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第二章 计算机成原理 2ppt

归档日期:06-04       文本归类:非成字部件      文章编辑:爱尚语录

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  应天职业技术学院校级精品课程 第二章计算机组成原理 第二章计算机组成原理 2.1 计算机的组成与分类 2.1.1 计算机的发展与作用 什么是计算机? 对计算机的简单描述 计算机(电脑)是一种能够接收信息,并按照存储在其内部的程序(程序表达了某种规则)对输入信息进行处理,并产生输出结果的高度自动化的数字电子设备。 计算机是通用的信息处理工具 计算机的特点 计算机的应用 科学计算 数据处理 过程控制 人工智能 计算机辅助工程(CAD/CAM/CAI) 电子设计自动化(EDA) 电子商务 娱乐 计算机的发展 1946年研制成功第1台数字电子计算机 第1台数字电子计算机 1946年ENIAC计算机公布 ENIAC(电子数字积分机与计算机): 研制单位:美国宾夕法尼亚大学 用 途: 军事计算 运算速度:5000次/秒 体积价格:170平方米,30吨,140千瓦,40万美元 计算机的分代(按使用的元器件) 计算机的分代(按使用的元器件) 第三代(约1965-1973)中小规模集成电路(SSI,MSI)计算机 速度:几十万次~几百万次/秒 内存:半导体存储器 高级语言, OS, DBMS 第1~4代计算机的对比 2.1.2 计算机的组成 计算机是一个复杂系统 计算机硬件的逻辑结构 1 经典计算机的逻辑结构(冯.诺依曼计算机) (1) 输入设备 输入(input)的双重含义: 1.把信息送入计算机的过程; 2.向计算机输入的内容 输入设备(input devices) 功能:用来向计算机输入信息 输入设备有多种,例如: 键 盘 —— 输入文字、符号和命令 鼠标器——输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令 扫描仪——输入图片 麦克风——输入声音 输入设备的共性:不论信息的原始形态如何,输入到计算机中的信息都使用二进位来表示 (2) 中央处理器(运算控制器) 什么是处理器(processor)? 能高速执行指令,完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件,特点是: 由数字电路组成,结构非常复杂 所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几个平方厘米),称为“微处理器” (microprocessor) 什么是中央处理器(CPU)? 计算机中通常有多个不同的处理器,各有不同的分工和任务 用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU,CPU是计算机必不可少的核心组成部件 多数个人计算机只有1个CPU,但有一些计算机包含有2个、4个、8个甚至成百上千个CPU 问题: 除了CPU之外,计算机中还有哪些处理器? (3) 存储器 功能: 储存以二进位形式表示的程序和数据 分类:内存储器/外存储器 (4) 输出设备 输出(output)的双重含义: 1.把信息送出计算机的过程; 2.从计算机输出的内容 输出设备(output devices) 功能:从计算机输出信息 输出设备有多种,例如: 显示器——输出文字、符号和图形 打印机——打印文字、符号和图形 扬声器——输出声音 (多数)输出设备的共性:把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式(文字、符号、图形、声音等) (5) 总线(bus) 功能: 用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路 分类: CPU总线(或前端总线) :用于连接CPU和内存的总线 I/O总线:连接内存和I/O设备(包括外存)的总线 计算机硬件的逻辑结构 2 2.1.3 计算机的分类 计算机的分类(1) 按内部逻辑结构分类 8位/16位/32位/64位 单CPU/多CPU ··· 按性能和价格分类 巨型计算机 (supercomputer) 大型计算机 小型计算机 个人计算机 (personal computer) 笔记本PC 台式PC 工作站 (workstation) 计算机的分类 计算机的分类(2) 按计算机服务的对象和作用划分: 2.1.4 微处理器 和嵌入式计算机 什么是微处理器? 微处理器(μP )是使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的电子部件,例如: 微处理器的发展非常迅速 什么是嵌入式计算机? 把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全都集成在一块芯片上,这样的超大规模集成电路称为“单片计算机”或“嵌入式计算机” 用途举例:内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置,例如 数码相机、MP3播放器、手机、计算机外围设备、汽车、机顶盒等 特点: 功能固定、专用,软件固化在芯片上,通常不能改变 大多应满足实时信息处理的要求 以最低成本满足应用要求 能适应恶劣工作环境 附 录 附录1:计算机的处理速度 巨型计算机: 几万亿~几十万亿次 基本运算/秒 个人计算机: 几千万~几亿次 基本运算/秒 (其中,基本运算指的是: +,-,×,÷等四则运算 ∧,∨等逻辑运算) 与CPU主频有什么关系? 原则上主频越高速度越快,但不是正比关系! 附录2:计算机存储器的容量 千字节(kilobyte,简写为KB), 1KB = 210字节 = 1024 B(大写K表示1024) 1kB = 103字节 = 1000 B(小写k 表示1000) 兆字节(megabyte,简写为MB) 1MB = 220字节 = 1024 KB 或 106字节 = 1000 KB 吉字节(gigabyte,简写为GB) (千兆字节) 1GB = 230字节 = 1024 MB 或109字节 = 1000 MB 太字节(terabyte,简写为TB) (兆兆字节) 1TB = 240字节 = 1 024 GB 或1012字节 = 1000 GB 2.2 CPU的逻辑结构与工作原理 CPU的逻辑结构 指令与指令系统 CPU的性能指标 2.2.1 CPU的逻辑结构 冯·诺依曼计算机的结构与原理 (1) 计算机的工作由程序控制,程序是一个指令序列,指令是能被计算机理解和执行的操作命令; (2) 程序(指令)和数据均以二进制编码表示,均存放在存储器中; (3) 存储器中存放的指令和数据按地址进行存取 ; (4) 指令是由CPU一条一条顺序执行的。 “存储程序控制” 原理 将问题的解算步骤编制成为程序,程序连同它所处理的数据都用二进位表示并预先存放在存储器中 程序运行时,CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据,按指令操作码的规定,对数据进行运算处理,直到程序执行完毕为止 CPU的任务 CPU的主要任务是执行指令,它按指令的规定对数据进行操作 CPU的结构和任务 CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成 CPU的任务:取指令并完成指令所规定的操作 运算器(ALU)与通用寄存器(GPR) 运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算,所以称为算术逻辑部件 (ALU),参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器GPR ,运算结果也送回GPR 2.2.2 指令与指令系统 指令是什么? 指令就是命令,它用来规定CPU执行什么操作。指令是构成程序的基本单位,程序是由一连串指令组成的 指令采用二进位表示,大多数情况下,指令由两个部分组成: 指令在计算机中的执行过程 取指令:CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器。 