第三章计算机硬件系统(1)

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扇区 磁道 n磁道 0磁道
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柱面：所有盘面上相 同半径的磁道组合在一 起叫做一个柱面。
簇：要存取信息块的长 度。
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小知识——磁盘空间的组织
磁盘面由若干个同心圆构成的磁道组成，每个磁道被 分成若干称为扇区的弧段，每个扇区为512B（块） 。 磁盘是块设备，即整个磁盘空间被划分成若干个大小 相等的块来进行管理，每一块的大小为512B，即一 个扇区。块的位置通过（柱面号，磁头号，扇区号） 三维的坐标来标识，此坐标称为块的地址。 计算机对磁盘的读写也是按块（称为簇）来进行的， 每次从磁盘中读写一个簇。随磁盘系统的不同，簇的 大小有所不同。有1个簇等于1个扇区，有1个簇等于2 个扇区的，现代的大容量磁盘有一个簇等于8个扇区 的。系统对每个簇也进行编号（地址），其编号用（ 柱面号，磁头号，扇区号）三维的坐标来表示。 当要对磁盘中的文件读写时，通过确定文件在磁盘中 存放的簇号地址（柱面号，磁头号，扇区号），文件 系统就可以准确地读到所要的文件。因此磁盘是一种 可直接存取的设备。
3.2计算机主要硬部件
6.各类存储器的工作层次及关系
辅助硬件 CPU寄存器
辅助软硬件
Cache
主存储器
辅助存储器
3.2计算机主要硬部件
3.2.4总线（BUS）
总线是构成计算机系统部件间的互联机构，是系统部件之间进行 数据传送的公共通路。总线按其功能可分为地址总线、数据总线 和控制总线三类。 ▲地址总线(ABUS)通常是单向的，用来传送主存指定单元或外部输 入/输出设备接口地址的信息。它的线数决定了主存地址的范围 。 ▲数据总线(DBUS)是双向的，用来在CPU与主存、主存与外设之间 实现数据的读写。 ▲控制总线(CBUS)是双向的，用来传送CPU对各功能部件发出的控 制信号和接收被控部件反馈信号。 ▲当CPU需要对某一部件进行操作时，如向存储器写入一个数据， 它首先是给出这个存储单元的地址信号，地址信号在控制信号的 作用下经地址总线寻找到指定的存储单元，然后数据经数据总线 传送到该单元。
CPU 的接口方式：指CPU 安装在电脑主板上时使用的插座类型
，主要有针脚式的Socket 和插卡式的Slot 两种。 工作电压：工作电压是指CPU正常工作时所需要的电压 协处理器：含有内置协处理器的 CPU 可以加快特定类型的数值 计算。某些需要进行复杂运算的软件系统需要协处理器支持。 Pentium以上的CPU都内置了协处理器。
2.输出设备
输出设备把计算机处理结果以数字、字符、图像、声 音等形式输出。常见的有显示器、打印机、绘图仪、 影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备和光记录 设备等。 值得注意的是通常输入/输出设备与计算机之间并不能 直接进行数据交换，而是要通过输入/输出设备接口 来实现数据的输入/输出。
3.2计算机主要硬部件
1.输入设备主要有以下几类：
●字符输入设备：如键盘。 ●光学阅读设备：光学阅读机，如条形码阅读器、光盘驱动器等。 ●磁阅读设备：各种磁卡读卡机，磁盘驱动器等。 ●图形输入设备：鼠标、光笔等。 ●图像输入设备：扫描仪、摄像机、传真机等。 ●模拟输入设备：语音模数转换识别系统等。
3.2计算机主要硬部件
工作方式说明：
将事先编好的程序和数据通过输入设备输入 到计算机内存中，在控制器的控制下，从内 存中取出程序给控制器执行，在控制器的控 制下，从内存中取出数据给运算器进行处理 ，并把处理后的中间结果或最终结果放回到 内存中，再在控制器的控制下，将内存中的 结果通过输出设备输出。
3.1冯· 诺依曼体系结构
显示卡
声卡
网卡
以太网网卡， 笔记本网卡， USB移动网卡， 广域多协 议通信网卡
3.3存储程序式计算机的工作原理
1.指令
