(3.1)--第3章计算机硬件(第3版).pdf

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1、第第3章章计算机硬件计算机硬件大学计算机基础教程（第3版）内容摘要内容摘要3.1 计算机硬件系统计算机硬件系统3.2 嵌入式系统与嵌入式系统与DSP23.1计算机硬件系统计算机硬件系统3计算机硬件系统构成计算机硬件系统构成 计算机硬件由CPU、存储器、输入输出设备、接口电路和总线组成 存储器存储器用于存储计算机的程序和数据，又分为内存内存和外存外存 将CPU、内存、接口电路和总线称为主机主机，将外存和输入输出设备称为外设外设4 4单总线硬件结构图单总线硬件结构图5 5CPU构成构成 CPUCPU，也称为中央处理器中央处理器，是计算机系统的指挥控制核心 主要由运算器、控制器和一些寄存器组成 计算

2、机其它部件都受CPU控制 运算器运算器(ALU)完成算术运算和逻辑运算。控制器控制器(CU)是整个计算机的控制中心，主要功能是周而复始地取指令、分析指令和执行指令。6 6寄存器寄存器 寄存器是CPU内临时存放信息的部件，包括：1 1）通用寄存器R0，R1，2 2）指令寄存器指令寄存器(IR)(IR)3 3）程序计数器程序计数器(PC)(PC)7 7存储器存储器 用于存储计算机的程序和数据 程序、数据、中间结果都以二进制形式存在于各种存储器中 一个存储元存储元只能存储一个二进制位，即一个“0”或者“1”，一般以bitbit为单位 8位存储元组成的单位叫做一个字节字节（ByteByte）1Byte

3、=1B=8bit1KB=1024B=210Byte 1MB=1024KB=220Byte1GB=1024MB=230Byte 1TB=1024GB=240Byte 8 8存储器续存储器续 每个存储单元在整个存储中的位置都有一个编号,称为该存储单元的地址地址 一个存储器中所有存储单元的总数量称为它的存储容量存储容量9 9存储器续存储器续 CPU根据存储单元的地址来访问存储单元 存储器和CPU最主要的连接线有地址线、数据线和控制线 地址线地址线用于从CPU向存储器发送读写地址 数据线数据线用于在CPU和存储器之间传输数据 控制线控制线用于指明对存储器的操作性质1010存储器分类存储器分类 按存储介

4、质分类：磁介质存储器、半导体存储器和光介质存储器 按存取方法分类：随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两类 RAM按存储原理分类：动态存储器（DRAM）和静态存储器（SRAM）两类 根据在计算机中所处位置和作用可分为内存、外存和缓冲存储器等1111CacheCache 称为称为高速缓冲存储器高速缓冲存储器或或快存快存 由由CacheCache存储器和存储器和CacheCache控制器组成控制器组成 主要解决主要解决CPUCPU和主存速度不匹配的问题和主存速度不匹配的问题 纯硬件设计，对用户透明纯硬件设计，对用户透明 容量越大，命中率越高容量越大，命中率越高1212虚拟存储器虚拟存储器

5、 虚拟存储器虚拟存储器简称为虚存虚存，主要解决内存容量不够大的问题 处于存储器层次结构的“主存-辅存”层次 利用程序局部性原理 使虚存容量达到辅存的容量，成本接近辅存的成本，访问速度接近主存的速度 由硬件和操作系统自动实现信息调度和管理1313存储器层次结构存储器层次结构 解决存储器容量、价格、成本之间的矛盾。主要包括高速缓冲存储器高速缓冲存储器CacheCache、内部存储内部存储器器、外部存储器外部存储器三层 各层间信息流动由辅助硬件或操作系统自动完成。可以提高计算机的性能价格比1414存储器层次结构续存储器层次结构续1515总线总线 计算机系统内部多个模块间的一组公共传输通道 传输数据、

6、地址和控制信息 在计算机中表现为主板上的一组并行信号线 地址总线（地址总线（ABAB），），用来传送地址信息，n根地址总线可以访问的地址空间是2n 数据总线（数据总线（DBDB），），用于传送数据信息，数据总线的根数决定了通过该总线一次可以传送的信息量 控制总线（控制总线（CBCB），），用于在主控设备和被控设备之间传送控制信号：中断、DMA、时钟、复位、握手信号等1616总线分类总线分类 片内总线片内总线是CPU内部多个功能部件的数据传输通路 系统总线系统总线又称为内总线内总线，是计算机系统中各接口电路板和主存之间的信息通路，如ISA、EISA、PCI等 通信总线通信总线也称为外总线外总线，

