第 3 章计算机硬件系统

计算机应用基础

第 3 章计算机硬件系统

内容提要本章以微型计算机为例介绍计算

机硬件系统的组成，包括系统单元、内存、系统总线、扩展卡以及常用的输入输出设备和辅助存储器。通过本章学习，要求掌握计算机系统的基本结构和工作原理，了解多种输入输出设备及其功能。


计算机硬件系统

计算机系统

系统单元

输入输出系统

输入设备


计算机硬件系统输出设备

辅助存储设备

小结

习题


冯 · 诺依曼体系结构体系结构指的是 , 构成系统主要部

件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。冯 · 诺依曼体系结构的要点：

计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 5 大部分组成。控制器和运算器是其核心，称为 CP

U 按存储程序原理进行工作


冯 · 诺依曼体系结构数据和程序以二进制代码形式不加

区别地存放在存储器中，存放的位置由地址确定

控制器是根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器控制指令的执行。


冯 · 诺依曼体系结构

控制器

输入设备运算器

（ ALU）输出设备

存储器


计算机硬件体系结构的发展

适应串行的算法的体系结构改变为适应并行的算法的计算机体系结构。

面向高级语言计算机和直接执行高级语言的计算机。

硬件系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应的计算机。


计算机硬件体系结构的发展

从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型的计算机。

各种适应特定应用的专用计算机。高可靠性的容错计算机。处理非数值化信息的计算机。


体系结构的评价标准评价计算机系统的标准有速度、容量、功耗、体积、灵活性、成本等指标。

常用的计算机评测标准 : 时钟频率 ( 主频 ) 指令执行速度等效指令速度数据处理速率 (processing dat

a rate ， PDR)


体系结构的评价标准核心程序法

整数测试程序 (Dhrystone) 浮点测试程序 (Linpack) Whetstone 基准测试程序 SPEC 基准测试程序 TPC 基准程序


微型计算机的硬件结构

微型计算机硬件的系统结构与冯· 诺依曼结构无本质上的差异，不过CPU 已被集成在一片大规模或超大规模集成电路上，称为 MPU 。此外，微型计算机内部的连接方式都是采用总线结构。

数据总线：数据总线是传送数据和指令代码的信号线，它是双向总线。


微型计算机的硬件结构

地址总线：地址总线是传送 CPU 所要访问的存储单元或输入输出接口地址的信号线，它是单向总线。

控制总线：控制总线是管理总线上活动的信号线。控制总线中的信号是用来实现 CPU 对外部部件的控制、状态等信息的传送以及中断信号的传送等。


系统主板与时钟频率

系统主板：又称为底板或母板 , 它是整个计算机系统的通信网 , 系统单元的每个元器件直接连接到系统主板 ,它们通过系统主板进行数据的交换。


系统主板与时钟频率

系统时钟：控制计算机操作的速度，这个速度用兆赫（ MHz ）表示。１兆赫等于每秒一百万周期，时钟周期速度越快，则计算机处理信息的速度就越快


电子数据与指令数据与指令是通过两种状态的信号

表示 , 例如电子电路的开与关。它们分别表示二进制 0 或 1 。

ASCII 码： ASCII 码是微型计算机中使用最广泛的二进制编码 , 使用 7 位分别表示0 ～ 9 、 a ～ z 、 A ～ Z 以及标点符号 ,用 8 位表示特殊字符。主要用于微型计算机


电子数据与指令EBCDIC 码：用一个字节

表示数字和字母等。主要用于大型机系统

Unicode 码：它是一种 16 位的编码，用于支持像中文、日文等国际语言


微处理器控制单元：计算机的“交通警”

