計算機硬件系統(tǒng)及其擴展概要課件

計算機硬件系統(tǒng)及其擴展常寶寶北京大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院chbb@計算機硬件系統(tǒng)及其擴展常寶寶1微型計算機體系結(jié)構(gòu)中央處理單元(CPU)存儲器輸入設(shè)備接口輸出設(shè)備接口主機接口卡外部設(shè)備微型計算機體系結(jié)構(gòu)中央處理單元存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備主機接口2機箱內(nèi)部圖示電源光盤驅(qū)動器軟盤驅(qū)動器硬盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)線印刷電路板結(jié)構(gòu)其實非常簡單、清晰。積木式搭建。機箱內(nèi)部圖示電源光盤驅(qū)動器軟盤驅(qū)動器硬盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)線印刷電路3芯片陶瓷載體由于集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，目前可以把數(shù)以億計的晶體管、電容、電阻、導(dǎo)線等電子元件組成的線路集成在一小片晶體硅上，用陶瓷載體封裝后，通常稱為集成電路芯片。芯片陶瓷載體由于集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，目前可以把數(shù)以億計的4中央處理器微型計算機的中央處理器通常集成在一塊芯片

上，稱為微處理器。中央處理器微型計算機的中央處理器通常集成在一塊芯片

上，稱為5主機板主機板是一塊印刷電路板，是主機箱內(nèi)的核心，微機中最核心的部件—微處理器、存儲器、接口卡等都安插在主機板上的插座和插槽內(nèi)。微機系統(tǒng)中的各種設(shè)備和其它部件最終都要連接在主機板上。主機板有時也稱作母板。主機板主機板是一塊印刷電路板，是主機箱內(nèi)的核心，微機中最核心6存儲器（2）隨機存儲器（RAM），在加電的情況下，可以隨時進行讀出和寫入。掉電后其中存儲的程序和數(shù)據(jù)將會消失。通常把若干個RAM芯片安插在一個條狀的印刷電路板上組成雙列直插式內(nèi)存模塊（簡稱內(nèi)存條），然后安插在主機板的存儲器插槽中。微機用戶可以根據(jù)需要更換內(nèi)存條和增加內(nèi)存條已達到擴充內(nèi)存的目標。（1）只讀存儲器(ROM)，是一種只能讀出不能寫入的存儲器，其中的程序和數(shù)據(jù)在廠家制造時就已經(jīng)寫入。計算機掉電后其中的信息不會消失，常用來存放重要的程序和數(shù)據(jù)，如引導(dǎo)程序。打開計算機電源，計算機運行的第一條指令位于哪里？存儲器（2）隨機存儲器（RAM），在加電的情況下，可以隨時進7高速緩沖存儲器存儲器的容量和速度對計算機系統(tǒng)的性能有很重要的影響。速度慢，微處理器需要等待存儲器。微機總體性能下降。容量小，不能運行大程序，或管理復(fù)雜而降低程序運行速度。容量大、速度快的存儲器價格非常昂貴。解決辦法，把存儲器分成兩級，第一級存儲器速度很快，但容量較小，價格昂貴。第二級存儲器速度較慢，但容量很大，價格便宜。其中第一級稱為高速緩沖存儲器，英文名稱是cache。第二級即我們一般所說的內(nèi)存儲器。在邏輯上，高速緩沖存儲器位于微處理器和內(nèi)存儲器之間。在微機運行時，高速緩沖存儲器中的內(nèi)容是內(nèi)存儲器中部分內(nèi)容的副本。微處理器讀寫程序和數(shù)據(jù)時先訪問高速緩沖存儲器，若其中沒有相應(yīng)內(nèi)容再訪問內(nèi)存儲器，同時再把相應(yīng)內(nèi)容復(fù)制到高速緩沖存儲器。高速緩沖存儲器可以分作多級，片內(nèi)cache集成在微處理器芯片中，片外cache安插在主機板上。高速緩沖存儲器存儲器的容量和速度對計算機系統(tǒng)的性能有很重要的8

