第2章 計算機硬件基礎

第2章 計算機硬件基礎曲阜師范大學計算機科學學院2/26/20241曲阜師范大學計算機科學學院內容摘要本章以微型計算機為例介紹計算機硬件系統(tǒng)的基本結構及工作原理；介紹了主板的結構、微處理器的構成、主存儲器的分類、輸入輸出原理；擴展槽、適配卡、系統(tǒng)總線和端口的分類；輸入設備、輸出設備、輔助存儲器的種類及基本工作原理。

2/26/20242曲阜師范大學計算機科學學院學習目標掌握計算機系統(tǒng)的基本結構和基本工作原理，了解微處理器、存儲系統(tǒng)、主板、總線和接口的相關常識，了解各種輸入輸出設備和功能。

2/26/20243曲阜師范大學計算機科學學院主要內容2.1 計算機系統(tǒng)的組成與工作原理2.2 微處理器2.3 存儲系統(tǒng)2.4 主板、總線與接口2.5 輸入/輸出設備2/26/20244曲阜師范大學計算機科學學院2.1 計算機系統(tǒng)的組成與工作原理計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主機I/O子系統(tǒng)中央處理器內存儲器運算器控制器標準接口接口控制器I/O接口外部設備操作系統(tǒng)語言處理程序服務支持程序數(shù)據(jù)庫管理程序系統(tǒng)軟件應用軟件應用軟件包用戶應用軟件在計算機系統(tǒng)中，對于軟件和硬件的功能沒有一個明確的分界線。軟件實現(xiàn)的功能可以用硬件來實現(xiàn)，稱為硬化或固化。反之，硬件實現(xiàn)的功能也可以用軟件來實現(xiàn)，成為硬件軟化。2/26/20245曲阜師范大學計算機科學學院主要內容2.1.1 計算機系統(tǒng)的基本結構2.1.2 計算機系統(tǒng)的工作原理2.1.3 計算機體系結構2.1.4 計算機中數(shù)據(jù)的表示2/26/20246曲阜師范大學計算機科學學院2.1.1 計算機系統(tǒng)的基本結構微型計算機是大規(guī)模集成電路發(fā)展的產物，是以中央處理器為核心，配以存儲器、I/O接口電路及系統(tǒng)總線所組成的計算機。微型計算機具有結構簡單、通用性強、可靠性高、體積小、質量輕、耗電省、價格便宜等特點。2/26/20247曲阜師范大學計算機科學學院馮?諾依曼計算機結構輔助存儲器內存儲器運算器控制器輸入設備輸出設備

程序原始數(shù)據(jù)運算結果控制信息數(shù)據(jù)2/26/20248曲阜師范大學計算機科學學院中央處理器（CPU）運算器：對二進制數(shù)進行運算的部件。它在控制器的控制下執(zhí)行程序中的指令,完成各種算術運算、邏輯運算、比較運算、移位運算以及字符運算等。運算器的組成：運算器包括算術邏輯單元（ALU）、累加器、標志寄存器、寄存器組等。算術邏輯單元是運算器的主要部件，完成指令系統(tǒng)所規(guī)定的各種算術運算和邏輯運算。標志寄存器也稱程序狀態(tài)字寄存器，存放反映運算結果的各種特征，如有無進位，是否溢出等。寄存器組包括通用寄存器組和專用寄存器組，前者為CPU內部的高速數(shù)據(jù)暫存器，后者包括程序計數(shù)器、堆棧指示器、變址寄存器等。2/26/20249曲阜師范大學計算機科學學院中央處理器控制器：是指揮計算機的各個部件按照指令的功能要求協(xié)調工作的部件?？刂破鞯慕M成：程序計數(shù)器（PC）：用來對程序中的指令進行計數(shù)，使控制器能依次讀取指令；指令寄存器（IR）：在指令執(zhí)行期間暫時保存正在執(zhí)行的指令。指令譯碼器（ID）：用來識別指令的功能，分析指令的操作要求。時序控制電路：用來生成時序信號，以協(xié)調在指令執(zhí)行周期內各部件的工作。微操作控制電路：用來產生各種控制操作命令。2/26/202410曲阜師范大學計算機科學學院存儲器（1）存儲器：用來存儲數(shù)據(jù)和程序的部件。存儲單位：“位”（bit）、“字節(jié)”（byte）、“字”和“字長”存儲容量：存儲器所包含的存儲單元的總數(shù)，其單位為K（1K＝210＝1024）、M、G、T等。存儲器的分類：內存儲器：又稱為主存儲器，簡稱為內存或主存，用來存放現(xiàn)行程序的指令和數(shù)據(jù)。包括隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）等。外存儲器：又稱為輔助存儲器，簡稱為外存或輔存，用來存放需要長期保存的信息。2/26/202411曲阜師范大學計算機科學學院存儲器內存是CPU可直接訪問的存儲器，是計算機中的工作存儲器，即當前正在運行的程序與數(shù)據(jù)都必須存放在內存中。計算機工作時，所執(zhí)行的指令及操作數(shù)都是從內存中取出的，處理的結果也放在內存中。外存儲器一般用來存儲需要長期保存的各種程序和數(shù)據(jù)。它不能被CPU直接訪問，必須先調入內存才能被CPU利用。

