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第三章 计算机硬件体系结构.ppt

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1、3.1 计算机系统的构成 3.2 微型计算机主机结构 3.3 外部存储器 3. 常用的外部设备 3.5 计算机指令系统,第三章 计算机硬件体系结构,3.1.1 计算机的硬件系统,3.1 计算机系统的构成,3.1 计算机系统的构成,I/O设备怎么和主机相连的? I/O接口有什么作用?,3.1 计算机系统的构成,3.1.2 冯诺依曼计算机的结构,冯诺依曼体系所组织的计算机结构的主要特点是:(1)采用二进制形式表示程序和数据。 (2)由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成 。 (3) 程序存储方式。(4) 程序控制。,3.1 计算机系统的构成,3.1.3 微型计算机的诞生与发展

2、 微型机属于第四代电子计算机产品,即大规模及超大规模集成电路计算机。微机的核心部件是CPU,因此我们主要以CPU的发展、演变过程为线索,来介绍微机系统的发展过程,以Intel公司的CPU为主线。,Intel公司,Intel公司创建于1968年,是生产CPU的“老大”。Intel领导着CPU的世界潮流,从286、386、486、Pentium、Pentium Pro、Pentium、Pentium, Pentium 4到现在主流的酷睿2 ,可以说intel公司的发展史就是pc机的发展史。,Intel公司的cpu为代表:第一代:4位及8位微处理器(intel4004,4040,8008,8085)

3、第二代:16位微处理器(intel的8086,8088,80286)第三代:低档32位微处理器(intel的80386,80486)第四代:高档32位微处理器(奔腾系列)2005开始,64位cpu开始崭露头角,与64位应用交相辉映的还有“双核”。目前,intel和amd公司的cpu产品已经全面迈入64位时代,双核处理器也得到了迅速的普及,AMD公司,AMD创办于1969年,AMD是目前惟一能与Intel竞争的CPU生产厂家,AMD公司的产品形成了以Duron(毒龙), Athlon (速龙), Sempron(闪龙)为核心的一系列产品。速龙和奔腾一样是高端,闪龙和赛扬一样是低端产品,毒龙以前的

4、代号,现在基本不用Intel的工艺更好,所以同档次的、同时期的CPU当中,AMD比Intel稍微差一点。不过AMD的性价比更好。,3.2 微型计算机主机结构,微型机基本是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有CPU、主板、内存、硬盘、光驱、电源等。,3.2 微型计算机主机结构,3.2.1中央处理器 CPU CPU:运算器部件、寄存器部件和控制器部件。 CPU从存储器取出指令,放入CPU内部的指令寄存器,并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作,然后发出各种控制命令,执行微操作系列,从而完成一条指令的执行。,(1)运算逻辑部件:核心是加法器(2)寄存器部件:由独立的快速存储器组成,用来临时存放

5、指令和数据。如数据寄存器(如R1-Rn),指令寄存器(I),和程序计数器(PC)(3) 控制器,3.2 微型计算机主机结构,3.2.1中央处理器 CPUCPU的主要性能指标 : (1) 主频/外频(主频=外频倍频,即CPU工作频率) (2) 数据总线宽度(即字长,指CPU传输数据的位数) (3) 地址总线宽度(决定了CPU可访问的地址空间) (4) 工作电压(低电压可减少CPU过热,降低功耗) (5) 高速缓存Cache(加速CPU与内存间数据交换) (6) 运算速度(CPU每秒能处理的指令数),3.2 微型计算机主机结构,3.2.3 主板,主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了CPU、各种

6、接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽,其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。,3.2 微型计算机主机结构,3.2.3 主板,主板上的主要部件:1,三大芯片:北桥芯片:主桥。负责CPU和内存及显卡之间的数据传输。南桥芯片(包含了CMOS芯片) :负责CPU和低速设备之间的数据传输。BIOS芯片:BIOS程序;CMOS参数设置程序;自检自举;。2,连接CPU和内存的插座插槽3,总线:低速总线ISA,中速总线PCI/AGP,高速总线PCIE对应的总线扩展插槽4,I/O接口:如软驱(FDC)接口,硬盘和光驱接口(IDE, EIDE,SATA,SCSI),串/并口,PS/2接口,US

