计算机硬件基础知识

计算机硬件基础知识

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参考教材《计算机应用基础 06版》第二章《大学计算机基础实践教程 07版》第七章


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冯诺伊曼模式• 1946 年，美籍匈牙利科学家冯诺伊曼（ John

von Neumann ）指出一个通用计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等组成，并采用程序存储和控制的方式进行运算。这种计算机框架模式被称为冯诺伊曼模式。

• 微型计算机仍然沿袭了冯诺伊曼模式。通常将中央处理器和内存储器合在一起称为主机，将外存储器、输入设备和输出设备等称为计算机外部设备，简称外设。


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计算机系统基本组成• 计算机系统：硬件和软件

• 硬件：中央处理单元、输入接口和设备、输出接口和设备、以及存储器等

• 软件：程序、文件以及有关的文档资料

图示


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计算机硬件基本组成• 存储器、运算器、控制器、输入设备与输

出设备等五大部分• 中央处理器 (CPU)

– 运算器、控制器制作在同一芯片内• 早期：以控制器、运算器为机器的中心

– 快速中央处理在等待慢速的外围设备 – 控制器的负担过重

• 改成以主存储器为中心– 系统的输入／输出与 CPU 的运算并行– 多种输入和输出并行

图示


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程序和数据的存储• 程序存储和程序控制• 存储器基本存储单元

– 每个存储单元一个地址– 按地址访问存储单元内容

• 地址、地址总线和寻址能力• 计算机存储器及其作用：

– 高速缓存、主存 ( 内存）、辅存 ( 外存 )

– 存储数据和指令


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存储器及其管理 • 用二进制表示信息

– 容量单位（位、字节、 KB、MB、 GB、 TB ）

1 ．存储器器件的变革2. 现代信息存储技术 3 ．存贮器的层次结构 4 ．高速缓冲存储器技术5 ．虚拟存储技术


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存储器及其管理 1 ．存储器器件的变革 (1)

• 存储器器件的基本要求– 能表示两个状态（电路、磁性体、光器件）– 能保持状态的稳定（磁性体最佳）– 在控制条件下可以实现状态转换

• 存储器器件变革– 电子器件： 40 年代，速度快，容量小，不能停电– 磁芯存储器 50 年代 – 半导体存储器 60 年代、速度快、体积小、耗电省

• 即 RAM 芯片或 ROM 芯片


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存储器及其管理 1 ．存储器器件的变革 (2)

• 内存半导体存储器类型– DRAM（ Dynamic）

• 电容充放电、结构简单、容量大、功耗小• 用于内存

– SRAM（ Static）• 集成度低、成本高、功耗较大• 用于 Cache

– DDR—— 双倍数据速率内存– DDR2


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存储器及其管理2. 现代存储技术

• 直接连接存储技术– 磁盘：大容量、高转速– 磁带：成本低、灵活方便、易于保存– 光盘

• 移动存储技术– 大容量、高速度、高便携带性– 闪存卡、磁光技术移动产品、闪盘、移动硬盘

• 网络存储技术：– 网络附加存储 NAS(network add-on storage)

– 存储区域网络 SAN(storage area network)


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存储器及其管理 3. 存贮器的层次结构

• 存储器容量与速度的矛盾

三层结构：Cache

MemoryDisk


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存储器及其管理4. 高速缓冲存储器技术

• 解决快速 CPU 和低速内存之间的矛盾 • 多级高速缓存

http://www.chinaunix.net/jh/45/180390.html– 一级 Cache ：在 CPU 的芯片内，容量小– 二级 Cache ：早期安装在主板上，现在一般也在 CPU 内部，容量为 256K 字节或 512K 字节

• Cache 的“命中率”的问题：• 各级缓存和内存间内容保持一致的问题

– 同步更新内存内容 – 滞后更新内容的方法

图示


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存储器及其管理 5. 虚拟存储技术

• 用外存 ( 硬盘 ) 模拟内存•目的：扩大内存容量• 虚拟内存实现的方法

– 暂时不用的内存数据存入外存– 需要时从外存调入内存运行

•得失：增加内存容量、降低运行速度


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总线、外设和接口

1． CPU 内部总线

2. 外部设备

3. 主机板上的扩展总线

4. 硬盘接口

5. USB 外设接口


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总线、外设和接口 1 ． CPU内部总线（ 1）

• 总线：计算机内部各个模块相互交换信息的公共通道


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总线、外设和接口 1 ． CPU内部总线（ 2）

• 总线类型– 数据总线 DB– 地址总线 AB– 控制总线 CB

• 总线的管理：申请、等待、判定、交用• 独立双重总线（ Dual Independent Bus）

– Pentium II 芯片中实现 – 前端总线：微处理器和主存间的信息交换– 后端总线：微处理器和高速缓存间信息交换


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总线、外设和接口 2 ．外部设备

• 外存储器：软盘、硬盘、光盘和磁带机

• 输入设备：键盘和鼠标

• 输出设备：显示器和打印机

• 其他设备：– 绘图机、扫描仪、摄像头、照片输出机、数码照相机、音响

– 声卡、调制解调器、网卡等等


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总线、外设和接口 3 ．主机板上的 ISA到 PCI总线

• 两个问题：– 主板如何与外围设备进行高速数据交换– 主板上如何扩展计算机的功能


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扩展总线的发展

年份

性能

1980 1990PC/XT Bus

ISA Bus

EISA Bus

MCA Bus

VL-Bus

PCI Bus VL-Bus2.0

8位16位

32位

64位


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各种扩展总线的性能比较性能 ISA EISA MAC VESA PCI

