CS, ZJU 1/10/2019 Chapter 3 计算机硬件.

Presentation on theme: "CS, ZJU 1/10/2019 Chapter 3 计算机硬件."— Presentation transcript:

1 CS, ZJU 1/10/2019 Chapter 3 计算机硬件

2 Overview 处理器 存储器 输入输出系统 系统连接和USB 2019/1/10 计算机科学基础

3 3.1 概述 计算机硬件由处理器、存储器、输入/输出三个子系统构成。 2019/1/10 计算机科学基础

4 3.2 处理器 计算机中的处理器系统可以是单一的CPU芯片，也可以是多个CPU芯片组成的阵列。
PC机中的处理器即CPU，它是可插到主板CPU插座位置上的一个集成电路芯片，目前主要的CPU厂商有Intel、IBM、AMD、Motorola等公司。 2019/1/10 计算机科学基础

5 处理器的结构模型 在功能上，CPU是运算器和控制器的集合。
从逻辑上，可分为5个部分，包括运算器、控制电路、地址电路和数据寄存器与指令代码寄存器 2019/1/10 计算机科学基础

6 处理器的结构模型 运算器（ALU），执行算术运算和逻辑运算的电路部件。
数据寄存器（Data Register），存放运算器执行运算所需的数据。数据在执行运算前已经存入其中。 指令代码寄存器（Instructor Code Register），存放处理器执行操作需要的指令代码。 控制电路（Controller) ，对指令代码进行译码并产生控制运算器执行运算的信号、发出到存储器进行数据读/写信号及其他各种控制信号。 地址电路（Address，Program Counter) ，负责产生并输出地址信号，在控制信号的作用下指定存储器或者外部设备进行相关的数据传输操作。 2019/1/10 计算机科学基础

7 处理器的性能指标 主频：衡量CPU运行速度的参数。 集成度：芯片内的晶体管数目反映了处理器制造技术的先进程度和复杂性。
字长：处理器一次能够处理的最大二进制数的位数。 协处理器：不单独工作、在CPU的协调下完成任务，如：处理浮点运算的协处理器。 内部高速缓存器(Cache) 芯片封装材料及结构 2019/1/10 计算机科学基础

8 CISC和RISC CISC （Complex Instruction Set Computer),复杂指令集计算机）——Intel公司
两种类型的处理器系统的设计，采用两种完全相反的设计方法，主要区别是处理器所拥有的指令的数量和复杂程度不同： CISC （Complex Instruction Set Computer),复杂指令集计算机）——Intel公司 使用数量和种类较多的指令，典型的CISC有300条以上的指令 程序设计比较容易，CPU设计相对复杂 RISC （Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机——Apple公司 只包含常用指令且指令的长度和执行时间都相同，一般使用的指令数目在100 条以内 程序设计比较复杂，CPU设计相对容易 RISC 能否达到提高计算机性能的目的，视计算机承担的任务而定 计算机科学基础

9 3.3 存储器 实现计算机记忆功能的是存储器系统，它是保存程序代码和数 据的物理载体。 存储模式和存储容量
数据存放在存储单元中，存储单元以字节为单位，一个字节由 8 位二进制位组成。 存储器由若干个存储单元（字节）组成，每个存储单元都有一个唯一的标识叫做存储器地址，用二进制位模式进行标识。 存储容量即存储器中存储单元的总数，也叫做字节数，或者称为地址空间。 2019/1/10 计算机科学基础

10 存储单位 1012 240 TB(T Byte) 109 230 GB(G Byte) 106 220 MB(M Byte) 103 210
兆兆字节（太拉） TB(T Byte) 109 230 千兆字节（吉） GB(G Byte) 106 220 兆字节 MB(M Byte) 103 210 千字节 KB(K Byte) 1 字节 B(Byte) 近似表示方法 实际字节数 单位 计算机科学基础

11 内存储器 存储器分内（主）存储器和外（辅助）存储器 内存： 由半导体存储器组成，主要有两种类型：
随机存取存储器（RAM，Random Access Memory），计算机主存储器系统中的主要组成部分 可以随时对RAM写入数据，也可以随时从RAM单元读取数据，速度快。 易失性——数据会由于系统断电而消失 RAM根据其保持数据的方式可以分为 动态RAM（Dynamic RAM，DRAM） 静态RAM（Static RAM，SRAM） DRAM的存取速度较慢但价格要便宜些 ，动态RAM制作内存条，静态RAM用作高速缓冲器（Cache） 2019/1/10 计算机科学基础