指令译码:指令寄存器中的指令经过译码,决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里 执行指令 3.1 取操作数 3.2 进行运算 修改指令计数器,决定下一条指令的地址 关于指令的操作功能 指令系统中的指令分成许多类,例如奔腾4处理器中共有七大类指令: 数据传送类 ■ 算术运算类 逻辑运算类 ■ 移位操作类 位(位串)操作类 ■ 控制转移类 输入/输出类等 每一类指令(如数据传送类、算术运算类)又按照操作数的性质(如整数还是实数)、长度(16位、32位、64位、128位等)而区分为许多不同的指令,因此CPU往往有数以百计的不同的指令 2.2.3 CPU的性能指标 如何衡量CPU的性能? 计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢,它由许多因素决定,例如CPU、内存、硬盘、显卡等,但通常CPU是主要因素 CPU性能高低的主要指标是CPU的速度,有2种衡量方法: 计算每秒钟可执行的指令数目(单位:MIPS、MFLOPS) 使用常用软件(办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等)的执行速度来衡量CPU的性能 (1)字长(位数) CPU中定点运算器的宽度。即一次能同时运算或存储时的二进制整数位数。 字长决定了计算的精度, 字长通常是2的整数次幂。 微处理器字长演变: Intel 4004: 4位 (1971年,世界第一个微处理器) Intel 8008,8080: 8位 Intel 8086: 16位 Intel 80386,80486, pentium:32位 目前PC使用的CPU大多是32位处理器,新一代的PC机将使用64位处理器 (2)主频(CPU时钟频率) CPU中电子线路的工作频率。 主频决定了CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢,主频越高,CPU的处理速度就越快。 (3)CPU总线(前端总线)速度 总线的工作频率和数据线的宽度决定着CPU与内存间传输数据的快慢,总线速度快访存速度就越快。 (4)高速缓存(cache)的容量与结构 cache容量越大、级数越多,其效用就越显著 (5)指令系统 指令的类型、数目和指令的功能都会影响程序的执行速度。 (6)逻辑结构 CPU的逻辑结构会影响指令的执行速度,甚至还会影响某些特定应用。 CPU包含的定点运算器和浮点运算器数目 是否流水线结构,流水线的条数和级数 有无指令预测和数据预测功能 是否具有数字信号处理功能 是否多核,有几个内核 ······ 小结:Pentium4提高速度的措施 扩展CPU的字长:64位存储扩展 提高CPU的主频:已经从1.5GHz逐步提高到3GHz以上,目前最高已经接近4GHz; 加快CPU前端总线的数据传输速度: CPU总线位 CPU总线MHz 因此,传输速率也相应地从3.2GB/s、4.3GB/s提高到6.4GB/s和8.6GB/s 采用cache存储器 增大cache容量: L2 cache的容量从256KB也已经增大为1MB或2MB 增加cache的级数:有些处理器采用L3 cache 采用超标量运算器结构和超流水线技术 提供和支持向量运算指令(SIMD指令) 采用超线程技术,提高执行部件的工作效率 采用双(多)核处理器技术 2.3 PC机的主机 主板、芯片组与BIOS 内存储器 I/O总线 主板、芯片组与BIOS 台式PC机(立式)的主机箱 (1) 主板 主板的作用:安装所有的电子器件、电路与连接件 主板安装内容:见上图 ROM BIOS:存放最基础的软件——基本输入/输出系统(BIOS) CMOS存储器:存放系统的基本参数(日期、时间、口令等) 例:华硕P4T主板照片 (2) 芯片组的作用 (1) 芯片组作用 集中了主板上几乎所有的控制功能,把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内,是构成主板电路的核心。是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽 一定意义上讲,它决定了主板的级别和档次。 (2) P4使用的芯片组的组成 82850E(存储控制器) 82801BA(I/O控制器) 芯片组举例 北桥芯片: 1. 存储器控制功能;2. 连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽 南桥芯片: 1. 多种I/O设备的控制功能;2. I/O总线(PCI总线. 提供了各种I/O接口 关于芯片组的一些说明 芯片组与CPU芯片同步发展,有什么样功能和速度的CPU,就有什么样的芯片组与之配套 由于集成电路集成度越来越高,为降低系统成本,芯片组中集成了越来越多的功能,包括网卡、显卡、声卡等功能 芯片组产品: Intel芯片(如865、915、945、955、975系列等) VIA(威盛,中国台湾) nVIDIA(美国) ATI(加拿大) AMD(美国) (3) BIOS 什么是BIOS (Basic Input/Output System) ? 中文名为“基本输入/输出系统”,它是存放在主板上只读存储器(ROM)芯片中的一组机器语言程序 功能: 诊断计算机故障 启动计算机工作 控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等) BIOS 芯片 保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片 BIOS 芯片中包含的程序 加电自检程序程序(POST) (Power On Self Test)用于检测计算机硬件故障 系统自举程序(Boot) 启动计算机工作,加载并进入操作系统运行状态 CMOS设置程序 设置系统参数:日期、时间、口令、配置参数等 常用外部设备的驱动程序(Driver) 实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制 PC机的启动工作过程 接通电源时CPU自动执行BIOS中的POST程序 1.1 按CMOS中的内容来识别硬件的配置, 测试各部件的工作状态 (发现错误则报错) 1.2 初始化CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显示卡、键盘、软驱和硬盘等设备 CPU自动执行自举程序 按照CMOS中预先设定的启动顺序,搜寻外存储器(软、硬盘或光盘) 从外存储器读出引导程序,然后由引导程序读出操作系统并装入内存 最后,将控制权交给操作系统,整个计算机由操作系统所控制 CMOS 芯片 特点 CMOS是一种半导体RAM存储器芯片,为非易失性存储器。由电池供电,即使计算机关机后也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。 作用: 存放计算机硬件的参数(称为“配置信息”),包括日期和时间、口令、软盘/硬盘/光盘驱动器的数目、类型及参数、显卡类型、cache使用状况、启动机器时访问外存的顺序等,供BIOS程序使用 设置和修改CMOS参数的方法: 在开机启动BIOS工作时,按下Del键(或F2或F8健),即可进入BIOS中的CMOS设置程序 CMOS 芯片 通常在以下情况需要启动CMOS设置程序: PC机组装好之后第一次加电 系统增加、减少或更换硬件或I/O设备 CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改 用户希望更改或设置系统的口令 系统因某种需要而调整某些设置参数 2.3.2 内存储器 复习:内存与外存的关系及比较 内存储器(简称内存或主存) 存取速度快 成本高、容量相对较小 直接与CPU连接,CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作 属于挥发性存储器(volatile),用于临时存放正在运行的程序和数据 计算机中存储器的层次结构 内存储器的分类及应用 内存由半导体存储器芯片组成,芯片有多种类型: 主存储器(RAM) 特点: 1、编址以字节为单位进行连续编址,每个存储单元为1个字节(8个二进位) 2、地址:每个存储单元的编号。 