统，其在计算机系统中的基本功能主要如下： （1）参与计算机内数据的传输操作，选择输入/输出设备； （2）参与控制选定的输入/输出设备与CPU及其他部件之间的数据交换。 主机与外围设备在数据表示格式上是不相同的。主机采用二进制编码表示数据，外围设备通常采用ASCII编码。,显 示 器,显示器分类方法也有多种，如下所示 按显示内容可以分为：字符显示器、图形显示器、视频显示器。 按显示尺寸可以分为：14英寸、17英寸、20英寸。 按显示颜色可以分为：单色显示器、彩色显示器。 按显示分辨率可以分为：低分辨率（300200）、中分

57、辨率（600350）、高分辨率（640480或1024768以上）。分辨率越高，组成字符与图形的点密度越高，显示器显示的画面越清晰。 一个发光点称为一个像素。,显 示 器,1像素、点距 显示器所显示的图形和文字是由许许多多的“点”组成的，我们称这些点为像素，点距就是屏幕上相邻两个像素点之间的距离，是决定图象清晰度的重要因素。点距越小，图象越清晰，细节越清楚。一个发光点称为一个像素。 一般显示器的点距有0.25、0.28、0.31、和0.39毫米几种。0.25毫米点距通常用于高档的显示器。目前市场上最常用的是0.28毫米点距的显示器，这对于我们平常的工作和娱乐来说，已完全足够了。 点距的概念来源

58、于荫罩型显示器，在显示器的种类里还有一种光栅型显示器，与之对应就有一个栅距的概念，栅距是显示器屏幕上相邻两道光栅之间的距离。,显 示 器,1分辨率 分辨率是指显示器屏幕上每行和每列所能显示的点数（像素数），分辨率越高，屏幕可以显示的内容越丰富，图象也越清晰。最高分辨率是显示器的一个性能指标，它取决于显示器在水平和垂直方向上最多可以显示的点数。目前的显示器一般都能支持12801024，1024768, 800600等规格的高分辨率。,（2）色深 是指在某一分辨率下，每一个像素点可以有多少种色彩来描述，它的单位是位（bit）。具体地说，8位的色深是将所有颜色分为256（28）种，那么，每一个像素点

59、就可以取这256种颜色中的一种来描述。当然，把所有颜色简单地分为256种实在太少了些，因此，人们就定义了一个“增强色”的概念来描述色深，它是指16位（216= 65 536色，即通常所说的“64K色”）及16位以上的色深。在此基础上，还定义了真彩24位色（224色）和32位色（232色）等。 今天的彩色监视器最多可显示224（=17兆）种颜色。 768*1024*24=18 874 368位数/8=2.4MB 若要把这个屏幕保存在存储器中，就需要大约2.5MB的RAM。 768*1024像素=800 000个点。 目前最高的分辨率为768*1024，1024*1280以上。,（3）刷新率 首先，模拟信息由显示卡送到显示器，显示器将这一信息转换成特定的电压，借助电压将阴性电子通过电子枪发射出来，形成一道电子束，然后，电子束通过协助荧光屏聚焦的遮光罩打在荧光屏上的磷质发光体上，形成一个发亮的图点。电子束由左向右，由上至下不停地做周期性扫描，使得只有很短暂的发光时间的磷质发光体不断地重新亮起来，这才能使我们感受到的是持续稳定的画面。这个过程称为屏幕刷新（Refresh）。 那么，一个画面一秒钟刷新多少次才算平稳呢？这就是所谓的垂直扫描频率（Verti