12 内存储器 只读存储器（ROM，Read Only Memory），断电后存储的数据不会丢失。 类型
PROM ——一次性写入的存储芯片，数据一旦写入不能被改写 EPROM ——如果数据需要被改写，就需要用一种紫外线光设备将原数据擦除后再重新写数据 EEPROM ——加电即可删除原来数据，以Byte为最小修改单位，价格很高，写入时间很长，写入很慢。 ROM一个重要的应用——存放启动计算机所需要的BIOS程序。计算机每次开机都执行相同的操作，所以 BIOS程序是固定不变的，它被“固化” 在ROM 中。每次计算机上电开机时，首先执行的就是BIOS程序 2019/1/10 计算机科学基础

13 外存储器 主要是磁盘和光盘 磁盘 （Magnetic Disk，简称Disk） 磁盘是涂有磁性材料的塑料片或合金片
存储信息：被磁化为数据1，无磁性为数据0 磁盘控制器读写磁头沿着盘片直线移动，盘片沿着中心高速旋转相对运动加快了读取速度 计算机科学基础

14 磁盘表面结构 磁盘被划分磁道，磁道被划分扇型区域 数据存储在磁道上：一组同心圆（宽零点几个毫米）
磁道/扇区结构：数据读一段时间内在一个扇区进行 磁盘容量=磁道数/面*扇区数/磁道*字节数/扇区*面数 主要指标：角速度、寻找磁道的时间和数据传送时间 计算机科学基础

15 软盘和硬盘 软盘有一个塑料外壳，内部为软塑料盘片—过去式 硬盘(Hard Disk)—主要外存设备，磁介质硬质铝合金片
硬盘旋转很快、记录密度高，要求无尘环境，因此密封磁头、盘片、电机、读写电路成一个不可随意拆卸的整体 计算机科学基础

16 硬盘的接口 IDE/ATA SATA SCSI（Small Computer System Interface）,小型机系统接口
IDE 接口也叫ATA（Advanced Technology Attachment）接口。ATA接口分PATA和SATA两种。IDE指的是PATA (并行数据传输)接口 SATA SATA (串行数据传输)是硬盘的一次革命。对比之前的并行ATA， SATA的优势在于：电力消耗降低，发热量小，支持热插拔 ，传输速度快… SCSI（Small Computer System Interface）,小型机系统接口 在高档微机和服务器使用 性能优于IDE和SATA 计算机科学基础

17 光盘 使用激光技术存储和读取数据 激光发射到盘片上，根据盘片上介质的不同结构对激光的反射不同表示数据（光盘上有凹点和空白，分别代表0和1 ）
光盘上的数据由光盘驱动器（简称光驱）读/写 2019/1/10 计算机科学基础

18 光盘 分类 数字多功能光盘 （DVD）：大大提升了储存容量 DVD的分类：DVD-ROM、DVD-R和DVD-RW
只读光盘 ——CD—ROM 可刻录光盘 ——CD—R 可重写光盘 ——CD－RW 数字多功能光盘 （DVD）：大大提升了储存容量 存储数据的光点更小 光道之间的间隙更小 激光器用红激光代替红外激光，光束更精确 盘片使用一个或二个存储层，盘片可以是单面或双面的。 DVD的分类：DVD-ROM、DVD-R和DVD-RW 2019/1/10 计算机科学基础

19 可重复使用，用于创建和编辑大的多媒体图像
常见的光盘类型和指标 格式 类型 容量 描述 CD CD-ROM 650MB— 800MB 存放数据、软件等不变内容 CD-R 仅能写一次，用于存放大量数据 CD-RW 可重复使用，用于创建和编辑大的多媒体图像 DVD DVD-ROM 4.7GB— 17GB 存放音频和视频的不变内容 DVD-R 仅能写一次，存放大量的数据 DVD-RAM DVD-RW 2.6—5.2GB 2019/1/10 计算机科学基础