，协调和控制出现在微处理器中的所有操作，还与输入 / 输出设备进行通信。

寄存器：寄存器的硬件组成相似于内存的单元，其速度更快以及使用方式不同。


微处理器寄存器：

专用寄存器：指令寄存器、地址寄存器

通用寄存器：暂存数据的寄存器


微处理器算术 /逻辑单元（ ALU ）：是计

算机的“计算器”，完成两种类型的操作。

算术操作：加、减、乘、除等运算

逻辑操作：比较操作


微处理器芯片CISC 芯片：又称复杂指令集计算

机 , 其指令系统一般多达几百条指令 , 这种技术由 Intel 公司推广 ,并且是该公司主流微处理器的基础。例如 PentiumⅢ 和 Pentium 4


微处理器芯片

RISC 芯片：又称简化指令集计算机，其使用较少的指令。 Motorola 、 IBM 和 Apple 公司共同开发的 PowerPC 芯片就是利用了 RISC 技术

专用芯片：用于智能卡的微型内置式微处理器。例如交通卡、社保卡。


存储体系结构

通用寄存器堆

指令和数据缓冲栈

脱机外部存储器（磁带、光盘等）

联机外部存储器（磁盘等）

主存储器（ DRAM）

Cache（ SRAM）

存储容量越来越大

速度越来越快


主存储器

主存储器又称为内存储器或内存，是指能够通过指令中的地址直接访问的存储器，它被用来存储正在被 CPU使用的程序和数据。


主存储器随机存储器（ RAM ）闪存 (flash RAM,Flash)动态 RAM （ DRAM ）静态 RAM （ SRAM ）只读存储器（ ROM ）可编程只读存储器 (PROM)可删除编程只读存储器 (EPROM)电可删除编程存储器 (EEPROM) 互补金属氧化物半导体（ CMO

S ）磁阻随机存取存储器 (MRAM) ：


主存储器容量存储器的容量是衡量存储器性能的重要指标之

一，以字或字节为单位来表示存储器存储单元的总数，就得到了存储器的容量。

1KB 等于 1024 字节 1MB 等于 1024×1024 字节 1GB 等于 1024×1024×1024 字节 1TB 等于 1024×1024×1024×1024 字节


输入输出系统

输入输出系统的基本功能：为数据传输操作选择输入输出

设备。在选定的输入输出设备和 CPU

（或主存储器）之间交换数据。


输入输出系统计算机系统有两种体系结构：独立体系结构：它指的是制造商生产的机器不允许用户进行扩展，即用户不能够通过简单的方式增加新的设备。


输入输出系统计算机系统有两种体系结构：开放体系结构：它允许用户通过系统主板上提供的扩展槽增加新的设备。其方法是插入适配卡到系统的主板扩展槽上，然后通过适配卡的端口和连接电缆连接适配卡和新的外部设备。


输入输出原理程序控制输入输出方式：程序控制输

入输出方式又称为应答输入输出方式、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式等。

中断输入输出方式：采用中断输入输出方式能够克服程序控制输入输出方式中 CPU 与外围设备之间不能并行工作的缺点。


输入输出原理直接存储器访问方式：直接存储器服务方式在外围设备与主存储器之间建立直接数据通路。在 DMA 方式中， CPU 不仅能够与外围设备并行工作，而且整个数据的传送过程不需要 CPU干预。


扩展槽与适配卡

连接系统主板与输入 / 输出设备网络适配卡：简称网卡 , 用来连接一台

计算机到其他计算机，或通过网络总线连接多台计算机、打印机、服务器等设备。

小型计算机接口卡（ SCSI ）：它使用计算机的一个扩展槽连接最多达七个设备，这种卡主要用于连接打印机、硬盘驱动器和 CD-ROM 驱动器等设备。



连接系统主板与输入 / 输出设备TV 调谐卡：利用 TV 调谐卡，计

算机能在浏览 Internet 的同时，观看电视节目。

PC 卡：又称 PCMCIA 卡，适合便携式计算机的尺寸。



连接系统主板与输入 / 输出设备其他：常用的适配卡还有用于匹配各种彩色显示器的视频适配卡、连接光盘驱动器的 CD-ROM 卡、记录和回放数字声音的声卡以及用于连接计算机和电话插座的内置式 MODEM 卡等。