7、B接口等。有些主板还内置了声卡,显卡,网卡等接口。,BIOS中主要存放:, 主要IO设备的驱动程序和中断服务:它是微机系统软、硬件之间的一个可编程接口,用于程序软件功能与微机硬件实现的衔接。 DOS/Windows操作系统对软、硬盘、光驱与键盘、显示器等外围设备的管理即建立在系统BIOS的基础上。 CMOS设置程序:引导过程中,用特殊热键启动,进行设置后,存入CMOS RAM中;,BIOS中主要存放:, POST上电自检 :微机接通电源后,系统将有一个对内部各个设备进行检查的过程,这是由一个通常称之为POST(Power On Self Test,上电自检)的程序来完成的。完整的POST自检将

8、包括CPU、640K基本内存、1M以上的扩展内存、ROM、主板、 CMOS存贮器、串并口、显示卡、软硬盘子系统及键盘测试。自检中若发现问题,系统将给出提示信息或鸣笛警告。 系统自举装载程序:在自检成功后将磁盘相对0道0扇区上的引导程序装入内存,让其运行;,内存,应用程序被操作系统装入内存。操作系统被引导程序装入内存。,引导程序又是被 ? 装入内存的?,应用程序是被谁装入内存的?,关键是启动时找到引导程序,引导程序(BOOT)是计算机开电源后运行的第一个程序,必须始终存在于内存中的特定位置(写在BIOS芯片中),这样,开机后才可立刻运行。,计算机开机后,CPU做的第一件事必是从固定地址(如000

9、0H)复制引导程序到内存中,然后取指令(BOOT第一指令)并执行它;然后CPU将开始自动地运行引导程序,找到磁盘的第一个扇区,开始装入操作系统(如Windows XP);然后装入应用程序;然后 ,3.2 微型计算机主机结构,早期的PC机主板是将快速的CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上,使系统的总体性能得不到优化。,3.2 微型计算机主机结构,486到Pentium II期间,主板一般采用南北桥芯片结构主板。,传统的南北桥芯片组: 北桥:主板上离CPU最近的一块芯片,负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输。 南桥:主板上另一块芯片,主要负责I/O接口以及ID

10、E设备的控制等。,3.2 微型计算机主机结构,Pentium III以上的主板结构(采用中心结构的主板结构 )。,采用中心结构的芯片组:共3块芯片构成。 存储控制中心:相当北桥芯片。 I/O控制中心:相当南桥芯片。 固件中心:相当于传统体系结构中的BIOS ROM。,3.2 微型计算机主机结构,内存储器 (简称内存),由半导体材料构成。内存分为只读存储器和随机读写存储器。,内存储器分类,3.2.4 内存储器,存储单元地址,0000H0001H0002HFFFFH,存储体结构图示意,存储位,存储单元(字节),存储体 512 MB 2 GB,存储单元特点: 地址与存储单元是一一对应的 一个数据存放

11、在一个或多个字节中 CPU通过单元地址访问存储单元中的数据 往存储单元放新数据时原数据将被覆盖,3.2 微型计算机主机结构,1. 只读存储器ROM 特点:存储的信息只能读出,不能随机改写或存入,断电后信息不会丢失,可靠性高。ROM分类 (1) 掩膜式 ROM(Mask ROM) (2) 可编程 PROM(Programmable ROM) (3) 可擦除 EPROM (Erasable PROM) (4) 电可擦 EEPROM(Electrically EPROM) (5) 快擦写 ROM(Flash ROM),586以前的BIOS多为可重写EPROM芯片,上面的标签起着保护BIOS内容的作用

12、(紫外线照射会使EPROM内容丢失),不能随便撕下。586以后的ROM BIOS多采用EEPROM(电可擦写只读ROM),通过跳线开关和系统配带的驱动程序盘,可以对EEPROM进行重写,方便地实现BIOS升级。,3.2 微型计算机主机结构,2. 随机存储器RAM 特点:用于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的,断电后数据消失。 RAM 分类: (1) SRAM:静态RAM。不需要充电来保持数据完整性,成本高且集成低,一般做高速缓冲存储器。 (2) DRAM:动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整性,通常所说的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型: SDRAM-同步动态存储器 D

