2019大学计算机第二章.ppt

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1、1,第二章 微型计算机硬件组成,2.1 微型计算机 2.2 微型计算机硬件系统,计算机硬件的基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据的输入、运算、输出等一系列的操作。计算机发展到今天已经发生了翻天覆地的变化，但硬件的基本结构一直沿袭着冯诺伊曼的传统框架，即计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件构成。,2.1 微型计算机 2.1.1 微型计算机概述,20世纪70年代诞生微型计算机。 微型计算机与大、中、小型计算机的区别在于微型机计算机的CPU采用了大规模和超大规模集成电路技术。 通常将微型计算机的CPU芯片称作微处理器（Micro Processing Unit，MP

2、U）。微型计算机的发展是与微处理器的发展同步的。 摩尔定律量化和揭示了微型计算机的这一独特的发展速度： 集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。摩尔定律是由英特尔(Intel)名誉董事长戈登摩尔（Gordon Moore）经过长期观察发现得之。,摩尔定律,2006年，英特尔 酷睿TM 双核处理器的硅核大小为90.3 平方毫米，其中集成的晶体管数量超过1.516亿个。在一平方毫米的面积上将近集成了 170 万个晶体管，或者可以说在圆珠笔笔尖大小的空间上分布有 170 万个晶体管。制作工艺 65ns,45nm的处理器中的硅晶体管之间的距离为45nm，距离越小，c

3、pu可以在一样的面积上集成更多的电子元件。电压低，发热量低，超频性能更高。,2010年，Intel 酷睿 i3 530，制程工艺：32纳米 ，集成度更高,实验室 芯片的制作工艺可以达到20ns,2007年，英特尔发布第一款基于45纳米的四核英特尔至强处理器以及英特尔酷睿2至尊四核处理器，带领世界跨入45纳米全新时代。,一个人需要耗费25,000年的时间才能开关电灯1.5万亿次。但是英特尔研制的晶体管，如英特尔 酷睿TM 双核处理器中的晶体管每秒均可打开并关闭1.5万亿次。,微型计算机的发展方向, 高速化 处理器主频 超小型化 典型的标志是笔记本电脑和PDA的流行。 多媒体化 全新的多媒体处理芯

4、片、多媒体和超媒体系统的开发和标准化、虚拟现实技术和发展多媒体通信等。 网络化 网络计算机、具有联网功能的PDA以及各种类型的个人计算机等正在飞速发展。 隐形化 今后将摆脱显示屏、键盘加主机的传统形像，电视计算机、影音计算机等将大量出现。,2.2 微型计算机的配置,微型计算机基本结构,系统主板（又称母板） CPU 内存 硬盘驱动器 显示器适配器 DVD-ROM驱动器 网卡 电源,资料:主板图解,一般我们看到的PC机都是由：主机箱、输出设备（显示器）和输入设备（键盘和鼠标）三大件组成。,1机箱,机箱为计算机系统的其它配件提供安装支架，此外还可以减轻机箱内向外辐射的电磁污染，保护用户的健康和其它设

5、备的正常使用。目前机箱多采用ATX结构的立式机箱， 机箱用于安装容纳各种板卡和配件，一般在内部前面板侧有用于安装硬盘、光驱、软驱的托架，后面板侧上部有一个用来安装电源的位置，此外还附有一些引线，用于连接POWER键，RESET键，PC扬声器，以及电源指示灯、硬盘工作指示灯等。,10,PC99规范要求主板各接口必须采用有色识别标识，方便识别,2. 系统主板,系统主板是微型计算机中最大的一块集成电路板，主板由各种接口，扩展槽，插座以及芯片组组成，它是计算机各部件相互连接的纽带和桥梁。 计算机正常运行时对内存、存储设备和其它I/O设备的操控都必须通过主板来完成，因此计算机的整体运行速度和稳定性在相当

