1、第4章 计算机硬件系统(1),4-2,4.1 计算机硬件概述 4.2 中央处理器 4.3 存储系统 4.4 输入设备 4.5 输出设备,4-3,硬件就是构成计算机各部件的实体，是计算机中看的见、摸的到的部分。硬件是计算机正常工作的基础。硬件基本原理的掌握，对后续章节的学习十分重要。,4.1 计算机硬件概述,4-4,一、计算机硬件的组成构成计算机系统的元器件、部件和设备以及它们的工程实现(设计、制造和检测)。元器件：集成电路、印制电路板、磁性元件、电子元件、光电子元件、接插件等。部件和设备：运算器、控制器、主存储器、辅助存储器、输入和输出设备、电源等,4-5,4.1 计算机硬件概述,CPU,内部
2、存储器,主机,外部存储器,通信设备,输入设备,输出设备,硬件组成,4-6,4.1 计算机硬件概述,二、微型计算机的硬件结构微型计算机是由微处理器、存储器、总线、I/O接口及其相应设备组成。各部分通过总线连接在一起，通过总线传送数据、地址和控制信息。,微处理器 CPU,键盘 鼠标器,显示器 打印机,内存,通信线路,通信 接口,外存 接口,硬盘 光驱,输入 接口,输出 接口,硬件结构,总 线,4-7,三、总线结构（P80）总线：与内存和外部设备连接的一组公用的连接线路。分类：根据总线的用途、规模及其应用场合，微机总线可分为： 片内总线（内部总线）：连接一个芯片（如：CPU）内各个逻辑单元的总线；
3、系统总线（片间总线）：连接一台微机各组成芯片（CPU、主存、I/O接口等芯片）的总线 通讯总线：这种总线连接主机与外部设备，是主机与外设之间的总线。,4.1 计算机硬件概述,4-8,系统总线通常包括：数据总线、地址总线、控制总线 数据总线DBUS:用来实现数据传送。数据总线的宽度指明了访问一次存储器或I/O设备时能够交换的数据位数，一般有8位、16位、32位、64位等标准。总线可以分时共享，即挂接在总线上的各个部件可以分时共享。 地址总线ABUS:用于传送地址信号，以确定所访问的存储单元或某个I/O端口，一般有16位、20位、32位等。 控制总线CBUS:用来传送各类控制/状态信号，如：读/写
4、控制线、DMA控制信号线、中断请求线和中断响应线等等,4-9,2. 总线标准 每个总线标准都必须有详细和明确的规范说明，一般包括如下几部分：机械结构规范 ，功能规范，电气规范。 总线标准的制定通常有两种途径： (1) 计算机公司(或生产厂家)在发展自己微机系统时所使用的一种总线，得到了普遍的认可，进而形成一种为国际工业界广泛支持的实用总线标准。 (2) 由专家小组在标准化组织的主持下开发和制定总线标准，标准推出后即可由厂家和用户使用。,4-10,总线标准,总线标准是由国际化标准组织正式公布或推荐的互连各个设备的标准，是人们把各种不同的设备组成一个系统时所要遵循的规范。 总线标准为各种设备的互连
5、提供了一个标准界面，对于界面两端的任何一方来说，只需根据总线的要求来实现接口的功能，而不必考虑另一方的接口方式。这对提高计算机系统的开放性、互换性，使计算机大规模生产起到了重要作用。,4-11,主要总线标准有：S-100总线、STD总线、MultiBus总线、VME总线、RS232总线、ISA总线、EISA总线、PCI总线、AGP总线、USB总线等。,4-12,总线举例通用串行总线（USB） 通用串行总线（Universal Serial Bus，）提供了一种通用机制，允许使用单一的接口将各种不同的外设连接到计算机PC上，这大大减少了主机面板上各种各样的插孔或接口。 USB支持热插拔设备（ho
6、t-pluggable device），这意味着无须断电或者重启机器就可以接入或者拔出设备，而且USB支持即插即用设备（plug-and-play device），这意味着一旦设备被接入系统，如果系统中有对应的设备驱动程序，操作系统会自动装载该驱动程序，使用非常方便简单。,4-13,多总线结构,4.1 计算机硬件概述,4-14,4.2 中央处理器,一、CPU的内部结构CPU微处理器中央处理器CPU：控制器、运算器、寄存器,4-15,二、CPU的性能指标1.主频主频：CPU工作的时钟频率(MHz,GHz)。MHz：每秒能执行一百万个时钟周期。GHz：每秒能执行十亿个时钟周期。指令执行：一些指令需