系统总线CPU 与外围设备之间传输信息的

一组信号线，一般 PC 系统的总线分为四层

总线分层 :片内总线是 CPU 内部各功能单元的连线。延伸到 CPU 外 , 又称 CPU 总线。

片总线是 PC 主板上以 CPU 为核心与各部件间的直接连线。


系统总线总线分层 :

系统总线是主板上适配卡与适配卡之间连接的总线。

外总线是 PC 与 PC 之间通信的数据线。

总线性能：时钟频率、总线宽度以及传输速率。

总线类型：工业标准体系 ISA 、外围部件互连 PCI 以及加速图像端口AGP 。


端口和连接电缆端口是系统单元和外部设备的

连接槽，连接电缆是端口与输入 /输出设备之间的连接线。串行口：用于连接鼠标、键盘、 MO

DEM 和许多其他设备到系统单元并行口：用于连接需要在较短距离内

高速收发信息的外部设备 , 如打印机


端口和连接电缆端口是系统单元和外部设备的连

接槽，连接电缆是端口与输入 / 输出设备之间的连接线。增强并行口（ EPP ） : 由 Intel 、 Xircom

、 Zenith 等公司开发的，它实现了外部设备进行双向通信

扩展并行口（ ECP ） : 由 Microsoft 和 HP公司开发的，它具有和增强并行口一样高的速率和双向通信能力


端口和连接电缆

加速图形端口 AGPs ：连接显示器，支持高速图像和其他视频的输入

通用串行总线 USB 口：一个 USB 能同时连接多个设备，它提供快速的即插即用和热插拔的连接

“ 火线”口：又称 IEEE1394 总线，用于连接高速打印机和数码相机，并且速度比USB 更快


键盘和终端键盘：键盘上除了英文的 26 个字母和 0 到 9 数字等与打字机相同内容外，还增加了小键盘和一些特殊功能键

终端：一种连接大型计算机或计算机网络上的主机和服务器的输入输出设备


键盘和终端终端：

无处理能力终端：能输入和接收数据，但不能独立处理数据

智能型终端：包括一个处理器、内存和辅助存储设备，例如Net PC


键盘和终端终端：

网络终端：功能和价格低于智能终端，一般依赖网上主机和应用软件进行工作

Internet 终端：又称 Web 终端，访问 Internet 并在一个标准电视机上显示 Web页


键盘和终端终端功能：信息交换、数据收集、查询和事物处理、远程作业处理以及图形显示与设计


定点输入设备

使用定点设备在显示屏、文本材料以及图形材料上定位某些信息进行输入鼠标：相似设备有跟踪球、触摸面和定位杆

光笔：连接计算机并放置在显示屏旁的特殊的输入笔

游戏杆：用于计算机动感游戏的操纵


定点输入设备触摸屏：覆盖一层塑料的特殊种

类的显示屏数字转换器：描绘或拷贝图画或照片的设备

数码相机：照相机的磁盘或内存中以数字形式记录图像

数字摄像机：将场景以数字形式记录在磁盘或内存中


扫描输入设备扫描设备以图像形式输入文本、图画或特殊符号

图像扫描仪：平台式和手持式扫描仪，分辨率单位 DPI

传真机：传真机将图像转换成一系列的线，将线又转换成连续的信息串进行发送

条形码阅读器：阅读条形码的光电扫描仪，条形码是垂直斑纹标记，条形码系统有 UPC 和 code 39


扫描输入设备字符和标记识别设备：

MICR：银行中自动读取支票和存款条上的特殊数字

OCR：将源文档内容转换成机器可识别代码，如公用事业和电话的帐单

OMR：快速录入设备，标准化考试和各种统计中得到广泛的应用


语音输入设备

将讲话转换成数字代码并输入到计算机，由麦克风、声卡和语音输入软件系统组成。语音输入系统 :

