計(jì)算機(jī)文化第3章 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

1、科學(xué)出版社科學(xué)出版社計(jì)算機(jī)導(dǎo)論計(jì)算機(jī)導(dǎo)論第第3 3章章 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)掌握馮掌握馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)及其主要特點(diǎn)；諾依曼體系結(jié)構(gòu)及其主要特點(diǎn)；了解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展思路與改進(jìn)辦法；了解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展思路與改進(jìn)辦法；掌握計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；掌握計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；掌握微型計(jì)算機(jī)的硬件組成；掌握微型計(jì)算機(jī)的硬件組成；了解微型計(jì)算機(jī)的技術(shù)指標(biāo)和性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；了解微型計(jì)算機(jī)的技術(shù)指標(biāo)和性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)主要內(nèi)容主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1第第3 3章章 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成2計(jì)算機(jī)硬

2、件的性能評價(jià)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科簡介計(jì)算機(jī)硬件的性能評價(jià)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科簡介33.1 3.1 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)諾依曼體系結(jié)構(gòu)1946年，美國數(shù)學(xué)家約翰年，美國數(shù)學(xué)家約翰馮馮諾依曼發(fā)表了論文諾依曼發(fā)表了論文電子計(jì)算裝置邏輯設(shè)計(jì)的初步討電子計(jì)算裝置邏輯設(shè)計(jì)的初步討論論，在文中深入細(xì)致地闡述了存儲程序的原理，描述了一套完整的計(jì)算機(jī)體系結(jié)，在文中深入細(xì)致地闡述了存儲程序的原理，描述了一套完整的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。人們把馮構(gòu)。人們把馮諾依曼的這個(gè)理論稱為馮諾依曼的這個(gè)理論稱為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)。諾依曼體系結(jié)構(gòu)。輸入設(shè)備運(yùn)算器（ALU）控制器存儲器輸出設(shè)備數(shù)據(jù)流

3、控制流圖圖3.1 馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)圖諾依曼體系結(jié)構(gòu)圖3.1 3.1 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮馮諾依曼型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：諾依曼型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：（1）采用二進(jìn)制形式表示程序和數(shù)據(jù)；）采用二進(jìn)制形式表示程序和數(shù)據(jù)；（2）程序存儲方式；）程序存儲方式；（3）由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成；）由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大基本部件組成； （4）控制器根據(jù)存放在存儲器中的指令序列）控制器根據(jù)存放在存儲器中的指令序列(程序程序)來工作來工作 ；馮馮諾依曼提出的計(jì)算機(jī)諾依曼提出的計(jì)算機(jī)

4、“存儲程序存儲程序”工作原理決定了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)必須工作原理決定了計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)必須由五大部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。由五大部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。3.1 3.1 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)指的是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要部件的總體布局、部件的主要性能以及計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)指的是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要部件的總體布局、部件的主要性能以及這些部件之間的連接方式。這些部件之間的連接方式。馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的核心即為諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的核心即為“存儲程序存儲程序”的思想，的思想， 存儲存

5、儲程序計(jì)算機(jī)在體系程序計(jì)算機(jī)在體系結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)如下：結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)如下：（1） 機(jī)器以運(yùn)算器為中心。機(jī)器以運(yùn)算器為中心。 （2） 采用存儲程序原理。采用存儲程序原理。 （3） 存儲器是按地址訪問的、線性編址的空間。存儲器是按地址訪問的、線性編址的空間。 （4） 控制流由指令流產(chǎn)生?？刂屏饔芍噶盍鳟a(chǎn)生。 （5） 指令由操作碼和地址碼組成。指令由操作碼和地址碼組成。 （6） 數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。 3.1 3.1 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的核心即為諾依曼結(jié)

6、構(gòu)計(jì)算機(jī)的核心即為“存儲程序存儲程序”的思想，的思想， 存儲存儲程序計(jì)算機(jī)在體系程序計(jì)算機(jī)在體系結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)如下：結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)如下：（1） 分布的分布的I/O處理能力處理能力（2） 保護(hù)的保護(hù)的存儲存儲器空間器空間 （3） 存儲器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展存儲器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展 （4） 并行處理技術(shù)并行處理技術(shù) （5） 指令集的發(fā)展指令集的發(fā)展 3.3.2 2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成從工作原理的角度，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和從工作原理的角度，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備輸出設(shè)備5部分組成。部分組成。從外觀的角度，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬

7、件主要由監(jiān)視器（顯示器）、系統(tǒng)單元（主從外觀的角度，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件主要由監(jiān)視器（顯示器）、系統(tǒng)單元（主機(jī)）、鼠標(biāo)、揚(yáng)聲器、打印機(jī)、鍵盤等部分組成，如圖機(jī)）、鼠標(biāo)、揚(yáng)聲器、打印機(jī)、鍵盤等部分組成，如圖3.2所示。所示。 圖圖3.2 微型計(jì)算機(jī)硬件組成微型計(jì)算機(jī)硬件組成3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成系統(tǒng)單元系統(tǒng)單元系統(tǒng)單元也稱為主機(jī)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，包括主板、系統(tǒng)單元也稱為主機(jī)，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心，包括主板、CPU、內(nèi)存、硬、內(nèi)存、硬盤、軟盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、各種接口卡（適配卡）、電源等。盤、軟盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、各種接口卡（適配卡）、電源等。圖圖3.4 硬件組