6、程度上取决于主板的性能。 主板产品根据支持CPU的不同，分为INTEL系列以及AMD系列,11,系统主板,内存,总线插槽,接口卡,CPU,串行接口,USB接口,12,芯片组,芯片组决定了主板的结构及CPU的使用。根据芯片的功能，可分为南桥芯片和北桥芯片。,南桥芯片主要负责I/O接口控制、IDE设备（硬盘等）控制以及高级能源管理等； 北桥芯片负责与CPU的联系并控制内存、AGP、PCI数据在北桥内部传输，由于北桥芯片的发热量较高，所以芯片上会装有散热片。,13,2.2.2 CPU 性能指标, CPU字长：内部一次能够传送，处理的数据位数 x位CPU 通常用CPU字长和位宽来称呼CPU。例如，Pe

7、ntium CPU字长是32位，位宽是64位，称为超32位CPU。 CPU主频：CPU的时钟频率 CPU外频：系统的时钟频率 生产工艺技术：通常用纳米数字来描述 高速缓冲存储器容量 核心数量,CPU主频,CPU的时钟频率。主频越高，运算速度越快。实际上主频只是影响CPU速度的一个方面。 Intel Core i3 530 主频为 2.93GHz 。Intel CPU主频最高的是3.8GHz, Pentium 4 570/670 CPU主频越高，功耗越大，所产生的热量越多，从而导致一系列问题。因此各CPU公司纷纷转而研究新的技术： 多核技术：使用多核技术来提高CPU的性能。多内核是指在一枚处理器

8、中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)，通过在两个执行内核之间划分任务，多核处理器可在特定的时钟周期内执行更多任务。 Core i7 980X采用六核十二线程设计，每个核心拥有3.33G主频和12MB三级缓存，从强悍的规格来看，这款i7 980X的性能将达到前所未有的高度。,CPU,早期使用过的微处理器,16,CPU,Pentium 4微处理器和Itanium微处理器内部结构照片,Cpu的外频,是指系统总线的工作频率，是CPU与外部设备传输数据的频率，目前CPU外频达到400MHz 由于CPU工作频率进一步提高，其他部件受到工艺限制，不能承受更高的频率，INTEL推出了倍频技术，允许主频是外频

9、的倍数，完美解决了CPU与其他部件协同工作的问题。 主频=外频倍数 例如：外频是200MHz ,倍数为15，则CPU的主频为3.0GHz,17,制作工艺 65ns 45ns 32ns，工艺精度不断提高，CPU面积不断缩小，集成度不断提高，性能提高,高速缓冲存储器,(Cache),简称缓存,是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小,但读取速度比内存快。一般和CPU同频率工作。 由于在短时间内CPU往往需要重复读取同样的数据块,如果这些数据块被事先存放到缓存,就可避开内存直接从Cache中调用，从而加快读取速度。 CPU要读取一个数据时，首先从Cache中查找，如果找到就立即读取并送给

10、CPU处理；如果没有找到，就用相对慢的速度从内存中读取并送给CPU处理，同时把这个数据所在的数据块调入Cache中，可以使得以后对整块数据的读取都从Cache中进行，不必再调用内存。,18,这样的读取机制使CPU读取Cache的命中率非常高（大多数CPU可达90%左右），也就是说CPU下一次要读取的数据90%都在Cache中，只有大约10%需要从内存读取。这大大节省了CPU直接读取内存的时间，也使CPU读取数据时基本无需等待。 因此高速缓存的容量，也是CPU的重要指标。由于受到CPU面积的限制，Cache的容量都很小。通常分为一级高速缓存L1和二级高速缓存L2。,19,核心数量,多核处理器是指

11、在一个处理器上集成多个运算核心，从而提高计算能力。双核架构并不是什么新技术，不过此前双核心处理器一直是服务器的专利，现在已经开始普及到微机中。 目前主要有双核、 三核、四核,20,国产CPU龙芯,标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了“零”的突破，打破了我国长期依赖国外CPU产品的无芯的历史。 龙芯2E最高运算速度是每秒40亿次，相当于Pentium 4 1.5GHz处理器水平。,“龙芯”的意义,中国目前已经成为名副其实的“世界工厂”，在“珠三角”、“长三角”,众多外资企业将生产过程的低端部分-主要是加工和组装环节转移到中国，这些低端环节耗费劳动力多，劳动强度大，但附加值很低。 电脑业界赫