离散语音识别系统：用户的发音必须是一个单词接着一个单词，不能连读

连续语音识别系统：能根据上下文识别单独的单词和短语


语音输入设备语音输入应用：

办公室环境下桌面计算中的一系列应用、完成人与计算机的对话功能以及帮助人类不同语种之间的交流


其它输入设备

数字笔记本视觉系统


输出设备 - 显示器特征是尺寸和清晰度，常用的 21寸、

19寸、 17寸、 15寸标准：表示显示器的分辨能力

SVGA ：高级视频图形阵列，分辨率800×600 像数，用在 15 寸显示器

XGA ：扩展图形阵列，分辨率 1024×768 像数，用在 17 寸和 19 寸显示器


显示器SXGA ：高级扩展图形阵列，分辨率 1280×1024 像数，用在 19 寸和 21 寸示器

UXGA ：超高级图形阵列，分辨率 1600×1200 像数，用于对图像要求较高的领域和 21 寸显示器中


显示器类型：

阴极射线管 CRT ：通过光栅扫描方法产生图像

平面显示器：常用的等离子和液晶显示器

高清晰度电视机 HDTV


打印机通过打印机或绘图仪将信息输出到纸上称为硬拷贝（显示器输出称为软拷贝）

非接触式打印机喷墨打印机：喷墨打印机以非常高的速度喷射微滴墨水到打印纸的表面，不仅产生字符质量的图像，也能打印彩色的图像


打印机非接触式打印机

激光打印机：激光打印机使用与复印机相似的技术，即利用激光束产生很高质量的字符和图像

热学打印机：热学打印机使用热元素在热敏感打印纸上产生字符和图像


打印机接触式打印机：使用“锤子”敲击字符形体，字符形体进一步敲击色带，引起色带上的字符图像印刷在打印纸上点针打印机：它通过打印头上

的细小针所形成的模型打印字符和图形


打印机接触式打印机：

菊花轮打印机：使用一个塑料或金属打印元素，其形状相似于菊花上的花瓣

行式打印机：利用一个打印轮或一个运动的链，一次能够打印整个一行


绘图仪

绘图仪是用于产生直方图、地图、建筑图纸以及三维图表的专用输出设备

笔式绘图仪：通过在设计图纸上移动一个水笔或铅笔创建线图

喷墨绘图仪：通过喷射墨水微滴创建线图和彩色立体图像


绘图仪绘图仪是用于产生直方图、地图、建筑图

纸以及三维图表的专用输出设备静电绘图仪：使用静电电荷在特殊处理

的纸张上创建高分辨率的“图像点”直接成像绘图仪：使用热感应纸和电

加热针创建图像


其它输出设备

缩微输出设备语音输出设备


软盘软盘主要用来存储和传输数

据文件，包括电子文档、电子表格以及小型数据库文件。

软盘：是一种轻便、移动式的存储媒体，常用的是 1.44MB 3.5英寸


软盘软盘的格式：平面圆片在逻辑上划分成面、磁道和扇区

大容量软盘：盒式软盘是大容量软盘的标准，比 1.44MB 3 1/2英寸软盘更厚，并且需要特殊驱动器


软盘大容量软盘：

Zip 盘：容量可达 100MB 或250MB超级盘：容量为 120MB ，可以使用

1.44MB 3 1/2英寸软盘驱动器，主要用于笔记本电脑

HiFD 盘：容量可达 200MB ，可以使用 1.44MB 3 1/2英寸软盘驱动器


硬盘与软盘使用薄的、柔性的塑料盘不同 ,硬盘使用厚的、刚性的金属磁盘片。除此之外，硬盘能快速地存储和读取信息，并且其容量远远大于软盘。

硬盘种类：内置硬盘、盒式硬盘、硬盘组、 USB移动硬盘


硬盘硬盘种类：

内置硬盘：简称硬盘，安装在系统单元的内部

盒式硬盘：与录音机的磁带一样，可以方便的移动，用于作为内置硬盘的补充