20 固态存储器 固态存储器也称闪存（Flash Memory） 闪存从原理上讲就是可改写的半导体存储器
断电保存数据、低功耗、密度高、体积小、可靠性高、可擦除、可重写 继承了半导体存储器速度快的优点 克服了RAM的易失性 Flash Memory很快就被广泛应用于掌上电脑及数码相机等领域的移动存储设备 MMC卡（多媒体卡）、SM卡（智能卡）和U盘等 2019/1/10 计算机科学基础

21 存储器的主辅结构 计算机存储器系统使用高速的半导体存储器作为主存储器，使用较低速的磁盘、光盘作为辅助存储器。 2019/1/10
计算机科学基础

22 存储器的主辅结构 基本工作原理 程序和数据存储在辅助存储器中，被执行的程序从辅助存储器中调入主存储器运行，运行结束程序和数据被重新存放回辅助存储器中。 这种主存—辅存结构具有很好的互补性，同时也是经济的，它们之间的管理由硬件和操作系统协同完成。 2019/1/10 计算机科学基础

23 PC机的存储器 PC机内存容量的大小取决于处理器的地址空间 今天的PC机支持的内存空间8G以上，磁盘达到TB级
CPU对读取数据路径: L1缓存 →L2缓存→内存→虚拟内存→外存（硬盘） 存储层次：Cache →内存→外存,读写速度越来越慢，容量越来越大，单位价格越来越便宜 2019/1/10 计算机科学基础

24 3.4 输入输出系统（一） 输入设备 是人们向计算机系统发出操作命令、输入操作数据的装置。 键盘 101键、104键。 鼠标
移动鼠标指针并按下鼠标键，它在显示器上的位置数据就会被捕捉到计算机中，并根据位置信息对按键动作进行响应。 2019/1/10 计算机科学基础

25 输入输出系统（二） 输出设备 把计算结果的数据或信息，以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。 显示器 打印机
主要技术指标：分辨率（越高，显示质量越好） 分类：CRT显示器和液晶（LCD）显示器两类 打印机 主要技术指标：点密度DPI（每英寸点数，越高，打印质量越好） 针式打印机（除专用票据打印机，基本淘汰） 喷墨打印机（墨盒喷墨打印） 激光打印机（硒鼓成像） 2019/1/10 计算机科学基础

26 输入输出系统（三） 其他输入/输出设备 数码相机、数码摄像机、摄像头、语音话筒、游戏操作杆 光电阅读器、POS机、光笔 读卡器
扫描仪、传真机 触摸屏 专业的音频/视频设备 绘图仪等 数码产品播放器 2019/1/10 计算机科学基础

27 输入输出系统 端口 又称接口，是连接输入/输出设备的物理接插件。 PC机一般有6种端口：键盘/鼠标接口、并行/串行接口、USB接口和音频接口，连接游戏操纵杆的插座、显示口。 端口和主机的数据传输模式有两种：并行或串行。并行一次传输8位数据（字节模式），串行每次传输1位数据（也是位模式）。 2019/1/10 计算机科学基础

28 电脑的DIY 我们都知道，计算机硬件系统由五大部分构成：(运算器、控制器)CPU、存储器、输入设备和输出设备。
外存储器和I/O设备外设，它们和主机之间通过接口线缆连接 外存（硬盘和光驱）在主机箱内，I/O设备在主机箱外 1/10/2019 计算机科学基础

29 主机箱 音箱 键盘 鼠标器 耳机和MIC 显示器

30 CD-ROM 软盘 Power ON/OFF Power I/O Port 键盘口 鼠标口 网络口 显示器口 声卡接口

31 电脑DIY CPU、 内存、主板（显卡、声卡、网卡） 硬盘、光驱 机箱 键盘鼠标、 显示器、 音箱

32 CPU：Intel与AMD Intel与AMD是全球最大的两家CPU芯片生产厂家。
Intel：两大系列，高端的Intel系列及为了与面向低端市场推出的Celeron（赛扬）系列。 AMD：推出Duron（毒龙) 、Sempron闪龙、Athlon 速龙、Phenom羿龙系列

