微机硬件系统PPT.ppt
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1、第3章 微机硬件系统 本章介绍计算机的硬件系统,主要内容本章介绍计算机的硬件系统,主要内容包括计算机的输入设备,输出设备,存储器,包括计算机的输入设备,输出设备,存储器,CPU,总线,微机主板及各种接口等。,总线,微机主板及各种接口等。计算机硬件系统v3.1 计算机系统的概述v3.2 计算机的工作原理v3.3 中央处理器 v3.4 存储器 v3.5 内存储器 v3.6 外存储器 v3.7 输入/输出设备 v3.8总线v3.9 微机接口3.1 计算机系统的概述计算机计算机计算机计算机是一台能存储程序和数据,并能自动执行程序的机器;是一种能对各种数字化信息进行处理,即协助人们获取信息、处理信息、存
2、储信息和传递信息的工具。一个完整的计算机系统由硬件系统硬件系统和软件系统软件系统两部分组成。计算机系统 微机的硬件部件1、一台普通的微、一台普通的微机,秘密在机箱中机,秘密在机箱中2、打开机箱,会看、打开机箱,会看见电线、电路板、装见电线、电路板、装有硬盘、光驱的铁盒有硬盘、光驱的铁盒子子机箱机箱3、主板,是一个分层的电路、主板,是一个分层的电路板,上面布满了各种硬件接口,板,上面布满了各种硬件接口,板上有电子线路,它们形成了板上有电子线路,它们形成了一个四通八达的通路,把各种一个四通八达的通路,把各种接口连接成了一个有机的整体接口连接成了一个有机的整体位于机箱内的主板位于机箱内的主板4、存储
3、条,它插入主、存储条,它插入主板上的存储器扩展槽中板上的存储器扩展槽中5、40芯线的芯线的IDE扁平扁平电缆,一端插入主板电缆,一端插入主板上的上的IDE接口,另一接口,另一端硬盘或光驱相连端硬盘或光驱相连光驱硬盘6、各种功能扩展卡,、各种功能扩展卡,插入主板上的各种扩插入主板上的各种扩展槽中展槽中3.2 计算机存储程序存储程序的工作原理1.冯诺依曼结构的特点2.计算机指令3.计算机的工作原理4.计算机硬件系统的组成冯冯 诺依曼诺依曼(John von eumann)v美籍匈牙利科学家,美籍匈牙利科学家,现代计算机之父,率现代计算机之父,率先奠定了现代计算机先奠定了现代计算机的基本结构。的基本
4、结构。1、冯冯 诺依曼结构的特点诺依曼结构的特点v计算机硬件系统由五大部件组成(输入设备、输入设备、输出设备、存储器、控制器、运算器输出设备、存储器、控制器、运算器)v用二进制形式表示指令和数据v可存储程序,指令和数据一样的也存储在存储器中,并可以象数据那样加以处理v使用低级机器语言编写指令v程序控制:自动取指令并加以执行指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。机器指令格式机器指令格式操作码操作码 操作数操作数机器执行什么操作机器执行什么操作执行对象(具体数、存放位置)执行对象(具体数、存放位置)2、计
5、算机指令计算机指令3、计算机的工作原理不断的取指令和执行指令,最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。v预取指令v指令译码v地址计算v执行运算v存放结果4、计算机硬件系统的组成(外)存储器(外)存储器(内)存储器(内)存储器控制器控制器数据流数据流地址流地址流控制流控制流运算器运算器3.3 中央处理器(CPU)vCPU(Central Processing Unit)功能:从存储器中取出指令,按指令要求 对数 据进行运算。(取指令,执行指令)v组成:控制器运算器寄存器v是计算机系统的核心。v微型计算机的CPU称为微处理器。不是单独的元件,存在于控制器和运算器中!控制器控制器是计算机的神经中