●指令——完成一个规定基本动作的命令。 ●指令系统——完成各种基本动作的所有指令的集合。 ●指令的表示：指令用等长的二进制码表示。目前计算 机的指令多数为32位或64位的。
主机
3.1冯· 诺依曼体系结构
在冯· 诺依曼看来，数据和程序在逻辑上是相同的，都 用二进制码表示，提出存储程序的概念，并给出了计算 机的体系结构模型。以运算器为中心的体系结构模型如 下： 控制器
数据 结果
输入设备
程序
运算器 存储器
输出设备
控制信号线
数据信号线
改进后的计算机硬件体系结构,以存储器为中心
主存储器的组成框图器
地址总线，传送 指令和操作 数的地址码
DBUS 数据总线，传 送读出/写入数据
写信号，该信号将 数据写入存储 体 读信号，该信 号将数据 从存储体 读出
片选信号。该信号有效 ，表示存储器芯片 被选中；否则，该 芯片不工作
3.2计算ຫໍສະໝຸດ Baidu主要硬部件
● 由8个二进制位（bit)构成一个字节（ Byte）它是最小 的存储管理单位。（用b表示二进制位，B表示字节） 。常用的存储单位有字节（B）、千字节（KB） 、兆 字节（MB）千兆字节（GB）、千千兆字节（TB）等 。 1 KB=210B=1024B; 1MB=1024KB; 1GB=1024MB；1TB=1024GB ●每一个字节都有一个编号，称为该字节的地址。计算 机是按地址到存储器中读写数据的。 ●存储单元:存放一个数据所需要的字节数。存储单元的 地址是构成该存储单元的若干个字节的第一个字节的 地址。 ●存储器是由固定长度的二进制位（如8位）、顺序线性 编址的一维结构，存储器提供按地址访问的一级地址 空间，每个地址是唯一定义的。
控制器
数据
结果
输入设备
程序
存储器 运算器
输出设备
控制信号线
数据信号线
3.1冯· 诺依曼体系结构
改进后的计算机硬件体系结构,以存储器为中心
数据
输入设备
程序
输出设备
结果
外 部 设 备 接 口
主存储器
运算器
外部存储
指令或数据线
控 制 器
控制信号线
计算机的组成及各部件之间的逻辑关系
3.1冯· 诺依曼体系结构
存取速率
单位时间内主存与外部 （如CPU） 之间交换信息的总位数
3.2计算机主要硬部件
5.辅助存储器
辅助存储器可以永久保存数据和程序。分为联机和 脱机两类。联机辅助存储器主要有硬盘，它随计算机 启动而一起进入工作状态，计算机可随时对它访问。 脱机辅助存储器是指可以方便携带而走的存储器，它 需要在计算机上配备专门的驱动设备才可以访问。一 般将需要永久保存，但使用较少的数据或程序存放在 这类存储器中。 常用的辅助存储器有：硬盘、软盘、光盘、USB、磁 带等。这些辅助存储器在实现数据存储时，其各自的 实现方法和数据组织是不一样的。
3.2计算机主要硬部件
3.2.5输入/输出设备(Input/Output Device)
输入/输出设备起作将各种类型的数据、程序和控制信息输入计 算机或从计算机输出的作用。由于数据类型的的不同，因而输入 输出设备的品种有很多。其共性是将不同类型的数据、程序或控 制信息转化成计算机能认识的二进制形式，或将二进制形式的数 据转化成人能认识的 信息。
内存条
DDR SDRAM-256M
DDR2-1G
主存储器的主要技术指标
存储容量
一般指存储体所包含的存储单元数量（N ），通常称为“实际 装机容量” 存储器容量越大，所能存放程序和数据就越多，计算机解题能 力就越强。
存取时间和存储周期
是表征存储器工作速度的两个技术指标。 取数时间（TA）是指存储器从接受命令到被读出数据稳定在数 据寄存器（MDR）的输出端所需之时间。 存储周期（TMC）是指两次独立的存取操作之间所需的最短时 间。通常，TMC要比TA时间长。
微机的硬件体系结构
数据总线 DBUS
中 央 处 理 器
存储器
I/O接口
I/O设备
地址总线
CPU
ABUS 控制总线
CBUS 微型计算机的组成框图
3.2计算机主要硬部件