13、DR-双倍速率内存 (DDR2-四倍速率内存DDR3),3.2 微型计算机主机结构,3.2 微型计算机主机结构,3. Cache(高速缓存 ) Cache是一种高速缓冲存储器,是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内Cache是集成在CPU芯片中,片外Cache是安插在主板上。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级,大体与CPU的处理速度相当。,5. 存储器的层次结构 既要速度快,又要求容量大,同时价格又要求合理,在目前技术条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。,3.2 微型计算机主机结构,3.2 微型计算机主机结构,3.2.5

14、 总线,总线:是一组连接各个部件的公共通信线路,是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道,是计算机硬件的一个重要组成部分。,总线按所传输信号不同可分为: 数据总线 地址总线 控制总线。, 地址总线。传输的是地址信号,一般是单向传输。当CPU需要访问某个外设时,它向地址总线发出相应外设的地址信号,以选择某个外设。, 数据总线。传输的是数据,一般是双向传输。CPU进行“读”时,数据由外设流向CPU,当CPU进行“写”时,数据由CPU流向外设。, 控制总线。有的是CPU向内存或外部设备发出的信号;有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送,但作为整体是双向的。,

15、3.2 微型计算机主机结构,微机各级总线的简易关系,总线按处于计算机硬件系统中的位置来分:,CPU内部总线,内存,cache,显示接口,芯片组(北桥),芯片组(北桥),硬盘接口,网络接口,USB接口,键盘鼠标。, 外部总线(又称通信总线)。是微机和外部中低速外部设备之间或外设与主机连接的总线。, 系统总线(又称输入/输出总线)。是微机中各插件板与系统主板之间的总线,用于插件板一级的互连。, 片间总线(又称局部总线)。是主板上各外围芯片与CPU之间的总线,用于芯片一级互连。, 片内总线(又称内部总线)。是指CPU芯片内部的总线。,3.2 微型计算机主机结构, ISA总线。是最早的8位系统总线。后

16、来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。,系统总线标准,系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、PCI Express三个阶段。, PCI总线。主要特点是传输速度高,广泛应用于现代微机中。, AGP总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。, PCI Express总线。是新一代的总线接口。,总线带宽,总线带宽=总线宽度总线频率每时钟周期传输数据的次数,3.2 微型计算机主机结构,常见的I/O总线: USB总线 属高速串行接口总线。该总线最多可连接127个设备,支持热拔插,支持即插即用,所以USB接口已经成为许多外设的标准接口。USB有两个规范,即USB1.1和USB2.0。 IE

17、EE1394总线 前身即火线,属高速串行接口总线,主要用于连接DV产品。,外部总线标准,3.2 微型计算机主机结构,I/O接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件,由I/O接口电路、连接器(一般为连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。,3.2.6 接口,3.2 微型计算机主机结构,根据I/O接口是否内嵌在主板中,可将I/O接口分为内置I/O接口和外置I/O接口两类。,(1) 内置I/O接口 将I/O接口电路内嵌在主板中,由主板提供外设接口电路插座,如键盘接口、鼠标接口、USB接口、串口、并口及软硬盘接口等。,(2) 外置I/O接口 将I/O接口集成到一块独立的电路板(接口卡)上,接口卡必须

18、插在总线扩展插槽上(如PCI、PCI Express插槽等) 。,3.3 外部存储器,外部存储器通常用来存放需要长期保存的各种程序和数据。当需要执行或处理这些程序和数据时,必须将其先调入到内存中然后再被CPU处理, 所以外存实际上属于输入输出设备。 目前微机常用的外存储器主要有软盘、硬盘、光盘、 U盘等。,3.3 外部存储器,3.3.1 软盘,79,3.3 外部存储器,3.3.2 硬盘 硬盘是微机最重要的外部存储器,常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件,以及存储大量数据。,(1) 硬盘存储格式 硬盘是由多个涂有磁性物质的金属圆盘盘片组成,盘片的每一面都有一个读写磁头,在对硬盘进行格式化时

