复习回顾 2.2 计算机硬件系统 2.1 计算机发展概述 1、芯片组的作用是什么？ 1、计算机分为几代？主要元器件是什么？ 2.2 计算机硬件系统 1、芯片组的作用是什么？ 2、 BIOS包括哪几部分？ 3、什么是总线？ 4、常用的I/O接口有哪些？ 2.1 计算机发展概述 1、计算机分为几代？主要元器件是什么？ 2、按照计算机的器能计算机分为哪几类？ 2.3 CPU的结构和基本原理 1、 CPU由哪几部分组成？ 2、 指令通常由哪两部分组成？

通过上次课的学习我们熟悉了计算机硬件系统的两个组成部分：总线与I/O接口、CPU。今天我们学习另外三个组成部分：存储器、输入设备和输出设备！

2.4 存储器 2.4.1 内存储器 2.4.2 外存储器

计算机中存储器的层次结构 内存储器 外存储器 cache存储器 主存储器(RAM和ROM) 外存储器（软盘、硬盘、光盘） 后备存储器（磁带库、光盘库） 内存储器 外存储器 寄存器 典型容量 <1KB 1MB 256MB-1GB 40GB-200GB 10TB-100TB 典型存取时间 1 ns 2 ns 10 ns 10 ms 10 s 分析：速度越快，成本较高。 为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作 工作过程： 1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器 2）如需要从(向)存储器中取(存) 数据时，先访问cache 3）如操作数不在cache，则访问RAM 4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出→RAM →cache

内存与外存的关系及比较 外存储器(简称外存或辅存) 内存储器(简称内存或主存) 存取速度慢 存取速度快 成本低、容量很大 不与CPU直接连接，计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据必须先传送到内存，然后才能被CPU使用。 属于不挥发性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息 内存储器(简称内存或主存) 存取速度快 成本高、容量相对较小 直接与CPU连接，CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作 属于挥发性存储器(volatile)，用于临时存放正在运行的程序和数据

课堂练习 1、存储器是计算机系统的重要组成部分，存储器可以分为内存储器与外存储器，下列存储部件中____属于外存储器。 A、高速缓存[cache] B、硬盘存储器 C、显示存储器 D、CMOS存储器 2.6 外存储器

课堂练习 2、 在PC机中，各类存储器的速度由高到低的次序是____。 A、Cache、主存、硬盘、软盘 B、主存、Cache、硬盘、软盘 C、硬盘、Cache、主存、软盘 D、Cache、硬盘、主存、软盘 2.6 外存储器

内存与外存的关系及比较 CPU 内存储器 外存储器(简称外存或辅存) 存取速度慢 成本低、容量很大 指令1 指令2 指令k 指令n 程序 数据1 数据2 数据m 数据 ①任务启动时，执行该任务的程序和数据将从外存成批传送到内存 CPU ②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据 ③逐条执行指令，按指令要求完成对数据的运算和处理 外存储器 ⑤任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存 ④将指令的运算处理结果送回内存保存 外存储器(简称外存或辅存) 存取速度慢 成本低、容量很大 不与CPU直接连接，计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据必须先传送到内存，然后才能被CPU使用。 属于不挥发性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息 内存储器(简称内存或主存) 存取速度快 成本高、容量相对较小 直接与CPU连接，CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作 属于挥发性存储器(volatile)，用于临时存放正在运行的程序和数据

2.4.1 内存储器

内存储器的分类及应用 内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型： （用作Cache存储器） （用作BIOS存储器） (图形卡、硬盘控制器) 静态随机存取存储器SRAM （用作Cache存储器） 随机存取存储器(RAM) 每个存储单元(cell)由6个晶体管组成 只要加上电源，信息就能一直保持 对电器干扰相对不很敏感 比DRAM更快，也更贵 （用作主存储器） 动态随机存取存储器DRAM 半导体存储器 每个存储单元由1个电容和1个晶体管组成. 每10-100 ms必须刷新一次 对电器干扰比较敏感 比SRAM慢，但便宜 只 读 存储器(ROM) 不可在线改写内容的ROM （用作BIOS存储器） (图形卡、硬盘控制器) 快擦除存储器（Flash ROM）

课堂练习 1、 下列各类存储器中，________在断电后其中的信息不会丢失。 A、寄存器 B、Cache C、Flash ROM D、DDR SDRAM 2.6 外存储器

