計算機硬件基礎(chǔ)知識

計算機系統(tǒng)

第二講

基本組成一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大局部組成。硬件系統(tǒng)：計算機的物理實體，是可以看得見、摸得著的部件的總稱，它通常指計算機中的電子線路和物理裝置。軟件系統(tǒng)：計算機的邏輯實體，是計算機接受輸入、產(chǎn)生輸出、存儲數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的程序的總稱?；隈T·諾依曼的“存儲程序和程序控制〞的理論，計算機的硬件系統(tǒng)都是由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部份組成。2.1計算機的根本組成計算機基本硬件結(jié)構(gòu)圖輸入設(shè)備存儲器輸出設(shè)備運算器控制器數(shù)據(jù)流控制流五大部件之一——運算器運算器ALU:〔ArithmeticalandLogicalUnit〕1.概念：運算器是一個用于信息加工的部件。運算器又稱算術(shù)邏輯單元2.主要功能：①對二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算②暫存參加運算的數(shù)據(jù)和某些中間運算結(jié)果③把結(jié)果輸?shù)街付ǖ牟考?.運算功能：在控制器控制下對取自內(nèi)存儲器的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運算和“與〞、“或〞、“非〞、“異或〞等邏輯運算，并將結(jié)果送至內(nèi)存。練習(xí)：運算器的主要功能〔〕〔A〕算術(shù)運算〔B〕邏輯運算〔C〕算術(shù)和邏輯運算〔D〕函數(shù)運算

C五大部件之二——控制器控制器〔CU：ControlUnit〕---計算機神經(jīng)中樞工作實質(zhì)：按照計算機的工作節(jié)拍〔主頻〕，從存儲器中取出指令，經(jīng)過譯碼〔分析指令〕，產(chǎn)生各種控制信號，從而指揮整個計算機協(xié)調(diào)工作、自動地執(zhí)行程序。運算器〔ALU)和控制器(CU)共同構(gòu)成CPU(中央處理單元〕,CPU是決定計算機性能的核心部件存儲器〔MEMORY〕是計算機用來存放程序和數(shù)據(jù)的記憶裝置。存儲器分為外存儲器(也稱輔助存儲器，簡稱外存或輔存)和內(nèi)存儲器(也稱主存儲器,內(nèi)存或主存)①內(nèi)存的讀寫速度很快，而外存普遍很慢，所有數(shù)據(jù)要被CPU訪問，只有先調(diào)入到內(nèi)存②一旦斷電，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)會自動消失，而外存中的數(shù)據(jù)那么永久保存。五大部件之三——存儲器RAM靜態(tài)RAM〔SRAM〕：SRAM一般用作小容量的存儲器系統(tǒng)。如:高速緩沖存儲器〔Cache〕采用SRAM，以實現(xiàn)內(nèi)存的高速存取，以適應(yīng)高速CPU的需要。動態(tài)RAM〔DRAM〕：DRAM適合于做大容量的存儲器系統(tǒng)。內(nèi)存儲器包括隨機存儲器RAM(RandomAccessMemory)和只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)。存儲器的分類按照存儲介質(zhì)分 半導(dǎo)體存儲器〔雙極、MOS〕 磁介質(zhì)、光存儲器按照與CPU的關(guān)系分 高速緩沖存儲器、內(nèi)存儲器、外存儲器按照存取特性的不同分 隨機訪問存儲器、只讀存儲器、 順序存儲器、直接存取存儲器1、隨機訪問存儲器〔RAM〕 內(nèi)容按需隨意取出或存入，速度與位置無關(guān)2、只讀存儲器〔ROM〕 只能讀不能寫3、順序存儲器〔SAM〕 只能按存儲單元的位置，順序地一個接一個地進(jìn)存儲4、直接存取存儲器〔DAM〕分三步：定位操作、等待、讀寫速度指標(biāo)：平均定位、平均等待、數(shù)據(jù)傳輸率

內(nèi)存主要性能指標(biāo)