7、要一个周期 另一些指令需要很多周期,4.2 中央处理器,4-16,2.地址总线宽度地址总线的位数,它决定了CPU可以访问存储器容量的大小。20位地址总线：1MB32位地址总线：4GB3.数据总线宽度数据总线的位数,它决定了CPU与内存、输入输出设备之间一次数据传输的信息量。64位数据总线：8B字长,4.2 中央处理器,4-17,4.高速缓存一种具有很高速度的特殊内部存储器。与内存相比，高速缓存能够使微处理器更快的获取数据。等级：一级高速缓存，二级高速缓存5.CISC和RISCCISC：复杂指令集计算机RISC：精简指令集计算机带有有限的简单指令集的微处理器。,4.2 中央处理器,4-18,三、
8、CPU的发展历程,、AMD、Cyrix,4-19,典型CPU芯片介绍,Intel公司是世界上最大的CPU生产商，Intel公司于1984年推出了高性能的32位微处理器Intel 80386，其每秒种可执行三四百万条指令，已超过当时的许多小型机的速度。 80386的内部结构如图所示。有六个功能部件组成：总线接口部件、代码预取部件、指令译码部件、存储管理部件、执行部件和控制部件。这六个部件采用流水线结构，这样可提高速度。,4-20,4-21,80386 CPU的外部引脚图。,80386有 地址引脚32根，数据引脚32根，其它还有控制引脚、时钟引脚、电源引脚等。,4-22,4.3 存储系统,一、存储
9、器概述1.基本概念存储器：由一些能表示0和1的物理器件组成的，如双稳态电路、磁性材料等。存储位：存储信息的最小单位，0或1。存储单元：若干个存储位组成，字节。存储容量：存储器中存储单元的总数。基本操作：读出数据取数写入数据存数,4-23,2.分类,基本要求：存取时间短、存储容量大、价格低,4.3 存储系统,4-24,3.层次结构,4.3 存储系统,CPU寄存器,高速缓存,主存储器,辅助存储器,海量存储器,存储容量更大,单位价格更高,存取速度更快,内存,外存,半导体静态存储器,半导体动态存储器,硬盘和软盘,光盘和磁带,4-25,4.性能指标存储容量：存储器可以容纳的信息量。例如：半导体存储器64
10、-256MB硬盘60-160GB存取时间：指存储器从接到读或写命令开始，到读写操作完成为止所需时间。数据传输率：外存与内存交换数据的能力。如硬盘的数据传输率：1.25-10MB/s,4.3 存储系统,4-26,二、半导体存储器1.分类,4.3 存储系统,4-27,2.随机存取存储器-RAMRAMRandom Access Memory特点：存放数据可以随时读写，但断电后RAM存放的数据全部丢失。静态随机存取存储器SRAM：以反相器交叉耦合构成的触发器作为存储单元，不需定时刷新，存取速度快高速缓存动态随机存取存储器DRAM：用开关电容作存储单元,定时刷新,集成度高主存储器,4.3 存储系统,4-
11、28,3.只读存储器ROMRead Only Memory 特点：存放的数据只能读出不能写入，但断电后ROM存放的数据仍存在。系统主板上装有ROM-BIOS。,4.3 存储系统,4-29,三、磁表面存储器1.存储原理,4.3 存储系统,写入时，数据经编码电路产生相应的电流变化，当数据位为“1”时,电流发生极性变换；数据位为“0”时,电流极性不变。电流送到磁头线圈，在磁表面形成与数据对应的磁化区。读出时，把磁头的感应信号转换成数据输出。,4-30,2.硬盘(Hard Disk)又称硬盘存储器，硬磁盘存储器。特点：存储容量大、存取速度快可靠性高、每兆字节成本低温彻斯特技术：工作时磁头悬浮在高速转动