2/26/202412曲阜師范大學計算機科學學院輸入/輸出設備輸入/輸出設備：簡稱為I/O設備，是外部與計算機交換信息的渠道。2/26/202413曲阜師范大學計算機科學學院輸入設備

輸入設備的主要功能是把原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序轉換為計算機能夠識別的二進制代碼，通過輸入接口輸入到計算機的存儲器中，供CPU調用和處理。常用的輸入設備有：鼠標、鍵盤、掃描儀、數(shù)字化儀、數(shù)碼攝像機、條形碼閱讀器、數(shù)碼相機、A/D轉換器等。2/26/202414曲阜師范大學計算機科學學院輸出設備

輸出設備是指從計算機中輸出信息的設備。它的功能是將計算機處理的數(shù)據(jù)、計算結果等內部信息，轉換成人們習慣接受的信息形式（如字符、圖形、聲音等），然后將其輸出。 最常用的輸出設備是顯示器和打印機，還有繪圖儀、各種數(shù)模轉換器（D/A）等。2/26/202415曲阜師范大學計算機科學學院主板 主機由中央處理器和內存儲器組成，用來執(zhí)行程序、處理數(shù)據(jù)，主機芯片都安裝在一塊電路板上，這塊電路板稱為主機板（主板）。為了與外圍設備連接，在主機板上還安裝有若干個接口插槽，可以在這些插槽上插入與不同外圍設備連接的接口卡。主板是微型計算機系統(tǒng)的主體和控制中心，它幾乎集合了全部系統(tǒng)的功能，控制著各部分之間的指令流和數(shù)據(jù)流。

2/26/202416曲阜師范大學計算機科學學院計算機系統(tǒng)的總線結構2/26/202417曲阜師范大學計算機科學學院總線總線(BUS)：計算機中傳輸信息的公共通路?？偩€寬度：一次能夠在總線上同時傳輸信息的二進制位數(shù)。CPU是由若干基本部件組成的，這些部件之間的總線被稱為內部總線；而連接系統(tǒng)其它各部件間的總線稱為外部總線，也稱為系統(tǒng)總線。按照總線上傳輸信息的不同，總線可以分為數(shù)據(jù)總線(DB)，地址總線(AB)和控制總線(CB)三種。

2/26/202418曲阜師范大學計算機科學學院接口不同的外圍設備與主機相連都必須根據(jù)不同的電氣、機械標準，采用不同的接口來實現(xiàn)。串行接口：按機器字的二進制位，逐位傳輸信息，傳送速度較慢，但準確率高；并行接口：一次可以同時傳送若干個二進制位的信息，傳送速度比串行接口快。2/26/202419曲阜師范大學計算機科學學院2.1.2 計算機系統(tǒng)的工作原理計算機的指令系統(tǒng)計算機的工作過程2/26/202420曲阜師范大學計算機科學學院計算機的指令系統(tǒng)指令：能被計算機識別并執(zhí)行的二進制代碼，它規(guī)定了計算機能完成的某一種操作。指令系統(tǒng)：一臺計算機能執(zhí)行的所有指令的集合。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結構，而且直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍。系列計算機:指基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結構相同的一系列計算機。系列機解決了各機種的軟件兼容問題。但新機型運行的軟件在舊機型上不一定總能運行。

2/26/202421曲阜師范大學計算機科學學院計算機的指令系統(tǒng)基于使用復雜指令集CPU的計算機被稱為復雜指令集計算機（ComplexInstructionSetComputer，簡稱CISC）;基于使用精簡指令集CPU的計算機被稱為精簡指令集計算機（ReducedInstructionSetComputer，簡稱RISC）。2/26/202422曲阜師范大學計算機科學學院計算機的指令系統(tǒng)CISC以VAX-11/780為代表，20世紀70年代后的各種微機如我們用的Intel80x86均是這種風格的計算機，特點是：指令系統(tǒng)復雜，絕大多數(shù)指令需要多個機器周期方可執(zhí)行完畢。RISC只有一個數(shù)量有限的指令集，但是這些指令的執(zhí)行速度很快。因此，在理論上，RISC計算機要比CISC計算機快。RISC與CISC技術兩者的主要區(qū)別在于設計思想上的差別，RISC的設計思想是：將那些不是最頻繁使用的功能（指令）由軟件來加以實現(xiàn)，這樣就可以優(yōu)化硬件，并可使其執(zhí)行得更快。2/26/202423曲阜師范大學計算機科學學院計算機的指令系統(tǒng)指令的格式：一條指令由操作碼和地址碼組成。操作碼規(guī)定了該指令進行的操作種類，不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計算機指令系統(tǒng)的規(guī)模。地址碼指明操作對象的內容或所在的單元地址。操作碼地址碼圖2.3機器指令

