2计算机硬件平台

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CPU概述
• 形状、大小不尽相同 • 通过针脚插到主板上的CPU专用插槽同 其他部件通信
– 不同型号CPU的针脚数可能不同 – 一块主板只能支持特定型号的CPU
• 主板的CPU插槽类型
– LGA 2011或者775BGA – 有些CPU会使用相同的插槽
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计算机硬件—打印机/复印机
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计算机硬件—输入设备
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计算机硬件
• 主机
– 内存和中央处理器CPU
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PCI-Express总线
• 2001年提出 • 多种不同速度
– 1X、2X、4X、8X、16X、以及32X – PCI-E 1X模式的单向传输速率为 250MB/S。 – 其它模式的传输速率是1X的倍数，
• 如8X、16X是1X的8倍和16倍 • 16X接口能达到双向8GB/s的峰值带宽 • 受图像显示卡厂家欢迎
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• DDR2
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内存条插槽
• SIMM
– 单列直插内存模块（Single Inline Memory Module） – 早期常用的一种插槽 – 双列直插内存模块（Dual Inline Memory Module） – SDRAM、DDR和DDR2内存都采用DIMM插槽
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存储器
• 存储器的层次结构 • 常见内存
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为什么会有很多种存储器
• 为什么会有这么多种类？
– 硬盘、软盘、光盘、内存条、U盘
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• 没有一种存储器能够在所有性能指 标上都强于其他的类型 • 各种类型的存储器各有优势
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USB总线
• 通用串行总线（Universal Serial Bus） • 系统总线的一个连接低速外设的延长线 • 总线一端连接在系统总线上（如PCI总 线），另一端连接低速设备 • 最多连接127个设备 • 支持热插拔
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• 外围设备
– 负责输入输出的设备 – 即I/O（Input/Output）设备 – 简称外设
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冯 • 诺依曼计算机结构图
存储器
数据线 控制线
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输入设备
运算器
输出设备
CPU
控制器
开始以运算器为中心 输入/输出设备和存储器通信必须经过运算器
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计算机硬件—PC机
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计算机硬件—PC内部
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计算机硬件—主板
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计算机硬件—CPU1
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控制单元
• 控制器的核心
• 取指令、译码、给其他部件发控制 信号 • 每读取一条指令，控制单元将程序 计数器加1，或者按照指令中的要求 将其设置成要求的值
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指令执行的基本过程
• 取指令阶段
– 算术逻辑单元ALU – 一组寄存器
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• 控制器
– 控制单元CU – 程序计数器PC
• 下一条指令在存储器中的位置
– 指令寄存器
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寄存器
• • • • • • • 一种存储器 存/取数据的速度要比主存储器快 造价高 容量小 暂时寄存一些经常用到的信息 使重要的信息能被CPU迅速得到 提高整个系统的执行效率
Pentium的三总线结构
第 2级 高速缓存 高速缓存总线 CPU 局部总线 PCI桥 存储器总线 主存储器 PCI总线
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空闲PCI插槽 SCSI USB ISA桥 IDE硬盘 显示 适配器
监视 器 鼠标 键盘 ISA总线
调制解 调器
空闲ISA插槽 声卡 打印机
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• 单元编号
– 如带有某种电压或者不带电
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张 丽为什么计算机使用二进制数而不是熟悉的十进制数？
– 8个单元编为一组，然后再进行编号
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存储器
• 个位（bit）
– 每个单元中存储的一个二进制数码
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• 字节（byte）
– 8位编为一组
• • • •
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• DIMM
使用的DIMM插槽的针脚结构不同，内存上的卡口不同 SDRAM有两个卡口 DDR有一个卡口 DDR2也有一个卡口，但和DDR的位置不同
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内存条上的卡口
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DIMM内存条的取下
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以存储器为中心的计算机结构
CPU
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运算器
数据线 控制线
输入设备
存储器
输出设备
CPU
控制器
现在的计算机系统：以存储器为中心的结构 仍然是冯 • 诺依曼结构
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存储器
• 由很多相同的、有记忆功能的一组 一组的器件构成 • 每个单元有两种状态
– 便宜
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• 缺点
–慢 – 不能重复使用
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存储器对计算机速度的影响
• 指令周期：CPU取出并执行一条指 令所需的全部时间
– CPU解释和执行指令的时间 – 从存储器取指令 – 取操作数 – 向存储器写操作数
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• 存储器的访问速度是计算机运算速 度的一个重要影响因素
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计算机硬件—CPU2
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计算机硬件—内存
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计算机硬件—辅存
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计算机硬件—显示器
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存储器的层次结构
寄存器
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缓存
主存
辅存
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常见内存1
• RAM
– – – – – 随机访问存储器 内存条 访问速度较快 访问每个单元的时间一样（和磁盘不同 内容在计算机掉电之后不存在
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– 通过专用的插槽安装在主板上，通过总线 与其他部件通信
– 一次可以同时传输的二进制数码的位数
• 如32位、64位
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• 总线共享
– 仲裁
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总线分类
• 按照总线的连接部件
– 片内总线 – 部件内总线 – 系统总线 – 外总线
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总线标准
• • • • ISA总线 PCI总线 PCI-Express总线 USB总线
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ISA总线
• 工业标准结构（Industrial Standard Architecture） • 16位数据线、24位地址线，最大传输速 率为16MB/s • EISA总线的最大传输率可达32MB/s
– 386或者486的ISA槽
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计算机硬件平台
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主要内容
• • • • • 计算机组成结构 总线 存储器 中央处理器CPU 输入输出系统
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计算机组成结构
• • • • 计算机硬件概览 冯 • 诺依曼计算机结构 存储器初步 细化的计算机组成结构
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内存条
• 电容 • 优点
–快
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• 缺点
– 不能断电 – 造价高
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ห้องสมุดไป่ตู้
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硬盘
• 磁性材料 • 优点
– 可断电
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• 缺点
– 较慢 – 不够便宜
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光盘
• 薄膜介质上烧一些凹坑 • 优点
– – – – – – 按照程序计数器的指示将指令从内存读取到指令 寄存器中 将程序计数器内容加1
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• •
•
分析指令阶段
分析指令要完成的操作 分析参与操作的操作数的地址
执行指令阶段
完成指令规定的各种操作
分析阶段和执行阶段因为指令的不同而不同
有些指令的分析和执行阶段会很复杂
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USB总线
• USB 1.0/1.1标准
– 传输速率可达1.5 Mb/s – 最大可达12 Mbps
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• USB 2.0标准
– 可支持高达480 Mbps的数据传输率 – 向下兼容旧的USB 1.0/1.1软件和设备
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运算器
输出设备
控制器
连线混乱，不易添加/卸下设备
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总线连接方式
系统总线
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I/O接口 CPU 主 存 储 器
I/O接口
...