輸入輸出設(shè)備和微處理器并不直接通過總線連接在一起。而是要通過I/O適配器。這是由于各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作速度、信號形式和數(shù)據(jù)格式等各不相同，因此它們不能直接掛接到總線上，必須通過I/O適配器來做中間轉(zhuǎn)換，才能實現(xiàn)與微處理器間的信息交換。I/O適配器也稱為I/O接口卡或I/O擴展卡，通常是一塊印刷電路板。I/O接口卡一端用來連接總線，另一端用來連接各種外部設(shè)備。I/O接口卡輸入輸出設(shè)備和微處理器并不直接通過總線連接在一起。而是要通9常見的I/O接口卡顯示接口卡，又稱顯示適配器或簡稱顯卡，用以連接顯示器。IDE接口卡。連接磁盤驅(qū)動器或光盤驅(qū)動器。USB接口卡，用來連接各種USB設(shè)備。網(wǎng)卡，將計算機接入局域網(wǎng)，如高速以太網(wǎng)卡。調(diào)制解調(diào)器接口卡，即MODEM卡可將計算機通過電話線接入網(wǎng)絡(luò)。 有些接口卡，每臺計算機都需要，這些接口卡就常常直接做在主機板上，隨主機板一起提供。例如IDE卡、USB接口卡等等。常見的I/O接口卡顯示接口卡，又稱顯示適配器或簡稱顯卡，用以10I/O擴展槽主機板上一般會提供幾個插槽專門用來插入各種接口卡，通常稱為I/O擴展槽。形形色色的接口卡就插在這些擴展槽里。擴展槽的多少決定著計算機的擴展能力。擴展槽按照所支持的總線標準或性能的不同可以分為：PCI擴展槽，采用較新的總線標準，64位的數(shù)據(jù)傳輸和較高的傳輸速度。PCI-E是PCI的發(fā)展，全面取代PCI和AGP，實現(xiàn)了總線標準統(tǒng)一并有更快的傳輸速度。ISA擴展槽，使用過時的總線標準，為了兼容老設(shè)備和低速設(shè)備(16位)。