2/26/202424曲阜師范大學計算機科學學院計算機的工作過程計算機的工作過程實際上是快速地執(zhí)行指令的過程。指令的執(zhí)行過程分為以下4個步驟：①

取指令：根據(jù)指令計數(shù)器中的地址從內存儲器中取出指令，并將指令送入指令寄存器。②

分析指令：即對指令寄存器中存放的指令進行分析，由操作碼確定執(zhí)行什么操作，由地址碼確定操作數(shù)的地址。2/26/202425曲阜師范大學計算機科學學院計算機的工作過程③執(zhí)行指令：根據(jù)指令分析結果，由操作控制部件發(fā)出完成操作所需要的一系列控制電位，指揮計算機有關部件完成這一操作。④

指令完成：指令計數(shù)器加1，為執(zhí)行下一條指令做好準備。如果遇到轉移指令，則將轉移地址送入指令計數(shù)器。。

2/26/202426曲阜師范大學計算機科學學院計算機的工作過程指令周期是取出并執(zhí)行一條指令的時間，指令周期常常用若干個CPU周期數(shù)來表示。CPU周期也稱為機器周期，通常用內存中讀取一個指令字的最短時間來規(guī)定CPU周期。一個CPU周期時間又包含有若干個時鐘周期。2/26/202427曲阜師范大學計算機科學學院2.1.3 計算機體系結構現(xiàn)代計算機都遵循馮·諾依曼體系結構。馮·諾依曼計算機在體系結構上的主要特點包括以下三點:計算機硬件包括五個基本部分：運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備。機器以運算器為中心，所有的部件都由控制器集中控制。

采用二進制形式表示指令和數(shù)據(jù);2/26/202428曲阜師范大學計算機科學學院2.1.3 計算機體系結構采用存儲程序工作方式。此為馮·諾依曼思想的核心內容。所謂存儲程序原理，就是把程序和處理問題所需的數(shù)據(jù)都以二進制編碼形式預先按一定順序存放到計算機存儲器里。計算機在運行程序時就能自動、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令且執(zhí)行，直到完成預定的任務。這是計算機能高速自動運行的基礎。2/26/202429曲阜師范大學計算機科學學院2.1.3計算機體系結構常用的計算機體系結構的評測方法

:(1)MIPS:它表示每秒百萬條指令數(shù)，即一秒鐘內計算機能執(zhí)行多少百萬條指令。(2)MFLOPS:它表示每秒百萬次浮點操作次數(shù)，即一秒鐘內計算機能進行多少百萬次浮點操作。

(3)基準程序

(4)綜合基準測試程序

2/26/202430曲阜師范大學計算機科學學院2.1.3計算機體系結構(5)響應時間(6)吞吐量:計算機在單位時間內所能完成的工作量。(7)時鐘頻率(主頻)2/26/202431曲阜師范大學計算機科學學院2.1.4 計算機中數(shù)據(jù)的表示進制及進制間的轉換碼制常用字符編碼2/26/202432曲阜師范大學計算機科學學院進制及進制間的轉換數(shù)制：按進位的原則進行計數(shù)稱為進位計數(shù)制，簡稱數(shù)制。十進制：是使用數(shù)字1、2、…

、9、0等符號來表示數(shù)值且采用“逢十進一”的進位計數(shù)制。位權表示法數(shù)制的特點： 數(shù)字的總個數(shù)等于基數(shù)。最大的數(shù)字比基數(shù)小1。每個數(shù)字都要乘以基數(shù)的冪次，該冪次由每個數(shù)字所在的位置決定。任何一個N進制數(shù)A可表示為：A＝AnAn－1

…A1A0.A－1A－2

…A－m

n＝∑Ai×Nii=-m2/26/202433曲阜師范大學計算機科學學院二進制二進制：使用數(shù)字0和1等符號來表示數(shù)值且采用“逢二進一”的進位計數(shù)制。二進制數(shù)制的特點：僅使用0和1兩個數(shù)字。最大的數(shù)字為1，最小的數(shù)字為0。每個數(shù)字都要乘以基數(shù)2的冪次，該冪次由每個數(shù)字所在的位置決定。二進制加法和乘法運算規(guī)則：

