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第三章 计算机硬件,Overview,处理器存储器 输入输出系统系统连接和USB,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。,主机箱,音箱,键盘,鼠标器,耳机和MIC,显示器,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,主机,电缆连接外设,电缆连接CD-ROM,电缆连接硬盘,电缆连接软盘,电缆电源线,内存条插槽芯片组（北桥、南桥）IDE(IDE 插座),供CPU 电源插口CMOS电池 AGP扩展槽 加速图形接口 PCI扩展槽,CPU插槽,技嘉 GA-MA785GT-UD3H,3.2 处理器（计算机的大脑）,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、AMD、IBM、Motorola等公司。,发展历史,第1阶段（19711973年）：4位和8位低档微处理器时代 第2阶段（19711977年）：8位中高档微处理器时代 第3阶段（19781984年）：16位微处理器时代 第4阶段（19851992年）：32位微处理器时代 第5阶段（1993 2005年）：奔腾（pentium）系列微处理器时代 第6阶段（2005年至今）：酷睿（core）系列微处理器时代,2023/1/17,处理器芯片处理器芯片的结构决定其安装的位置以及与外部其他部件的连接方式。因为半导体材料单位面积内集成的电路数目不可能无限增长。为此，集成电路设计开始从芯片平面转向立体：在一个芯片上集成多个处理器。,11,2023/1/17,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。,12,2023/1/17,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。,13,2023/1/17,内部总线总线就是一组导线，它是信号的公共通路。在主板范围内的总线叫做内部总线，它是CPU与存储器及输入/输出控制电路进行数据交换的通路。分为：数据总线：接收或输出数据地址总线：向外输出地址信号 控制总线：输出控制信号或者接收来自外部的控制信号,14,2023/1/17,微处理器的性能指标 CPU型号决定计算机的型号和性能 衡量CPU性能的主要技术指标是频率、字长、浮点运算能力等 两大阵营：,15,计算机科学基础,2023/1/17,例：Intel 酷睿i7,16,计算机科学基础,插槽类型：LGA 1155 CPU主频：3400MHz 最大睿频：3800MHz 制作工艺：32 纳米 二级缓存：4256KB 三级缓存：8MB 核心数量：四核心 八线程核心代号：Sandy Bridge 总线类型：DMI总线 5.0GT/s倍频：34倍,例：AMD FX系列,2023/1/17,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：位于CPU与内存之间的临时存储器，容量比内存小但交换速度快。（L1、L2、L3）。工作温度范围电源电压范围芯片封装材料及结构,17,计算机科学基础,2023/1/17,CISC和RISC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）：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。（一般个人计算机都采用CISC）RISC（Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机）：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条以内简化程序控制逻辑，提升处理器的速度。,18,计算机科学基础,2023/1/17,3.3 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。,19,计算机科学基础,存储模式和存储容量字节（Byte B）：8位（bit b）二进制组成基本存储单元；字长（word）：可以被CPU一次存取或运行的最长数据长度；存储器地址：每个字节的唯一标识，单元地址和存储单元中存放的内容都是二进制；存储空间：被标识的存储器中所有存储单元的地址的总和就是整个存储器的“空间”，也叫做存储器容量；,2023/1/17,内存 与CPU经内总线连接的存储器是“内存”，也称为主存储器，简称主存。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），体积小，存取速度快，易失性。动态RAM（Dynamic RAM）静态RAM（Static RAM）只读存储器（ROM，Read Only Memory），断电后存储的数据不会丢失，一个重要应用就是存放启动计算机所需的BIOS程序。PROM 一旦数据被写入，就不能再改变 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 可以对部分单元进行重新写入,20,计算机科学基础,目前主流内存类型DDR全称是DDR SDRAM(Double Date Rate SDRAM，双倍速率SDRAM)，它占据了市场的主流。DDR只有一个缺口，而SDRAM有两个缺口。DDR内存采用了诸如双时钟差分信号等技术，使其在时钟触发沿的上、下沿都能进行数据传输，这样就可以达到双倍速率传输数据，同时由于仅多采用了下沿信号，因此并不会造成能耗增加。DDR-2：与DDR相比，DDR2最主要的改进是在内存模块速度相同的情况下，可以提供相当于DDR内存两倍的带宽。DDR3工作电压从DDR2的1.8V降落到1.5V，性能更好更为省电；DDR2的4bit预读升级为8bit预读。,磁盘 磁盘根据电磁学原理，用涂敷在圆盘表面的磁性材料的极化状态表示二进制数据。,磁盘表面结构,磁盘工作过程,2023/1/17,22,计算机科学基础,磁盘种类软盘硬盘,硬盘参数：接口：IDE/ATA SATASCSI转速 5400rpm 7200rpm容量 采用垂直记录技术，容量大大提高,2023/1/17,光盘使用激光技术存储和读取数据，光盘上有凹点和空白，分别代表0和1，通过光驱进行读写。