19、,将对盘片进行划分磁道和扇区,对于大容量的硬盘还将多个扇区组织起来成为一个块“簇”,簇成为磁盘读写的基本单位。有的簇是一个扇区,有的有好几个扇区,可以在格式化的参数中给定。,3.3 外部存储器,(2) 硬盘性能指标 硬盘的容量。现在微机上所配置的硬盘一般在300GB以上。 硬盘的转速。硬盘的转速越快,硬盘寻找文件的速度也就越快。现在的主流硬盘转速一般为7200rpm以上。 缓存。硬盘自带的缓存,缓存越多,越能提高硬盘的访问速度。,(3) 硬盘接口 硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种,IDE接口硬盘多用于家用产品中,SATA是种新生的硬盘接口类型。,(4) 硬盘格式化 硬盘低级

20、格式化。主要是对一个新硬盘划分磁道和扇区。 硬盘分区。把硬盘划分为成若干个相对独立的逻辑分区 。 硬盘高级格式化。高级格式化主要是对指定的硬盘分区进行初始化,建立文件分配表以便系统按指定格式存储文件。,3.3.3 光盘存储器,光盘的分类: 1只读型光盘 只读光盘中的数据是在制作时写入的,用户只能读数据,而不能写入或修改光盘中的数据。音频光盘CD-DA、数据光盘 CD-ROM、 VCD、DVD等都属于只读光盘。,2一次写入光盘 这种光盘允许一次写入数据,但不能修改和擦除数据, 如 CD-R。,3可擦写光盘 这种光盘可多次写入或修改数据,如CD-RW。,3.3 外部存储器,光盘简称CD(Compa

21、ct Disc)是利用塑料盘片表面凹凸不平的特征,通过光的反射来记录和识别二进制的0、1信息。,从光盘中读取数据的设备我们称之为光驱。光驱把经过聚焦后的激光投射到光盘上,利用光盘的凹坑或非凹坑边缘反射的激光强度不同而将其表示为不同的电信号。 CD-ROM光盘驱动器能读除DVD以外的所有光盘。而DVD光盘要用DVD驱动器才能读,DVD驱动器兼容CD-ROM所能读的光盘。,光盘的数据传输率一般标注为光驱倍数, cd:150KB/s为单倍,dvd:1358KB/s为单倍,即将单倍速率乘以倍数可计算得到。,3.3 外部存储器,光盘刻录机 是指可读写的光盘驱动器。包括CD和DVD两种刻录机。,3.3 外

22、部存储器, CD刻录机既有CD-ROM光驱的功能,也能够向刻录CD光盘。其传输速率一般标注为 A/B/C 的形式(如 20/10/40),其中A表示写CD-R盘的倍速,B表示写CD-RW盘的倍速,C表示读盘的倍速。 DVD刻录机既具有DVD-ROM光驱的功能,也能够刻录DVD光盘和CD光盘。,3.3.4 移动存储器,通过USB接口与电脑连接,实现即插即用,具有小巧、可靠、易于操作等特点。闪存盘中无任何机械式装置,抗震性能强。U盘中的存储模块其实就是Flash-ROM。 移动硬盘一般由笔记本硬盘和硬盘盒组成。,3.3 外部存储器,3.常用的外部设备,3.4.1 输入设备 (1) 键盘 (2) 鼠

23、标 (3) 扫描仪 3.4.2 输出设备 (1) 显示器 (2) 打印机 ,104键盘,主键盘区,光标控制区,功能键区,小键盘区,键盘各个手指的分工,鼠标,1968年设计的原始鼠标,最原始的鼠标为道格拉斯博士于设计的。原始鼠标的结构较为简单,底部装有两个互相垂直的片状圆轮。最令人遗憾的是,道格拉斯博士显然丧失了一个成为超级亿万富翁的机会,如果当时他记得为它的创意及时申请专利,那么今天所有鼠标厂商每生产一个鼠标都得向他交纳专利费。,1983年,苹果公司在推出的Lisa机型中首次使用了鼠标,这也是鼠标的第一次商业化应用,尽管Lisa机型并未获得多大的成功,苹果公司也开始走下坡路,但鼠标之于计算机的

24、影响开始体现。紧接着,微软在Windows 3.1中也对鼠标提供支持,而到了Windows95时代,鼠标已经成为PC机不可缺少的操作设备。在此之后,鼠标得到了迅速普及。,与主流PC部件相比,鼠标的技术革新显得非常保守,从道格拉斯博士的原始鼠标,再到后来的纯机械鼠标、光电鼠标、光机鼠标,以及现在方兴未艾的光学鼠标,鼠标技术只经历寥寥几次大变革。,3.常用的外部设备,(1) 显示器 CRT显示器在工作时,电子枪发出电子束轰击荧光粉层上的某一点,使该点发光,每个像素有红、绿、蓝三基色组成,通过对三基色的强度的控制就能合成各种不同颜色。,液晶显示器LCD的优点在于: 图像稳定。由于只有在画面内容发生变

