第 2 章计算机硬件系统

计算机硬件系统

2-2

一、计算机硬件的组成构成计算机系统的元器件、部件和设备以及它们的工程实现 ( 设计、制造和检测 ) 。元器件：集成电路、印制电路板、磁性元件、电子元件、光电子元件、接插件等。部件和设备：运算器、控制器、主存储器、辅助存储器、输入和输出设备、电源等

2.1 2.1 计算机硬件概述计算机硬件概述

计算机系统计算机硬件系统计算机软件系统


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CPU

内部存储器

主机

外部存储器

通信设备

输入设备输出设备

硬件组成


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2.1 2.1 计算机硬件概述计算机硬件概述二、微型计算机的硬件结构微型计算机是由微处理器、存储器、总线、 I/O接口及其相应设备组成。

微处理器 CPU

键盘鼠标器

显示器打印机

内存

通信线路

通信接口

外存接口

硬盘光驱软驱

输入接口

输出接口

硬件结构

总线


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三、总线结构总线：与内存和外部设备连接的一组公用的连接线路。分类：内部总线、系统总线、外部总线数据总线、地址总线、控制总线



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多总线结构



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2.2 2.2 中央处理器中央处理器一、 CPU的内部结构 CPU←→微处理器←→中央处理器 CPU：控制器、运算器、寄存器


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二、 CPU的性能指标 1.主频、外频和倍频主频： CPU工作的时钟频率 (MHz,GHz)。 MHz：每秒能执行一百万个时钟周期。 GHz：每秒能执行十亿个时钟周期。指令执行：一些指令需要一个周期另一些指令需要很多周期

主频＝外频×倍频

2.2 2.2 中央处理器中央处理器

Windows XPWindows XP 中文专业版：中文专业版：300MHz(233MHz)300MHz(233MHz)


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2.地址总线宽度地址总线的位数 , 它决定了 CPU可以访问存储器容量的大小。 20位地址总线： 1MB 32位地址总线： 4GB 3.数据总线宽度数据总线的位数 , 它决定了 CPU与内存、输入输出设备之间一次数据传输的信息量。 64位数据总线： 8B→字长


XP→128MB(64XP→128MB(64MB)MB)


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4.高速缓存一种具有很高速度的特殊内部存储器。与内存相比，高速缓存能够使微处理器更快的获取数据。等级：一级缓存、二级缓存 5.CISC 和 RISC CISC：复杂指令集计算机 RISC：精简指令集计算机→带有有限的简单指令集的微处理器。



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三、 CPU的发展历程时间 CPU 芯片集成度主频字长 (b) 最大内存

1971 4004 2300 108KHz 4 640B

1978 8086/8088

2.9 万 4.77-10MHz 16 1MB/20b

1982 80286 14.3 万 6-20MHz 16 16MB/24b

1985 80386 27.5 万 12.5-33MHz 32 4GB/32b

1989 80486 125 万 33-133MHz 32 4GB/32b

1993 Pentium 310 万 60-233MHz 64 4GB/32b

1997 Pentium Ⅱ 750 万 233-450MHz 64 4GB/32b

1999 Pentium Ⅲ

2800 万 450-800MHz 64 64GB/36b

2000 Pentium 4 4200 万 400M-3.2GHz

64 64GB/36b

2.2 2.2 中央处理器中央处理器、 AMD、 Cyrix


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2.3 2.3 存储系统存储系统一、存储器概述 1.基本概念存储器：由一些能表示 0 和 1 的物理器件组成的，如双稳态电路、磁性材料等。存储位：存储信息的最小单位， 0 或 1 。存储单元：若干个存储位组成，字节。存储容量：存储器中存储单元的总数。基本操作：读出数据←→取数写入数据←→存数


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2.分类按存储方式分类

随机存储器(RAM)

随机存取任何单元的数据

顺序存储器(SAM)

只能按某种顺序存取数据

只读存储器(ROM)

只能读取任何单元的数据按功能和存取速度分类寄存器型存储器 CPU 内部的寄存器组高速缓冲存储器 L1 Cache, L2 Cache

主存储器内部存储器辅助存储器外部存储器

基本要求：存取时间短、存储容量大、价格低

2.3 2.3 存储系统存储系统


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3.层次结构


CPU寄存器

高速缓存

主存储器

辅助存储器

海量存储器

存储容量更

大单位价格更

高存取速度更

快内存

外存

半导体静态存储器

半导体动态存储器

硬盘和软盘

光盘和磁带


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4.性能指标存储容量：存储器可以容纳的信息量。例如：半导体存储器→ 64-256MB 硬盘→ 60-160GB 存取时间：指存储器从接到读或写命令开始，到读写操作完成为止所需时间。数据传输率：外存与内存交换数据的能力。如硬盘的数据传输率： 1.25-10MB/s