3、存储容量:主存储器中所包含的存储单元的总数(单位:MB或GB) PC机主存储器的物理结构 主存储器由若干内存条组成 内存条的组成: 把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成 内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用 什么是cache(高速缓存)? cache是一种小容量高速缓冲存储器,它由SRAM组成 cache直接制作在CPU芯片内,速度几乎与CPU一样快 程序运行时,CPU使用的一部分数据/指令会预先成批拷贝在cache中,cache的内容是主存储器中部分内容的映象 当CPU需要从内存读(写)数据或指令时,先检查cache中有没有,若有,就直接从cache中读取,而不用访问主存储器 2.3.3 I/O控制与I/O接口 I/O操作的任务 输入的任务: 将输入设备输入的信息送到内存储器的指定区域 输出的任务: 将内存储器指定区域的内容送出到输出设备 I/O操作也包括将外存储器的内容传输到内存,或将内存中的内容传输到外存储器 I/O 操作的特点 I/O操作与CPU的运算可并行进行 多个I/O设备可同时进行工作 配置的I/O设备数量和品种可经常增减或变换 每类I/O设备都有各自的控制器,它们按照CPU的I/O操作命令,独立地控制I/O操作的全过程 关于总线 总线的定义: 用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个共享的信息传输通路及其控制部件。 总线 高速 总线的性能:数据通路宽度;总线工作频率;传输次数 总线带宽=(数据通路宽度/8) x 总线工作频率 x 传输次数 总线的类型: CPU总线 存储器总线 I/O总线 总线 CPU总线(处理器总线) 用于连接CPU和内存的总线称为处理器总线或者前端总线(FSB)。 I/O总线(主板总线) 是各类I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的一组公用信号线. 这些信号线在物理上与主板上扩充插槽中的各扩充板卡(I/O控制器)直接连接。 I/O总线 目前PC机使用的I/O总线 PCI总线 PCI-Express(高速PCI总线) PCI总线扩展槽 I/O接口 并行口 I/O接口 从数据传输方式来分: 串行(一次只传输1位): COM1, COM2 并行(8位或者16位、32位一起进行传输):LTP1 从数据传输速率来分: 高速、低速 从是否能连接多个设备来分: 总线式(可连接多个设备,被多个设备共享) 独占式(只能连接1个设备) 从是否符合标准来分: 标准接口 (通用接口) :USB 专用接口 (专用接口): VIDEO视频口 I/O设备接口 台式PC机箱背板照片 常用的I/O接口及其性能参数 关于USB接口 通用串行总线式接口(Universal Serial Bus ) 高速、可连接多个设备、串行传输 传输速率: USB的1.1版:1.5 Mb/s和12 Mb/s USB2.0版:高达480Mb/s(60MB/s) 使用4线连接器,体积小,符合即插即用规范(Plug & Play,即PnP) 使用“USB集线器” 扩展机器的USB接口,最多连接127个设备 可通过USB接口由主机向外设提供电源(+5V,100~500 mA)。 USB接口的3种类型 小结1: I/O总线,I/O控制器,I/O接口与I/O设备的关系 I/O设备通常都是物理上相互独立的设备,它们一般通过I/O接口与I/O控制器连接 I/O控制器通过扩展卡或者南桥芯片与I/O总线连接 I/O总线经过北桥芯片与内存、CPU连接 小结2: I/O总线,I/O控制器,I/O接口与I/O设备的关系 I/O操作中若干控制部件的作用 CPU 负责启动I/O操作 I/O控制器 负责在I/O操作期间对I/O设备进行全程控制 DMA控制器 DMA: 直接存储器访问 负责实现I/O设备与主存储器之间的直接数据传输的控制 中断控制器 负责向CPU报告I/O操作完成的情况,实现CPU处理与I/O操作之间的同步与通信 I/O操作是由许多部件协同完成的 2.4 常用输入设备 2.4.1 键盘 2.4.2 鼠标 2.4.3 笔输入设备(选学) 2.4.4 扫描仪 2.4.5 数码相机 2.4.1 键盘(Keyboard) 键盘 作用:向计算机输入字母、数字、符号、命令等信息 按键的布局与类型: PC键盘中主要控制键的作用 键盘的结构 机械式键盘:早期曾使用 电容式键盘: 无磨损和接触不良问题,耐久性、灵敏度和稳定性都比较好,击键声音小,手感较好,寿命较长 与主机的接口 PS/2接口 USB接口 无线 鼠标器(Mouse) 鼠标器的作用 作用: 控制屏幕上的鼠标箭头准确地定位在指定的位置处,然后通过按键(左键或右键)发出命令,完成各种操作 工作过程: 用户移动鼠标器时,借助于机械或光学原理,将鼠标在X方向和Y方向移动的距离变换成脉冲信号输入计算机 计算机中的鼠标驱动程序把接收到的脉冲信号转换成水平和垂直方向的位移量,继而控制屏幕上鼠标箭头的移动 优点: 外型轻巧,操纵自如,使用方便,价格低廉 鼠标器的类型与组成 Windows中鼠标器的操作及功能 移动鼠标:移动屏幕上的光标箭头 单击左键:选择对象,或选择执行某个菜单命令 双击左键:打开文件/文件夹,或启动运行与所指对象相关联的应用程序 左键拖放:移动对象/复制对象/创建对象快捷方式等 单击右键:弹出所指对象的快捷菜单 向前/向后转动滚轮:显示窗口中前面/后面的内容(滚屏) 鼠标器与键盘同时工作会使某些操作更简单和方便: 鼠标器与Ctrl键的配合使用可以复制一个对象 鼠标器与Shift键的配合使用可以移动一个对象) 鼠标箭头的常见形状及含义 几种不同形式的鼠标器 鼠标器与主机的接口 接口类型 RS-232 串行口( D形9针) PS/2(圆形6针) USB 无线 扫描仪 扫描仪的作用 扫描仪是将原稿(图片、照片、底片、书稿)输入计算机的一种输入设备 扫描仪输入到计算机中的是原稿的“图象”(bitmap) 扫描仪的3种类型 扫描仪的性能指标 分辨率(dpi) 反映了扫描仪扫描图像的清晰程度,用每英寸生成的像素数目(dpi)来表示 例如:600×1200 dpi,1200×2400 dpi 色彩位数(色彩深度) 反映了扫描仪对图像色彩的辨析能力,位数越多,扫描仪所能反映的色彩就越丰富,扫描的图象效果也越线 bit, 48 bit 扫描幅面 指容许原稿的最大尺寸。例如: A4幅面, A3幅面,···, A0幅面 与主机的接口类型 SCSI, USB,1394接口等 2.4.5 数码相机 数码相机的作用 作用:获取现实世界中景物的数字图像 数码相机是怎样工作的? 数码相机原理图 数码相机的主要性能指标 CCD 像素数目 决定数字图像能够达到的最高分辨率 例如,分辨率最高达 1600×1200 时,共有 192000 个像素 (200万像素) 存储器容量 SM卡(Smart Media卡) CF卡(Compact Flash卡) Memory Stick (记忆棒) SD(mini SD)卡 2.5 常用输出设备 2.5.1 显示器与显示卡 2.5.2 打印机 2.5.1 显示器与显示卡 计算机显示器的作用与组成 作用: 是计算机必不可少的图文输出设备,它能将数字信号转化为光信号,使文字和图像在屏幕上显示出来 组成与分类: 阴极射线管显示器(CRT) 液晶显示器(LCD)原理 什么是液晶? 液晶是介于固态和液态之间的一种物质,它是具有规则分子排列的有机化合物。 加热时呈现透明状的液体状态,冷却时则出现结晶颗粒的混浊固体状态。因此既具有液体的流动性,又具有固态晶体排列的有向性。 它是一种弹性连续体,在电场的作用下它能快速地展曲、扭曲或者弯曲。 