8、成結(jié)構(gòu)圖硬件組成結(jié)構(gòu)圖3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成系統(tǒng)單元系統(tǒng)單元主板是電腦中各種設(shè)備的連接載體。它提供了主板是電腦中各種設(shè)備的連接載體。它提供了CPU、各種接口卡、內(nèi)存條、各種接口卡、內(nèi)存條和硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)的插槽，其它的外部設(shè)備也會通過主板上的和硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)的插槽，其它的外部設(shè)備也會通過主板上的I/O接口連接口連接到計(jì)算機(jī)上。接到計(jì)算機(jī)上。圖圖3.4 硬件組成結(jié)構(gòu)圖硬件組成結(jié)構(gòu)圖圖圖3.5 主板主板3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成系統(tǒng)單元系統(tǒng)單元中央處理器（中央處理器（Central Processing Unit，CPU）是一臺計(jì)算

9、機(jī)的運(yùn)算核心）是一臺計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。和控制核心。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。圖圖3.6 CPU3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成系統(tǒng)單元系統(tǒng)單元計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲器是將多個(gè)存儲器芯片并列焊接在一塊長方形的電路板上，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲器是將多個(gè)存儲器芯片并列焊接在一塊長方形的電路板上，構(gòu)成內(nèi)存組，一般稱之為內(nèi)存條，通過主板的內(nèi)存插槽接入系統(tǒng)。構(gòu)成內(nèi)存組，一般稱之為內(nèi)存條，通過主板的內(nèi)存插槽接入系統(tǒng)。圖圖3.7 內(nèi)存條內(nèi)存條3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成輸入輸入/輸出

10、設(shè)備輸出設(shè)備 輸入輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，文字、聲音、圖像等媒體信息輸入輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，文字、聲音、圖像等媒體信息通過輸入設(shè)備進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過加工、處理后，由輸出設(shè)備輸出到屏通過輸入設(shè)備進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過加工、處理后，由輸出設(shè)備輸出到屏幕或紙張、磁盤、光盤等介質(zhì)中保存。幕或紙張、磁盤、光盤等介質(zhì)中保存。輸入設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、手寫板、掃描儀、光電閱讀機(jī)、磁盤或光盤等輸入設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、手寫板、掃描儀、光電閱讀機(jī)、磁盤或光盤等。輸出設(shè)備包括顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、揚(yáng)聲器、磁盤或光盤等。輸出設(shè)備包括顯示器、打印機(jī)、繪圖儀、揚(yáng)聲器、磁盤或光盤等。3.2

11、3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備 輸入設(shè)備是向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備。輸入設(shè)備是向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備。圖圖3.8 機(jī)械式鍵盤機(jī)械式鍵盤 圖圖3.9 薄膜式鍵盤薄膜式鍵盤圖圖3.10 無線傳輸鍵盤無線傳輸鍵盤 圖圖3.11 游戲桿游戲桿圖圖3.12 數(shù)據(jù)手套數(shù)據(jù)手套圖圖3.13 光筆光筆3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備 輸入設(shè)備是向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備。輸入設(shè)備是向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備。圖圖3.14 條形碼閱讀器條形碼閱讀器圖圖3.15 磁墨水字符識別設(shè)備磁墨水字符識別設(shè)備圖圖3.

12、16 光學(xué)標(biāo)記識別設(shè)備光學(xué)標(biāo)記識別設(shè)備3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備 輸出設(shè)備（輸出設(shè)備（Output Device）是計(jì)算機(jī)的終端設(shè)備，用于接收計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的）是計(jì)算機(jī)的終端設(shè)備，用于接收計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的輸出顯示、打印、聲音、控制外圍設(shè)備操作等。輸出顯示、打印、聲音、控制外圍設(shè)備操作等。圖圖3.17 CRT顯示器顯示器圖圖3.19 LED顯示器顯示器圖圖3.19 LCD顯示器顯示器3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備 輸出設(shè)備（輸出設(shè)備（Output Device）是計(jì)算機(jī)的終端設(shè)備，用于接收計(jì)算機(jī)數(shù)