12、的盘片上方，不与硬盘直接接触。其精髓是密封、高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动。,4.3 存储系统,4-31,硬盘的工作原理,4.3 存储系统,若从查找操作开始，驱动机构根据柱面地址把磁头向目标磁道移动，并定位在目标磁道上，等待有关信息区段旋转到磁头下，然后进行读写操作。,4-32,硬盘的性能指标平均访问时间：指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。平均访问时间平均寻道时间平均等待时间磁道记录密度：道密度沿盘片直径方向单位长度内的磁道数。位密度磁道上单位长度的数据位数。,4.3 存储系统,4-33,数据传输率：指硬盘读写数据的速度。其计算公式如下数据
13、传输率位密度(位/英寸) 转速(转/秒)2R(英寸/转)R是最内圈磁道半径转速：指硬盘盘片每分钟转动的圈数。也就是主轴转速，单位是rpm。通常的硬盘转速为5200、5400 7200、10000rpm,4.3 存储系统,4-34,硬盘的逻辑容量：硬盘的存储格式是按柱面、磁道和扇区来衡量的，柱面是由一组盘片上的同一个磁道垂直形成的同心圆柱。 硬盘容量柱面数磁道数 扇区数512B例如：通过BIOS检测发现，某型号硬盘逻辑上的面数为255，每面有1027个磁道,每磁道有63个扇区，则硬盘容量255102763512B 8.056GB,4.3 存储系统,4-35,硬盘的外部结构,4.3 存储系统,硬盘
14、使用前要做：物理格式化、分区、高级格式化,4-36,三、光盘存储器光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和光盘控制器组成。 特点：存储容量大、非接触式读写、制作成本低、不怕热和磁、保存携带方便。分类： 只读型光盘：CD-ROM一次写型光盘：WORM、CD-R可重写型光盘：CD-RW,4.3 存储系统,4-37,1.工作原理光盘存储器是利用激光的单色性和相干性,通过调制激光把数据聚集到记录介质上,使介质的光照区(直径小于1m)发生物理和化学变化，以写入数据。读数据时，利用低功 率密度的激光扫描信息轨 道，其反射光通过光电检 测器检测、解调，从而获 得所需要的信息。,4.3 存储系统,4-38,2.性能指
15、标存储容量：一张光盘的数据存储量。CD-ROM650MBDVD4.7-17GB数据传输率：标准速率为150KB/s2x300KB/s(倍速)4x600KB/s(4倍速)48x7200KB/s(48倍速),4.3 存储系统,4-39,平均访问时间：指光驱在盘上定位并读取一定量的数据所需要的平均时间。该时间越短，光驱的启动速度越快。MPC-3规定：平均访问时间250ms。数据缓冲区：指光驱内部缓冲存储器的容量。缓冲区越大，光驱的响应速度越快。其大小一般为：128KB、256KB,4.3 存储系统,4-40,3.外部结构光驱控制面板：立体声耳机插孔、音量控制、工作状态指示灯、弹出孔、弹出开关和光盘托
16、盘。光驱控制接口：电源插口、跳线设置、数据接口、EIAJ插座、音频输出。,4.3 存储系统,4-41,四、可移动存储器,4.3 存储系统,U盘,移动硬盘,4-42,4.4 输入设备,一、输入设备概述输入：指将预备进行处理的数据送入计算机的过程。输入设备：把程序和原始数据等转变为计算机能识别的信息存放到存储器中。分类：字符输入设备：键盘、磁卡机指点输入设备：鼠标器、触摸屏扫描输入设备：扫描仪、条形码语音输入设备：IBM ViaVoice,4-43,二、键盘1.键盘的结构结构：电路板、按键、外壳。按键：用户使用键盘的区域。键盘上键位的排列有一定规律，一般可分为四个区域：,4.4 输入设备,打字机键
17、区 功能键区 编辑键区 数字键区,4-44,2.键盘的工作原理键盘电路大多采用Intel 8048或8049单片机控制的控制电路，该控制电路具有键扫描、消颤、生成键扫描码等功能。键盘上的按键排列成矩阵形式，用软硬件的方法分别对行、列进行扫描，以获取按键的位置，并生成键扫描码。单片机将键扫描码以串行方式传输给主机，主机接到后进行如下操作：,4.4 输入设备,4-45,通过接口电路将串行数据转换为并行数据；由并行接口送给CPU；由软件将扫描码转换为该键ASCII码.3.键盘的种类机械式键盘、薄膜式键盘、无线键盘4.键盘的接口AT、PS/2、USB,4.4 输入设备,4-46,三、鼠标器鼠标器是一种