0＋0＝0 0×0＝0 0＋1＝1 0×1＝0 1＋0＝1 1×0＝0 1＋1＝1 1×1＝12/26/202434曲阜師范大學計算機科學學院八進制與十六進制八進制：使用數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7等符號來表示數(shù)值的，且采用“逢八進一”的進位計數(shù)制。十六進制：使用數(shù)字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9和A、B、C、D、E、F等符號來表示數(shù)值，其中A、B、C、D、E、F分別表示數(shù)值10、11、12、13、14、15。十六進制的計數(shù)方法為“逢十六進一”。2/26/202435曲阜師范大學計算機科學學院十進制整數(shù)轉換為非十進制整數(shù)除基取余法：“除基取余，先余為低（位），后余為高（位）”?！祭?-1〗（55）10＝（110111）2

余數(shù)

2551 2271 2131 260 231 211 02/26/202436曲阜師范大學計算機科學學院十進制小數(shù)轉換為非十進制小數(shù)乘基取整法:“乘基取整，先整為高(位),后整為低(位)”〖例2-2〗（0.625）10＝（0.101）2

0.625整數(shù)

×2 1.251 0.25 ×2 0.5

0 ×2 1.0 12/26/202437曲阜師范大學計算機科學學院十進制數(shù)轉換為非十進制數(shù)十進制小數(shù)并不是都能夠用有限位的其他進制數(shù)精確地表示,這時應根據(jù)精度要求轉換到一定的位數(shù)為止，作為其近似值。如果一個十進制數(shù)既有整數(shù)部分，又有小數(shù)部分，則應將整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行轉換。2/26/202438曲阜師范大學計算機科學學院非十進制數(shù)轉換為十進制數(shù)位權法：把各非十進制數(shù)按權展開，然后 求和?！祭?-3〗（10110）2＝1×24＋0×23＋1×22＋1×21＋0×20

＝16＋0＋4＋2＋0＝（22）10〖例2-4〗（10101.1011）2＝1×24＋0×23＋1×22＋0×21＋1×20

＋1×2-1+0×2

－2＋1×2－3

＝16＋0＋4＋0＋1＋0.5＋0＋0.125＝（21.625）10〖例2-5〗（1207）8＝1×83＋2×82＋0×81＋7×80

＝512＋128＋0＋7＝（647）10〖例2-6〗（1B2E）16＝1×163＋B×162＋2×161＋E×160

＝1×4096＋11×256＋2×16＋14×1

＝（6958）102/26/202439曲阜師范大學計算機科學學院二進制與八進制之間的轉換二進制數(shù)轉換為八進制數(shù)：以小數(shù)點為界，將整數(shù)部分自右向左和小數(shù)部分自左向右分別按每三位為一組（不足三位用0補足），然后將各個三位二進制數(shù)轉換為對應的一位八進制數(shù)。八進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：把每一位八進制數(shù)轉換為對應的三位二進制數(shù)?！祭?-7〗（10111001010.1011011）2＝（010111001010.101101100）2

＝（2712.554）8〖例2-8〗（456.174）8＝（100101110.001111100）2

＝（100101110.0011111）22/26/202440曲阜師范大學計算機科學學院二進制與十六進制之間的轉換二進制數(shù)轉換為十六進制數(shù)：以小數(shù)點為界，將整數(shù)部分自右向左和小數(shù)部分自左向右分別按每四位為一組，不足四位用0補足，然后將各個四位二進制數(shù)轉換為對應的一位十六進制數(shù)。十六進制數(shù)轉換為二進制數(shù)：把每一位十六進制數(shù)轉換為對應的四位二進制數(shù)?！祭?-9〗（10111001010.1011011）2