讀寫速度:用CPU存取一次數(shù)據(jù)的時間來衡量。計量單位是ns。

內(nèi)存容量:現(xiàn)在一般2GB以上

Cache的大小:可以提高CPU的運算速度

價格 可靠性：用平均無故障間隔時間衡量

存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)：是由兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器以總線相連，用軟件、硬件或二者相結(jié)合的方法連接起來成為一個系統(tǒng)。常用的兩種存儲系統(tǒng)：一種是由Cache和主存儲器構(gòu)成的Cache存儲系統(tǒng)。〔提高存儲速度〕一種是由主存儲器和磁盤構(gòu)成的虛擬存儲系統(tǒng)?！苍黾哟鎯ζ鞯娜萘俊齿斎朐O(shè)備〔INPUTDEVICE〕1.概念：是將程序和數(shù)據(jù)變?yōu)橛嬎銠C能接受的電信號并送入計算機內(nèi)存儲器的外部設(shè)備。2.輸入設(shè)備與主機之間需通過接口連接。五大部件之四——

輸入設(shè)備輸出設(shè)備〔OUTPUTDEVICE〕概念：是將運算結(jié)果,工作過程(包括程序)以人們所期望的形式表示出來的電子設(shè)備。五大部件之五——

輸出設(shè)備

微型機的結(jié)構(gòu)組成電腦＝主機＋外設(shè)中央處理器(CPU)：包括運算器、控制器內(nèi)/主存儲器〔俗稱內(nèi)存條〕：包括隨機存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)主

機

微型機的結(jié)構(gòu)組成CPUCPU是一個高集成度的芯片，包含運算器、控制器、存放器，它是電腦中最關(guān)鍵的部件，相當(dāng)于人的大腦。目前單核CPU用得最多的是賽揚和奔騰系列，主要生產(chǎn)廠家是Intel、AMD、VIA等公司；雙核CPU多為酷睿，是Intel的主打產(chǎn)品。

內(nèi)存內(nèi)存用于向CPU傳輸數(shù)據(jù)，并接收CPU的運算結(jié)果，它也是決定計算機運行性能上下的關(guān)鍵部件之一。內(nèi)存的開展:SDRAM(同步動態(tài)隨機存儲器)DDR(雙倍速率SDRAM)DRDRAM(接口動態(tài)隨機存儲器)

微型機的結(jié)構(gòu)組成

輸入設(shè)備輸入設(shè)備是用于接收外部信息并通過相應(yīng)接口輸入到計算機中。常見輸入設(shè)備：鍵盤：機械觸點式、機械薄膜式、電容式鼠標(biāo)：機械式、光電式掃描儀條形碼掃描儀鍵盤鼠標(biāo)麥克風(fēng)

微型機的結(jié)構(gòu)組成

輸出設(shè)備輸入設(shè)備是將計算機處理的數(shù)據(jù)結(jié)果輸出給用戶。常見輸出設(shè)備：顯示器、打印機打印機：非擊打式(激光、噴墨)、擊打式(針式)

微型機的結(jié)構(gòu)組成RGB（n,n,n）n[0,255]CRTLCDLEDVFD顯示器：陰極射線管、液晶、發(fā)光二極管、真空管

輸入輸出設(shè)備輸入輸入設(shè)備既有輸入設(shè)備的功能，也有輸出設(shè)備的功能。常見輸入輸出設(shè)備：觸摸屏

微型機的結(jié)構(gòu)組成

主板MotherBoard按結(jié)構(gòu)分為：AT結(jié)構(gòu)〔IBM公司〕ATX結(jié)構(gòu)〔Intel公司〕主板的核心是芯片組，它對計算機性能起到了關(guān)鍵性的作用；為提升計算機各方面的能力，主板上還設(shè)有各類擴展槽和接口

微型機的結(jié)構(gòu)組成

機箱、電源機箱是計算機的平安外套，合理的機箱布局具有更高的散熱性，可以延長機箱各部件的使用壽命。臥式立式電源是計算機的動力裝置，高效穩(wěn)定的電源是計算機正常使用的根本保證。

