第二章 计算机硬件知识

主频是指时钟频率，其单位是兆赫兹(MHz)。 主频周期是计算机执行指令时完成最基本操作 所需的时间间隔。主频越快，主频周期就越短， CPU的运算速度就越快。
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2. 字长 字长是指计算机的运算器能同时处理的二进
制数据的位数，它确定了计算机的运算精度，字
长越长，计算机的运算精度就越高，其运算速度
也越快。
常用输入设备 ：键盘、鼠标器 、扫描仪 常用输出设备 ：显示器、打印机、绘图仪

键盘 扫描仪
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3.2.4微机常用外围设备

辅助存储器 ：软盘 、硬盘 、磁带存储 器 、磁盘阵列 、光盘 、移动存储产品
软盘 硬盘
硬盘片 读写磁头
移动存储
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输入设备

外部信息与计算机的接口称为输入设备。常用 的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪等。
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软盘
软盘是一块涂有磁性材料的塑料圆片 磁道——圆片上的同心圆，信息就记录在磁道上 每个磁道又分为若干个扇区，1个扇区=512个字节

容量=面数×磁道数×扇区数×扇区字节数
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硬盘存储器 由若干同样大小涂有磁性材料的铝合金圆盘片环 绕一个共同的轴心组成，两个盘片之间仅留出安 装磁头的距离，硬盘片的每个面上有若干个磁道， 每个磁道分成若干扇区，每个扇区存储512字节， 每一硬盘片存储面的同一磁道，形成一个圆柱面， 称为柱面。硬盘容量为： 容量=磁头数柱面数扇区数扇区字节数 硬盘有容量大、存取速度快、可靠性高、每兆字 节成本低等优点，但也有怕震动等缺点。

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光盘存储器



光盘有三种：只读型光盘、只写一次型光盘和可 擦写型光盘。 只读型光盘只能读出不能写入，使用广泛。 只写一次型光盘只能写一次，写入后能多次读出。 可擦写型光盘可以重复读写，但价格贵。 在光盘上记录信息时，用激光束把应该记为逻辑 “1”的地方烧穿（成为小凹处），把应该记为逻 辑“0” 的地方留上空白，从而改变光学特性。 在读光盘时，根据激光束照射到光盘上反射光的 强弱不同而由光电检测电路读取光盘上的信息。
AMD公司的CPU
神州龙芯
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3.2.3内存（内存储器）

内存通常由SDRAM组成。（SDRAM是 “Synchronous Dynamic random access memory”的缩写，意思是“同步动态随机 存储器”，就是我们平时所说的“同步 内存”，这种内存采用168线结构）
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3.2.4微机常用外围设备
输入设备 存储器 输出设备
运算器
控制器
数据流
控制流
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计算机工作原理
计算机能自动连续地工作是在内存中存储了 程序，通过控制器从内存中逐一取出程序中的每 一条指令，分析指令并执行相应的操作。
程序 从内存中取出一条指令
分析指令
执行指令
结束
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第二章

计算机硬件基础
2.1 计算机系统组成 2.2 计算机硬件系统 2.3 计算机的指令系统 2.4 微机总线与接口 2.5 常用的外部设备 2.6 微机的分类

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高速缓冲存储器（Cache） • 高速缓冲存储器分为一级Cache和二级Cache， 一级Cache在CPU内部，图示是二级Cache。 • Cache速度比内存要快。它在一定程度上缓解 了CPU速度与存储器速度之间不匹配的矛盾。
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（2）辅助存储器
软盘和硬盘是微机的外部存储器， 磁盘驱动器则兼备了输入、输出两种功 能，它们实现了对磁盘上记录信息的读、 写操作。
小
存 取 容 量
高
价 格
高速缓存CACHE
主存RAM
外存：硬盘、软盘
慢
大
低
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3. 中央处理器（CPU）
（1）运算器
运算器是计算机的核心部件，主要负责对信 息的加工处理。运算器不断地从存储器中得 到要加工的数据，对其进行加、减、乘、除 及各种逻辑运算，并将最后的结果送回存储 器中，整个过程在控制器的指挥下有条不紊 地进行。 运算器由寄存器、算术逻辑线路和信息连线 构成。
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2. 存储器
存储器主要负责对数据和控制信息的存储，是 计算机的记忆单元。存储器分为内存和外存两种。
（1）内存
也称主存。内存分成只读存储器（ROM）和 随机读写存储器（RAM）两种。 （2）外存 外存也称为辅助存储器。外存分为磁介质型 存储器和光介质型存储器两种，磁介质型常指硬 盘和软盘，光介质型则指光盘。