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二、半导体存储器 1.分类

按制造工艺分类

双极型半导体存储器 TTL 型存储器ECL 型存储器→高速缓冲存储器

MOS 存储器 SRAM→ 存取速度快→高速缓存DRAM→ 集成度高→主存储器


按工作性能分类高速缓冲存储器容量小，速度高。双极型半导体存储器

主存储器随机存取存储器 -RAM(SRAM 、 DRAM)只读存储器 -ROM

辅助存储器半导体盘 ( 固态盘 )


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2.随机存取存储器 -RAM RAM→Random Access Memory 特点：存放数据可以随时读写，但断电后 RAM存放的数据全部丢失。静态随机存取存储器 SRAM：以反相器交叉耦合构成的触发器作为存储单元，不需定时刷新，存取速度快→高速缓存动态随机存取存储器 DRAM：用开关电容作存储单元 , 定时刷新 , 集成度高→主存储器



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3.只读存储器 ROM→Read Only Memory 特点：存放的数据只能读出不能写入，但断电后 ROM存放的数据仍存在。系统主板上装有 ROM-BIOS。


MROM-- 掩膜 ROM PROM-- 可编程 ROMROM EPROM- 可擦除可编程 ROM E2PROM- 电可擦除可编程 ROM flash EPROM- 快可擦除可编程 ROM


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三、磁表面存储器 1.存储原理


写入时，数据经编码电路产生相应的电流变化，当数据位为“ 1” 时 , 电流发生极性变换；数据位为“ 0” 时 , 电流极性不变。电流送到磁头线圈，在磁表面形成与数据对应的磁化区。读出时，把磁头的感应信号转换成数据输出。


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2.硬盘 (Hard Disk) 又称硬盘存储器，硬磁盘存储器。特点：存储容量大、存取速度快可靠性高、每兆字节成本低温彻斯特技术：工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，不与硬盘直接接触。其精髓是密封、高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动。



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⑴硬盘的工作原理


若从查找操作开始，驱动机构根据柱面地址把磁头向目标磁道移动，并定位在目标磁道上，等待有关信息区段旋转到磁头下，然后进行读写操作。


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⑵硬盘的性能指标平均访问时间：指磁头从起始位置到达目标磁道位置，并从目标磁道上找到要读写的数据扇区所需的时间。平均访问时间＝平均寻道时间＋平均等待时间磁道记录密度：道密度→沿盘片直径方向单位长度内的磁道数。位密度→磁道上单位长度的数据位数。



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数据传输率：指硬盘读写数据的速度。其计算公式如下数据传输率＝位密度 ( 位 / 英寸 )× 转速 ( 转 / 秒 )×2πR(英寸 /转 ) R 是最内圈磁道半径转速：指硬盘盘片每分钟转动的圈数。也就是主轴转速，单位是 rpm。通常的硬盘转速为 5200、 5400 7200 、 10000rpm



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硬盘的逻辑容量：硬盘的存储格式是按柱面、磁道和扇区来衡量的，柱面是由一组盘片上的同一个磁道垂直形成的同心圆柱。硬盘容量＝柱面数×磁道数 ×扇区数 ×512B 例如：通过 BIOS检测发现，某型号硬盘逻辑上的面数为 255，每面有 1027个磁道 , 每磁道有 63个扇区，则硬盘容量＝ 255×1027×63×512B ＝ 8.056GB



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⑶硬盘的外部结构


硬盘使用前要做：物理格式化、分区、高级格式化


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3.软驱与软盘软盘存储器是由软盘驱动器、软盘控制器和软盘三部分组成。软盘驱动器：读写软盘信息的装置。软盘控制器：与主机连接的接口。软盘：信息的存储介质，可脱机保存。特点：①与硬盘相比，软盘价格便宜；　　②软盘及其驱动器体积小，携带方便； ③可脱机存储，互换性好。



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⑴软驱的工作原理工作过程：电机带动盘片转动，磁头定位器是一个很小的步进电机，它负责把磁头移动到正确的磁道，由磁头完成对软盘的读写操作。写操作：以电脉冲将磁头下方磁道上那一点磁化。读操作：将磁头下方的磁化信息转化为电信号，通过电信号强弱来判断是 0 还是 1 。