显示器的性能指标 显示屏尺寸: 以对角线吋 屏幕横向与纵向的比例 普通屏:4∶3 宽屏: 16∶10 , 或 16∶9 显示分辨率 整屏可显示像素的最大数目,分辨率越高, 图像越清晰 表示: 水平像素个数×垂直像素个数 例:1280×1024 ,1024×768, 800×600, 640×480 在显卡的控制下,屏幕分辨率是可变的,有多种不同的显示分辨率(显示模式) 画面刷新速率 画面每秒钟更新的次数,通常速率越高图像稳定性越好 像素的颜色数目: 一个像素可以显示出的颜色数量,由表示一个像素颜色编码的二进制数的位数决定。 如,4位二进制数可以表示16种颜色。 辐射与环保 又称显示卡,显示适配卡 显示控制卡(显示卡) (1)通过AGP端口 AGP端口:加速图形端口。将主存和显示存储器直接连接,数据宽度32位或64位,时钟频率133 MHz,最高传输速率 533 MB/s 或1 GB/s。可以在普通电脑上以更快的速度显示3D图形。 (2)通过PCI总线 PCI总线 MHz,最高传输速率达133 MB/s 或266 MB/s 。 显示卡与显示器的工作过程 2.5.2 打印机 打印机的作用与类型 作用 将程序、数据、字符、图形打印输出在纸上 类型 针式打印机 激光打印机 喷墨打印机 针式打印机工作原理 类型:属于击打式打印机 优点:耗材成本低,能多层套打,适合于票据打印 缺点:打印质量不高,工作噪声很大,速度慢 应用:银行、证券、邮电、商业等领域 用于打印存折和票据 等 激光打印机 类型:属于非击打式打印机 原理:激光技术与复印技术的结合 喷墨打印机 类型:非击打式打印机,大多为彩色打印 优点:可以打印近似全彩色图像,经济,效果好,低噪音,使用低电压,环保 缺点:墨水成本高,消耗快 应用:家庭及办公 主要性能指标(激光/喷墨) 打印精度(分辨率): 用每英寸多少点(像素)表示,单位:dpi 一般产品为400 dpi、600 dpi、800 dpi,高的甚至达到1000dpi 以上 打印速度:通常每分钟3~10页 色彩表现能力(彩色数目) 幅面大小:A3,A4等 与主机的接口:并行口、SCSI口、USB接口 其他:如打印成本、噪音、功耗等 打印精度(分辨率)的意义 精度越高,图像越清晰,边缘越光滑 2.6 外存储器 2.6.1 软盘存储器 2.6.2 硬盘存储器 2.6.3 光盘存储器 2.6.1 软盘存储器 软盘存储器 = 软驱 + 软盘片 软盘片的结构 目前主要使用3.5英寸软盘 磁盘存储器的信息存储原理 磁盘的磁道和扇区 3.5英寸软盘片存储容量的计算 共 2个记录面(双面记录) 每个记录面 80个磁道 (编号:0-79) 每个磁道划分为 18个扇区 (编号:1-18) 每个扇区的存储容量为 512字节 所以,每张盘片的总存储容量为 存储容量= 2 ? 80 ? 18 ? 512 =1.44MB 软盘驱动器工作过程 如何增大磁盘片的容量? 提高盘片上的信息记录密度! 增加磁道数目——提高磁道密度 增加扇区数目——提高位密度 2.6.2 硬盘存储器 硬盘存储器概述 作用: 长期保存各类信息 特点: 可读可写 容量很大 成本极低(110GB/100元) 技术持续很快,容量将更大,成本会更低 不便携带 硬盘存储器的结构 柱面:硬盘中所有单碟上半径相同磁道的组合 硬盘中的信息定位: 三个参数决定:柱面数、扇区数和磁头数(FAT中存放) 存贮容量的计算: = 磁头数(记录面)*柱面数(磁道)*扇区数(区)*512字节 信息的平均存取时间 磁盘上的信息以扇区为单位进行读写,平均存取时间为: T = 寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间 寻道时间——磁头寻找到指定磁道所需时间(大约5ms) 旋转等待时间——指定扇区旋转到磁头下方所需要的时间(大约4~6ms) (转速: 4200/5400/7200/10000rpm) 数据传输时间——(大约0.01ms/扇区) 硬盘存储器的性能指标 (1)容量:以GB为单位,目前硬盘容量约为40~200GB (2)平均存取时间:在几ms~几十ms之间,由硬盘的旋转速度、磁头寻道时间和数据传输速率所决定 (3)缓存容量: (单位MB)原则上越大越好,通常为2MB~8MB (4)数据传输速率(单位MB/s):外部+内部 外部传输速率指主机从(向)硬盘缓存读出(写入)数据的速度,与采用的接口类型有关 内部传输速率指硬盘在盘片上读写数据的速度,转速越高内部传输速率越快 (5)与主机的接口: 并行ATA(IDE)接口:适用于PC机 SCSI接口:适用于服务器 当前流行:串行ATA(SATA)接口 使用硬盘应注意什么? 正在对硬盘读写时不能关掉电源 保持使用环境的清洁卫生,注意防尘;控制环境温度,防止高温、潮湿和磁场的影响 防止硬盘受震动,工作时不要移动机器 及时对硬盘内容进行整理,包括目录的整理、文件的清理、磁盘碎片整理等 防止计算机病毒对硬盘的破坏,对硬盘定期进行病毒检测 移动存储器之1——优盘 采用Flash存储器(闪存)芯片,体积小,重量轻 容量可以按需要而定(256MB~2GB),具有写保护功能 数据保存安全可靠,使用寿命长 使用USB接口,即插即用,支持热插拔(必须先停止工作) 读写速度比软盘快 可以模拟软驱和硬盘启动操作系统 移动存储器之2——移动硬盘 存储容量大(10GB~100GB) 采用USB或IEE1394接口,即插即用,支持热插拔(必须先停止工作) 小巧而便于携带 速度快,安全可靠 2.6.3 光盘存储器 光盘存储器的分类 按存储容量分: CD光盘:大约650MB DVD光盘:(单面单层)大约4.7GB 按存储特性分: CD-ROM / DVD-ROM: 可读、不可写 CD-R / DVD-R : 可读、可写,但不能改写,限写一次 CD-RW / DVD-RW: 可读、可写,且可以改写,多次读写 按应用分: CD唱片;VCD影碟;CD-ROM和CD-RW(计算机用) DVD影碟; DVD-ROM和DVD-RW(计算机用) CD-ROM 盘片的层次结构 CD光盘的信息记录原理(1) 为什么DVD容量比CD大得多? 1) 更小的凹点长度(~2.08x), 2) 数据轨道间隔更紧密 (~2.16x), 3) 采用较短波长的635nm或650nm的红色激光, 使激光斑点直径缩小,提高信息的鉴别能力. 4) 数据区域稍大一点(~1.02x), 5) 更有效的信道比特调制 (~1.06x), 6) 更有效的纠错码(~1.32x), 7) 较少的段开销(~1.06x). 光盘刻录机和DVD光盘的容量 DVD光盘刻录机目前有三大类、五种规范(DVD-RAM;DVD-R、DVD-RW;DVD+R和DVD+RW) SuperMulti DVD刻录机能够兼容上述大部或全部规范 CD-RW/DVD-ROM COMBO(简称COMBO),是CD-RW刻录机和DVD-ROM组合在一起的一体式光驱 DVD盘片的若干规格:(按尺寸分:120mm和80mm) CPU将需要显示的图文内容从内存传送到显示卡 显卡上的绘图处理器在显示存储器中生成被显示内容的映像,然后由数模转换器将数字映像转换为红、绿、蓝三路模拟信号 当电子束轰击显像管荧光屏背面的磷光点时,屏幕上便显示出彩色的图像和文字 红、绿、蓝三路模拟信号通过电缆线送到CRT 红、绿、蓝三路信号控制电子枪发射出相应的3个电子束轰击显像管的荧光屏 针式 打印机 激光 打印机 喷墨 打印机 工作原理图 优点: 分辨率较高,打印质量好 速度高,噪声低 价格适中 缺点:彩色输出价格还比较高 接口:过去是并行口,目前流行使用USB接口 应用:办公室和家庭应用 墨盒 彩色喷墨打印机大多带有一个黑色墨盒和一个彩色墨盒(三色、四色、五色、六色等) PC机中的外存储器 硬盘 存储器 软盘 驱动器 CD-ROM 驱动器 信息的读写装置 软盘驱动器(软驱) 优点:长期保存各类信息、可读可写,存储介质(软盘片) 可更换、携带方便、价格便宜 缺点:容量太小 (安装在台式PC的机架上) 信息的存储介质 3.5英寸软盘片 写保护口 快门 标签 写保护孔 轴盘连接孔 软盘片是两面涂满了磁性材料一张圆形软塑料片 盘片被封装在一个硬塑料保护壳中 读写窗(快门)是可移动的金属套,软盘工作时才打开 移动翼片,露出写保护口,信息就无法记录到盘片,从而实现了写保护 “0” 盘片旋转方向 磁盘片 磁头,用于写入和读出信息 “1” 磁 道 扇 区 磁盘表面被分为许多同心圆,每个同心圆称为一个磁道。每个磁道都有一个编号,最外面的是0磁道 每个磁道被划分为若干段(段又叫扇区),每个扇区的存储容量均为512字节。