＝（010111001010.10110110）2

＝（5CA.B6）16〖例2-10〗（1A9F.1BD）16

＝（0001101010011111.000110111101）2

＝（1101010011111.000110111101）22/26/202441曲阜師范大學計算機科學學院2.碼制原碼表示法：用符號位和數(shù)值表示帶符號數(shù)，正數(shù)的符號位用“0”表示，負數(shù)的符號位用“1”表示，數(shù)值部分用二進制形式表示。反碼表示法：正數(shù)的反碼與原碼相同，負數(shù)的反碼為對該數(shù)的原碼除符號位外各位取反。補碼表示法：正數(shù)的補碼與原碼相同，負數(shù)的補碼為對該數(shù)的原碼除符號位外各位取反，然后在最后一位加1。補碼用于進行加減運算更加方便。2/26/202442曲阜師范大學計算機科學學院常用字符編碼ASCII：單字節(jié);7位或8位二進制表示128或256種可能的字符。ANSI編碼(本地化編碼格式:如GB2312-80,BIG5等)：一般為雙字節(jié)（32768）;漢字的表示有輸入碼，內碼，字模碼分別用于輸入、內部處理、輸出。UNICODE(國際化編碼格式)：一般為四字節(jié)。世界的每一個符號都有惟一編碼。2/26/202443曲阜師范大學計算機科學學院2.2 微處理器中央處理器是指計算機內部對數(shù)據(jù)進行處理并對處理過程進行控制的部件。微處理器是指具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件。根據(jù)微處理器的應用領域，微處理器大致可以分為三類：通用高性能微處理器、嵌入式微處理器和數(shù)字信號處理器、微控制器。2/26/202444曲阜師范大學計算機科學學院2.2 微處理器通用處理器追求高性能，它們用于運行通用軟件，配備完備、復雜的操作系統(tǒng)；嵌入式微處理器強調處理特定應用問題的高性能，主要用于運行面向特定領域的專用程序，配備輕量級操作系統(tǒng)，主要用于蜂窩電話、CD播放機等消費類家電；微控制器價位相對較低，在微處理器市場上需求量最大，主要用于汽車、空調、自動機械等領域的自控設備。2/26/202445曲阜師范大學計算機科學學院微處理器技術的提高最初的8088集成了29000個晶體管，而酷睿2雙核處理器在143平方毫米的硅核尺寸上卻擁有了超過2.91億個晶體管，平均每平方毫米近200萬個晶體管。CPU的運行速度，8088是0.75MIPS，酷睿21.86GHzCPU約為158100MIPS。CPU可以分為：4位微處理器、8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及現(xiàn)在正日益普及的64位微處理器2/26/202446曲阜師范大學計算機科學學院2.2 微處理器Intel奔騰IICPUIntel奔騰IIICPUIntel奔騰ⅣCPU

CPUINTEL酷睿2雙核心CPU2/26/202447曲阜師范大學計算機科學學院微處理器的組成運算器控制器高速緩沖存儲器2/26/202448曲阜師范大學計算機科學學院衡量CPU性能的主要技術指標①CPU字長：在同一時間內處理的一組二進制數(shù)稱為一個計算機的“字”，而這組二進制數(shù)的位數(shù)就是“字長”。在其他指標相同時，字長越大計算機處理數(shù)據(jù)的速度就越快。②CPU外頻：為系統(tǒng)總線的工作頻率（系統(tǒng)時鐘頻率），CPU與周邊設備傳輸數(shù)據(jù)的頻率，具體是指CPU到芯片組之間的總線速度。2/26/202449曲阜師范大學計算機科學學院衡量CPU性能的主要技術指標③CPU主頻：CPU的主頻，即CPU內核工作的時鐘頻率（CPUClockSpeed）。CPU的主頻表示在CPU內數(shù)字脈沖信號震蕩的速度。④CPU的生產工藝：現(xiàn)在CPU的生產工藝通常以納米（nm，100萬分之一毫米）來描述，指的是生產工藝中器件的最小線寬，其數(shù)值越小說明生產技術越先進?，F(xiàn)在Intel及AMD公司的雙核及四核微處理器已逐步轉向45nm的生產工藝。2/26/202450曲阜師范大學計算機科學學院2.3 存儲系統(tǒng)存儲器是計算機中具有記憶能力的部件，它能根據(jù)地址接收和保存指令或數(shù)據(jù)。存儲器的操作是一個不斷存入與取出的過程，我們把存入數(shù)據(jù)的操作稱為“寫”操作，把取出數(shù)據(jù)的操作稱為“讀”操作。存儲器可分為主存儲器和輔存儲器兩大類。2/26/202451曲阜師范大學計算機科學學院2.3.1主存儲器(1)隨機存儲器（RandomAccessMemory，RAM）

RAM就是平常所說的內存。

①靜態(tài)RAM（SRAM）

運行速度非常快，CPU內的一級、二級緩存使用SRAM。(酷睿2雙核處理器一級64k、二級緩存4M)②動態(tài)RAM（DRAM） 就是通常所說的內存，就是因為要不斷充電，所以它才叫做動態(tài)RAM。2/26/202452曲阜師范大學計算機科學學院SDRAM，即SynchronousDRAM（同步動態(tài)隨機存儲器）采用3.3伏工作電壓，168線的雙列存儲器模塊DIMM接口，帶寬為64位。DDR英文原意為“DoubleDataRate”，顧名思義，就是雙數(shù)據(jù)傳輸模式。性能要超出一倍。