主存储器(RAM)的功能与原理 主存是CPU可直接访问的存储器 特点： 以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节 存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：MB或GB） 存取时间：主存读出数据送到CPU（或者是把CPU数据写入主存）所需要的时间（单位：ns，1 ns = 10-9 s） ····· 01101001 10101010 存储内容 00001 00000 00010 00011 00100 11110 11111 ······· 存储 单元 地址

主存储器(RAM)的功能与原理 主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令和数据 特点： 存储 存储内容 单元 地址 地址码 存储单元 地址寄存器 地址译码器 地址线 读写控制电路 数据线 控制线 读/写的数据 读/写控制信号  (64位) (36位) ····· 01101001 10101010 存储内容 00001 00000 00010 00011 00100 11110 11111 ······· 存储 单元 地址 主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令和数据 特点： 以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节（8个二进位） 存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：MB或GB） 存取时间：从CPU送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入主存）所需要的时间（单位：ns，1 ns = 10-9 s）

PC机主存储器的物理结构 主存储器由1～4个内存条组成 内存条的组成： 内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用 把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成 内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用 目前流行的是DDR2和DDR3内存条： 均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面 DDR2 和DDR3均有240个引脚，但不可互换使用 PC机主板中一般都配备有2个或4个DIMM插槽 参考阅读材料2.3中的介绍

存储器与CPU速度差距愈来愈大 DRAM, 硬盘与CPU 之间的速度差距愈来愈大： 关于cache存储器 问题：由于CPU工作速度很快，内存速度比较慢（差1～2个数量级），从内存取数或向内存写数时，CPU往往需要等待

什么是cache(高速缓存)？ cache是一种小容量高速缓冲存储器，它由SRAM组成 cache直接制作在CPU芯片内，速度几乎与CPU一样快 程序运行时，CPU使用的一部分数据/指令会预先成批拷贝在cache中，cache的内容是主存储器中部分内容的映象 当CPU需要从内存读(写)数据或指令时，先检查cache中有没有，若有，就直接从cache中读取，而不用访问主存储器 Cache存储器 4 8 9 10 14 3 主存中的部分信息拷贝在cache存储器中 10 4 主存储器 1 2 3 4 4 5 6 7 8 9 10 10 11 12 13 14 15

Pentium 4的cache存储器 Pentium 4中有3个cache存储器，分成两级： 一级cache L2 cache (48GB/s) L1数据cache(8KB) 指令cache及指令预取部件 前端总线 256位，时钟频率 64位,时钟频率 总线 接口部件 预取 控制逻辑 Pentium 4中有3个cache存储器，分成两级： 一级cache 数据缓存（L1数据cache），8KB 指令缓存， 8KB 二级缓存（L2 cache），容量为256 KB～2MB

如何提高cache的命中率？ 增大cache容量 采用多级cache技术(2级或3级等) cache中采用快速的查找算法，判定是否命中

课堂练习 1、计算机系统中Cache存储器与主存相比容量较小，但__较快。 2、为了克服主存储器速度比CPU慢得多的缺点，Pentium4处理器中增加了Cache存储器，它的中文名称是______存储器。 3、cache存储器的有无与大小是影响CPU性能的一个重要因素。通常cache容量越大，访问cache命中率就越________，CPU速度就越快。

1、软盘存储器 2、硬盘存储器 3、光盘存储器 4、移动存储器 2.4.2 外部存储器 1、软盘存储器 2、硬盘存储器 3、光盘存储器 4、移动存储器

PC机的 外存储器 硬盘 存储器 软盘 驱动器 CD-ROM

软盘存储器 = 软驱 + 软盘片+软盘控制器 信息的存储介质 信息的读写装置 3.5英寸软盘片 软盘驱动器(软驱) (安装在台式PC的机架上) 优点：存储介质（软盘片）可更换、携带方便、价格便宜 缺点：容量太小

软盘片的结构 目前主要使用3.5英寸软盘 轴盘连接孔 写保护孔 读写窗(快门)是可移动的金属套，软盘工作时才打开 盘片被封装在一个硬塑料保护壳中 软盘片是两面涂满了磁性材料一张圆形软塑料片 轴盘连接孔 写保护孔 移动翼片，露出写保护口，信息就无法记录到盘片，从而实现了写保护

磁盘存储器的信息存储原理 磁头，用于写入和读出信息 “0” “1” 盘片旋转方向 磁盘片

磁盘的磁道和扇区 扇 区 磁 道 每个磁道被划分为若干段（段又叫扇区），每个扇区的存储容量均为512字节。每个扇区都有一个编号 磁盘表面被分为许多同心圆，每个同心圆称为一个磁道。每个磁道都有一个编号，最外面的是0磁道 注：所谓磁盘的格式化操作，就是在盘面上划分磁道和扇区，并在扇区中填写扇区号等信息的过程

