“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程 3

1、Chapter 3計(jì)算機(jī)硬件 CS, ZJU9/14/2022Overview概述處理器存儲(chǔ)器 輸入輸出系統(tǒng)系統(tǒng)連接和USB2022/9/142FCS, Chapter3, Tootal page 55ConceptionComputer Architecture，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)科學(xué)中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指研究硬件的原理、結(jié)構(gòu)。盡管計(jì)算機(jī)有各種類型，但就其硬件組成而言并無本質(zhì)上的差異。微型計(jì)算機(jī)即PC機(jī)為典型計(jì)算機(jī)的組成部分及其原理2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5532022/9/143.1 概述計(jì)算機(jī)硬件由處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成

2、。4FCS, Chapter3, Tootal page 552022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 555PC機(jī)的基本配置即為圖中所示的主機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器主機(jī)箱內(nèi)安放了包括處理器、內(nèi)存安裝在機(jī)箱上的有外存，如磁盤、光盤等用戶可根據(jù)需要增加打印機(jī)、話筒、攝像頭及音箱，或其他設(shè)備PC Based on Main board PC機(jī)功能電路安裝在主機(jī)箱內(nèi)部的一個(gè)主板（Main board）上，其邏輯結(jié)構(gòu)：2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 556Main board 2022/9/147FCS, Chapter3, Toot

3、al page 552022/9/143.2 處理器ProcessorMicroprocessor ，MPComputer Processing Unit， CPU 處理器系統(tǒng)可以是單一的CPU芯片， or多個(gè)CPU芯片組成的陣列。PC機(jī)中的處理器即CPU，它是可插到主板CPU插座位置上的一個(gè)集成電路芯片，目前主要的CPU廠商有Intel、IBM、AMD、Motorola等公司。8FCS, Chapter3, Tootal page 552022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 559CPU 芯片處理器芯片處理器芯片的結(jié)構(gòu)決定其安裝的位置以及與外部其他部件的連接方

4、式。因?yàn)榘雽?dǎo)體材料單位面積內(nèi)集成的電路數(shù)目不可能無限增長(zhǎng)多核集成電路設(shè)計(jì)從芯片平面轉(zhuǎn)向立體：在一個(gè)芯片上集成多個(gè)處理器2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5510處理器的結(jié)構(gòu)模型在功能上，CPU是運(yùn)算器和控制器的集合。從邏輯上，可分為5個(gè)部分，包括運(yùn)算器、控制電路、地址電路和數(shù)據(jù)寄存器與指令代碼寄存器2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5511處理器結(jié)構(gòu)ALU，執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的電路Data Register，存放運(yùn)算器執(zhí)行運(yùn)算所需的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在執(zhí)行運(yùn)算前已經(jīng)存入其中Instructor Code Register，

5、存放處理器執(zhí)行操作需要的指令代碼Controller，對(duì)指令代碼進(jìn)行譯碼并產(chǎn)生控制運(yùn)算器執(zhí)行運(yùn)算的信號(hào)Address，Program Counter，產(chǎn)生并輸出地址信號(hào)：指定存儲(chǔ)器或者外部設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸操作2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5512And MoreCPU的運(yùn)行過程就是執(zhí)行指令的過程指令CPU完成的一個(gè)基本操作，Such as，+，-，/程序一系列指令的有序集合以，完成某種任務(wù)2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5513內(nèi)部總線BUS 總線就是一組導(dǎo)線，它是信號(hào)的公共通路。 在主板范圍內(nèi)的總線叫做內(nèi)

6、部總線，它是CPU與存儲(chǔ)器及輸入/輸出控制電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通路。三總線數(shù)據(jù)總線：接收或輸出數(shù)據(jù)地址總線：向外輸出地址信號(hào) 控制總線：輸出控制信號(hào)或者接收來自外部的控制信號(hào)2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5514BUS2022/9/1415FCS, Chapter3, Tootal page 55處理器的性能指標(biāo)主頻：CPU運(yùn)行速度的參數(shù)集成度：芯片內(nèi)晶體管數(shù)技術(shù)的先進(jìn)性和復(fù)雜性字長(zhǎng)：一次能夠處理的最大二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)協(xié)處理器：在CPU的協(xié)調(diào)下完成復(fù)雜任務(wù)，如：處理浮點(diǎn)運(yùn)算的協(xié)處理器。內(nèi)部高速緩存器工作溫度，電源電壓芯片封裝材料及結(jié)構(gòu)2022/9/14FC