33 Intel Pentium系列 早期：8086，80286，80386，80486
Intel Pentium，它是真正的第五代处理器。Pentium MMX、Pentium II、Pentium III、 Pentium IV 奔腾系列的台式机里面有两种双核，一种诞生在酷睿2之前，叫奔腾D，一种诞生在酷睿2之后，叫奔腾E。奔腾E也就是酷睿2的低端系列 酷睿2系列处理器分为E、Q系列(T和P系列是在移动平台上的CPU)。 E系列CPU是双核心, Q系列CPU是四核心 最新的酷睿i系列：2个级别 i3 和 i  (早期) 这几个为双核心 i5 和i7 系列为四核心

34 AMD CPU AMD，成立于1969年，经过多年不懈地与英特尔的抗争，终于小有成就。三大系列，Duron（毒龙）、Sempron闪龙（面向低端市场，闪龙系列是毒龙系列的升级），和Intel的赛扬系列竞争，Athlon 速龙系列、Phenom羿龙系列（面向高端市场，和intel Pentium系列、酷睿系列竞争），从强到弱，羿龙II系列、羿龙I系列、 速龙II系列、速龙系列、闪龙系列~ *Opteron皓龙是 AMD 的服务器品牌 *2011年下半年，推出AMD FX系列

35 羿龙II X4 955 酷睿i5 750

36 内存 内存主要分为SDRAM、DDR SDRAM
SDRAM（Synchronous Burst RAM）：同步动态随机存储器, SDRAM采用3.3伏工作电压，168Pin的DIMM接口，带宽为64位。 DDR SDRAM （Dual Date Rate SDRSM）：SDRAM在一个时钟周期内只传输一次数据，只在时钟的上升期进行数据传输；而DDR内存则是一个时钟周期内传输两次数据，即在时钟的上升期和下降期各传输一次数据，称为双倍速率同步动态随机存储器。所以理论上同速率的DDR内存与SDR内存相比，性能要超出一倍， DDR 使用184pin接口。 DDR2（Double Data Rate 2） SDRAM：与上一代DDR内存同是采用了在时钟的上升/下降延同时进行数据传输的基本方式，但DDR2内存传输速度更快,功耗更低。DDR2使用240pin接口。 近年，又出现了DDR3，当然数据传输速度更快,功耗更低。它也使用240pin接口。但和DDR2的插槽不能混用。

37 内存 DDR内存 DDR3内存

38 主板 主板的英文名称叫做 Motherboard，也可以译做母板。主板不但是整个电脑系统平台的载体，还负担着系统中各种信息的交流。主板的构成： 芯片部分 BIOS芯片：是一块方块状的存储器，里面存有与该主板搭配的基本输入输出系统程序。能够让主板识别各种硬件，还可以设置引导系统的设备，调整CPU外频等。 主板芯片组：芯片组有南北桥之分。 “北桥”芯片是主板上离CPU最近的一块芯片，“北桥”芯片担负CPU、内存、AGP 显卡之间的数据、指令的交换、控制和传输任务；而 “南桥” 芯片则负责外部存储器（硬盘、光驱）以及其他硬件资源（USB、PCI等设备) 的控制、调配及传输任务。生产芯片组的厂家主要有：Intel、 威盛科技（VIA)、矽统科技（SIS）。

39 主板 插拔部分 CPU插座：CPU型号不一,插座也不一样,因此，不同的CPU所配置的主板也不一样。
内存插槽：根据内存类型的不同，可以分为SDRAM、DDR SDRAM、DDR II、DDR3内存架构的插槽。不同类型的内存条只能和与之匹配的内存插槽配合使用。 AGP插槽：为了能够满足显卡的大数据量传输，AGP插槽出现在了主板上。AGP插槽有1×、2×、4×和8×（8倍速）之分。 PCI插槽：PCI插槽多为乳白色，是主板的必备插槽，可以插上软Modem、声卡、股票接受卡、网卡、多功能卡等设备。 PCI-E插槽:PCI Express是新一代的总线接口， PCI-E接口根据总线位宽不同而有所差异，包括X1、X4、X8以及X16,PCI-E X16作为显卡插槽

40 主板 接口部分 IDE接口：连接光驱。 SATA接口：连接硬盘 PS/2接口：PS/2接口的功能比较单一，仅能用于连接键盘和鼠标。一般情况下，鼠标的接口为绿色、键盘的接口为紫色。PS/2接口的传输速率比COM接口稍快一些，是目前应用最为广泛的接口之一。 USB（Universal Serial Bus）接口：Intel 公司开发的通用串行总线架构，最大可以支持127个外设。支持热插拔技术。目前，主流是USB1.0标准——传输速率为2M（许多机器还不能支持传输速度更快的USB2.0——可达到10M以上）