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（2）控制器
控制器是计算机的指挥中枢，主要作用是使计算 机能够自动地执行命令。 控制器的基本组成按其功能，可分为三个部件： a.指令控制部件 程序计数器，指令寄存器和指令译码器 b.时序信号产生部件 时钟脉冲源和时序信号产生器 c.微操作控制部件

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计算机的性能指标
评价计算机的性能指标可以从主频、字长、 内存容量、存取周期、运算速度等方面来衡量。 1. 主频
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（1）主存储器
随机读写存储器（RAM） 随机存储器RAM又称为读/写存储器或内存， 通常所说的微机内存容量就是指内存RAM的容 量。用于存储待执行的程序或待处理的数据。 内存RAM的特点：断电后程序和数据会全部丢 失。 除了主板上的RAM条外，许多板卡（显示卡、 网卡）上也使用RAM芯片，如显示内存可以作 为CPU与显示器之间数据传输的中转站，从而 加快显示信息的速度。
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并行接口电路通过一个DB-25型的孔型插座连接打 印机 串行接口电路内有两个独立的RS-232C接口电路， 可连接鼠标、绘图仪等设备。 调制解调器 调制(Modulation):将数字信号转换成模拟信号。 解调(Demodulation)：将模拟信号转换成数字信号。 连接方式：外置 连接在串行口 内置 插在扩展槽上 PC卡式 笔记本专用
主机系统
显示器
CPU
接口
接口
接口
接口
RAM ROM
总 线 控制电路
总线
键盘接口 并行接口 串行接口 I/O插槽
主机板
键盘 打印机
鼠标 用户电路
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2.4 微机总线与接口
1.扩展槽和总线
在微机的系统板安装了一系列的扩展槽，用来 连接各种接口板。 在总线上通常传送三种信号：数据、地址和控 制信号，且这三种信号是分别通过三种总线来 传送的，这三种总线为：数据总线DB、地址 总线AB、控制总线CB 总线标准很多，如PC总线、STD总线、ISA总 线、EISA总线、PCI总线等。目前较常采用PCI 总线。
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位、字节、字及字长
位 字节（8位） ……
数 据 存 储 的 组 织 形 式
字，字长
注意: 字长是CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数.
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存储位
存储单元
0000H
（字节）
0001H
0002H
存储体
存储单元地址
FFFFH
存储体结构图
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存储系统的组织结构
CPU 快
存 取 速 度
内存储器
外存储器
主机
外部设备
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主机系统
ROM 运算器 控制器 CPU
外存接口 输入设备接口 输出设备接口 其他外设接口
RAM
内 存 总线
硬盘、软盘 驱动器
键盘、鼠标等
显示器、 打印机等
其他各种外设
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1. 输入/输出设备
– 输入设备 键盘、鼠标、扫描仪、话筒、手写输入笔 – 输出设备 打印机、显示器、绘图仪 – 输入输出设备 磁盘机、磁带机

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外部设备
输入设备
鼠标
键盘
软盘
打印机
显示器
硬盘
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3.2 微机的硬件组成
输出设备
主机 外设
外存设备 输入设备 网络设备
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3.2.1 主机箱

主机箱的外观
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3.2.1 主机箱

主板
CPU
内存
芯片组
串行接口
USB接口
总线插槽
接口卡
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3.2.2微处理器
• CPU字长：内部各寄存器之间一次能够 传递的数据位
3. 内存容量
内存储器中可以存储的信息总字节数称为内
存容量。
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4. 存取周期
把信息存入存储器的过程称为“写”，把信息 从存储器取出的过程称为“读”。存储器的访问时 间(读写时间)是指存储器进行一次读或写操作所需 的时间；存取周期是指连续启动两次独立的读或写
操作所需的最短时间。目前微机的存取周期约为几
图1-13 101键盘示意图
（1）键盘
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（2）鼠标