AGP擴展槽，提供更快的傳輸速度，主要用于處理3維圖像。接口卡也同樣分作不同的類型，某種類型的擴展槽只能插入某種類型的接口卡。例如支持PCI接口的顯卡和支持ISA接口的顯卡。I/O擴展槽主機板上一般會提供幾個插槽專門用來插入各種接口11機箱后面板接口卡在插入擴展槽中后，其連接設(shè)備的一端會出現(xiàn)在主機箱的后面板，并提供形形色色的連接不同設(shè)備的插座，稱為擴展端口（ExpansionPort）,形形色色的設(shè)備也就是通過各種電纜連接在這些端口上。連接電源的插座一般也位于后面板上。機箱后面板接口卡在插入擴展槽中后，其連接設(shè)備的一端會出現(xiàn)12外存儲器隨機存儲器、只讀存儲器通常稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存，在計算機運行時，其中存放著正在運行的程序和處理的數(shù)據(jù)。隨機存儲器中的內(nèi)容在電源關(guān)閉后將會消失。軟盤、硬盤、磁帶以及光盤等存儲設(shè)備常用來長久保存數(shù)據(jù)，其中的數(shù)據(jù)不會隨著電源的關(guān)閉而消失。這些存儲器被稱為外存儲器，簡稱外存。存放在外存儲器上的程序和數(shù)據(jù)要得到運行和處理必須首先從外存讀入到內(nèi)存中才可以。外存儲器屬于外部設(shè)備，不屬于前面講述的存儲器。外存儲器既是輸入設(shè)備，也是輸出設(shè)備。外存儲器的類型不同，存取速度、存儲介質(zhì)、存儲容量以及存儲原理也不盡相同。外存儲器隨機存儲器、只讀存儲器通常稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存，在13硬盤存儲器硬盤存儲器通常包括硬盤驅(qū)動器和硬盤控制適配器。存儲數(shù)據(jù)的盤片和硬盤驅(qū)動器封裝在一起。因此盤片通常是不可更換的。硬盤使用磁性存儲介質(zhì)，利用圓形的鎂鋁合金盤片上的磁性材料記錄數(shù)據(jù)。硬盤中不僅只有一個盤片，而是包含多個盤片。硬盤盤片表面劃做磁道和扇區(qū)。多個盤片的同一磁道構(gòu)成“柱面”。每個記錄數(shù)據(jù)的盤片表面都有一個讀寫頭用來讀寫數(shù)據(jù)，讀寫頭可沿盤片表面經(jīng)向移動。硬盤的存儲密度大、可靠性高、速度快，目前存儲容量一般都有幾十G。硬盤存儲器硬盤存儲器通常包括硬盤驅(qū)動器和硬盤控制適配器。14硬盤存儲器什么是虛擬存儲器？多級存儲體系硬盤存儲器15光盤存儲器包括光盤驅(qū)動器、光盤和光盤控制適配器。光盤存儲器利用光作為存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)。一般有CD-ROM和DVD-ROM兩種。通常是單面存儲數(shù)據(jù)。通常光盤上存儲的數(shù)據(jù)是只讀的，因此不能利用光盤驅(qū)動器向光盤寫入數(shù)據(jù)。光盤存儲器的存儲原理：在圓形的光道上，刻上能代表“0”和“1”的一些凹坑；讀出時，用激光去照射旋轉(zhuǎn)著的光盤，從凹坑和非凹坑處得到的反射光，其強弱是不同的。根據(jù)差別區(qū)分是“0”還是“1”CD-ROM的讀寫速度一般較硬盤慢，單倍速的光盤讀出速度為150KB/S,目前光盤讀出速度已超過50倍速。對于DVD-ROM而言，單倍速的DVD光驅(qū)的讀取速度約為1350KB/s，目前DVD-ROM讀出速度已超過16倍速。在CD-ROM和DVD-ROM記錄和讀取數(shù)據(jù)的激光束的特性是不同的,但二者記錄數(shù)據(jù)原理相同。光盤存儲器包括光盤驅(qū)動器、光盤和光盤控制適配器。16光盤驅(qū)動器光盤的優(yōu)點在于存儲容量大、可靠性高、價格低廉、讀取速度較快、便于攜帶。缺點是只能讀出不能隨時寫入。單張CD-ROM存儲容量為650MB，單張DVD-ROM容量可達4.7GB。光盤可分為：(1)只讀光盤CD-ROM、DVD-ROM；(2)用戶一次可寫光盤CD-R(也稱CD-WO)、DVD-R、DVD+R；(3)用戶可擦寫光盤CD-RW、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM向光盤寫入數(shù)據(jù)使用光盤刻錄機。光盤驅(qū)動器只能讀取數(shù)據(jù)，而不能寫入數(shù)據(jù)。Combo集成光盤設(shè)備，可以讀CD-ROM、DVD-ROM，也可以寫CD-R以及CD-RW光盤驅(qū)動器光盤的優(yōu)點在于存儲容量大、可靠性高、價格低廉、讀取17鍵盤鍵盤是最為基本的輸入設(shè)備。目前通用的鍵盤大約有101到105個按鍵。鍵盤盤面可分作4個區(qū)：打字鍵盤區(qū)、功能鍵區(qū)、數(shù)字小鍵盤區(qū)、屏幕編輯以及光標移動鍵區(qū)。常用鍵的功能以及指法練習(xí).鍵盤鍵盤是最為基本的輸入設(shè)備。目前通用的鍵盤大約有101到118鼠標是一種指點(pointing)設(shè)備，可以很方便地用來在顯示器上定位。鼠標按鈕通常為兩個或三個。鼠標可進一步分為光學(xué)鼠標、機械鼠標和光學(xué)機械鼠標。移動鼠標、單擊鼠標和雙擊鼠標。鼠標是一種指點(pointing)設(shè)備，可以很方便地用來在19顯示器