3.5英寸软盘片存储容量的计算 共 2个记录面（双面记录） 每个记录面 80个磁道 (编号:0-79) 每个磁道划分为 18个扇区 (编号:1-18) 每个扇区的存储容量为 512字节 所以，每张盘片的总存储容量为 存储容量= 2  80  18  512 =1.44MB 缺点： 盘片容量太小 单位存储容量的成本：软盘片 > 优盘 ！ 优盘：1GB～8GB （100~200元）

如何增大磁盘片的容量？ 硬盘 存储器 提高盘片上的信息记录密度！ 增加磁道数目——提高磁道密度 增加扇区数目——提高位密度 低密度存储示意图 高密度存储示意图 位密度 道密度

2 、硬盘存储器

硬盘存储器概述 作用： 长期保存各类信息 特点： 可读可写 容量很大（当前台式PC：250GB~500GB） 技术发展很快，容量将更大，成本会更低

硬盘存储器的结构 主轴 移动臂 硬盘片 磁头 接口 控制电路 1）磁盘片：铝合金（或玻璃材料）制成，盘片上涂有一层很薄的磁性材料，通过磁层的磁化来记录数据。一般一块硬盘由1-5张盘片组成，它们都固定在主轴上。 2）主轴与主轴电机： 主轴底部有一个电机，当硬盘工作时，电机带动主轴，主轴带动磁盘高速旋转，其速度为每分钟几千转、甚至上万转。 3）磁头和移动臂： 磁头是一个质量很轻的薄膜组件，负责盘片上数据的写入或读出。盘片高速旋转时带动的气流将盘片上的磁头托起，移动臂用来固定磁头，使磁头可以沿着盘片的径向高速移动，以便定位到指定的磁道。

磁盘存储器的信息记录原理 磁存储器信息记录原理 信息记录格式与软盘相同，按磁道和扇区进行存储，但磁道和扇区数目要多得多 电流方向 磁头 磁盘表面 磁性材料粒子 盘 片 旋 转 方向 写“1” 写“0” 磁存储器信息记录原理 磁盘存储器的信息记录原理 信息记录格式与软盘相同，按磁道和扇区进行存储，但磁道和扇区数目要多得多

信息的平均存取时间 磁盘上的信息以扇区为单位进行读写，平均存取时间为： T = 寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间 旋转轴 磁道 磁头 寻道时间——磁头寻找到指定磁道所需时间(大约5ms) 旋转等待时间——指定扇区旋转到磁头下方所需要的时间(大约4～6ms) (转速： 4200/5400/7200/10000rpm) 数据传输时间——(大约0.01ms/扇区) 磁头 磁道 旋转轴 碟片 读写硬盘信息的操作过程： 主机首先给出要读写的扇区地址： 磁头号（扇区所在记录面），例如，0号磁头 柱面号（扇区所在的磁道），例如，5号柱面 扇区号，例如，1000号扇区 硬盘的操作流程如下： 所有磁头同步寻道（由柱面号控制） 选择磁头（由磁头号控制）  被选中的磁头等待扇区到达磁头下方（由扇区号控制） 读写该扇区中的数据

硬盘存储器的性能指标 （5）与主机的接口： （1）容量：以GB为单位，目前硬盘单碟容量约为40～500GB （2）平均存取时间：在几ms～几十ms之间，由硬盘的旋转速度、磁头寻道时间和数据传输速率所决定 （3）缓存容量：原则上越大越好，通常为2MB～8MB （4）数据传输速率 外部传输速率指主机从（向）硬盘缓存读出（写入）数据的速度，与采用的接口类型有关 内部传输速率指硬盘在盘片上读写数据的速度，转速越高内部传输速率越快 （5）与主机的接口： 前些年使用：并行ATA（IDE）接口（133MB/s） 当前流行： 串行ATA（SATA）接口（300MB/s）

课堂练习 1、硬盘中不同磁道上的所有扇区能存储的数据量是相同的。 2、移动硬盘容量比闪存盘大、兼容性好，即插即用速度比固定硬盘慢,与主机的接口和固定硬盘不同,为USB接口。

附：关于硬盘的SATA接口(1) 前几年PC大多使用IDE(ATA)接口 近两年开始大量采用SATA接口(150～300MB/s) Ultra ATA100或Ultra ATA133接口，传输速率最高分别为100MB/s和133MB/s 近两年开始大量采用SATA接口(150～300MB/s) 串行传输方式，工作频率高(1.5GHz-3GHz) 低电平差分信号，内嵌时钟信号 传输线长度增加，插头插座体积缩小