6、枢。控制器是计算机的神经中枢。控制器对输入的指令进行分析,并统一控制控制器对输入的指令进行分析,并统一控制计算机的各个部件以完成一定的任务。计算机的各个部件以完成一定的任务。它是指挥整个计算机有条不紊地自动执行程它是指挥整个计算机有条不紊地自动执行程序的元件。序的元件。运算器又称算术逻辑单元运算器又称算术逻辑单元ALU。其主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。其主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。运算器运算器算术逻辑单元算术逻辑单元累加器累加器状态寄存器状态寄存器通用寄存器通用寄存器运算运算暂存操作数和运算结果。暂存操作数和运算结果。存放算术逻辑单元在工存放算术逻辑单元在工作中产生的状态信息
7、。作中产生的状态信息。暂存操作数或数据地址。暂存操作数或数据地址。运算器CPU的较重要的几个性能指标v时钟频率计算机内部有一个时钟发生器不断地发出电脉冲,产生系统所需要的标准时钟信号,每秒钟产生的时钟脉冲个数称为时钟频率,也叫主频,其单位是赫兹。v指令周期指令周期是指计算机执行一条指令所用的时间,一个完整的指令周期包括:取指令、解释指令、执行指令几个操作步骤。v字长字长是中央处理器可以一次能够处理的二进制数据的位数 vCPU缓存为了提高微机的整体性能,CPU芯片生产商在CPU内部增加了一种存储容量较小的快速存储器(SRAM)以缓解内存与CPU之间的速度差异,提高CPU的性能,这种存储器就是CP
8、U快存。指令的兼容与精减问题v 指令系统每种类型的CPU都有一套指令系统,这套指令系统向程序编制者提供了编写程序的可用命令,人们把这些命令称为机器语言,把用这些命令编写的程序称为机器语言程序。v指令系统的兼容性问题 不同类型的CPU提供的机器语言不同,所以用某一类计算机的机器语言编制出来的程序很难直接在其他类型的计算机上有效地运行,这个问题称为指令不兼容 向下兼容与向上兼容向下兼容与向上兼容v指令的精减问题 CISC指令系统RISC指令系统3.4 存储器计算机的记忆装置。v主存(内存)与CPU直接进行数据交换。ROM,RAM。v辅存(外存)经主存的过渡与CPU交换数据。软盘,硬盘,光盘,磁带。
9、CPUCPURAMRAM外存外存ROMROMWWRR存储器几个要素:v存储容量存储器所能容纳的二进制信息量的总和就称为存储容量,存储容量的大小决定了计算机能存取信息的多少。v存取周期 存取周期是指计算机从存储器读出数据或写入数据所需要的时间,它可以说明存储器存取速度的快慢。v存储地址 为了区别不同的存储单元,就给每个存储单元一个唯一的编号,这个编号就称为存储单元的地址,简称存储地址。存贮器的分级存储体系 ALU寄存器 Cache存储器主存储器(DRAM)辅助存储器(软盘、硬盘、光盘)后援存储器(磁带库、光盘库)3.5 内存储器v随机访问存储器(RAM:Random Access Memory)
10、v只读存储器(即ROM:Read Only Memory)随机访问存储器(RAM)v1、RAM的特点 可以随时读出其中的内容,也可以随时写入新的内容 随机存取,即存取任一单元所需的时间相同,不必顺序访问存储单元。断电后,RAM中的内容就立即消失,这称之为易失性。v2、RAM的用途 存放当前正在执行的程序和数据。作为I/O数据缓冲存储器。作为中断服务程序和子程序中保护CPU现场信息的堆栈。在后备电源(一般是可充电电池)及掉电保护电路的支持下,作为存放系统配置参数和高级芯片状态参数的存储器。只读存储器(ROM)v1、只读存储器的特点 只能读出原有的内容,而不能由用户再次写入新内容,ROM中存储的内
11、容由厂家一次性写入并永久保存。ROM中的信息是非易失性的,即使内存掉电,ROM中的内容也不会丢失。v2、只读存储器的常见类型 掩膜ROM 可编程只读存储器(PROM)可擦除可编程只读存储器(EPROM)E2PROM 寄存器 v寄存器是由电子线路组成,在工艺上与CPU一致,速度上与CPU相匹配,如地址寄存器、数据寄存器、计数器等。寄存器主要被集成在CPU内部,用来存放即刻要执行的指令和使用的数据,由于它的成本代价较高,所以数目较少,容量不大。高速缓冲存储器(Cache)解决解决CPU与内存的速度差与内存的速度差CACHE(超高速缓冲存储器,快存)CPU看到的是CACHE,每次访问是CACHE。由