3.2.1运算器（Arithmetic Unit) 运算器是计算机对各种数据和信息进行算术和逻辑运 算的部件。它主要包括寄存器、加法器、移位器、多 路选择器和一些控制电路组成。 3.2.2控制器（Control Unit) 控制器是统一指挥或控制计算机各部件按时序协调操 作的中心部件。它主要由程序计数器、指令寄存器、 指令译码器、地址产生器、时间发生器和微程序控制 部件组成。 运算器和控制器组合成中央处理器（Central Processing Unit—CPU），是计算机的核心部件。
磁盘存储器
1.磁盘机的结构(图)
• 由磁盘驱动器、磁盘机 接口板及磁盘所组成。
存储信息 的载磁 体
读取或写入该盘 面上的信息
实现读/ 写操 作
2.磁盘片(图)
• 磁道：磁盘的每一面 划分的若干个形如同心 圆的轨道，这些磁道是 磁头读写数据的路径。 扇区：每个磁道分为许 多成为扇区的小区段。
连接CPU与 磁盘驱 动器
3.2.6输入/输出设备接口（I/O Interface)
主机与外设之间通过“接口”交换信息。接口也称为 适配器、设备控制卡或输入/输出控制器。不同的外设 其接口组成和任务各不相同，但它们能够实现的功能 大致相同，主要有下列功能： ●实现数据缓冲。 ●“记录”外设工作状态，并通知主机，为主机管理外 设提供必要信息。 ●接收主机发来的各种控制信号，控制外设的动作。 ●判断主机是否选中该接口及其所连接的外部设备。 ●实现主机与外设之间的通信控制，包括同步控制、中 断控制等。
第三章 计算机硬件系统
第三章 计算机硬件系统
主要内容：
冯· 诺依曼体系结构、计算机主要硬部件、计 算机的工作方式
重
难
点：
点：
冯· 诺依曼体系结构、计算机主要硬部件、计 算机硬件系统的工作方式 计算机硬件系统的工作方式
3.1冯· 诺依曼体系结构
计算机硬件从构成上来看：
控制器 输入设备 运算器 存储器 输出设备 CPU(中央处理器)
3.2计算机主要硬部件
3.2.3存储器（Memory Unit)
1.存储器的类型及层次
存 储 容 量 越 来 越 大 ， 价 格 越 来 越 便 宜
寄存器（通用和专用） 指令和数据缓冲栈 Cache（高速缓存）
访 问 速 度 越 来 越 快
脱机外部存储器（磁带、光盘等）
CPU
内 部
主存储器（ROM和RAM）
CPU
80286
Pentium
双核处理器
CPU的主要性能指标
主频：CPU内部工作的时钟频率,是CPU运行运算时的工作频
外频：主板上提供一个基准节拍供各部件使用，主板提供的节
拍称为外频。 倍频：CPU工作频率以外频的若干倍工作。CPU主频是外频的
倍数称为CPU的倍频。这样 CPU工作频率＝倍频×外频
3.2计算机主要硬部件
4.主存储器 主存储器分为两类：只读存储器（Read Only Memory ROM）和随机存储器（Random Access Memory RAM）。 ROM中存放的是只能被读出的固定的程序 和数据（用来计算机启动用的），不能对它进行写入 操作。这种存储器中存储的内容不会随断电而消失。 RAM是可随时进行读写操作的存储器，用来存储工作 时的数据和程序，在关机断电后其中存储的内容会消 失。所以，它起到暂时“记忆”的作用。 主存储器主要由地址寄存器、地址译码及驱动器、存 储体、数据读写放大电路、数据寄存器等构成。
基本字长：CPU一次处理的二进制数的位数 地址总线宽度：地址总线宽度（地址总线的位数）决定了CPU 可以访问的存储器的容量，不同型号的CPU总线宽度不同，因 而使用的内存的最大容量也不一样。
数据总线宽度：数据总线宽度决定了CPU与内存、输入／输出
设备之间一次数据传输的信息量。
高速缓存：是可以进行高速数据交换的存储器大小，它先于内 存与CPU 交换数据
联机辅助存器（硬盘）
3.2计算机主要硬部件
2.寄存器 寄存器是一种存取速度极快，存储容量小的暂时存放 的存储器，寄存器的二进制位数的长度与指令的二进 制位长度相等。目前，计算机的寄存器大多数是32位 或64位长。寄存器分为通用寄存器和专用寄存器。寄 存器不只在CPU中有，在计算机的许多地方都使用的 有寄存器。 3.缓冲栈和Cache 由于CPU的速度远高于主存储器的速度，为了更好地 调节两者之间的匹配，发挥出CPU的处理速度， 在 缓冲栈和Cache中先存放一定数量的所需数据，起到 缓冲作用。