25、化时才需要刷新,因此没有闪烁感; 液晶底板整体发光,真正的完全平面; LCD显示器基本上没有辐射; 能耗低。约为CRT显示器的三分之一。,3.常用的外部设备,(2) 打印机 常用的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等。 针式打印机特点。利用钢针击打色带把色带上的墨打印在纸上形成文本或图形。缺点是打印质量差、速度慢、噪声大;优点是可以打多联纸,耗材相对较便宜。 喷墨打印机特点。打印头上有若干个喷头,打印时,墨水以每秒近万次的频率喷射到纸上。与其它两类打印机相比,在打印质量、速度、噪声及成本方面处于中等层次。 激光打印机特点。利用激光可以形成很细的光点,将碳粉固着在纸上,加热后碳粉固定在纸上,最

26、后印出文字和图片。优点是打印速度快、噪音低、质量好,缺点是价格及打印成本较高。 对三种打印机的打印效果对比来说,激光最好,喷墨其次,而针式相对较差。,3.常用的外部设备,激光打印机工作原理简介 硒鼓是一个表面带正电荷的圆筒状物体。当表面被激光照射时,照射点位置的正电荷减弱或消失,而未消失部分吸附带负电荷的碳粉,形成潜影。送纸机构将打印纸送入,在这个过程中打印纸会带上很强的正电荷。打印纸与感光鼓墨粉影像区域接触后,墨粉会在更强的静电作用力下转移到纸张上面,形成打印影像。加热纸张,墨粉被熔化固定在纸上,完成一个扫描行的打印。感光鼓不断转动、墨粉连续被吸附、纸张持续被送入,最终完成整幅图像的打印工作

27、。,3.常用的外部设备,3.4.3 其他外部设备 (1) 多媒体设备(第七章) (2) 调制解调器,3.5 计算机指令及执行,3.5.1 计算机指令系统 指令:是指计算机执行特定操作的命令。是程序设计的最小语言单位。 指令构成:操作码+地址码 指令系统:是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。不同型号的计算机有不同的指令系统。它反映了计算机的处理能力。,3.5 计算机指令及执行,数据传送指令数据处理指令程序控制指令输入输出指令其它指令,If Goto, And Or,对计算机的硬件进行管理等,指令,结构,分类,操作码 要完成的操作类型或性质操作数 操作的内容或所在的地址,3.5 计算机指令及执

28、行,3.5.2 指令的执行过程,3.5 计算机指令及执行,可分为以下四个步骤: 开始执行程序时,先给程序计数器PC赋以第一条指令的首地址0100H。 取指令 按照计数器中的地址从内存中取出指令(070270H),并送往指令寄存器。然后计数器PC自动加1指向下一指令地址。,分析指令 对指令寄存器中存放的指令(070270H)进行分析,由译码器对操作码 (07H)进行译码,由地址码(0270H)确定操作数地址。 执行指令 取出操作数,去完成该指令所要求的操作。例如做加法指令,取内存单元(0270H)的值和累加器的值相加,结果还是放在累加器。 一条指令执行完成,再回到取指令阶段开始下一指令的执行。,

29、3.5 计算机指令及执行,3.5.3 计算机硬件系统的性能指标 (1) CPU的主频。主频越高,单位时间内完成的指令数也越多,CPU工作的速度也就越快。 (2) 字长。字长越长,计算机一次所能处理信息的位数就越多,表现为计算机的运算速度越快。 (3) 运算速度。它是一项综合性的性能指标。是指计算机每秒钟执行的指令数,单位是MIPS,即每秒百万条指令。 (4) 内存容量。内存容量越大,一次读入的程序、数据就越多,计算机的运行速度也就越快。 (5) 内存存取速度。内存连续启动两次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间,称为存取周期。 (6) I/O速度。I/O的速度是指CPU与外部设备进行数据交换的速度。目前系统性能的瓶颈越来越多地体现在I/O速度上。,

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