最為常用的計算機輸出設(shè)備。顯示器上最基本的顯示單元一般稱作象素。顯示器分辨率是指顯示器每幀圖片中有多少個象素，包含的象素數(shù)目越多，顯示器分辨率就越高，常見的顯示分辨率有：800X600、1024X768及1280X1024。

顯示器按照原理，可分為陰極射線管顯示器和液晶顯示器。液晶顯示器正在逐漸取代陰極射線管顯示器。顯示器最為常用的計算機輸出設(shè)備。20打印機打印機也是一種常用計算機輸出設(shè)備。打印機可分做擊打式和非擊打式打印機

擊打式打印機靠機械動作實現(xiàn)印字功能打印速度慢、噪聲大但成本低。

非擊打式打印機靠電、磁或光的作用實現(xiàn)印字功能，沒有機械動作，分辨率高、噪聲小、但成本高

點陣打印機（基本上已經(jīng)淘汰）

激光打印機

噴墨打印機打印機打印機也是一種常用計算機輸出設(shè)備。21小結(jié)硬件基本概念

芯片、微處理器、主機板、擴展卡、擴展槽、RAM、ROM、高速緩存、虛擬存儲器計算機中的多級存儲體系常見外設(shè)及其基本原理

硬盤、光盤、打印機、顯示器、鍵盤、鼠標小結(jié)硬件基本概念

芯片、微處理器、主機板、擴展卡、擴展槽、R22計算機硬件系統(tǒng)及其擴展常寶寶北京大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院chbb@計算機硬件系統(tǒng)及其擴展常寶寶23微型計算機體系結(jié)構(gòu)中央處理單元(CPU)存儲器輸入設(shè)備接口輸出設(shè)備接口主機接口卡外部設(shè)備微型計算機體系結(jié)構(gòu)中央處理單元存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備主機接口24機箱內(nèi)部圖示電源光盤驅(qū)動器軟盤驅(qū)動器硬盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)線印刷電路板結(jié)構(gòu)其實非常簡單、清晰。積木式搭建。機箱內(nèi)部圖示電源光盤驅(qū)動器軟盤驅(qū)動器硬盤驅(qū)動器數(shù)據(jù)線印刷電路25芯片陶瓷載體由于集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，目前可以把數(shù)以億計的晶體管、電容、電阻、導(dǎo)線等電子元件組成的線路集成在一小片晶體硅上，用陶瓷載體封裝后，通常稱為集成電路芯片。芯片陶瓷載體由于集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，目前可以把數(shù)以億計的26中央處理器微型計算機的中央處理器通常集成在一塊芯片

上，稱為微處理器。中央處理器微型計算機的中央處理器通常集成在一塊芯片

上，稱為27主機板主機板是一塊印刷電路板，是主機箱內(nèi)的核心，微機中最核心的部件—微處理器、存儲器、接口卡等都安插在主機板上的插座和插槽內(nèi)。微機系統(tǒng)中的各種設(shè)備和其它部件最終都要連接在主機板上。主機板有時也稱作母板。主機板主機板是一塊印刷電路板，是主機箱內(nèi)的核心，微機中最核心28存儲器（2）隨機存儲器（RAM），在加電的情況下，可以隨時進行讀出和寫入。掉電后其中存儲的程序和數(shù)據(jù)將會消失。通常把若干個RAM芯片安插在一個條狀的印刷電路板上組成雙列直插式內(nèi)存模塊（簡稱內(nèi)存條），然后安插在主機板的存儲器插槽中。微機用戶可以根據(jù)需要更換內(nèi)存條和增加內(nèi)存條已達到擴充內(nèi)存的目標。（1）只讀存儲器(ROM)，是一種只能讀出不能寫入的存儲器，其中的程序和數(shù)據(jù)在廠家制造時就已經(jīng)寫入。計算機掉電后其中的信息不會消失，常用來存放重要的程序和數(shù)據(jù)，如引導(dǎo)程序。打開計算機電源，計算機運行的第一條指令位于哪里？存儲器（2）隨機存儲器（RAM），在加電的情況下，可以隨時進29高速緩沖存儲器存儲器的容量和速度對計算機系統(tǒng)的性能有很重要的影響。速度慢，微處理器需要等待存儲器。微機總體性能下降。容量小，不能運行大程序，或管理復(fù)雜而降低程序運行速度。容量大、速度快的存儲器價格非常昂貴。解決辦法，把存儲器分成兩級，第一級存儲器速度很快，但容量較小，價格昂貴。第二級存儲器速度較慢，但容量很大，價格便宜。其中第一級稱為高速緩沖存儲器，英文名稱是cache。第二級即我們一般所說的內(nèi)存儲器。在邏輯上，高速緩沖存儲器位于微處理器和內(nèi)存儲器之間。在微機運行時，高速緩沖存儲器中的內(nèi)容是內(nèi)存儲器中部分內(nèi)容的副本。微處理器讀寫程序和數(shù)據(jù)時先訪問高速緩沖存儲器，若其中沒有相應(yīng)內(nèi)容再訪問內(nèi)存儲器，同時再把相應(yīng)內(nèi)容復(fù)制到高速緩沖存儲器。高速緩沖存儲器可以分作多級，片內(nèi)cache集成在微處理器芯片中，片外cache安插在主機板上。高速緩沖存儲器存儲器的容量和速度對計算機系統(tǒng)的性能有很重要的30