13、據(jù)的）是計(jì)算機(jī)的終端設(shè)備，用于接收計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的輸出顯示、打印、聲音、控制外圍設(shè)備操作等。輸出顯示、打印、聲音、控制外圍設(shè)備操作等。圖圖3.20 3D顯示器顯示器圖圖3.21 繪圖儀繪圖儀3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成輔助存儲設(shè)備輔助存儲設(shè)備輔助存儲器在輔助存儲器在CPU外部保存永久信息。輔助存儲器的特點(diǎn)是容量大、成本外部保存永久信息。輔助存儲器的特點(diǎn)是容量大、成本低、通常在斷電后仍能保存信息，是低、通常在斷電后仍能保存信息，是“非易失性非易失性”存儲器。常用的輔助存儲存儲器。常用的輔助存儲器有軟盤、硬盤、光盤以及磁帶等。器有軟盤、硬盤、光盤以及磁帶等。軟盤（軟盤（Fl

14、oppy Disk，F(xiàn)D）是）是個(gè)人電腦個(gè)人電腦設(shè)備中，最早使用的可移動存儲媒設(shè)備中，最早使用的可移動存儲媒體。體。 圖圖3.22 軟盤軟盤3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成輔助存儲設(shè)備輔助存儲設(shè)備輔助存儲器在輔助存儲器在CPU外部保存永久信息。輔助存儲器的特點(diǎn)是容量大、成本外部保存永久信息。輔助存儲器的特點(diǎn)是容量大、成本低、通常在斷電后仍能保存信息，是低、通常在斷電后仍能保存信息，是“非易失性非易失性”存儲器。常用的輔助存儲存儲器。常用的輔助存儲器有軟盤、硬盤、光盤以及磁帶等。器有軟盤、硬盤、光盤以及磁帶等。硬盤（硬盤（Hard Disk Drive，HDD）是）是電腦

15、電腦上使用堅(jiān)硬的旋轉(zhuǎn)盤片為基礎(chǔ)的上使用堅(jiān)硬的旋轉(zhuǎn)盤片為基礎(chǔ)的非易失性非易失性存儲設(shè)備存儲設(shè)備 。圖圖3.22 硬盤硬盤3.2 3.2 微型計(jì)算機(jī)的硬件組成微型計(jì)算機(jī)的硬件組成輔助存儲設(shè)備輔助存儲設(shè)備光存儲器簡稱光盤，是近年來頗受重視的一種外存設(shè)備，更是多媒體計(jì)算光存儲器簡稱光盤，是近年來頗受重視的一種外存設(shè)備，更是多媒體計(jì)算機(jī)不可缺少的設(shè)備。光盤采用聚焦激光束在盤式介質(zhì)上非接觸地記錄高密機(jī)不可缺少的設(shè)備。光盤采用聚焦激光束在盤式介質(zhì)上非接觸地記錄高密度信息，以介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)度信息，以介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)(如反射率、偏振方向如反射率、偏振方向)的變化來表示所存的變化來表示所存儲信息的儲信息的“

16、1”或或“0”。閃存（閃存（Flash Memory）是一種長壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保）是一種長壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲的數(shù)據(jù)信息）的持所存儲的數(shù)據(jù)信息）的存儲器存儲器， U盤是閃存的一種，也叫閃盤、優(yōu)盤，盤是閃存的一種，也叫閃盤、優(yōu)盤，最大的特點(diǎn)就是：小巧、存儲容量大、價(jià)格便宜，是移動存儲設(shè)備之一。最大的特點(diǎn)就是：小巧、存儲容量大、價(jià)格便宜，是移動存儲設(shè)備之一。 磁帶（磁帶（Magnetic tape）是一種非揮發(fā)性的）是一種非揮發(fā)性的存儲存儲媒體媒體，由帶有可，由帶有可磁化磁化覆料覆料的的塑料塑料帶狀物組成。由于磁帶是循序存取的裝置，特別是一次讀寫大量帶狀物組成

17、。由于磁帶是循序存取的裝置，特別是一次讀寫大量資料的狀況，因此磁帶是一種傳統(tǒng)的存儲和備份方式。資料的狀況，因此磁帶是一種傳統(tǒng)的存儲和備份方式。3.3 3.3 計(jì)算機(jī)硬件的性能評價(jià)計(jì)算機(jī)硬件的性能評價(jià)計(jì)算機(jī)功能的強(qiáng)弱或性能的好壞，不是由某項(xiàng)指標(biāo)決定的，而是由它的系計(jì)算機(jī)功能的強(qiáng)弱或性能的好壞，不是由某項(xiàng)指標(biāo)決定的，而是由它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、硬件組成、軟件配置等多方面的因素綜合決定的?？偨y(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、硬件組成、軟件配置等多方面的因素綜合決定的?？傮w來說，可以從以下幾個(gè)方面來考慮。體來說，可以從以下幾個(gè)方面來考慮。1運(yùn)算速度運(yùn)算速度2字長字長3內(nèi)存儲器的容量內(nèi)存儲器的容量4外存儲器的容量外存儲器的容量5存取周期存取周期6系統(tǒng)的兼容性系統(tǒng)的兼容性7系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性8外設(shè)配置外設(shè)配置9軟件配置軟件配置10性能價(jià)格