12、系统负责将内存的信息移入(移出)CACHE,而用户是感觉不到。各级存储器的速度差别各级存储器的速度差别 CPU-CACHE-MEMORY-DISK-BAK 15ns 60ns ms s Cache的工作原理虚拟存储器 v虚拟内存的方法实际是用计算机的硬盘来扩充内存,即使用磁盘存储器来模拟内存RAM。v虚拟内存的速度比内存的速度要慢许多 v同内存一样,虚拟内存中的数据在电源关闭之后也不存在 CMOS存储器 v保存计算机的引导数据、系统硬件信息等,它能够保存的时间长,可更改。v忠告:CMOS数据对计算机的初始引导工作数据对计算机的初始引导工作至关重要,至关重要,CMOS数据不正确,可能造成计数据不
13、正确,可能造成计算机不能启动或不正常的启动。不是必要的算机不能启动或不正常的启动。不是必要的时候不要去修改时候不要去修改CMOS中的数据。中的数据。3.6 外存储器v软盘驱动器及软盘 v光盘及光盘存储器 v硬盘存储器 vU盘磁盘存储器v磁盘存储原理磁盘存储原理将磁性材料(磁粉颗将磁性材料(磁粉颗粒)涂摸在塑料或金粒)涂摸在塑料或金属圆盘上就形成了磁属圆盘上就形成了磁盘。磁盘上的磁粉颗盘。磁盘上的磁粉颗粒能够保存它们的磁粒能够保存它们的磁化方向,可以永久性化方向,可以永久性地保存数据。地保存数据。涂有磁涂有磁粉颗粒的塑料盘就是粉颗粒的塑料盘就是软盘,涂有磁粉颗粒软盘,涂有磁粉颗粒的金属盘就是硬盘
14、。的金属盘就是硬盘。磁盘存储器v磁道磁盘必须经过格式化后才磁盘必须经过格式化后才能存储数据。在格式化的能存储数据。在格式化的过程中,磁盘的读过程中,磁盘的读/写磁写磁头在磁表面设置磁模式,头在磁表面设置磁模式,将磁盘表面划分成许多同将磁盘表面划分成许多同心园,每个同心圆又称为心园,每个同心圆又称为磁道磁道v扇区每个磁道又被等分成许多扇每个磁道又被等分成许多扇形区域,称为扇区,数据被形区域,称为扇区,数据被存放扇区中,每个扇区的容存放扇区中,每个扇区的容量是量是512字节。扇区的首部包字节。扇区的首部包含了扇区的惟一地址标识含了扇区的惟一地址标识ID,扇区之间有空隙隔开,便,扇区之间有空隙隔开,
15、便于于DOS或或Windows系统进行系统进行识别。识别。磁盘簇 在实际系统中,操作系统将磁盘上一在实际系统中,操作系统将磁盘上一个或若干个扇区组织成一个个或若干个扇区组织成一个“簇簇”(Cluster),),簇是操作系统进行数据读写操作的最小逻辑单位,簇是操作系统进行数据读写操作的最小逻辑单位,即数据在磁盘上是以簇(不是以扇区)为单位存即数据在磁盘上是以簇(不是以扇区)为单位存放的。一个簇由一个或多个扇区组成,每个簇所放的。一个簇由一个或多个扇区组成,每个簇所占的扇区数由操作系统和磁盘的类型决定占的扇区数由操作系统和磁盘的类型决定 软盘驱动器及软盘v便携式的,用来存储小容量的数据信息(3.5
16、英寸软盘是 1.44M)v对软盘的存储需要注意以下几点:磁盘有两面(0面和1面)。每面分为若干同心园,称为磁道(Track),低密盘有40个磁道,高密盘有80个磁道。每个磁道又分为若干扇区(Sector),扇区是磁盘的基本存储单位,用它来表示磁盘的物理数据单元。每当读盘或写盘时,总是读写一个完整的扇区,不论其中数据的多少。使用软盘的时候需注意以下几点v使用软盘的时候需注意以下几点:(1)软盘插入软驱时,要正面朝上(带有标签的一面为正面),读写槽朝前。(2)有重要信息的软盘要及时备份,贴上标签。必要时应做好写保护,以免不小心而丢失信息。(3)暂时不用的软盘要妥善保存,不弯折、不重压,要防强磁、高
17、温、防潮。(4)在拷贝来历不明的磁盘时,应先检查软盘是否有病毒,确认无病毒后方可使用。在使用过程中不要用手去摸裸露的盘面,用完立即入套,防范尘埃。硬盘存储器 v硬盘存储器简称硬盘,又称固定盘,它的存储原理与软盘相同硬盘存储器简称硬盘,又称固定盘,它的存储原理与软盘相同;它的存储容量很大(它的存储容量很大(80G、120G等)硬盘是等)硬盘是PC机不可缺少的外机不可缺少的外存储器。存储器。v硬盘的接口方式硬盘的接口方式:IDE接口接口,SCSI接口。接口。v硬盘的结构硬盘的结构又称为温盘。把硬盘又称为温盘。把硬盘的磁头、盘片、主轴的磁头、盘片、主轴电机、寻道电机及相电机、寻道电机及相关的控制电路
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