18、手持式屏幕定位装置，在图形界面中大多数操作都可用鼠标来完成。机械式鼠标：移动鼠标时，用滚动小球来进行定位。 光电式鼠标：在特定的反射板上移动鼠标，用鼠标底部光电转换装置定位坐标点。,4.4 输入设备,4-47,4.5 输出设备,一、输出设备概述输出：指将计算机处理的数据转换为用户需要的形式。输出设备：把计算机的处理结果以人们或现场所接受的形式表达出来的设备。分类：显示器：字符方式、图形方式打印机：击打式、非击打式绘图仪：平板式、滚筒式语音输出系统：语音输出、音乐输出,4-48,二、显示设备,主机,显示卡,显示器,总线扩展槽,多芯视频电缆,1.显示卡显示卡(显示适配器、显示接口卡)显示卡是用于将
19、主机中的数字信号转换成图像信号 并显示在显 示器上。,4.5 输出设备,4-49,显示卡的基本结构显示卡是由显示芯片、显示内存、RAM DAC、VGA BIOS、总线接口等组成。 显示卡的工作原理示意图,4.5 输出设备,4-50,显示卡的性能指标分辨率：指在显示器屏幕上所能描绘的像素个数(横纵比为4:3)，如640*480、800*600、1024*768、1280*1024。颜色深度：指能同屏显示的色彩数量，如8、16、24、32(24/8)、36(24/12)位。显存的容量大小决定了显卡支持的最高分辨率和颜色深度。显存分辨率颜色深度,4.5 输出设备,4-51,2.CRT显示器(阴极射线
20、管)显示器的工作原理CRT是由电子枪、偏转线圈、荧光粉层、荫罩和玻璃外壳组成，彩色管三基色。,4.5 输出设备,4-52,显示器的分类按显示颜色：单色显示器、彩色显示器按器件材料：阴极射线管、液晶显示器等离子体显示器、发光二极管显示器按屏幕形状：球面屏幕、柱面屏幕平面直角屏幕、纯平面屏幕,4.5 输出设备,4-53,显示器的性能指标屏幕尺寸：衡量显示器屏幕大小。 14、15、17、21英寸。点距：指荧光屏上两个相邻的相同颜色磷光点之间的距离。点距越小，显示图像越细腻。 0.28(14in/1024*768) 0.27、0.26、0.25mm分辨率：指屏幕上可容纳像素的个数，它受到屏幕尺寸和点距
21、的限制。,4.5 输出设备,4-54,扫描方式：,逐行扫描 隔行扫描辐射和环保：,电脑中多达30%塑料包装可能有含溴阻燃剂。这些材料和另一类环境毒素PCB有关，怀疑可能对哺乳动物生殖能力有损害。石墨可以在显示屏、显像管和电容中找到。它损害神经系统并较高剂量可导致石墨中毒。镉在可充电电池和某些电脑显示器的色彩显象层中存在。镉损害神经系统，高剂量时有毒。,4.5 输出设备,4-55,3.液晶显示器(LCD)LCD是通过液晶材料和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图像。优点：空间小、重量轻、低功耗性能指标：屏幕尺寸13.3、14.1in可视角度水平角度1400垂直角度1200显示颜色TFT-LCD
22、DSTN-LCD,4.5 输出设备,4-56,三、打印机打印机是用于打印输出计算机的处理结果，产生计算机输出的硬拷贝，以便在计算机之外也可使用计算机的处理结果。1.分类,4.5 输出设备,4-57,2.性能指标打印速度：CPS(字符/秒)LPM(行/分)印字质量：低质量(草稿质量400DPI)打印噪声：规定不超过55dB。,4.5 输出设备,4-58,3.激光打印机工作过程：接受由主机发出的信息，然后进行激光扫描，将要输出的信息在磁鼓上形成静电潜像，并转换成磁信号，使碳粉吸附到纸上，经加热定影后输出。特点：打印速度高、印字质量高无噪音、但价格高典型打印机：HP Laser Jet系列Canon Laser Jet系列,4.5 输出设备,4-59,4.喷墨打印机工作过程：靠墨水通过精制的喷头射到纸面上而形成输出的字符或图形。特点：价格便宜、体积小、无噪音打印质量高，对纸张要求高墨水消耗量大典型喷墨打印机：HP Desk Jet系列Canon喷墨系列等,4.5 输出设备,