41 生产主板的品牌厂家有：华硕、技嘉、微星、磐正、盈通、精英及顶星等下图为顶星TM-848P 主板（支持P4 、 Celeron 4）
“南桥”芯片

42 插入插入PCI扩展槽 在机箱安装时所需要的挡板 图3.26 使用PCI总线的插卡

43 后板提供的接口

44 华硕M4A88TD-M：支持AMD CPU 1*PCI 2*PCI-E X1 1*PCI-E X16 6*SATA 3 1*IDE 内存：
4*DDR3 DIMM (支持双通道)

45 华硕M4A88TD-M主板的I/O接口非常的丰富，它提供了PS/2键盘接口、6个USB 2
华硕M4A88TD-M主板的I/O接口非常的丰富，它提供了PS/2键盘接口、6个USB 2.0 接口、HDMI+VGA+DVI 视频输出接口、音频接口。 HDMI DVI HDMI：英文全称是“High Definition Multimedia”，中文的意思是高清晰度多媒体接口，是一种数字化视频/音频接口技术。 DVI：数字视频接口

46 3.5 系统连接 计算机的所有部件都通过总线互连, 总线(Bus)是一组导线，是信号的公共通路，分内部总线和外部（系统）总线：
3.5 系统连接 计算机的所有部件都通过总线互连, 总线(Bus)是一组导线，是信号的公共通路，分内部总线和外部（系统）总线： 内部总线：主板芯片组与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连。内部总线分： 地址总线—— 传送CPU需要的对存储器和外设进行数据读写的地址信息（单向传输） 数据总线——传送数据。存储数据越多，说明CPU处理能力越强（双向传输） 控制总线 ——由CPU根据指令操作，是单个信号线的集合 （双向传输） 2019/1/10 计算机科学基础

47 系统连接 外部（系统）总线 外部设备和主机连接，需要解决的问题是： 解决的方法 ： 设备和主机采用何种数据传输模式
设备如何在主机的控制下进行工作 解决主机和外设的速度匹配问题 解决的方法 ： 并行数据或串行数据模式 设置外部总线标准 接口电路 2019/1/10 计算机科学基础

48 外部（系统）总线标准 外部设备是通过一组或一束导线与主机上的接口连接的：
外部设备的总线标准规定了这些连接线如何排列且具有何种功能（如数据位宽度、数据传输速率），是否有和主机通信的请求响应信号，以及使用何种端口等。 不同的接口有不同的标准，硬盘—SATA；光盘—IDE；键盘、显示器各有其标准。 其他设备可以通过接口卡插在“接口总线插槽”(扩展槽)上与主机相连，这个扩展槽支持的标准 PCI总线 PCMCIA 2019/1/10 计算机科学基础

49 2019/1/10 计算机科学基础

50 USB 它是一种总线标准，也是一种技术。由Intel公司发起并制定的通用串行总线标准。
USB使用4线结构，USB设备自身无须配备电源，可以通过USB中的VBUS和GNG获得从主机提供的电源，它的另外两根线为数据线。它的连接端口主要有两种规格：A型和B型，分别连接计算机和外设。 USB自动配置设备，可在计算机工作的情况下插进或拔出，即支持热插拔（Hot-Plugging），可以连接多达127个设备。 2019/1/10 计算机科学基础

51 系统连接 接口 高速主机和低速外设之间的矛盾，通过接口“机制”解决，使得它们在速度之间实现“匹配”。
接口有两个部分，一部分是通过内部总线连接计算机的CPU和存储器的，另一部分则通过外部总线连接外设。 2019/1/10 计算机科学基础

52 输入/输出方式 由于设备的复杂性和接口承担了在高速主机和低速外设之间的“缓冲”角色，使得计算机在输入/输出能够以不同的工作方式运行，分为：
程序查询方式(program inquiry) 程序中断方式(interrupt control) 直接存储器存取方式(DMA：Direct Memory Access) 通道方式（Channel） 外围处理机方式(Peripheral Processor) 2019/1/10 计算机科学基础