最大总线宽度 bit 16 32 32 32 32/64

最高时钟频率MHz 8 8.3 10 33 33

峰值传输速率Mbps 16 40 133 133/267

持续传输速率Mbps 8 20 视情况而定 80

并发性无有有无强

支持设备数量 12 8~10 12 1~3 3~4


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PCMCIA 总线• 小、薄、轻环境下的总线系统

– 用于便携式计算机• 个人计算机存储卡国际联盟

– Personal Computer Memory Card International Association


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总线、外设和接口• RS-232C ：通用的串行端口 COM

• USB ：通用串行总线（ Universal Serial Bus ）由 Intel提出的一种新型接口标准，目前已是主流规范

– 使所有的低速设备都可以连接到统一接口上 – 支持功能传递，可以相互连接成串– 为设备提供电源 – 具有热插拔功能– 以树状结构连接 127 个几乎目前所有种类的外设 – 最大数据传输速率为 12Mbps

– USB 2.0 的数据传输速率可达到 480Mbps

• IEEE 1394 ：另一个用于高速传输数据的串行接口标准

– 数据传输速率可达到 400Mbps。


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发展中的计算机技术• 摩尔定律

– Intel创始人摩尔 1965 年提出– 预言单位平方英寸芯片的晶体管数每过 18－

24 个月就增加一倍• 超线程技术 (Hyper-Threading)• 迅驰技术• 双核处理器 (Dual Core Processor) 和多核

处理器


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实验与作业要求（继续前面未完成的任务）

•《计算机基础实践教程 07 版》– 7.1.3 上机实践 P320– 7.1.4 习题与思考 P322


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磁芯存储器


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半导体存储器


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闪存卡• 基于半导体技术• 特性：低功耗、高可靠性、高存储密度、

高读写速度• 数码相机、 MP3、 PDA• (Personal Digital Assistant)

Compact Flash (CF)卡 Smart Media (SM)卡 Multi Media Card(MMC)

索尼公司的Memory Stick(MS)


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磁光技术移动存储产品• 专业应用• 产品类别

– 磁阻技术的 ORB

– 结合光学与电磁学可重复擦写存储技术的 MO

– 体积小巧的 Click!

– IBM的Microdrive

– 使用了 DVD 技术的 Dataplay


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闪盘• USB 接口•整合闪存芯片、 USB I/O 控制芯片• 容量： 16MB~2GB

– 深圳朗科公司开发的优盘 (OnlyDisk)

– 华旗资讯的爱国者迷你王 (MiniKing) 等


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移动硬盘• USB 接口• IEEE1394 接口


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RAM(Random Access Memory)随机存储器

CPU

Cache


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从 8 位的 PC 总线到 16位 ISA 总线系统

• PC/XT 总线– 80 年代初– IBM PC/XT 计算机

• ISA 总线– 工业标准体系结构 (Industry Standard

Architecture)– 为 16 位的 286 PC/AT 计算机开发


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PCI 总线系统• 1993 年， Intel 等推出• 外围部件互连

(Peripheral Component Interconnect)

• 特性• 比 VL-Bus更优秀，主要供 Pentium使用• 总线通过“ PCI桥”与微处理器相连，不会过热• 增加了高速的读 /写缓冲器，解决数据延迟问题• 支持 64 位数据传输，数据传输率 267Mbps

VL-Bus

PCI-Bus


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硬盘上使用的 IDE 接口线和插头


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硬盘和光盘硬盘

– 高速、大容量， 80GB~200GB– 硬盘接口 http://publish.it168.com/cword/

2816.shtml• IDE （ Integrated Drive Electric ）接口• SCSI（ Small Computer System Interface ）接口• 光纤通道• SATA

• 光驱的接口与硬盘的相同

图示


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软盘 • 软盘：移动存储设备

– 3.5英寸， 1.44MB

•需要有相应的软盘驱动器• 软盘的写保护


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显示器、显示卡、键盘和鼠标• 显示器：参数：尺寸、分辨率、材料类型

• 显示卡– 模拟接口与数字接口– AGP图形加速显示卡– 显示内存

• 键盘： 101/102键、 Windows键、无线键盘 • 鼠标：机械的、光电的、无线遥控


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打印机、扫描仪• 打印机

• 扫描仪：– 性能指标：分辨率、色彩位数、扫描幅面、扫描速度

– 分类：手持式扫描仪、平板扫描仪、滚筒扫描仪

三类打印机的性能比较类型针式打印机激光打印机喷墨打印机

打印分辨率（DPI）较低高较高

打印速度较慢快较快

彩色打印无一般没有有

打印机价格较高高较低


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• 声卡：多媒体功能必不可少的，用于录音和放音– 技术指标：采样位数、最高采样频率、是否采

用数字信号处理器（ DSP ）、 FM 合成 +波表（ Wave Table ）合成、内置混响和功放芯片、Internet 连接

• 调制解调器：电话线上网 – 内置式与外置式 (PC 机 )、 PCMCIA( 便携机 )– 技术指标：速率、差错控制标准、数据压缩标准、传真（ FAX ）功能、兼容性 ( 美国Hayes)

• 网卡：局域网


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接口PS/2口

USB口

串行口并行口

声卡音频接口

游戏接口


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U盘


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容量单位• 1B = 8bits (Max : 255)

• 1KB=1024B=210

• 1MB=1024KB=220

• 1GB=1024MB=230

• 1TB=1024GB=240


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计算机系统基本组成

计算机系统

计算机软件系统

计算机硬件系统

系统软件

应用软件

中央处理器

存储器

输入设备

输出设备


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存储器• 内部存储器（内存）

– 随机存储器（ RAM）、只读存储器（ ROM）

• 高速缓冲存储器（ Cache）• 外部存储器（外存）

– 由软盘、硬盘、 U盘、光盘和磁带存储器等组成

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