微型機的結(jié)構(gòu)組成

接口適配器接口適配器是溝通主板與各種外部設(shè)備之間的聯(lián)系渠道。聲卡并行接口

串行接口鼠標(biāo)和鍵盤PS/2接口

網(wǎng)卡接口音頻接口USB接口USB接口并行接口網(wǎng)卡顯卡

微型機的結(jié)構(gòu)組成外

設(shè)外存設(shè)備〔外存儲器、輔存存儲器〕：軟盤、硬盤、光盤輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀輸出設(shè)備：顯示器、打印機、繪圖儀輸入輸出設(shè)備：觸摸屏其他設(shè)備：主板、機箱、電源、接口適配器外存儲器用來長期存儲程序和數(shù)據(jù)。不與CPU直打交道。存儲容量大，存取速度慢。軟盤：軟盤是一塊涂有磁性材料的塑料圓片，使用時需要相應(yīng)的驅(qū)動器。硬盤：磁盤片和磁盤驅(qū)動器是一體。光盤：有機玻璃制成的薄圓片，使用時需要相應(yīng)的驅(qū)動器。優(yōu)盤：也叫閃盤、U盤，目前也以它的高存取速度和大容量代替了軟盤。1、磁盤控制器：又稱控制卡，控制驅(qū)動器的讀寫操作2、磁盤驅(qū)動器：其中的重要部件(讀/寫電路)是典型的輸入輸出設(shè)備3、盤片：信息的存儲介質(zhì)磁盤存儲器:磁盤控制器、磁盤驅(qū)動器和盤片組成硬盤HardDisk光盤驅(qū)動器〔光驅(qū)〕用于讀取光盤中的數(shù)據(jù)目前使用的光盤有3種類型：只讀光盤〔CD-ROM〕一次寫入型光盤(CD-WO)可改寫光盤(CD-MO)光盤CompactDiskU盤U盤是USB〔UniversalSerialBus通用串行總線〕盤的簡稱，而優(yōu)盤只是U盤的諧音稱呼。它是閃存的一種，因此也叫閃盤。最大的特點就是：體積小、容量大、價格低、壽命長，是目前最常用的可移動存儲設(shè)備之一。第一代：USB1.0的最大傳輸速率為12MBPS,1996年推出第二代：USB2.0的最大傳輸速率高達(dá)480MBPS第三代：USB3.0的理論傳輸速率達(dá)5-25GBPS軟件〔software〕：計算機系統(tǒng)中的程序、數(shù)據(jù)及有關(guān)文檔的集合。程序：完成特定任務(wù)所需要的指令序列。文檔：為便于理解程序的結(jié)構(gòu)、原理及操作使用所必需的說明性資料。2.2計算機軟件系統(tǒng)

根據(jù)軟件的功能和面向的工作對象，軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。2.2.1系統(tǒng)軟件

１、概念：支持用戶管理和使用計算機資源的程序。２、包括：操作系統(tǒng)，語言處理程序，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，各種語言程序，診斷程序，工具軟件。

系

統(tǒng)

軟

件

語言處理程序——將高級語言源程序翻譯成機器語言目標(biāo)程序的程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS——建立、訪問和維護(hù)數(shù)據(jù)庫的一種軟件工具軟件——軟件開發(fā)過程中所使用的一些工具軟件，如EDIT、LINK、DEBUG等操作系統(tǒng)——控制和管理軟硬件系統(tǒng)資源；提供用戶與計算機之間的接口(1)操作系統(tǒng)定義：操作系統(tǒng)是位于硬件層之上，所有其它軟件層之下的一個系統(tǒng)軟件，是管理系統(tǒng)中各種軟件和硬件資源，使其得以充分利用，方便用戶使用計算機系統(tǒng)的程序集合，是用戶和計算機之間的接口。單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)(DOS)常用操作系統(tǒng)多任務(wù)操作系統(tǒng)〔Windows和UNIX〕網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)〔WindowsNT和Netware〕裸機操作系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)程序網(wǎng)絡(luò)軟件數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)語言處理程序應(yīng)用程序(2)程序設(shè)計語言和語言處理程序用戶和計算機進(jìn)行交流的“語言〞就是計算機語言,即我們經(jīng)常說的程序設(shè)計語言。計算機語言按開展過程分：機器語言、匯編語言、高級語言。雖然目前存在各種計算機語言，但是計算機唯一能夠讀的懂的語言只有機器語言。高級語言源程序機器語言目標(biāo)代碼鏈接