每个扇区都有一个编号 注:所谓磁盘的格式化操作,就是在盘面上划分磁道和扇区,并在扇区中填写扇区号等信息的过程 软盘的发展趋势:逐步被 U盘取代 驱动器的主轴驱动系统带动软盘片不停地旋转 若光线透过写保护窗,则禁止写操作 定位系统将磁头定位到指定的磁道,进行信息的读写 快门打开 低密度存储示意图 高密度存储示意图 位密度 道密度 位密度 道密度 硬盘 存储器 移动臂 控制电路 主轴 硬盘片 磁头 接口 (1)硬盘盘片:由铝合金制成,上涂有很薄的磁性材料; (2)每块硬盘由1-5张盘片组成,它们都固定在主轴上; (3)当硬盘工作时,主轴底部的电机带动主轴,主轴带动 磁盘高速旋转; (4)盘片旋转,磁头负责盘片上 数据的写入或读出。 (5)移动臂用来固定磁头,使磁头 可以沿着盘片的径向高速移动, 以便定位到指定的磁道。 磁盘盘片 控制电路 主轴 移动臂 磁头 工作原理 柱面 磁道 几个概念 磁头 磁道 旋转轴 碟片 优盘:512MB~1GB (100元) 移动硬盘 保护层,其上有标签 反射层 记录信息层 聚碳酸酯透明塑料衬盘(基层) 信息记录轨道(光道) 从盘片的中心到边缘的一个螺旋形轨道。 CD光盘的 螺旋形光道 凹坑的边缘用来表示“1”,而凹坑和非凹坑的平坦部分表示“0” 常用输入设备 输入是把信息送入计算机系统的过程。 定义: 键盘: 字符和命令 鼠标器: 位置和命令 笔输入: 位置、命令和字符 扫描仪: 图象 数码相机:图象 微机系统中常用输入设备 其它按键: Windows 控制键; 多媒体播放控制键; 若干指示灯 小键盘 光标控制键 功能键 打字键盘 修饰键 记录当时的屏幕映像,将其复制到剪贴板中 Print Screen 临时性地挂起一个程序或命令 Pause 使光标向下移动若干行(向下翻页) Page Down 使光标向上移动若干行(向上翻页) Page Up 数字小键盘可用作计算器键盘,也可用作光标控制键,由本键进行切换 Num Lock 输入字符时有覆盖方式和插入方式两种,Insert键用于在两种方式之间进行切换 Insert 通常用于把光标移动到开始位置,如一个文档的起始位置或一行的开始处 Home 共12个功能键,其功能由操作系统及运行的应用程序决定 F1~F12 Escape的缩写,经常用于退出一个程序或操作 Esc 一般是把光标移动到行末 End 删除光标右面的一个字符,或者删除一个(些)已选择的对象 Delete Control的缩写,它与另一个(些)键一起按下时,将发出一个命令,其含义由应用程序决定 Ctrl 经常用于终止或暂停一个DOS程序的执行 Break Alternate的缩写,它与另一个(些)键一起按下时,将发出一个命令,其含义由应用程序决定 Alt 主 要 功 能 控制键名称 类型: 光电式鼠标器 发光 二极管 微型镜头 右键 左键 滚轮 (当前流行使用) 机电式鼠标器 (曾经流行使用) 滚轮 按键 传动球 鼠标垫 鼠标形状 含义 鼠标形状 含义 标准选择 调整窗口垂直大小 文字选择 调整窗口水平大小 帮助选择 窗口对角线调整 后台操作 窗口对角线调整 忙 移动对象 在Windows操作系统中,不同的鼠标形状有不同的含义: 无线鼠标 接收器 发送器 指点杆 触摸板 笔记本电脑使用: 轨迹球 操纵杆 玩游戏使用 普通鼠标 触摸屏 USB接口 蓝色分量 绿色分量 红色分量 滚筒式和胶片专用扫描仪 高分辨率的专业扫描仪,技术性能很高,多用于专业印刷排版领域 手持式扫描仪 扫描头较窄,只适用于扫描较小的图件 平板式扫描仪 主要扫描反射式稿件,适用范围较广。其扫描速度、精度、质量比较好 普通数码相机 专业数码相机 1 将数码相机对准景物,按下快门,被景物反射出来的光线 CCD将光信号转换为电信号 4 模数转换器(ADC)把模拟信号转换为数字信号 5 数字信号处理器(DSP)修整图像的质量、压缩图像数据、将图像存储在存储卡中 6 将数码相机与计算机连接,把图像传送到计算机中 7 运行有关软件,将图像显示在屏幕上 2 光线被聚焦在CCD芯片上 PC机 镜头 CCD 阵列 A/D 转换 存储器 接口 电路 图像 处理 与 数据 压缩 打印机 电视机 光信号 模拟 电信号 数字 信号 图像 数据 图像 数据 光信号聚焦在CCD或CMOS成像芯片上,并由成像芯片转换成电信号。 成像芯片的像素数目越多,图像的分辨率就越高 使用嵌入式处理器和数字信号处理器(DSP)对图像进行色彩处理和数据压缩等处理,然后将图像以JPEG格式表示 使用闪烁存储器做成的可插拔的存储卡。种类很多,如SD卡、XD卡、CF卡、Memory Stick卡和MMC卡 USB接口或1394接口 阴极射线管显示器 (简称CRT) 液晶显示器 (简称LCD) 集成显卡 独立显卡 显示器 (Monitor) 显示控制器 (显卡、图形卡) 计算机显示器 (Display device) 电 源 帧 扫 描 行 扫 描 亮度控制 视频放大器 十 五 针 插 头 Green Blue CRT 视频放大器 视频放大器 行同步信号 帧同步信号 Red 显像管 显像管后部的电子枪发出3个电子束,经过偏转磁场,轰击到荧光屏上,产生1个像素(点) 每个像素由红、绿、蓝三基色组成,通过对三基色亮度的控制合成出不同的颜色 偏转磁场使电子束从左到右,从上至下,逐行逐点轰击荧光屏,从而形成一帧图像 1. 组成 显示控制电路:控制显示器工作 绘图处理器: 显示存储器(VRAM):存储屏幕上所有像素的颜色信息 接口电路:负责显示控制器与主机的数据传输 说明:显示卡一般插在主板上的PCI总线扩展槽上。 若主板上集成了显示卡的电路,便不再需要显示卡 显示控制卡(显示卡) S-Video接口 DVI接口 VGA接口 绘图处理器 显示存储器 (VRAM) 显示控制电路 与北桥芯片的接口 显示器 绘图处理器 (显示卡) 北桥芯片 CPU 内存条 用于存储屏幕上每个像素的颜色信息等(容量为64MB、128MB甚至更高) 一种专用的高速绘图处理器,负责在显存中生成需要显示的图像 视频输出 接口 负责对显示卡的操作进行控制 两种高速接口: 1 AGP接口 2 PCI-E接口 显示卡与主存之间传送数据的方式 Pentium 4 CPU前端总线P MCH 图形卡接口 双通道 南桥 82801E ICH5 USB 2.0接口(x8) 以太网接口 PCI 插槽(≤6个) ROM BIOS 硬盘接口(x2) 音频Codec Super I/O 键盘,鼠标,软驱,并口,串口等 电线 电源管理、时钟生成 DDR 2 存储器 CPU 内存储器 外存储器 CPU 指令1 指令2 指令k 指令n 程序 数据1 数据2 数据m 数据 ①任务启动时,执行该任务的程序和数据将从外存成批传送到内存 ②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据 ④将指令的运算处理结果送回内存保存 ⑤任务完成后,将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存 ③逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理 外存储器(简称外存或辅存) 存取速度慢 成本低、容量很大 不与CPU直接连接,计算机运行程序时,外存中的程序及相关数据必须先传送到内存,然后才能被CPU使用。 属于不挥发性存储器(Nonvolatile),用于长久存放系统中几乎所有的信息 cache存储器 主存储器(RAM和ROM) 外存储器(软盘、硬盘、光盘) 后备存储器(磁带库、光盘库) 内存储器 外存储器 寄存器 典型容量 1KB 1MB 256MB-1GB 40GB-200GB 10TB-100TB 典型存取时间 1 ns 2 ns 10 ns 10 ms 10 s 分析:速度越快,成本较高。 