DDR2(184線)內存每個時鐘能夠以4倍外部總線的速度運行。DDR3顯存可以看作是DDR2的改進版，二者有很多相同之處，例如采用1.8V標準電壓、主要采用144線球形針腳的FBGA封裝方式,耗電量較DDR2明顯降低。工作頻率更高,高端顯卡上得到了廣泛的應用。RDRAM是RambusDynamicRandomAccessMemory（存儲器總線式動態(tài)隨機存儲器）的簡稱，2/26/202453曲阜師范大學計算機科學學院2.3.1主存儲器(2)只讀存儲器（ROM）

特點：①存儲的信息只能讀(取出)不能寫(存入或修改)，其信息是在制作該存儲器時就被寫入；②不能隨意更新,斷電后信息不會丟失。ROM一般用于存放固定不變的、控制計算機的系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)。2/26/202454曲阜師范大學計算機科學學院2.3.1主存儲器ROM分為PROM（可編程只讀存儲器），EPROM（可擦除可編程只讀存儲器），EEPROM（電改寫可編程只讀存儲器），

FlashROM（閃速存儲器）等。計算機主板中的BIOS（BasicInputOutputSystem）是一組固化到計算機內主板上一個ROM芯片上的程序，它保存著計算機最重要的基本輸入輸出的程序、系統(tǒng)設置信息、開機上電自檢程序和系統(tǒng)啟動程序。2/26/202455曲阜師范大學計算機科學學院2.3.1主存儲器(3)高速緩沖存儲器（Cache）

Cache指在CPU與內存之間設置的一級或兩級高速小容量存儲器，固化在主板上。在計算機工作時，系統(tǒng)先將數(shù)據(jù)由外存讀入RAM中，再由RAM讀入Cache中，然后CPU直接從Cache中取數(shù)據(jù)進行操作。通常人們所說的Cache就是指緩存SRAM。2/26/202456曲阜師范大學計算機科學學院2.3.2外存儲設備 外存儲器又稱為輔助存儲器，或外存。微機中常用輔存有軟磁盤存儲器、硬磁盤存儲器、光盤存儲器、閃存和磁帶等。1.硬盤硬盤是一種主要的電腦存儲媒介，由一個或者多個鋁制或者玻璃制的碟片組成。這些碟片外覆蓋有鐵磁性材料。2/26/202457曲阜師范大學計算機科學學院2/26/202458曲阜師范大學計算機科學學院硬盤接口硬盤接口：有IDE/ATA接口、SCSI、SATA接口接口和光纖通道四種。IDE的英文全稱為“IntegratedDriveElectronics”，即“電子集成驅動器”，它的本意是指把“硬盤控制器”與“盤體”集成在一起的硬盤驅動器。

注意：IDE也是集成開發(fā)環(huán)境的縮寫！

SCSI的英文全稱為“SmallComputerSystemInterface”（小型計算機系統(tǒng)接口），SCSI接口具有應用范圍廣、多任務、帶寬大、CPU占用率低，以及熱插拔等優(yōu)點。2/26/202459曲阜師范大學計算機科學學院硬盤接口SATA（SerialATAttachment的縮寫，意思是串行AT計算機上的附加設備）口的硬盤又叫串口硬盤，是未來PC機硬盤的趨勢。與以往相比其最大的區(qū)別在于能對傳輸指令（不僅僅是數(shù)據(jù)）進行檢查，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。串行接口還具有結構簡單、支持熱插拔的優(yōu)點。光纖通道的英文拼寫是FiberChannel，光纖通道的主要特性有：熱插拔性、高速帶寬、遠程連接、連接設備數(shù)量大等。2/26/202460曲阜師范大學計算機科學學院常用硬盤分類SCSI硬盤活動硬盤筆記本硬盤微型硬盤固態(tài)硬盤2/26/202461曲阜師范大學計算機科學學院磁盤陣列技術

磁盤陣列技術大部分屬于廉價磁盤冗余陣列RAID(RedundantArraysOfInexpensiveDrives)。 在磁盤陣列中磁盤的數(shù)量越大，系統(tǒng)失效的概率也越大，因此，在磁盤陣列中需要增設一定的冗余存儲容量，一旦某個驅動器失效時，數(shù)據(jù)仍能恢復。既能提供大容量，又能保證相當?shù)目煽啃?。另外，可以通過磁盤陣列對其中的磁盤進行并行讀寫操作，提高了性能。2/26/202462曲阜師范大學計算機科學學院2.光盤(1)存儲原理 光盤與軟盤和硬盤一樣，光盤也是以二進制數(shù)據(jù)的形式存儲信息。 在寫入數(shù)據(jù)時，有光盤驅動器內的激光頭發(fā)出激光照射光盤的記錄層。從光盤上讀取數(shù)據(jù)的時候，定向光束(激光)在光盤的表面上迅速移動。根據(jù)反射光的強弱就能判斷出光盤記錄層的記錄信息。2/26/202463曲阜師范大學計算機科學學院2.光盤由于技術成熟、讀取速度快、價格低和使用方便等優(yōu)點，光存儲器的使用越來越廣泛，這里主要講解光驅、光盤和刻錄機。圖為光驅和光盤示意圖，刻錄機的外形和光驅相似。