只读光盘 CDROM可刻录光盘 CDR可重写光盘 CDRW数字多功能光盘 DVD蓝光 Blu-ray,24,计算机科学基础,2023/1/17,固态存储器采用半导体材料，没有磁盘、光盘的机械部件，不需要专门的机械驱动供电，可以直接使用主机供电，且不受到外界环境的影响，持久耐用。类型：CF卡（快闪卡）MMC卡（多媒体卡）SD卡（安全数字卡）SM卡（智能卡）U盘,25,计算机科学基础,2023/1/17,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。,26,计算机科学基础,存储层次,存储容量越来越大，每位的价格越来越便宜,访问速度越来越快,各种存储器的主要性能参数,2023/1/17,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。,29,计算机科学基础,2023/1/17,PC机的存储器PC机内存容量的大小取决于处理器处理器的地址空间。PC机可以设置虚拟内存（Virtual Memory），虚拟内存是在磁盘上开辟一个区域，其结构和内存单元相同，且虚拟内存的地址与内存的地址一一对应。当CPU执行程序时，将需要暂存到磁盘中的数据映射存放到虚拟内存中，需要时再从映射的虚拟内存中重新取出。由于与内存地址是对应的，因此存取虚拟内存的操作速度快于一般的磁盘操作，有利于提升系统的运行效率。,30,计算机科学基础,虚拟存储器系统,虚拟存储器是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，不是任何实际的物理存储器。它借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量，使之为更大或更多的程序所使用。在Windows系统中，在“我的电脑”的属性中可以设置。内存大小：设置虚拟内存最小为多少和最大为多少；存放位置，设置虚拟内存应使用哪个分区中的硬盘空间 出现“虚拟内存不够”的几个可能感染病毒虚拟内存设置不当 系统空间不足 因为SYSTEM用户权限设置不当,2023/1/17,3.4 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）。端口信号和连接设备信号相匹配，需要一些标准，即系统总线。,32,计算机科学基础,2023/1/17,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。键盘与主机连接的端口有两种规格：PS/2和USB。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。,33,计算机科学基础,Ergonomic style,The Mouse,Trackpads,TrackPoint,The user can point,tap,draw and write on the computers screen with a pen.,Devices for the Hand Touch Screens,Game Controllers,Optical Input Devices Bar Code Readers,2023/1/17,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。显示器类型：主要有CRT、LCD以及LED。主要技术指标：分辨率、显示标准显卡指标和标准打印机针式打印机、喷墨打印机和激光打印机、热升华打印机、热蜡打印机,43,计算机科学基础,The diagonalsize(often 15”),CRT,LCD,可卷曲显示器,投影机亮度、对比度、画面尺寸等指标,喷墨打印机,激光打印机Laser,照片打印机,喷墨绘图仪Plotters,2023/1/17,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/视频设备数码产品播放器,52,计算机科学基础,2023/1/17,3.5 系统连接和USB,外设和主机连接，需要解决的问题是：设备和主机采用何种数据传输模式设备如果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总线标准接口,53,计算机科学基础,2023/1/17,系统总线标准外部设备是通过一组或一束导线的接插件端口与主机连接的，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。PCI总线PCMCIA,54,计算机科学基础,2023/1/17,55,计算机科学基础,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。,2023/1/17,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。,57,计算机科学基础,2023/1/17,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，使得计算机输入/输出能够以不同的方式运行，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),58,计算机科学基础,程序查询方式：当需要进行输入或输出操作时，启动外设，CPU执行“查询程序”IO设备准备好后，CPU得到“准备就绪”信号，可进行主机和外设 之间的数据交换。程序中断方式：外设启动后，CPU执行原来的主程序，IO设备准备就绪后，向 CPU发出“中断请求”，CPU经中断优先级排队确认响应中断并转入执行中断服务程序，实现主机与外设的数据交换。直接存储器存取方式：这种输入输出控制方式要求在机器内增设DMA控制器(简称DMAC)，由它直接控制主机与外设之间的数据交换。通道方式：通道是一种专门的控制机构，通过执行通道程序进行I/O操作管理外围处理机方式：用一台或多台外部处理机来管理众多的IO设备，既控制输入输出操作，还可完成输入输出操作有关的处理和通信控制。,思考题,列表给出你使用的计算机所配置的硬件名称及主要技术指标和性能，包括CPU、内存、磁盘、光盘、输入/输出设备等。归纳一下，如何提升你的机器的硬件性能？查看你的计算机硬盘参数，看看有多少扇区（Sector）。硬盘还有其他一些参数，如磁头、柱面、簇等，通过查找相关资料弄清这些参数的意义。,2023/1/17,60,计算机科学基础,