7、S, Chapter3, Tootal page 5516CISC and RISC兩種類型的處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)相反的設(shè)計(jì)方法，主要區(qū)別是處理器所擁有的指令的數(shù)量和復(fù)雜程度不同： CISC （Complex Instruction Set Computer） 使用數(shù)量和種類較多的指令，典型的CISC有300條以上的指令，程序設(shè)計(jì)比較容易R(shí)ISC （Reduced Instruction Set Computer） 只包含常用指令且指令的長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間都相同，一般使用的指令數(shù)目在100條以內(nèi)簡(jiǎn)化程序控制邏輯，提升處理器的速度2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5

8、5173.3 Memory SystemMemory，存儲(chǔ)器其一個(gè)重要特性是復(fù)制性其存放的數(shù)據(jù)被取出后，原存放的數(shù)據(jù)依然存在，因此可以被反復(fù)取用組成存儲(chǔ)器系統(tǒng)的是多種類型的存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)模式、存儲(chǔ)元件(器) 原理、存儲(chǔ)器系統(tǒng)的主輔結(jié)構(gòu)，及PC機(jī)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 55182022/9/143.3 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)記憶功能保存程序代碼和數(shù)據(jù)的物理載體存儲(chǔ)模式和存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)單元以字節(jié)（Byte）為單位：8個(gè)二進(jìn)制位存儲(chǔ)模式存儲(chǔ)器由若干個(gè)字節(jié)組成，每個(gè)字節(jié)都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)叫做存儲(chǔ)器地址存儲(chǔ)器地址用二進(jìn)制的位模式進(jìn)行標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)容量

9、即存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)單元的總數(shù)（字節(jié)數(shù)、地址空間）19FCS, Chapter3, Tootal page 55存儲(chǔ)器地址和單元2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5520內(nèi)存 內(nèi)存位于主板上（機(jī)器內(nèi)部） 與CPU經(jīng)內(nèi)總線連接， 也稱為主存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱主存。 由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器組成內(nèi)存執(zhí)行程序存儲(chǔ)單位2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5521量詞縮寫量詞描述實(shí)際字節(jié)數(shù)近似表示KB (Kilobyte)千字節(jié)210=1,024103MB (MebiByte)兆（百萬）字節(jié)220=1,048,576106GB (MegaByte)吉（十

10、億）字節(jié)（千兆）230=1,073,741,824109TB (Terabyte)太拉（萬億）字節(jié)（兆兆）240=1,099,511,627,7761012內(nèi)存半導(dǎo)體內(nèi)存 RAM，Random Access Memory體積小，存取速度快，易失性動(dòng)態(tài)RAM（Dynamic RAM）靜態(tài)RAM（Static RAM）只讀存儲(chǔ)器（ROM，Read Only Memory）斷電后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失PROM ： 一次性寫入，一旦數(shù)據(jù)被寫入，就不能再改變 EPROM ：可改寫EEPROM ：可以對(duì)部分單元進(jìn)行重新寫入 2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5522ROM

11、 & EPROMROM在計(jì)算機(jī)中存放那些即使關(guān)機(jī)也不能丟失的程序代碼和數(shù)據(jù)例如PC機(jī)的開機(jī)程序基本輸入輸出系統(tǒng)（BIOS）就被保存在ROM芯片中因?yàn)镻C每次開機(jī)都是執(zhí)行相同的操作，所以BIOS被固化（Solidify）在了ROM中早前的PC使用ROM現(xiàn)在也使用EEPROM/Flash Memory2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 55233.3.3 磁盤 內(nèi)存不能在關(guān)機(jī)或斷電狀態(tài)下保存數(shù)據(jù)，因此要使得數(shù)據(jù)保存不受關(guān)機(jī)或斷電的影響，就需要使用其他類型的存儲(chǔ)器 這類存儲(chǔ)器主要是磁盤或光盤 它們被安裝在主板外部的機(jī)箱上，用電纜和主板連接 通常被叫做外存 主要是磁

12、盤 磁盤 根據(jù)電磁學(xué)原理，用涂敷在圓盤表面的磁性材料的極化狀態(tài)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)。2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5524磁盤表面結(jié)構(gòu) 2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5525 磁道是同心圓結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁道上 盤片劃分為若干個(gè)扇型的區(qū)域，代碼和數(shù)據(jù)被存放在一個(gè)或幾個(gè)扇區(qū)（Sector）的磁道上 磁頭讀寫圍繞一個(gè)區(qū)域進(jìn)行，能有效提高讀取效率磁盤工作過程2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5526 在磁盤控制器（電路）的作用下，讀寫磁頭沿著盤片表面做直線移動(dòng)，而盤片高速旋轉(zhuǎn)，磁頭和盤