2/26/202464曲阜師范大學計算機科學學院2.光盤(2)光盤分類 按照物理格式劃分：①CD系列(CompactDisk致密光碟

)：CD-R、CD-RW、CD-RAM等。②DVD系列（DigitalVideoDisc數(shù)字視頻光盤）（DigitalVersatileDisc數(shù)字通用光盤）：DVD-R、DVD+R、DVD-RAM、DVD-RW等。2/26/202465曲阜師范大學計算機科學學院2.光盤按照讀寫限制，可分為以下三種類型：①只讀式：CD-ROM、VCD、DVD-ROM；②一次性寫入，多次讀出式：CD-R、DVD-R、DVD+R；③可讀寫式：主要有磁光盤（MOD，Magneto-OpticalDisk）和相變盤（PCD，PhaseChangeDisc）兩種。常見的相變盤有CD-RW、CD-RAM、DVD-RW、DVD-RAM等。2/26/202466曲阜師范大學計算機科學學院3.閃存和U盤(1)閃存卡①CF卡，即CompactFlash，一種袖珍閃存卡。②MMC卡(MultiMediaCard)，MMC是一種新型存儲卡。③SD卡就是SecureDigitalCard——安全數(shù)碼卡，具有大容量、高性能、安全等多種特點的多功能存儲卡。(16GB)2/26/202467曲阜師范大學計算機科學學院3.閃存和U盤(2)U盤 從容量上講，U盤的容量比軟盤大得多，其容量已達到128GB。U盤外形小巧，更易于攜帶。且采用支持熱插拔的USB接口，使用非常方便。2/26/202468曲阜師范大學計算機科學學院4.磁帶 磁帶存儲器屬于順序存取設備，即磁帶上的文件是順序依次存放的。當要訪問的文件存儲在磁帶的尾部，則需要將磁帶轉動到尾部才能對文件進行訪問。這時，磁帶用于查找文件所用的時間要比磁盤存儲器長，訪問速度比較慢。磁帶主要用于后備存儲和保存不經(jīng)常使用的信息，或用作不同系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據(jù)的一種介質。2/26/202469曲阜師范大學計算機科學學院2.4主板、總線與接口 主機主要包括主板、硬盤驅動器、軟盤驅動器、CD-ROM驅動器、電源、風扇、各種外設的適配器（接口板）等，具體結構如下圖所示。2/26/202470曲阜師范大學計算機科學學院2.4.1系統(tǒng)主板 主板上面安裝了組成計算機的主要電路系統(tǒng)，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵盤和面板控制開關接口、指示燈插接件、擴充插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。 主板的類型和檔次決定著整個微機系統(tǒng)的類型和檔次，主板的性能影響著整個微機系統(tǒng)的性能。2/26/202471曲阜師范大學計算機科學學院2.4.1系統(tǒng)主板

芯片組（Chipset）是主板的核心組成部分。如果說中央處理器（CPU）是整個電腦系統(tǒng)的心臟，那么芯片組將是整個身體的軀干。對于主板而言，芯片組幾乎決定了這塊主板的功能，進而影響到整個電腦系統(tǒng)性能的發(fā)揮，芯片組是主板的靈魂。(南橋芯片、北橋芯片）2/26/202472曲阜師范大學計算機科學學院2.4.2擴展槽和適配卡擴展槽 微型計算機采用的是開放式體系結構，在系統(tǒng)主板上裝有多個擴展槽，擴展槽與主板上的系統(tǒng)總線相連，任何插入擴展槽的電路板（例如顯卡、聲卡等）就可以通過總線與CPU相連。擴展槽是一種添加或增強計算機特性及功能的方法。例如，可以添加獨立顯卡以增強顯示性能；可以添加獨立聲卡以增強音效；2/26/202473曲阜師范大學計算機科學學院2/26/202474曲阜師范大學計算機科學學院2 適配卡(1)顯卡（顯示卡、圖形加速卡） 顯示卡由顯示芯片、顯示內存、RAMDAC(RandomAccessMemoryDigital-to-AnalogConverter隨機數(shù)模轉換記憶體，作用是把數(shù)字圖像數(shù)據(jù)轉換成計算機顯示需要的模擬數(shù)據(jù)）等組成，這些組件決定了計算機屏幕上的輸出。(2)聲卡（音頻卡） 它有三個基本功能：一是音樂合成發(fā)音功能；二是混音器（Mixer）功能和數(shù)字聲音效果處理器（DSP）功能；三是模擬聲音信號的輸入和輸出功能。2/26/202475曲阜師范大學計算機科學學院適配卡(3)網(wǎng)卡（網(wǎng)絡適配器，NetworkInterfaceCard）