I/O接口
外部设备1
外部设备2
...
外部设备n
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总线
• 计算机中不同部件之间的公用信号通 道 • 总线的宽度
• 存储器按照字节编号
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细化的计算机组成结构
主机 CPU 运算器 算术逻辑单元 ALU 寄存器1 ... 寄存器n I/O 设 备
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主 存 储 器
控制器 控制单元 CU 程序计数器 指令寄存器
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CPU构成
• 运算器
指令的流水执行cpucpu如20位的地址总线可支持访问1m的内存60cpu存放运算的原始数据和中间结果或指令以及数据的地址61cpu当闭合电路的一部分导体做切割磁力线运动时电路中会有感应电流产生圆形的盘片表面涂有一层薄薄的磁性材料69写线圈铁芯局部磁化单元载磁体70读线圈铁芯局部磁化单元运动方向72盘片主轴磁头传动手臂转动轴第一片和最后一片的外面除外作为保护面主轴盘片磁头硬盘中有一组盘片被固定在主轴上随主轴高速转动磁头盘片以及相关机械部件和电路被密封在盘盒内78柱面磁道记录面扇区盘片做圆周运动磁头不动即可访问一个同心圆环上的信息所有记录面上的磁头是同时移动的所有盘片上垂直方向在同一位置磁道上的信息会被同时读出磁头同时读出或者相邻两次读出的数据是连续的相关的如同属一个文件磁盘的读取效率高86cdrom保护层反射87cdrom激光照射光盘时有凹坑的地方和平的地方反射光的强度不同用塑料注塑成型机通过压模把数据压制到塑料盘上90cdr该染料在高功率激光的照射下发生化学变化形成类似cd盘上的凹坑91cdrwmomagnetoptical光盘一特殊存储介质在特定温度下能进行晶体态和非晶体态的可逆转变92dvd把下面的记录层用激光可以穿透的半透明的材料制成访问光盘上的数据需要有光盘控制器和光盘驱动器的配合94cdrom光盘上的凹凸导致反射光的强度不同形成不同强度的电流nandnor需要直接运行代码读入速度要求快容量要求较小安全性要求较高如把计算机中按数字信号存储的图像信息转换成模拟信号发送给crt显示器104vga接口dvi接口dvidigitalvisualinterface数字接口是一个用合金制成的圆筒表面镀有一层光导体感光材料通常是硒1101
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常见内存2
• ROM
– 只读存储器 – 计算机主板BIOS ROM芯片
• BIOS：基本输入输出系统
– – – – 系统的基本输入输出程序 系统信息设置程序 开机上电自检程序 系统启动自举程序
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• 开机时，CPU首先从BIOS ROM中读取程序， 并执行，一步一步将计算机启动起来 • 多数芯片不是绝对的只读存储器，可以用特殊 方式进行更改
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常见内存3
• CMOS RAM 芯 片
– 存储基本配置信 息 – “BIOS设置” – CMOS
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• 半导体存储器 • 由一块单独电池 供电
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中央处理器CPU
• • • • • • • CPU概述 CPU的速度 时钟节拍 主频 流水技术 机器字长 CPU中的寄存器和缓存
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总线
• bus
– 公共汽车？
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• • • •
总线的产生 总线分类 总线标准 总线实例
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分散式的外设连接
输入设备1 输入设备2 存储器 输入设备3 输入设备n
CPU CPU
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数据线 控制线
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内存条类型
• SDRAM
• DDR SDRAM
– 同步动态随机存储器（Synchronous Dynamic Random Access Memory） – 前几年普遍使用的内存类型 – 双数据率同步动态随机存储器（Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory） – 目前最常用的内存类型 – SDRAM的换代产品，比其多一倍的传输速率和内存带宽 – （Double Data Rate 2） – 新开发的内存技术标准 – 具有更快的速度
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PCI总线
• 外部组件互连总线（Peripheral Component Interconnect bus） • 总线宽度32位 • 带宽是133MB/s • 后增加到266MB/s，总线宽度改为64位 • 速度最终被提升到528MB/s