为了获得好的性能/价格比,计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构,取长补短,协调工作 工作过程: 1)CPU运行时,需要的操作数大部分来自寄存器 2)如需要从(向)存储器中取(存) 数据时,先访问cache,如在,取自cache 3)如操作数不在cache,则访问RAM,如在RAM中,则取自RAM 4)如操作数不在RAM,则访问硬盘,操作数从硬盘中读出→RAM →cache 半导体存储器 只 读 存储器(ROM) 随机存取存储器(RAM) 静态随机存取存储器SRAM 动态随机存取存储器DRAM 不可在线改写内容的ROM 快擦除存储器(Flash ROM) (用作Cache存储器) (用作主存储器) 每个存储单元(cell)由6个晶体管组成 只要加上电源,信息就能一直保持 对电器干扰相对不很敏感 比DRAM更快,也更贵 每个存储单元由1个电容和1个晶体管组成. 每10-100 ms必须刷新一次 对电器干扰比较敏感 比SRAM慢,但便宜 (用作BIOS存储器) (图形卡、硬盘控制器) ····· 01101001 10101010 存储内容 00001 00000 00010 00011 00100 11110 11111 ······· 存储 单元 地址 主存是CPU可直接访问的存储器,用于存放供CPU处理的指令和数据 4、存取时间:从CPU送出内存单元的地址码开始,到主存读出数据并送到CPU(或者是把CPU数据写入主存)所需要的时间(单位:ns,1 ns = 10-9 s) 目前流行的是DDR和DDR2内存条: 均采用双列直插式,其触点分布在内存条的两面 DDR条有184个引脚,DDR2有240个引脚 PC机主板中一般都配备有2个或4个DIMM插槽 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 4 9 3 4 10 10 10 主存中的部分信息拷贝在cache存储器中 Cache存储器 主存储器 关于cache存储器 I/O总线 I/O总线: 也叫主板总线,是各类I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的一组公用的信号线。 I/O总线.数据信号(总线)--是CPU与内存、输入/输出接口之间传输数据的通道 2.地址信号(总线)--用于传送内存、输入/输出接口地址数据,CPU 按此地址寻找数据 3.控制信号(总线)--传送CPU发出或接收的控制信号 I/O总线带宽:也称总线数据传输速率,即单位时间内总线上可传送的数据量。 计算公式如下: 总线的数据传输速率(MB/s) = 数据线×总线工作频率(MHz) ×每个总线周期的传输次数 微机中常用总线: ①ISA总线:工业标准总线位 ②EISA总线:扩展的工业标准总线与ISA总线位 ③PCI总线:局部总线位。 I/O操作过程 数据线 控制线 中 央 处 理 器 I/O 设备 1 控制 I/O 设备 k 启动 完 成 启动 完成 I/O 控制器 k I/O 控制器 1 主存储器 数据 数据 数据 控制 请求 数据 传输 (1)I/O设备接口: 计算机中用于连接I/O设备的各种插头/插座以及相应的通信规程及电器特性,就称为I/O设备接口。简称I/O接口。 I/O设备与I/O控制器之间的连接器 计算机系统中的I/O设备通过I/O端口与各自的控制器连接,然后由控制器与总线)I/O端口分类 串行口 9针 并行口 VGA 视频口 键盘接口 双绞线针 同轴电缆网络接口 显示器 接口 麦克风 音 箱 键盘接口 并行口 USB 接口 以太网 双绞线接口 串行口 鼠标器 接口 (安装在主板上的I/O设备接口) 键盘接口 鼠标接口 串行接口 电源接口 打印机(并行)接口 (游戏)操纵杆接口 显示器接口 扬声器接口 麦克风接口 电话线/MODEM接口 键盘,鼠标器,打印机等 1 不需要 红外线 Mbps 串行, 双向 红外线接口(IrDA) 键盘或鼠标器 1 IBM 低速 串行, 双向 PS/2接口 显示器 1 HDB15 VGA 200~500MB/s 并行, 单向 显示器输出接口 硬盘 1 7针插头/插座 SATA1.0 SATA2.0 150MB/s 300MB/s 串行, 双向 SATA 硬盘,光驱,软驱 1~4 (E-IDE) Ultra ATA/66 Ultra ATA/100 Ultra ATA/133 66MB/s 100MB/s 133MB/s 并行, 双向 IDE 数字视频设备 最多63 FireWire(i.Link) 12.5,25,50MB/s 100MB/s 串行, 双向 IEEE 1394a IEEE 1394b 外接硬盘,数字视频设备,扫描仪等 最多127 USB A 60MB/s(高速) 串行, 双向 USB(2.0) 键盘,鼠标器,数码相机,移动盘等 最多127 USB A 1.5Mb/s(慢速) 1.5MB/s(全速) 串行, 双向 USB(1.0) USB(1.1) 打印机,扫描仪 1 DB25M IEEE 1284 1.5MB/s 并行, 双向 并行口 (增强式) 鼠标器,MODEM 1 DB25F或DB9F EIA-232 或EIA-422 50~19200 b/s 串行, 双向 串行口 通常连接的设备 可连接的设备数目 插头/插座形式 标 准 数据传输速率 数据传输方式 名 称 接口类型A,通常在PC上出现 接口类型B,通常在USB设备上出现 Mini-USB,数码相机、移动硬盘等设备经常使用 USB集线器, 可扩展PC机的USB接口 黑 地 GND 4 绿 数据+ +DATA 3 白 数据- -DATA 2 红 电源 VCC 1 导线颜色 名 称 信 号 引 脚 打印机 扫描仪 显示器 麦克风 网线 I/O总线 I/O接口 硬盘光驱 I/O设备 CPU 主板 I/O设备 I/O控制器 (扩充卡) 机箱插座 板卡插座 I/O控制器 PCI插槽 内存 主板插槽 机 箱 芯片组 IDE接口 机箱插座 I/O设备 键盘 鼠标器 磁盘控制器 以太网卡 USB 控制器和接口 鼠标器 键盘 网线 disk 声卡 视频卡 光驱 y ALU 寄存器组 CPU总线 CPU(前端)总线 I/O 总线 主板扩展槽 PCI接口 南桥芯片 I/O 总线 A 北桥芯片 y 存储器总线 显卡 注:红色为外存储器容量的计算单位 输入设备 内存储器 运算器 控制器 运算命令 输入命令 原始数据 命令/程序 取数 读 结果 存数 写 数据线: 控制线: 存取命令 输出设备 取指令 输出命令 ②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据 ④将指令的运算处理结果送回内存保存 ⑤任务完成后,将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存 外存储器 内存储器 CPU ①任务启动时,执行该任务的程序和数据从外存成批传送到内存 指令1 指令2 指令k 指令n 程序 数据1 数据2 数据m 数据 ③CPU逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理 存储器 中央 处理器 存储数据 和指令 执行指令 处理数据 指令,数据 处理结果 寄 存 器 组 运 算 器 控 制 器 指 令 数 据 运算结果 中 央 处 理 器 操作信号 内 存 储 器 控制信号 CPU组成及与内存的关系 寄存器组 运算器 中央处理器 指令计数器 指令寄存器 控制器 数 据 程序 指令1 指令2 指令k 指令n 数据1 数据2 数据m 数据 内存储器 指 令 指令地址 操作数地址 存放待执行指令的地址 已经启动运行的程序和数据 存放待执行的指令并进行译码 完成规定的运算 暂存等待处理的数据 操作命令 ~ ~ ~ ~ 内存储器 A C 9 27 B ALU 0 1 2 3 4 5 6 7 STORE R1 内存地址C 例3:存数指令 9 例2:加法指令 ADD R1 R3 R5 (3#寄存器内容与5#寄存器内容相加,并把和数写入1#寄存器) 例1:取数指令 LOAD R3 内存地址A LOAD R5 内存地址B 27 36 27 9 36 36 通用寄存器GPR instruction set software hardware 操作码 操 作 数 地 址 指出CPU应执行何种操作的一个命令词,例如加、减、乘、除、取数、存数等 指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置 举例: 10 02 06 把02存储单元和06存储单元中的内容相加,和数保存在02单元 1 取指令 4 修改指令计数器 3 执行指令 2 指令译码 指令执行周期 问题:CPU的时钟频率(主频)与指令执行速度是什么关系? 