執(zhí)行高級語言源程序執(zhí)行II>解釋方式：是通過解釋程序?qū)Ω呒壵Z言源程序進(jìn)行逐句解釋，解釋一句就執(zhí)行一句，這種翻譯方式不產(chǎn)生機器語言目標(biāo)代碼。解釋程序高級語言的兩種翻譯：編譯方式和解釋方式。I>編譯方式：是將高級語言源程序通過編譯程序翻譯成機器語言目標(biāo)代碼。編譯程序(3)數(shù)據(jù)庫管理軟件系統(tǒng)：DBMS〔DataBaseManagementSystem〕作用：管理數(shù)據(jù)庫，是有效的進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、共享和處理的工具。常用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：Sybase、Oracle、SQLServer、VisualFoxPro、DB2、Access……注意：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)屬于系統(tǒng)軟件，例如VisualFoxPro；但由它所開發(fā)出來的各類數(shù)據(jù)庫管理軟件那么屬于應(yīng)用軟件，如某學(xué)校的學(xué)籍管理系統(tǒng)、圖書管理系統(tǒng)、某企業(yè)的人事管理系統(tǒng)。2.2.2應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件：為解決某種專門問題而設(shè)計的軟件。包括：應(yīng)用程序庫〔數(shù)值計算與統(tǒng)計分析的應(yīng)用程序〕、軟件包〔針對某種實際用途而設(shè)計應(yīng)用程序，如AutoCAD〕、套裝軟件〔MicrosoftOffice〕面向問題的應(yīng)用軟件、用戶自己編制的程序等。

應(yīng)

用

軟

件

軟件包——針對某種實際用途而設(shè)計應(yīng)用程序，例如AutoCAD套裝軟件——例如MicrosoftOffice，包括Word、Excel、PowerPoint等用戶自行開發(fā)的軟件——自己設(shè)計的程序計算機系統(tǒng)組成圖解:內(nèi)存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備

應(yīng)用軟件外存儲器操作系統(tǒng)語言處理程序工具軟件運算器控制器隨機存儲器(RAM)只讀存儲器(ROM)主機(主板)外部設(shè)備系統(tǒng)軟件中央處理器(CPU)計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)各種應(yīng)用軟件包面向問題的應(yīng)用軟件應(yīng)用開發(fā)的各種軟件軟盤硬盤光盤閃存數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)２.3工作原理2.3.1指令系統(tǒng)

指令：能被計算機直接識別與執(zhí)行的，指示計算機進(jìn)行操作的某種命令。完整的機器指令由操作碼和操作數(shù)組成。2.3.2計算機工作原理存儲程序、程序控制、二進(jìn)制2.3.3信息交換方式接口、總線(BUS)指令

指令:是對計算機進(jìn)行程序控制的最小單位。所有的指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)。

機器指令格式

操作碼

地址碼

機器執(zhí)行什么操作參與操作的數(shù)據(jù)在存儲器中的存放位置讀取指令分析指令執(zhí)行指令

機器指令:是計算機唯一能夠直接識別并執(zhí)行的語言即機器語言。

微型機的體系結(jié)構(gòu)中央處理器外部設(shè)備

接口電路I/O設(shè)備輔存地址總線AB控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB主存總線--是連接各部件的公共信息通道DataBus位數(shù)與機器字長一致8位、16位或32位等AddressBus20位、24位或32位等

C

P

U

主

存

或

外

設(shè)

接

口ControlBusREADWRITEBUSYREADY位數(shù)決定存儲器最大容量1、1個CPU的尋址能力為8KB，那么它的地址總線寬度為多少？CPU的尋址范圍是多少？2、一個64K*32位的存儲器，其地址總線和數(shù)據(jù)線的總和為多少條？8K=2^13所以地址總線為13根

即地址總線寬度為13位那么CPU的尋址范圍就是〔一般用16進(jìn)制表示，即0000H-1FFFH〕64K=2^16所以地址總線為16根

32位就是數(shù)據(jù)總線的寬度那么地址和數(shù)據(jù)總線的和就是16+32=48位

定義：在系統(tǒng)總線和I/O設(shè)備之間傳輸信號，提供緩沖作用，以滿足接口兩邊的時序和匹配要求。接口接口是主機與外設(shè)相互連接的局部，是外設(shè)與cpu進(jìn)行數(shù)據(jù)交換協(xié)調(diào)及轉(zhuǎn)換的電路。接口的功能：〔1〕信號電平轉(zhuǎn)〔2〕數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換〔并、串〕〔3〕速度匹配〔4〕對外設(shè)的控件與檢測〔5〕產(chǎn)生中斷請求〔6〕DMA請求〔7〕尋址功能〔8〕可編程功能和錯誤檢測功能接口類型：串行、并行、USBIDE/ATA〔電子集成驅(qū)動器/IDE的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)族〕SCSI〔小型號計算機系統(tǒng)接口：硬盤、光驅(qū)等〕IEEE1394〔蘋果公司開發(fā)的串行標(biāo)準(zhǔn)，火線接口〕總線定義：是連