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⑵软驱与软盘的性能指标磁道：以盘片中心为圆心的同心圆轨迹就是记录数据的磁道。道密度：沿软盘径向方向单位长度上的磁道数， 3.5in软盘有 80个磁道。扇区：每个磁道被划分为若干扇区 ,3.5in软盘的扇区一般有 18个。


磁道

扇区00


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存储容量：指每张盘片所能记录的二进制数据的总和。其计算公式为：存储容量＝磁面数×磁道数 ×扇区数 ×512B 数据传输率：指软盘及软驱每秒钟与计算机主机交换二进制数据的位数。常见的有： 125Kb/s 、 250Kb/s 300Kb/s 、 500Kb/s



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⑶软盘的外部结构软盘是由起保护作用的塑料封套和盘片组成，其结构包括塑料外壳、快门、标签、写保护口、盘片、金属环等。



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四、光盘存储器光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和光盘控制器组成。特点：存储容量大、非接触式读写、制作成本低、不怕热和磁、保存携带方便。分类：只读型光盘： CD-ROM 一次写型光盘： WORM 、 CD-R 可重写型光盘： CD-RW



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1.工作原理光盘存储器是利用激光的单色性和相干性 , 通过调制激光把数据聚集到记录介质上 , 使介质的光照区 ( 直径小于 1μm)发生物理和化学变化，以写入数据。读数据时，利用低功率密度的激光扫描信息轨道，其反射光通过光电检测器检测、解调，从而获得所需要的信息。



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2.性能指标存储容量：一张光盘的数据存储量。 CD-ROM→650MB DVD→4.7-17GB 数据传输率：标准速率为 150KB/s 2x→300KB/s(倍速 ) 4x→600KB/s(4倍速 ) … 48x→7200KB/s(48倍速 )



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平均访问时间：指光驱在盘上定位并读取一定量的数据所需要的平均时间。该时间越短，光驱的启动速度越快。 MPC-3规定：平均访问时间≤ 250ms。数据缓冲区：指光驱内部缓冲存储器的容量。缓冲区越大，光驱的响应速度越快。其大小一般为： 128KB 、 256KB



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3.外部结构光驱控制面板：立体声耳机插孔、音量控制、工作状态指示灯、弹出孔、弹出开关和光盘托盘。光驱控制接口：电源插口、跳线设置、数据接口、 EIAJ插座、音频输出。



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五、可移动存储器


U 盘移动硬盘


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2.4 2.4 输入设备输入设备一、输入设备概述输入：指将预备进行处理的数据送入计算机的过程。输入设备：把程序和原始数据等转变为计算机能识别的信息存放到存储器中。分类：①字符输入设备：键盘、磁卡机 ②指点输入设备：鼠标器、触摸屏 ③扫描输入设备：扫描仪、条形码 ④语音输入设备： IBM ViaVoice


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二、键盘 1.键盘的结构结构：电路板、按键、外壳。按键：用户使用键盘的区域。键盘上键位的排列有一定规律，一般可分为四个区域：

2.4 2.4 输入设备输入设备

打字机键区功能键区编辑键区数字键区


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2.键盘的工作原理键盘电路大多采用 Intel 8048 或8049单片机控制的控制电路，该控制电路具有键扫描、消颤、生成键扫描码等功能。键盘上的按键排列成矩阵形式，用软硬件的方法分别对行、列进行扫描，以获取按键的位置，并生成键扫描码。单片机将键扫描码以串行方式传输给主机，主机接到后进行如下操作：



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①通过接口电路将串行数据转换为并行数据； ②由并行接口送给 CPU； ③由软件将扫描码转换为该键 ASCII码 . 3.键盘的种类机械式键盘、薄膜式键盘、无线键盘 4.键盘的接口 AT 、 PS/2 、 USB



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三、鼠标器鼠标器是一种手持式屏幕定位装置，在图形界面中大多数操作都可用鼠标来完成。机械式鼠标：移动鼠标时，用滚动小球来进行定位。光电式鼠标：在特定的反射板上移动鼠标，用鼠标底部光电转换装置定位坐标点。



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2.5 2.5 输出设备输出设备一、输出设备概述输出：指将计算机处理的数据转换为用户需要的形式。输出设备：把计算机的处理结果以人们或现场所接受的形式表达出来的设备。分类：①显示器：字符方式、图形方式 ②打印机：击打式、非击打式 ③绘图仪：平板式、滚筒式 ④语音输出系统：语音输出、音乐输出