鼠标的外形非常像一只老鼠，所以取名鼠标， 在Windows及网络中使用频率相当高，可以代
替键盘的大部分功能。鼠标分为机械式、光学
式和光学机械式三种，对鼠标的操作可分为左 击、右击、双击及拖动，这四种不同的操作可 以实现不同的功能。
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（3）扫描仪
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2.1 计算机系统的组成
计算机系统
硬
运算器
件
存储器 输入 设备
软
件
控制器
输出 设备
应用 软件
系统 软件
硬件/软件和用户之间的关系
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硬件/软件和用户之间的关系
用户
用户程序 软 件 系统软件 操作系统 硬 件 硬件 应用软件
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2.2 计算机硬件系统
硬
运算器 控制器
件
输入设备 输出设备
存储器
CPU
扫描仪是计算机输入图片使用的主要设备，它 内部有一套光电转换系统，可以把各种图片信 息转换成计算机图像数据，并传送给计算机， 再由计算机进行图像处理、编辑、存储、打印 输出或传送给其他设备。 按色彩来分，扫描仪分成单色和彩色两种；按 操作方式分，可分为手持式和台式扫描仪。扫 描仪的主要技术指标有分辨率、灰度层次、扫 描速度等。

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2.输入输出接口功能
输入输出接口（Input/Output—I/O）是微处理器与外部 设备之间交换信息的连接电路，它们是通过总线与CPU相连的。 常称它们为适配卡。 显示（适配）卡 其功能是把显示器（监视器）同主机连接起 来。 多功能卡（多I/O卡） 在一块卡上集成了软盘驱动器适配卡， 硬盘驱动适配卡、并行打印机适配卡、串行通信适配卡及游 戏操作杆接口电路五大功能。目前已不多见多功能卡，其功 能一般已集成到系统板上了 硬盘驱动器接口一般有两种类型：IDE（设备电子接口）和 SCSI（小型计算机系统接口）。SCSI标准的硬盘或光驱价格 贵，速度快。一般民用选用IDE标准的。
• 位宽 与外部设备之间一次能够传递的 数据位 • x位CPU 通常用CPU字长和位宽来称呼 CPU。例如，Pentium CPU字长是32位， 位宽是64位，称为超32位CPU。 • CPU外频：CPU总线频率 • CPU主频：CPU内核电路的实际工作频 • 生产工艺技术：通常用微米数字来描述
Intel公司的CPU
• 算术逻辑运算指令 • 数据传送指令 • 程序控制指令 • 输入/输出指令 • 其他类型的指令 注意：不要把指令系统当作计算机的软件系统， 它属于计算机硬件的范畴。
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计算机工作原理
原始数据 取数
I/O设备
结果
内存储器
存数
指令
运算器
存取命令
输入/输出命令
控制器
运算命令
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微机主板示例
软驱 时钟 硬盘 光驱
十到一百毫秒(ms)左右。 5. 运算速度
运算速度是一项综合的性能指标，用MIPS
来衡量。主频和存取周期对运算速度的影响最大。
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计算机的性能指标
主频
运算速度 内存容量
……
字长
外围设备的配置
指令系统的功能 系统软件的配置情况 诊断能力与容错能力
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2.3 计算机的指令系统
计算机中用二进制代码表示的能够由计 算机来识别并执行的命令，称之为指令。
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3.1.3 计算机的硬件系统
存储器 外存储器 输 入 设 备 输 出 设 备
冯.诺依曼 思想：
• 二进制
•程序与数据 一样存放在 内存 •五大模块
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内存储器
运算器
控制器
数据流
控制流
具体工作情况
要求从键盘输入7和10，相加后结果送到显示屏 分析解题分为三步：1）输入7和10 2）进行相加运算 3）结果输出

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只读存储器（ROM） 主机板上有只读存储器ROM芯片，ROM所存储的信 息在制造时就固化在ROM中，使用时只能读不能写。 例如CMOS芯片就是一块只读存储器ROM芯片。 特点：只能读出不能写入，断电后程序和数据不 会丢失。 只 读 存 储 器 ROM 通 常 分 为 EPROM 和 EEPROM 来 存 储 BIOS程序。EEPROM可以以字节为单位重复写入， 而EPROM必须将数据全部冲掉才能写入。现在， BIOS 所 用 的 ROM 一 般 是 Flash ROM, 它 可 以 看 成 EEPROM的一种，两者的界限并不很明显。
三个重要的设计思想
1946年，计算机的开山鼻祖，美籍匈牙利数学 家冯-若依曼提出三个重要的设计思想，50多年 来，尽管计算机从各个方面都有了很大的发展， 但是，计算机的基本结构没有变，都属于冯-若 依曼计算机。这三个思想就是： 1》 计算机由五个基本部分组成，即控制器， 运算器，存储器，输入设备，输出设备。 2》 采用二进制 3》 程序和数据都存放在存储器中