计算机的性能指标 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 …… 内存容量 字长 主频 其它 运算速度 CPU的性能指标 CPU的性能指标 CPU的性能指标 1 音箱 5 CPU 2 调制解调器 6 键盘 3 麦克风 7 鼠标器 4 内存条 8 CD驱动器 9 软驱 10 硬盘驱动器 11 打印机 12 I/O接口 13 CRT显示器 14 扩展卡 台式机 台式PC 主机 外部设备 机箱、电源 主板 CPU 内存条 显示卡 芯片组 BIOS ROM CMOS PCI插槽(I/O总线) 网卡 输入设备 外存储器 键盘 鼠标器 麦克风 摄像头 输出设备 U盘、移动硬盘 显示器 打印机 音箱/耳机 声卡 插头和插座(I/O接口) 硬盘、软驱 光盘驱动器 结构图 扩展空间 I/O插槽 CPU 接口 接口 接口 接口 键盘 硬盘 鼠标 打印机 显示器 用户电路 光驱 软驱 总 线 控制电路 串行接口 并行接口 键盘接口 时钟 RAM ROM 总线 主机板 微机主板示例 存储器插座 处理器 插槽 外部设备插口(I/O接口) 软驱及硬盘的IDE连接器 电源连接器 PCI总线槽 CPU插座 显示卡的 AGP插槽 南桥 芯片 ROM BIOS CMOS 存储器 北桥 芯片 CPU插座 内存条插座 软驱、硬盘 IDE连接器 电源连接器 PCI总线插槽 芯片组 I/O端口 计算机是一种能按照事先存储的程序,自动、高速进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子装置。 ②处理 ①输入 ③输出 输入信息 计算机 输出信息 计算机的信息处理功能: 信息的收集(信息获取) 信息的储存(信息存储) 信息的加工(信息处理) 信息的传递(通信) 信息的施用(展现与控制) 具有记忆和逻辑判断能力 计算机内部自动化操作 通用性好 存储量大 精确度高 运算速度快 计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果 信息欺骗和计算机犯罪增加 知识产权保护更加困难 个人隐私受到威胁 不良和有害信息肆意传播和泛滥 大量电子垃圾污染环境、破坏生态 长期沉迷于计算机游戏、网络聊天等给青少年生理和心理带来严重危害 计算机引发的社会问题和某些潜在的危机: 计算机有什么负面影响? 各代计算机发展: 发展: 普适计算模式(?) 大、超大规模集成电路 四 网络计算模式 中、小规模集成电路 三 分散计算模式 晶体管+磁芯 二 集中计算模式 电子管+磁鼓 一 应用模式 使用的元器件 代 第一代(约1946-1957)电子管计算机 ● 速度:几十~几万次/秒 ● 内存:磁鼓,千字 ● 外设:磁带 ● 机器语言或汇编语言编程 美国于20世纪50年代生产的IBM704型采用电子管的第一代电子计算机 第一代电子计算机中使用的磁鼓存储器 第二代(约1957-1964) 晶体管计算机 ● 速度:几十万次/秒, ● 内存:磁芯,十万字 ● 外设:磁盘 ● 高级语言编程 电子管 晶体管 第四代(1974年起)大规模(LSI)和VLSI计算机 速度:几百万次~亿次/秒 内存:半导体存储器 软件工程,分布式处理等 深入到各行各业,家庭和个人开始使用计算机 软件开发工具和平台、分布式计算、网络软件等开始广泛使用 CPU:LSI、VLSI 内存:LSI、VLSI的半导体存储器 20世纪70年代中期以来 第4代 在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用 操作系统、数据库管理系统等开始使用 CPU:SSI,MSI 内存:SSI,MSI的半导体存储器 20世纪60年代中期~70年代初期 第3代 开始广泛应用于数据处理领域 使用FORTRAN等高级程序设计语言 CPU:晶体管 内存:磁芯 20世纪50年代中、后期~60年代中期 第2代 科学和工程计算 使用机器语言和汇编语言编写程序 CPU:电子管 内存:磁鼓 20世纪40年代中期~50年代末期 第1代 主要应用领域 使用的软件类型 使用的元器件 年 代 代 别 计算机系统的组成 计算机系统 软件系统(程序、文档) 硬件系统(设备) 硬件: 是指有形的物理设备,是计算机系统中实际物理装置的总称。 软件: 是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。 计算机系统 计算机硬件 计算机软件 运算器 控制器 输入设备 存储器 输出设备 系统软件 应用软件 操作系统 数据库管理系统 程序语言处理系统 文字处理 通信 ··· 娱乐 计算机是一个复杂的系统 复杂性:硬件由数以亿计的元器件组成,软件由数以亿计的指令组成 多样性:硬件与光、机、电、声等有关,软件与数学、逻辑···等有关 层次性:分层(hierarchical) 结构 输出设备 内存(ROM / RAM /Cache) CPU 运算器 控制器 硬 件 主机 外部设备 I/O接口 外存储器 输入设备 总线 硬件系统 (注:逻辑结构意指概念上(即功能上)的结构) 输入设备 内存储器 运算器 控制器 运算命令 输入命令 原始数据 命令/程序 取数 读 结果 存数 写 数据线: 控制线: 存取命令 输出设备 取指令 输出命令 主机箱 台式机箱 机箱内部构造 打印机 显示器 鼠标 键盘 输入设备 输出设备 外存储器 硬件系统 软 盘 硬 盘 光盘 Intel 4004 chip Intel 8080 chip 断电后信息保持 断电后信息消失 性质 长期存放计算机系统中几乎所有的信息 存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据 用途 程序及相关数据必须先送入内存后才能被CPU使用 CPU所处理的指令及数据直接从内存中取出 与CPU关系 很大(因单位成本较低) 较小(因单位成本较高) 存储容量 较慢 很快 存取速度 外存储器 (简称外存或辅存) 内存储器 (简称内存或主存) 存储单元地址 0000H 0001H 0002H FFFFH 存储体结构图 存储位 存储单元 (字节) 存储体 现代计算机的逻辑结构 与经典计算机结构相比的3个变化: 集中控制→分散控制 存储器→内存储器+外存储器 通过CPU通信→通过总线进行通信 中央处理器 (运算器及其控制) 外存储器 内存储器 输出设备 总线(bus) 输入设备 I/O接口 I/O接口 外存储器接口 控制器 控制器 控制器 CPU 控制器 memory 存储 I/O设备通过I/O接口与各自的控制器连接,然后由控制器与I/O总线相连 作为服务器(server)使用 独立使用或作为 客户机(client)使用 曙光4000A巨型计算机 NEC SX-6/64MB巨型计算机外形 小型机 大型机 小型机 台式机 笔记本电脑 掌上计算机 手持式计算机(掌上机) 微型机 笔记本 分类或应用举例 软件特点 主要特点 应用性质 服务对象 类型 嵌入式计算机 服务器 个人计算机 直接为用户服务 通用 性能/价格比高 多媒体性能好 有通用性和可扩展性 工作站 台式机 笔记本 种类多,功能丰富,用户可自行装卸 为其它计算机服务 半通用 吞吐率(throughput)高 可用性(availability)好 有可扩展性(scalability) 数据库服务器 Web服务器 打印服务器 (企业级,部门级··) 实时处理和并发工作能力强,可靠性和安全性好 为其它设备服务 专用 价格便宜 功耗低 实时(real time)处理 软件固化, 扩展性差 手机 数码相机 MP3播放器 ··· 功能专用、单一、结构紧凑,固化在芯片中,不易修改和扩充 μP是各种类型计算机的核心组成部分 用于执行系统软件和应用软件的μP 称为“CPU” 目前几乎所有计算机的CPU使用的都是微处理器 除了用作CPU的通用微处理器之外, 还有许多专用的微处理器产品:绘图处理器、通信处理器等 Intel 4004 Intel 8086 Intel 奔腾4 Intel 酷睿2 478或775 370 242 387 273或296 168 132 68 ,40 40 16 芯片引脚数目 0.13~0.065 0.25~0.13 0.35~0.25 0.6~0.35 0.8~0.35 1.0~0.8 1.5~1.0 1.5 2 6 10 制造工艺(μm) 4200 950 750 550 310 120 27.5 13.4 2.9 0.45 0.23 晶体管数目(万) 64GB 64GB 64GB 64GB 4GB 4GB 4GB 16MB 1MB 64KB 640B 存储空间大小 36 36 36 36 32 32 32 24 20 16 10 地址线 25或33 16~33 6~20 4.77 2 0.108 前端总线 33~100 16~33 6~20 4.77 2 0.108 主频 (MHz) 2000~2006 1999~2003 1997~1998 1995~1997 1993~1996 1989 1985 1982 1978 1974 1971 推出时间(年) 奔腾4 奔腾Ⅲ 奔腾Ⅱ 高能奔腾 奔腾 80486 80386 80286 8086 8080 4004 处理器主要参数 * 教育信息化 * 计算机又称为“电脑” 计算机又称为“电脑” 冯.