使用硬盘应注意什么? 正在对硬盘读写时不能关掉电源 保持使用环境的清洁卫生，注意防尘；控制环境温度，防止高温、潮湿和磁场的影响 防止硬盘受震动，工作时不要移动机器 及时对硬盘内容进行整理，包括目录的整理、文件的清理、磁盘碎片整理等 防止计算机病毒对硬盘的破坏，对硬盘定期进行病毒检测

3、光盘存储器

光盘存储器的发展 分代 年代 名称 激光类型 存储容量 第1代 1982 CD光盘存储器 红外光 650MB 第2代 1995 DVD光盘存储器 红光 4.7GB 第3代 2006 BD光盘存储器 蓝光 25GB （注：DVD和BD的容量均为单面单层的容量）

光盘的信息记录原理 光盘上的 螺旋形光道 凹坑的边缘用来表示“1”，而凹坑和非凹坑的平坦部分表示“0”

光盘驱动器的工作原理 驱动器由光头、光头驱动机构、盘片驱动机构、控制电路等组成 激光器发出的激光经过透镜聚焦后到达光盘，从光盘上反射回来的激光束沿原来的光路返回，到达激光束分离器后反射到光电检测器，由光电检测器把光信号变成电信号，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据

为什么DVD容量比CD大得多？ 1) 更小的凹点长度(~2.08x), 2) 数据轨道间隔更紧密 (~2.16x), 3) 采用较短波长的635nm或650nm的红色激光, 使激光斑点直径缩小,提高信息的鉴别能力. 4) 数据区域稍大一点(~1.02x), 5) 更有效的信道比特调制 (~1.06x), 6) 更有效的纠错码(~1.32x), 7) 较少的段开销(~1.06x).

光盘驱动器的类型 按信息读写能力分 按可处理盘片类型进一步分成： 只读光驱 可写光驱（光盘刻录机） CD只读光驱 CD刻录机 DVD只读光驱 DVD只读/CD刻录机组合而成的“康宝” BD（Blue-ray Disc）只读光驱 BD刻录机 （使用780 nm红外激光） 0.7 GB （使用650 nm红色激光） 4.7  /8.5 /9.4 /17 GB （使用405 nm蓝色激光） 25 GB /50 GB

光盘片的类型 按存储容量与读写特性分： 蓝光盘 CD盘片 只读盘片（CD-ROM） 一次性可写盘片（CD-R） DVD盘片 蓝光盘片 只读盘片（CD-ROM） 一次性可写盘片（CD-R） 可擦写盘片（CD-RW） 只读盘片（DVD） 一次性可写盘片（DVD-R, DVD+R） 可擦写盘片（DVD-RW, DVD+RW DVD-RAM ） 只读盘片（BD） 一次性可写盘片（BD-R） 可擦写盘片（BD-RE）

资料:DVD刻录机和DVD光盘的容量 DVD刻录盘目前有2大类、5种规格： SuperMulti DVD刻录机能够兼容上述大部或全部盘片 一次性可写：DVD-R、 DVD+R 可擦写：DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW SuperMulti DVD刻录机能够兼容上述大部或全部盘片 DVD盘片的容量： DVD光盘类型 120mm DVD存储容量(GB) 80mmDVD存储容量(GB) 单面单层(SS/SL) 单面双层(SS/DL) 双面单层(DS/SL) 双面双层(DS/DL) 4.7 (DVD-5) 8.5 (DVD-9) 9.4 (DVD-10) 17 (DVD-18) 1.46 (DVD-1) 2.66 (DVD-2) 2.92 (DVD-3) 5.32 (DVD-4)

4、移动存储器— （1）闪存盘（“优盘”或“U盘”） 采用Flash存储器（闪存）芯片，体积小，重量轻 容量可以按需要而定（256MB～8GB），具有写保护功能 数据保存安全可靠，使用寿命长 使用USB接口，即插即用，支持热插拔(必须先停止工作) 读写速度比软盘快 可以模拟软驱和硬盘启动操作系统

（2） 移动硬盘 移动硬盘 存储容量大（30GB～160GB、320GB） 采用USB或IEE1394接口，即插即用，支持热插拔(必须先停止工作) 小巧而便于携带 速度快，安全可靠 移动硬盘

课堂练习 1、CD-R光盘是一种能够多次读出和反复修改已写入数据的光盘。 2、闪存盘也称为“优盘”，它采用的是Flash存储器技术。