7、是计算机与计算机之间或者计算机与其它通信设备之间的连接线，如：RS232、RS485、USB、CAN总线等 局部总线局部总线，也称为处理器总线处理器总线，是为了提高系统数据传输率而设计的专用总线1717常用总线标准常用总线标准 ISA EISA PCI AGP USB RS-232 RS-4851818接口接口 接口接口就是CPU与外设的连接电路，是CPU与外设进行信息交换的中转站 主要功能：1.信息变换2.速度协调3.中断处理4.电平转换5.信号放大1919接口工作原理接口工作原理 接口中可供CPU读写操作的寄存器叫做端口端口，这些寄存器的地址称为端口地址端口地址 通常包括数据端口数据端口、

8、状态端口状态端口和控制端口控制端口2020常见外设接口常见外设接口并行接口（并口）串行接口（串口）硬盘接口网络接口声卡接口USB接口显示器接口2121外部设备外部设备 大部分是机械、光电等低速设备，无法直接和CPU通信 采用接口接口电路做外部设备和CPU之间的中转站，每个接口里都有少量可供CPU读写的寄存器，称之为端口端口（Port）CPU通过对接口中的端口读写数据实现对外部设备的间接控制 主要包括输入设备、输出设备、外部存储器、网络通信设备、工业控制设备等2222常用外设常用外设 键盘 鼠标 显示器：分辨率，帧频，显存容量分辨率，帧频，显存容量 打印机 光盘 U盘 硬盘2323硬盘硬盘 使用

9、最广泛的磁表面存储器，属于辅存 主要用于长期存储操作系统以及应用程序，断电信息也不丢失 可靠性好、存储容量大、存储速度快 硬盘由多个盘片组成，每个盘面都有一个磁头磁头。每个盘面由许多称为磁道磁道的同心圆组成，所有盘面上的相同编号的同心圆就组成许多圆柱面柱面。每个磁道又由多个扇区扇区组成。2424硬盘续硬盘续 计算机通常以扇区为单位对硬盘进行读写，一个扇区的大小为512字节到几K字节 硬盘容量硬盘容量=磁面数磁面数(磁头数磁头数)柱面数柱面数(每面磁道每面磁道数数)每磁道扇区数每扇区字节数每磁道扇区数每扇区字节数 使用前需要格式化格式化（Format），包括低级格式化和高级格式化 常用的技术指标

10、有存储容量、转速以及数据传输率2525CMOSCMOS及及BIOSBIOS CMOSCMOS：主板上一小容量RAM，由电池供电，存储系统参数，例如：日期时间，开机密码等 BIOSBIOS，基本输入输出系统基本输入输出系统，主板上一小容量ROM，存放系统自检测程序和基本驱动程序 系统开机启动 1）运行BIOS系统自检测程序 2）根据CMOS设置加载操作系统到内存 3）转入操作系统运行2626计算机常用性能指标计算机常用性能指标 主频主频：即CPU的时钟频率，决定计算机的运算速度，常用单位为MHZ，GHZ 字长字长：决定了计算机的运算精度和存储单元数据位数 运算速度运算速度：表示计算机每秒可以运行

11、的指令条数，通常用MIPS做单位 存储容量存储容量：表示计算机以字为单位的存储单元总数2727计算机常用性能指标续计算机常用性能指标续 内存寻址空间内存寻址空间：表示计算机中最大可配置的内存容量，系统总线中地址总线的根数有关。存储周期存储周期：表示CPU对存储器两次连续访问的最短时间，用于衡量存储器的操作速度 总线带宽总线带宽:表示总线每秒可以传输的数据信息总量，常用单位是MB/S 28283.2嵌入式系统与嵌入式系统与DSP29嵌入式系统嵌入式系统 嵌入式系统嵌入式系统（Embedded System）是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应于对系统功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求

12、的专用计算机系统 由硬件和软件组成 硬件部分主要包括嵌入式CPU、程序存储器、数据存储器、时钟电路、电源电路、定时器、中断、串行口、A/D、D/A、I/O等3030嵌入式系统构成嵌入式系统构成3131哈佛体系结构哈佛体系结构 哈佛结构哈佛结构是一种将程序存储器和数据存储器分开的存储器结构，两者独立编址 具有较高的访存速度和执行效率 大多数单片机和嵌入式系统采用哈佛结构3232嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 软件硬件集成于一体 软件硬件可按用户要求裁剪订制 专用性强 实时性好 可靠性高 功耗低 代码量小，软件固化3333嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 信息家电、无线通信设备 工业控制

13、 环境监测 军事国防 智能调度管理系统 智能机器人 汽车电子、医疗仪器、网络设备3434DSP简介简介 DSP(DSP(数字信号处理器数字信号处理器)是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的专用微处理器 软件可编程 运算速度远远超过通用微处理器 是航空航天、无线通信、高速计算、消费类电子产品中常用的器件3535DSPDSP芯片功能特点芯片功能特点 具有高速的运算能力，运算速度可达几千MIPS 采用哈佛结构，程序和数据空间分开 用硬件实现常用数字信号算法 采用硬件流水线结构，可以并行执行多个操作3636DSPDSP主要应用领域主要应用领域 语音处理 图形/图像处理 军事领域 仪器仪表 家用电器 生物医学信号处理3737