輸入輸出設(shè)備和微處理器并不直接通過總線連接在一起。而是要通過I/O適配器。這是由于各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作速度、信號形式和數(shù)據(jù)格式等各不相同，因此它們不能直接掛接到總線上，必須通過I/O適配器來做中間轉(zhuǎn)換，才能實現(xiàn)與微處理器間的信息交換。I/O適配器也稱為I/O接口卡或I/O擴展卡，通常是一塊印刷電路板。I/O接口卡一端用來連接總線，另一端用來連接各種外部設(shè)備。I/O接口卡輸入輸出設(shè)備和微處理器并不直接通過總線連接在一起。而是要通31常見的I/O接口卡顯示接口卡，又稱顯示適配器或簡稱顯卡，用以連接顯示器。IDE接口卡。連接磁盤驅(qū)動器或光盤驅(qū)動器。USB接口卡，用來連接各種USB設(shè)備。網(wǎng)卡，將計算機接入局域網(wǎng)，如高速以太網(wǎng)卡。調(diào)制解調(diào)器接口卡，即MODEM卡可將計算機通過電話線接入網(wǎng)絡(luò)。 有些接口卡，每臺計算機都需要，這些接口卡就常常直接做在主機板上，隨主機板一起提供。例如IDE卡、USB接口卡等等。常見的I/O接口卡顯示接口卡，又稱顯示適配器或簡稱顯卡，用以32I/O擴展槽主機板上一般會提供幾個插槽專門用來插入各種接口卡，通常稱為I/O擴展槽。形形色色的接口卡就插在這些擴展槽里。擴展槽的多少決定著計算機的擴展能力。擴展槽按照所支持的總線標準或性能的不同可以分為：PCI擴展槽，采用較新的總線標準，64位的數(shù)據(jù)傳輸和較高的傳輸速度。PCI-E是PCI的發(fā)展，全面取代PCI和AGP，實現(xiàn)了總線標準統(tǒng)一并有更快的傳輸速度。ISA擴展槽，使用過時的總線標準，為了兼容老設(shè)備和低速設(shè)備(16位)。