硬盘组：存储大容量信息、可移动的存储设备，其容量远远大于上述两种硬盘

USB移动硬盘：支持即插即用。


硬盘硬盘性能的提高：

磁盘缓冲价格低廉磁盘的冗余阵列

RAID文件压缩 /解压缩


光盘光盘技术中，通过激光束改变塑

料或金属盘片的表面来表示数据，即二进制的 1 由盘片表面的平坦区域表示， 0 由不平的区域表示光盘 CD ：最重要指标是旋转速度，如 24 速、 32速等

CD-ROM ：光盘 - 只读存储器，相似音乐 CD 。


光盘CD-R ：又称 WORM ，它代表写一次、读多次

，即空白光盘CD-RW ：可写光盘或可删除光盘

数字化视频光盘 DVD:DVD-ROM ：数字化视频光盘 - 只读存储器，能存放二小时高质量视频

DVD-R ：可记录的 DVD ，即写一次，读多次DVD-RAM ： DVD- 随机存取存储器或 DVD-R

W （可写 DVD ）


闪存和 U 盘闪存不仅具有 RAM 内存可擦

除、可编程的优点 ,而且还具有 ROM 内存的写入数据在断电后不会消失的优点。 USB闪存盘普遍采用 USB 接口，与计算机的理论传输速率可达 12MB/s ，具有易扩展、即插即用的优点。


闪存和 U 盘CompactFlash 又称 CF 卡，是美

国 SanDisk 公司于 1994年推出的，它广泛应用于笔记本计算机和数字产品中。

SmartMedia 又称 SM 卡，是东芝和 Taec 公司于 1995年 11月发布的。


闪存和 U 盘

Memory Stick 又称记忆棒，是索尼公司独立推出的，它的体积非常小，广泛用于索尼公司的电子产品上。

U 盘利用当前最为先进的闪存芯片为存储介质，具有防磁、防震、防潮等特性，其重量 15g左右，体积如口香糖大小。


磁带磁带提供的是顺序化存取方式，

即在定位指定文件或歌曲位置是，必须访问前面几英寸的磁带。

DC2000/Travan 技术 : 这种技术的工作原理称为“纵向曲线性记录法”，它使用一种非常简单的驱动机械与计算机的软驱接口相连接


磁带

数码音频磁带（ DAT ）技术：这种技术以螺旋扫描记录为基础，将信息转化为数字后再存储下来

磁道的性能


磁带

QIC DC6000技术：即通常所讲的数据流带机，使用非常简单的驱动装置进行纵向记录

8MM 技术：适用于网络和多用户系统的磁带技术


磁带数码线性磁带（ DLT ）技术： DL

T 技术采用单轴 1/2英寸磁带仓，以纵向曲线记录法为基础

线性磁带开放（ LTO ）技术： LTO 技术结合了线性多通道、双向磁带格式的优点，基于服务系统、硬件数据压缩、优化的磁道面和高效率纠错技术，来提高磁道的性能


本章小结

计算机硬件的发展有两大趋势 :

一是巨型化 ,即向超高速、大容量、实时和智能化方向发展；

二是向微型化、低功耗、低价格方向发展。


本章小结本章以微型计算机为主线 , 介绍了计算机的

体系结构及运算器、控制器、存储器和输入输出设备等基本部件。在后续课程中，通过计算机组成与体系结构、微机原理及其应用、单片机及应用、接口与通信等课程的学习，进一步掌握汇编语言编程、计算机的工作原理、输入输出方式以及并行处理等先进的计算机体系，并能运用这些技术设计或开发计算机控制系统。


习题

P.103 一、简答题二、选择题三、实践题四、探索题

Documents

第 3 章 计算机硬件系统

第 3 章计算机硬件系统