12、赫有名的罗技鼠标，生产工厂设在苏州，每年向美国运送2000万个贴着“中国制造”标签的鼠标，每只在美国的售价约为40美元。在这一价格中，罗技拿8美元，分销商和零售商拿15美元，另外14美元进入零部件供应商的腰包，中国从每只鼠标中仅能拿到3美元，而且工人工资、电力、交通和其他开支全都包括在这3美元里! 站在电子爱好者角度看，鼠标的制造有何难?罗技能将小小鼠标产业做得这么大，关键在于其知识产权和品牌。说得极端一点，小小的CPU芯片，动辄成百上千甚至上万元一颗，其主要材料无非是一点金属和可从沙子中提炼的硅，但是不掌握CPU设计技术、芯片制造技术，我们又能有何选择? 进口一颗服务器用的CPU芯片（至强M

13、P）价格高达几万元，占到服务器成本的70%以上，据统计，光进口芯片，国外大公司每年就能从中国赚走一百多亿美元。,21,CPU的生产厂商现在主要有Intel、AMD两家。 Intel的处理器在市场份额和商业利润方面相比于AMD都占有很大的优势，赢得不少行业用户的青睐。 1.高端的是双核心的Pentium EE以及单核心的Pentium 4 EE 2.中端的是双核心的Pentium D和单核心的Pentium 4 3.低端的则是Celeron(赛扬) D以及已经被淘汰掉的Celeron(即俗称的Celeron IV)；。,AMD方面， 1.高端的是Athlon（a sou long速龙） 64 F

14、X(包括单核心和双核心) 2.中端的则是双核心的Athlon 64 X2和单核心的Athlon 64 3.低端就是Sempron(闪龙)。 AMD K8是AMD第8代处理器系列的通称，也是从32位的x86平台向64位的AMD64平台的过渡世代。,23,内部存储器 访问速度快 信息暂时性 相对价格高,外部存储器 访问速度慢 信息永久性 相对价格低,2.2.3 存储器,微型计算机存储器分内部存储器和外部存储器,24,存储器,每个记忆单元由8位二进制位组成。,1KB=210B=1024B 1MB= 210KB= 1024KB 1GB= 210MB= 1024MB 1TB= 210GB= 1024GB

15、,（1）随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM) RAM通常指计算机主存， CPU对它们既可读出又可写入数据。 微型计算机上广泛采用动态随机存储器DRAM ，制作成内存条形式出现。目前常用的内存条的引脚为168芯或184芯 。,内部存储器,用于笔记本电脑内存条,用于台式机内存条,内存性能指标有：内存主频和容量,内存主频决定着该内存最高能在什么样的频率正常工作，主频越高在一定程度上代表着内存所能达到的速度越快。目前主流的内存频率是800MHz的DDR2内存，以及一些内存频率更高的DDR3内存。,内存容量是越大越好，但要受到主板所能支持的最大容量的限制。目前，主流计算

16、机的内存容量都在1GB，2GB左右，甚至更高。随着内存成本的下降和软件对内存要求的越来越高，计算机的内容容量有不断增大的趋势。,比较知名的品牌有现代（HY）、海力士（Hynix）、金士顿（Kingston）、利屏、勤茂（TwinMOS）、胜创（Kingmax）、海盗船（Corsair）、宇瞻（Apacer）、金邦（Geil）、威刚（ADATA）等。,（2）只读存储器(Read only Memory，简称ROM) CPU对它们只取不存，其信息用户无法修改。断电时信息不会丢失。ROM中一般存放计算机系统管理程序。 （3）高速缓冲存储器Cache 是介于CPU和内存之间的一种可高速存取信息的芯片，

17、用于解决它们之间的速度冲突问题，Cache一般采用静态随机存取存储器SRAM构成，它的访问速度是DRAM的10倍左右。,内部存储器,软盘,用表面涂有磁性材料柔软的聚酯材料制成 读写软盘时，磁头直接接触盘面。常用软盘容量为1.44MB,将盘片逻辑地划分成若干个同心圆，每个同心圆称为一个磁道，最外面的一个同心圆为0磁道。 磁道又等分成若干段，每段称为一个扇区。一个扇区一般可存放512B的数据。 磁盘的存储容量可由下面的公式求出： 磁盘总容量 = 磁道数扇区数磁面数扇区字节数,外部存储器,硬盘的磁道、扇区、柱面,硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成 读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘

18、面上而不接触盘面 硬盘容量视具体类型而定,硬盘,资料:硬盘图解,硬盘主要有两个指标：存储容量和转速,硬盘的容量以兆字节（MB）或千兆字节（GB）为单位，1GB=1024MB。但硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1GB=1000MB，因此我们在Windows操作系统中看到的硬盘容量会比厂家的标称值要小。现在主流硬盘容量都达到百G以上，TB容量的硬盘也开始出现。,硬盘转速以每分钟的转数来表示，表示为RPM（Revolutions Per minute），即转/每分钟。个人PC的硬盘转速一般有5400rpm和7200rpm两种；对于笔记本用户则是4200rpm和5400rpm为主，7200rpm的笔记本

19、硬盘在市场中还较为少见；服务器用户对硬盘性能要求最高，服务器中使用的SCSI硬盘转速基本都达到了10000rpm，甚至15000rpm。,知名的硬盘品牌有EMC、希捷(Seagate)、西部数据(Westdigital)、日立(Hitachi)、三星(Samsung)、迈拓（Maxtor）、东芝（Toshiba）、富士通（Fujitsu）等。,光介质存储器也是微型计算机上使用较多的存储设备。它利用光学方式读/写数据， 按光盘的读/写性能，可分为只读型与可读写型。只读光盘上的数据采用压模方法压制而成，用户只能读取上面的数据，而不能写入或修改光盘上的数据。 衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速

20、，一倍速率为150kb/s。如果在一个40倍速光驱上读取数据，数据传输速率可达到40150kb/s=6Mb/s。,光介质存储器,资料:光驱和光盘,移动存储产品,（1）移动硬盘 移动硬盘直接由台式电脑硬盘或者由笔记本电脑硬盘改装而成，这类产品性价比非常好，通常来讲可按产品的接口类型分为USB1.1、USB2.0和IEEE 1394这三种。,移动存储产品,（2）Flash存储设备 Flash Memory是一种非易失性半导体存储器，即在无电源状态仍能保持片内信息，不需要特殊的高电流就可实现片内信息的擦除和重写。其名称来源于TOSHIBA公司用Flash这个词来描述这种存储器瞬间的清除能力。 用Fl

21、ash Memory芯片构成的存储介质，被广泛地应用于数字摄像机、数码相机、MP3 播放器、数字录音机、个人数字助理和计算机等方面。,资料:优盘,3.2.4 总线与接口,总线：微处理器与各部件和外围设备共用的连接线路,总线分类,地址总线:传输地址信息 数据总线:传输数据信息 控制总线:传输控制信息,内部总线：连接CPU的各个组成部件（芯片内部） 系统总线：连接计算机中各大部件 外部总线：连接计算机和外部设备,连接对象,传输对象,并行总线:通信速度快、实时性好 串行总线:简易、方便、灵活,通信方式,总线,微处理器,微处理器、总线、存储器、接口电路和外设逻辑关系,PCI总线,PCI总线功能框图,3

22、.2.5 输入输出设备,I/O设备与处理器间的连接,数据寄存器: 用来存放主机与外设之间传送的数据 控制寄存器: 用来存放处理器发给外设的命令信息 状态寄存器: 用来保存外设及接口的状态信息,思 考 题,1微型计算机的基本结构由哪几部分构成？主机主要包括了哪些部件？ 2微型计算机的发展方向是什么？ 3系统主板主要包括了哪些部件？ 4衡量CPU性能的主要技术指标有哪些？ 5微型计算机的内部存储器按其功能特征可分为几类？各有什么区别？ 6外部存储器上的数据能否被CPU直接处理？ 7高速缓冲存储器的作用是什么？ 8常用的外存储器有哪些？各有什么特点？ 9什么是总线？按总线传输的信息特征可将总线分为哪几类？各自的功能是什么？ 10什么是接口？计算机上常见的接口有哪些？,