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二、显示设备主机显示卡显示器

总线扩展槽多芯视频电缆

1. 显示卡显示卡 (显示适配器、显示接口卡 ) 显示卡是用于将主机中的数字信号转换成图像信号并显示在显示器上。

2.5 2.5 输出设备输出设备


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⑴显示卡的基本结构显示卡是由显示芯片、显示内存、 RAM DAC 、 VGA BIOS、总线接口等组成。

显示卡的工作原理示意图

PCI 总线接口 ( 数字信号 )

显示芯片

显存组

RAMDACBIOS

VGA 输出

模拟信号



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⑵显示卡的性能指标分辨率：指在显示器屏幕上所能描绘的像素个数 (横纵比为 4:3) ，如 640*480 、 800*600 、 1024*768、 1280*1024。颜色深度：指能同屏显示的色彩数量，如8、 16、 24、 32(24/8) 、 36(24/12) 位。显存的容量大小决定了显卡支持的最高分辨率和颜色深度。显存＝分辨率×颜色深度



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2.CRT显示器 ( 阴极射线管 ) ⑴显示器的工作原理 CRT是由电子枪、偏转线圈、荧光粉层、荫罩和玻璃外壳组成，彩色管→三基色。



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⑵显示器的分类按显示颜色：单色显示器、彩色显示器按器件材料：阴极射线管、液晶显示器等离子体显示器、发光二极管显示器按屏幕形状：球面屏幕、柱面屏幕平面直角屏幕、纯平面屏幕



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⑶显示器的性能指标屏幕尺寸：衡量显示器屏幕大小。 14、 15 、 17 、 21英寸。点距：指荧光屏上两个相邻的相同颜色磷光点之间的距离。点距越小，显示图像越细腻。 0.28(14in/1024*768) 0.27 、 0.26 、 0.25mm 分辨率：指屏幕上可容纳像素的个数，它受到屏幕尺寸和点距的限制。



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扫描方式：

逐行扫描隔行扫描

辐射和环保：

电脑中多达 30% 塑料包装可能有含溴阻燃剂。这些材料和另一类环境毒素 PCB 有关，怀疑可能对哺乳动物生殖能力有损害。石墨可以在显示屏、显像管和电容中找到。它损害神经系统并较高剂量可导致石墨中毒。镉在可充电电池和某些电脑显示器的色彩显象层中存在。镉损害神经系统，高剂量时有毒。



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3. 液晶显示器 (LCD) LCD是通过液晶材料和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图像。优点：空间小、重量轻、低功耗性能指标：屏幕尺寸→ 13.3、 14.1in 可视角度→水平角度 >1400

垂直角度 >1200

显示颜色→ TFT-LCD DSTN-LCD



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三、打印机打印机是用于打印输出计算机的处理结果，产生计算机输出的硬拷贝，以便在计算机之外也可使用计算机的处理结果。 1.分类


热敏打印机

打印机

击打式打印机

非击打式打印机激光打印机喷墨打印机

串式打印机行式打印机


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2.性能指标打印速度： CPS(字符 / 秒 ) LPM( 行 / 分 ) 印字质量：低质量 ( 草稿质量<180DPI) 近似质量 ( 仿信函质量 ,180-300DPI) 印刷质量 (>400DPI) 打印噪声：规定不超过 55dB。



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3.激光打印机工作过程：接受由主机发出的信息，然后进行激光扫描，将要输出的信息在磁鼓上形成静电潜像，并转换成磁信号，使碳粉吸附到纸上，经加热定影后输出。特点：打印速度高、印字质量高无噪音、但价格高典型打印机： HP Laser Jet系列 Canon Laser Jet系列



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4.喷墨打印机工作过程：靠墨水通过精制的喷头射到纸面上而形成输出的字符或图形。特点：价格便宜、体积小、无噪音打印质量高，对纸张要求高墨水消耗量大典型喷墨打印机： HP Desk Jet系列 Canon喷墨系列等



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2.6 2.6 计算机的系统结构计算机的系统结构一、并行处理的概念并行性是指在同一时刻或同一时间间隔内，完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作，只要在时间上相互重叠的工作都存在并行性。并行性：同时性、并发性开发并行性的途径：时间重叠资源重复资源共享


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2.6 2.6 计算机的系统结构计算机的系统结构二、流水线处理机


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2.6 2.6 计算机的系统结构计算机的系统结构三、并行处理机


2-58

2.6 2.6 计算机的系统结构计算机的系统结构四、多处理机系统


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2.6 2.6 计算机的系统结构计算机的系统结构五、机群系统

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第 2 章 计算机硬件系统

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