诺依曼(John Von Neumman) 是美籍匈牙利数学家,冯.诺依曼计算机的主要特点是: 1)由五大逻辑部件组成(运算器,控制器,存储器,输入设备,输出设备) 2)存储程序控制——计算机的所有操作均由存储在存储器中的程序进行控制 3)程序和数据都使用二进制表示 巨型计算机(supercomputer)也称超级计算机,它采用大规模并行处理的体系结构,由数以百计、千计甚至万计的CPU组成。它有极强的运算处理能力,速度达到每秒数万亿次以上,大多使用在军事、科研、气象预报、石油勘探、飞机设计模拟、生物信息处理等领域。2004年6月,我国曙光计算机公司研制成功“曙光4000A”巨型计算机,它包含2560个处理器,内存总容量为4.2TB,磁盘总容量为20TB,运算速度达到每秒8万亿次,在2005年11月全球巨型计算机500强排行榜中居第42位 说明:1)巨、大、小、微的划分是相对的,并无固定的界限 2)服务器既是计算机的用途、也是一类计算机产品 1)服务器: 在网络中专门为其它计算机提供各种资源和服务的计算机 2)巨型机、大型机和小型机均可作为服务器使用,也有专门的服务器产品 参考阅读材料2.1 嵌入式计算机的分类: 按字长:1位、4位、8位、··· 按应用:通用、专用 按功能(结构):微控制器、微处理器、DSP、片上系统(SOC) 参考阅读材料2.4 什么时候需要设置CMOS中的参数? PC机组装好之后第一次加电 系统增加、减少或更换硬件或I/O设备 CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改 用户希望更改或设置系统的口令 系统因某种需要而调整某些设置参数 参考阅读材料2.3中的介绍 光电鼠标器工作原理: 内部的发光二极管发出的光线照亮光电鼠标底部表面。底部表面反射回的一部分光线,经过一组光学透镜,传输到一个光感应器件(微成像器)内成像。 当光电鼠标移动时,其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片DSP对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理,通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析,来判断鼠标的移动方向和移动距离,从而完成光标的定位。 1)磁盘片:铝合金(或玻璃材料)制成,盘片上涂有一层很薄的磁性材料,通过磁层的磁化来记录数据。一般一块硬盘由1-5张盘片组成,它们都固定在主轴上。 2)主轴与主轴电机: 主轴底部有一个电机,当硬盘工作时,电机带动主轴,主轴带动磁盘高速旋转,其速度为每分钟几千转、甚至上万转。 3)磁头和移动臂: 磁头是一个质量很轻的薄膜组件,负责盘片上数据的写入或读出。盘片高速旋转时带动的气流将盘片上的磁头托起,移动臂用来固定磁头,使磁头可以沿着盘片的径向高速移动,以便定位到指定的磁道。 读写硬盘信息的操作过程: 主机首先给出要读写的扇区地址: 磁头号(扇区所在记录面),例如,0号磁头 柱面号(扇区所在的磁道),例如,5号柱面 扇区号,例如,1000号扇区 硬盘的操作流程如下: 所有磁头同步寻道(由柱面号控制)? 选择磁头(由磁头号控制) ? 被选中的磁头等待扇区到达磁头下方(由扇区号控制)? 读写该扇区中的数据 教育信息化 2.1 计算机的组成与分类 2.2 CPU的结构与原理 2.3 PC机的主机 2.4 常用输入设备 2.5 常用输出设备 2.6 外存储器 1、计算机的发展与作用 2、计算机的组成 3、计算机的分类 4、微处理器和嵌入式计算机 * 计算机又称为“电脑” 计算机又称为“电脑” 冯.诺依曼(John Von Neumman) 是美籍匈牙利数学家,冯.诺依曼计算机的主要特点是: 1)由五大逻辑部件组成(运算器,控制器,存储器,输入设备,输出设备) 2)存储程序控制——计算机的所有操作均由存储在存储器中的程序进行控制 3)程序和数据都使用二进制表示 巨型计算机(supercomputer)也称超级计算机,它采用大规模并行处理的体系结构,由数以百计、千计甚至万计的CPU组成。它有极强的运算处理能力,速度达到每秒数万亿次以上,大多使用在军事、科研、气象预报、石油勘探、飞机设计模拟、生物信息处理等领域。2004年6月,我国曙光计算机公司研制成功“曙光4000A”巨型计算机,它包含2560个处理器,内存总容量为4.2TB,磁盘总容量为20TB,运算速度达到每秒8万亿次,在2005年11月全球巨型计算机500强排行榜中居第42位 说明:1)巨、大、小、微的划分是相对的,并无固定的界限 2)服务器既是计算机的用途、也是一类计算机产品 1)服务器: 在网络中专门为其它计算机提供各种资源和服务的计算机 2)巨型机、大型机和小型机均可作为服务器使用,也有专门的服务器产品 参考阅读材料2.1 嵌入式计算机的分类: 按字长:1位、4位、8位、··· 按应用:通用、专用 按功能(结构):微控制器、微处理器、DSP、片上系统(SOC) 参考阅读材料2.4 什么时候需要设置CMOS中的参数? PC机组装好之后第一次加电 系统增加、减少或更换硬件或I/O设备 CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改 用户希望更改或设置系统的口令 系统因某种需要而调整某些设置参数 参考阅读材料2.3中的介绍 光电鼠标器工作原理: 内部的发光二极管发出的光线照亮光电鼠标底部表面。底部表面反射回的一部分光线,经过一组光学透镜,传输到一个光感应器件(微成像器)内成像。 当光电鼠标移动时,其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片DSP对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理,通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析,来判断鼠标的移动方向和移动距离,从而完成光标的定位。 1)磁盘片:铝合金(或玻璃材料)制成,盘片上涂有一层很薄的磁性材料,通过磁层的磁化来记录数据。一般一块硬盘由1-5张盘片组成,它们都固定在主轴上。 2)主轴与主轴电机: 主轴底部有一个电机,当硬盘工作时,电机带动主轴,主轴带动磁盘高速旋转,其速度为每分钟几千转、甚至上万转。 3)磁头和移动臂: 磁头是一个质量很轻的薄膜组件,负责盘片上数据的写入或读出。盘片高速旋转时带动的气流将盘片上的磁头托起,移动臂用来固定磁头,使磁头可以沿着盘片的径向高速移动,以便定位到指定的磁道。 读写硬盘信息的操作过程: 主机首先给出要读写的扇区地址: 磁头号(扇区所在记录面),例如,0号磁头 柱面号(扇区所在的磁道),例如,5号柱面 扇区号,例如,1000号扇区 硬盘的操作流程如下: 所有磁头同步寻道(由柱面号控制)? 选择磁头(由磁头号控制) ? 被选中的磁头等待扇区到达磁头下方(由扇区号控制)? 读写该扇区中的数据

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