它是連接計算機與網(wǎng)絡的硬件設備。我們日常使用的網(wǎng)卡都是以太網(wǎng)網(wǎng)卡。目前網(wǎng)卡分為10M網(wǎng)卡、10M／100M自適應網(wǎng)卡以及1000M網(wǎng)卡。(4)電視卡 計算機可以通過安裝電視卡來收看電視，并具有數(shù)碼錄像機的功能。它不僅可以看電視，還可以把視頻通過AV接口轉換成MPEG格式，刻錄成VCD/DVD。2/26/202476曲阜師范大學計算機科學學院適配卡(5)SCSI卡

SCSI卡工作在計算機主板和SCSI設備(如SCSI硬盤、SCSI光驅、SCSI接口的掃描儀)之間。SCSI卡是一種32位或64位PCI設備，需要插在主板的32位或64位PCI插槽上。如果主板上已經(jīng)集成了SCSI控制器，則沒有必要安裝SCSI卡。 除上述幾種適配卡外，常用適配卡還有MODEM卡、IDE接口卡、PC卡等。2/26/202477曲阜師范大學計算機科學學院2.4.3系統(tǒng)總線一個單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為三類：①CPU內部連接各寄存器及運算部件之間的總線，稱為內部總線。②CPU同計算機系統(tǒng)的其它高速功能部件（例如存儲器等）互相連接的總線，稱為系統(tǒng)總線。③中、低速I/O設備之間互相連接的總線，稱為I/O總線。2/26/202478曲阜師范大學計算機科學學院2.4.3系統(tǒng)總線 系統(tǒng)總線分為三種不同功能的總線，即數(shù)據(jù)總線DB（DataBus）、地址總線AB（AddressBus）和控制總線CB（ControlBus）。另外，按照通信方式還可把總線分為并行總線和串行總線。 系統(tǒng)總線與輸入輸出擴展槽相連接，而擴展槽通過插入不同的適配卡來連接不同的外部設備。2/26/202479曲阜師范大學計算機科學學院2.4.3系統(tǒng)總線微型計算機常用總線結構類型：(1)ISA總線（工業(yè)標準體系結構）

ISA是IBM公司為PC/AT電腦而制定的總線標準，為16位體系結構，數(shù)據(jù)傳輸率大約是8MB/S。(2)PCI總線（外圍部件互連體系結構）

PCI是一種先進的局部總線。PCI有32位和64位兩種，32位PCI的數(shù)據(jù)傳輸率為133MB／s，大大高于ISA。2/26/202480曲阜師范大學計算機科學學院2.4.3系統(tǒng)總線(3)AGP總線（圖形加速接口）

AGP總線是一種新型接口標準,它是一種專供顯卡使用的總線。所以它擁有很高的傳輸速率，這是PCI等總線無法與其相比擬的。(4)USB總線（通用串行總線）

USB（UniversalSerialBus）接口允許外設在開機狀態(tài)下熱插拔，最多可串接127個外設，傳輸速率可達480Mbps（millionbitspersecond兆字節(jié)/秒）。2/26/202481曲阜師范大學計算機科學學院2.4.3系統(tǒng)總線(5)IEEE1394總線

IEEE1394接口技術是一種高效的串行接口標準，可以在一個端口上連接多達63個設備，設備間采用樹形或菊花鏈拓撲結構。IEEE1394是為了增強外部多媒體設備與電腦連接性能而設計的高速串行總線，傳輸速率可以達到400Mbps。利用IEE1394技術我們可以輕易地把電腦和攝像機，高速硬盤，音響設備等多種多媒體設備連接。2/26/202482曲阜師范大學計算機科學學院2.4.3系統(tǒng)總線(6)PCIExpress總線

PCIExpress是新一代的總線接口，PCIExpress的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質量。現(xiàn)在顯卡的接口已經(jīng)從AGP過渡到PCIExpress接口，PCIExpress已成為新一代的顯卡接口標準。2/26/202483曲阜師范大學計算機科學學院2.4.4端口與連接電纜 端口（port）是計算機與外界通訊交流的出口，其中硬件領域的端口又稱接口。端口有通