AGP擴展槽，提供更快的傳輸速度，主要用于處理3維圖像。接口卡也同樣分作不同的類型，某種類型的擴展槽只能插入某種類型的接口卡。例如支持PCI接口的顯卡和支持ISA接口的顯卡。I/O擴展槽主機板上一般會提供幾個插槽專門用來插入各種接口33機箱后面板接口卡在插入擴展槽中后，其連接設(shè)備的一端會出現(xiàn)在主機箱的后面板，并提供形形色色的連接不同設(shè)備的插座，稱為擴展端口（ExpansionPort）,形形色色的設(shè)備也就是通過各種電纜連接在這些端口上。連接電源的插座一般也位于后面板上。機箱后面板接口卡在插入擴展槽中后，其連接設(shè)備的一端會出現(xiàn)34外存儲器隨機存儲器、只讀存儲器通常稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存，在計算機運行時，其中存放著正在運行的程序和處理的數(shù)據(jù)。隨機存儲器中的內(nèi)容在電源關(guān)閉后將會消失。軟盤、硬盤、磁帶以及光盤等存儲設(shè)備常用來長久保存數(shù)據(jù)，其中的數(shù)據(jù)不會隨著電源的關(guān)閉而消失。這些存儲器被稱為外存儲器，簡稱外存。存放在外存儲器上的程序和數(shù)據(jù)要得到運行和處理必須首先從外存讀入到內(nèi)存中才可以。外存儲器屬于外部設(shè)備，不屬于前面講述的存儲器。外存儲器既是輸入設(shè)備，也是輸出設(shè)備。外存儲器的類型不同，存取速度、存儲介質(zhì)、存儲容量以及存儲原理也不盡相同。外存儲器隨機存儲器、只讀存儲器通常稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存，在35硬盤存儲器硬盤存儲器通常包括硬盤驅(qū)動器和硬盤控制適配器。存儲數(shù)據(jù)的盤片和硬盤驅(qū)動器封裝在一起。因此盤片通常是不可更換的。硬盤使用磁性存儲介質(zhì)，利用圓形的鎂鋁合金盤片上的磁性材料記錄數(shù)據(jù)。硬盤中不僅只有一個盤片，而是包含多個盤片。硬盤盤片表面劃做磁道和扇區(qū)。多個盤片的同一磁道構(gòu)成“柱面”。每個記錄數(shù)據(jù)的盤片表面都有一個讀寫頭用來讀寫數(shù)據(jù)，讀寫頭可沿盤片表面經(jīng)向移動。硬盤的存儲密度大、可靠性高、速度快，目前存儲容量一般都有幾十G。硬盤存儲器硬盤存儲器通常包括硬盤驅(qū)動器和硬盤控制適配器。36硬盤存儲器什么是虛擬存儲器？多級存儲體系硬盤存儲器37光盤存儲器包括光盤驅(qū)動器、光盤和光盤控制適配器。光盤存儲器利用光作為存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)。一般有CD-ROM和DVD-ROM兩種。通常是單面存儲數(shù)據(jù)。通常光盤上存儲的數(shù)據(jù)是只讀的，因此不能利用光盤驅(qū)動器向光盤寫入數(shù)據(jù)。光盤存儲器的存儲原理：在圓形的光道上，刻上能代表“0”和“1”的一些凹坑；讀出時，用激光去照射旋轉(zhuǎn)著的光盤，從凹坑和非凹坑處得到的反射光，其強弱是不同的。根據(jù)差別區(qū)分是“0”還是“1”CD-ROM的讀寫速度一般較硬盤慢，單倍速的光盤讀出速度為150KB/S,目前光盤讀出速度已超過50倍速。對于DVD-ROM而言，單倍速的DVD光驅(qū)的讀取速度約為1350KB/s，目前DVD-ROM讀出速度已超過16倍速。在CD-ROM和DVD-ROM記錄和讀取數(shù)據(jù)的激光束的特性是不同的,但二者記錄數(shù)據(jù)原理相同。光盤存儲器包括光盤驅(qū)動器、光盤和光盤控制適配器。38光盤驅(qū)動器光盤的優(yōu)點在于存儲容量大、可靠性高、價格低廉、讀取速度較快、便于攜帶。缺點是只能讀出不能隨時寫入。單張CD-ROM存儲容量為650MB，單張DVD-ROM容量可達4.7GB。光盤可分為：(1)只讀光盤CD-ROM、DVD-ROM；(2)用戶一次可寫光盤CD-R(也稱CD-WO)、DVD-R、DVD+R；(3)用戶可擦寫光盤CD-RW、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM向光盤寫入數(shù)據(jù)使用光盤刻錄機