13、片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)提供了快速數(shù)據(jù)尋找和讀取HD Hard Disk硬盤合金盤片盤片和讀寫裝置、磁盤控制器電路一起被固定在密封的盒子中用一組電纜導(dǎo)線和主機(jī)板上的外存接口連接2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5527HD Type1IDE/ATA Integrated Driver Electronics， Advanced Technology AttachmentSATA ATA, Called PATA ( Parallel ATA) SATA, Serial ATASATA, Data band 150MB/s，1.5Gbps(bit/per second)

14、SATA I，Data band 300MB/s，3GbpsSATA4 wires connectorSCSI Small Computer System Interface2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5528Compact DiscLaser CDUse Laser Read/Write the DataPlastic CD Driver2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5529光盤 光盤上有凹點(diǎn)和空白代表0和1 ，光驅(qū)讀寫數(shù)據(jù)只讀光盤 CDROM可刻錄光盤 CDR可重寫光盤 CDRW數(shù)字多功能光盤 DVD20

15、22/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5530光盤類型和指標(biāo)2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5531類型典型容量描述CDCD-ROM650800MB存放商業(yè)軟件、數(shù)據(jù)庫等不變內(nèi)容CD-R650800MB僅能寫一次，用于存放大量數(shù)據(jù)CD-RW650800MB可重復(fù)使用，用于創(chuàng)建和編輯大的多媒體圖像DVDDVD-ROM4.717GB存放音頻和視頻的不變內(nèi)容 DVD-R4.717GB或DVD-R/W，僅能寫一次，用于存放大量的數(shù)據(jù)DVD-RAM/RW2.65.2GB可重復(fù)使用，用于創(chuàng)建和編輯多媒體圖像固態(tài)存儲(chǔ)器 EEPROM/Fl

16、ash Memory，Solid State Disk，or called FLASH DISK、Serial ATA Flash Disk 采用半導(dǎo)體材料，沒有磁盤、光盤的機(jī)械部件，不需要專門的機(jī)械驅(qū)動(dòng)供電，可以直接使用主機(jī)供電，且不受到外界環(huán)境的影響，持久耐用。類型：CF（快閃卡）MMC（多媒體卡）SD（安全數(shù)字卡）SM（智能卡）U 盤2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5532存儲(chǔ)器的主輔結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)使用高速的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器，使用較低速的磁盤、光盤作為輔助存儲(chǔ)器。2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page

17、5533存儲(chǔ)器系統(tǒng)主輔結(jié)構(gòu)主輔結(jié)構(gòu)很復(fù)雜復(fù)雜性表現(xiàn)在系統(tǒng)使用了多種類型的存儲(chǔ)元件在系統(tǒng)的性能、功能和價(jià)格之間進(jìn)行取舍功能主存運(yùn)行程序，磁盤保存程序和數(shù)據(jù)性能磁盤的永久性，半導(dǎo)體的易失性互補(bǔ)磁盤慢，半導(dǎo)體快價(jià)格磁盤低，半導(dǎo)體高2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5534基本原理程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在輔助存儲(chǔ)器中，被執(zhí)行的程序從輔助存儲(chǔ)器中調(diào)入主存儲(chǔ)器運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)束程序和數(shù)據(jù)被重新存放回輔助存儲(chǔ)器中互補(bǔ)性，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)的，管理由硬件和操作系統(tǒng)協(xié)同完成2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5535PC機(jī)的存儲(chǔ)器PC機(jī)內(nèi)存大小取決于處理器

18、處理器的地址空間PC Virtual Memory，在磁盤上開辟其結(jié)構(gòu)和內(nèi)存單元相同的區(qū)域，其地址與內(nèi)存的地址一一對(duì)應(yīng)內(nèi)存映射虛擬內(nèi)存中, 提升運(yùn)行效率。2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5536Input and Output System計(jì)算機(jī)硬件的第三個(gè)子系統(tǒng)I/OHuman and Computer Interface, HCICan say：Input by PersonOutput From Computer基本輸入輸出相關(guān)知識(shí)常用的外部設(shè)備2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 55372022/9/14端口P

19、ortInterface 連接輸入/輸出設(shè)備的物理接插件PC機(jī)一般有6種端口38FCS, Chapter3, Tootal page 55I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸模式設(shè)備，也無論使用什么標(biāo)準(zhǔn)，它們和主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸模式只有兩種并行或串行并行是一次傳輸8位數(shù)據(jù)(字節(jié)模式)串行每次傳輸1位數(shù)據(jù)（也是位模式）理論上并行傳輸要快，但需要更多的線路和控制，因此成本高串行傳輸成本低，適合長(zhǎng)距離傳輸,在數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中以串行為主2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5539輸入設(shè)備 人們向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出操作命令、輸入操作數(shù)據(jù)的裝置 PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備 自動(dòng)識(shí)別Keyboard兩種規(guī)

20、格：PS/2和USB兩種標(biāo)準(zhǔn)：101鍵、104鍵Mouse顯示器上的位置數(shù)據(jù)就會(huì)被捕捉到計(jì)算機(jī)中，并根據(jù)位置信息對(duì)按鍵動(dòng)作進(jìn)行響應(yīng)2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5540Keyboard字母鍵，數(shù)字鍵，符號(hào)鍵控制鍵Ctrl，Shift，Alt，Tab，Cap Lock編輯鍵4個(gè)移動(dòng)方向、Home、End、Insert、DeletePageUP、PageDowm、Backspace、EnterF1F12Print Screen（Prsc）、Pause、Scroll Lock、Break、Esc（Escape）小鍵盤區(qū)2022/9/14FCS, Chapte

21、r3, Tootal page 5541Keyboard工作原理鍵盤的每一個(gè)按鍵相當(dāng)于使對(duì)應(yīng)按鍵的機(jī)械開關(guān)閉合，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)鍵盤內(nèi)置的處理電路對(duì)按鍵信號(hào)編碼（即ASCII碼）輸入到計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)中的程序接收到按鍵代碼再進(jìn)行相應(yīng)的處理操作2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5542MousePoint DevicePort PS/2，USBKey pressClickDouble ClickMoveDrag MoveRight Key ClickShortcutMiddleScroll2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 554

22、3Output Devices輸出設(shè)備 把計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)或信息，以數(shù)字、字符、圖像、聲音等形式表示出來 顯示器主要有CRT和LCD兩類打印機(jī)針式打印機(jī)、噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)、熱升華打印機(jī)、熱蠟打印機(jī)2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5544Display主要技術(shù)指標(biāo)是分辨率Dot2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5545分辨率縮寫模式標(biāo)準(zhǔn)720350MDA文本Monochrome Display Adapter320200CGA文/圖Color Graphics Array640480VGA圖形Video Graph

23、ics Array800600SVGAVGA（Super VGA）1024768XGAeXtend Graphics Array12801024UVGA超級(jí)VGA（Ultra VGA）16001200/無Display TypeCRTCathode Ray TubeLCDLiquid Crystal DisplayLEDLight Emitting DiodePlasmaDMDDigital Micro-mirror Device2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5546PrinterHard Copy DeviceSpecificationDOT/Per

24、 InchLaser PrinterBlack/ColorInkjetBlack/ColorStylus printer9/242022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 5547圖3-24 激光打印機(jī)原理示意圖其他輸入/輸出設(shè)備數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、攝像頭、語音話筒、游戲操作桿光電閱讀器、POS機(jī)、光筆讀卡器掃描儀、傳真機(jī)觸摸屏專業(yè)的音頻/視頻設(shè)備繪圖儀等數(shù)碼產(chǎn)品播放器2022/9/14FCS, Chapter3, Tootal page 55482022/9/143.5 系統(tǒng)連接和USB外設(shè)和主機(jī)連接，需要解決的問題是：設(shè)備和主機(jī)采用何種數(shù)據(jù)傳輸模式設(shè)備如果在主機(jī)的控制下進(jìn)行工作解決主機(jī)和外設(shè)的速度匹配問題解決的方法 ：并行數(shù)據(jù)或串行數(shù)據(jù)模式設(shè)置總線標(biāo)準(zhǔn)接口49FCS, Chapter3, Tootal page 55系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn) 外設(shè)通過一組導(dǎo)線的接插件端口與主機(jī)連接 外部總線標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定了連線如何排列且， 具有何種功能、性能（如數(shù)據(jù)位