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计算机网络技术与应用计算中心王占全zhqwang@ecust.edu.cn642528301第2章微型计算机的主要部件微型计算机由各种功能部件组装而成，包括CPU、内存、主板、外部存储设备、I/O设备等。本章主要介绍内存储器的结构、分类及工作原理；输入输出接口，输入输出控制方式以及一些常用的外部设备；然后对各种外存储设备的特点、结构及工作原理进行了说明，最后介绍了总线及中断技术。22.1存储器计算机的存储器系统是计算机的重要功能部件，它的主要职能是存放指令（程序）、操作数（数据）及操作结果。把程序和数据事先存放在存储器中，是实现计算机自动、快速工作的基础，它体现了冯·诺依曼的“程序存储”设计思想，是现代绝大数计算机的基本特征之一。3存储器系统性能的优劣，对计算机系统的性能影响极大，如何设计一个容量大、速度快、能耗小、成本低的存储器，是计算机系统设计的一个重要目标。2.1存储器一、存储器的基本概念1．存储器的功能存储器是计算机的记忆设备，进入计算机的程序、数据都存放在存储器中。程序运行时，输入设备在CPU的控制下把程序和数据输入到存储器，CPU从存储器中存取程序和数据，而经过处理的结果数据则在CPU的控制下通过输出设备输出到计算机之外。由此可见，存储器也是计算机程序和数据的收发集散地。42.1存储器存储系统指存储器硬件设备以及管理它们的软、硬件。由于计算机对存储器提出的基本要求是大容量、高速度、低成本，单一的存储器很难满足以上要求。因此需要将不同的存储器合理、有机地组织起来，才能构成计算机的存储体系。52.1内存储器2．存储器的分类（1）根据位置可以区分为：内存储器（主存）外存储器（辅存）（2）根据所使用的材料，可分为：磁存储器半导体存储器光存储器62.1存储器（3）根据工作方式，又可分为：随机存取存储器：（RandomAccessMemory，RAM）只读存储器：（ReadOnlyMemory，ROM）顺序存取存储器：（SequentialAccessMemorry，SAM）直接存取存储器：（DirectAccessMemory，DAM）72.1存储器3．存储器的主要指标主要指标有：存储容量、存储周期和存取时间等。（1）存储容量位（bit，b）、字节（Byte，B）千字节（KB）兆字节（MB）吉字节（GB）太字节（TB）82.1存储器（2）存储周期处理器连续两次启动某个存储器所需的最小时间间隔称为该存储器的存储周期TM。若把存储器被连续访问时可以提供的数据传送率定义为存储器的频宽Bm，显然有：Bm=W/TM其中W为存储器的总线宽度。92.1存储器（3）访问时间和存取时间从存储器收到有效地址到在其输出端出现有效数据的时间间隔，称为访问时间或存取时间TA，访问时间与存储周期不尽相同。在半导体静态RAM中读或写操作之后没有刷新要求，所以其存储周期与访问时间相同；但在半导体动态RAM中读或写之后还需要考虑到刷新所消耗的时间。一般有：TM≥TA102.1存储器（4）性价比性价比是衡量存储器的综合性指标，可根据对存储器的不同用途、不同环境要求进行对比选择。（5）功耗功耗反映了存储器耗电的多少，也相应地反映了存储器部件发热的程度。（6）可靠性可靠性是指在规定的时间内存储器正常工作的概率，用平均故障间隔时间来衡量。112.1存储器4．存储器的多级结构在一个计算机系统中的三个基本性能指标存储容量；存储器速度；存储器价格；存储器的速度越快，则每bit的价格就越高；存储器的容量越大，则存储器的速度就越慢。采用由多级存储器组成的存储体系，把几种存储技术结合起来，才能较好地解决存储器大容量、高速度和低成本这三者之间的矛盾。122.1存储器CPU寄存器高速缓冲存储器主存储器辅助存储器大容量存储器存储器的多级结构132.1存储器二、存储体系的演变1．虚拟存储器虚拟存储是实现内存扩充的一种重要方法（VirtualStorage）（1）虚拟存储器的原理——采用分页式存储（2）虚拟存储器的实现——虚页实页转换14作业1...作业2...XXXYYY磁盘上的作业地址空间PMT2PMT111113007XXX45YYY虚页实页01234567标志位内存页号外存页号...内存空间2.1存储器2．高速缓冲存储器高速缓存（Cache）的作用相当于提高主存的速度。Cache是为了提高存取速度，在CPU和主存之间设置的一种“高速缓冲存储器”，使存取周期与时钟周期接近于匹配，Cache一般由速度明显高于DRAM的静态RAM（SRAM）构成。152.1存储器Cache主要有以下几个方面的特点：（1）Cache保存了主存储器的部分副本；（2）Cache仅仅是主存储器的高速缓冲区，不能由用户直接访问。（3）从存储内容上讲，Cache又可分为指令Cache，O（Opcodeonly）Cache；数据Cache，R（dataRead）CacheR+W（dataReadandWrite）Cache；混合Cache，O+RCache，O+R+WCache162.1存储器三、半导体存储器1．半导体存储器的分类（1）随机存取存储器RAMSRAM和DRAM，DRAM芯片的发展（2）只读存储器ROM掩膜ROM（MaskedROM）可编程只读存储器PROM可擦除的可编程只读存储器EPROM电可擦除的可编程只读存储器置EEPROMFlash存储器//172.1存储器2．半导体存储器的组成半导体存储器由存储单元、地址选择电路、读/写电路以及控制电路所组成。（1）存储单元矩阵（2）地址选择电路（3）读／写电路和控制电路18存储单元矩阵地址译码器读写放大器数据寄存器地址码寄存器……地址总线……控制电路RDWRCS片选写读数据总线2.2外围设备在微机系统中除CPU与主存之外的其它部件统称为外围设备（简称外设）。外围设备的主要作用是从微机系统外接收数据，将这些数据传送给微机系统的其它部件，同时将微机系统处理后的数据传送到微机系统外。在计算机中，由外部设备将数据传送给CPU叫输入，反之叫做输出。本节将介绍微机的输入输出接口，输入输出控制方式以及一些常用的外部设备。19202122232.2外围设备一、输入输出接口CPU的数据总线不可能直接与各个外部设备相连接，必须通过一个中间环节对数据信息进行相适应的变换。中间环节称为输入输出接口I/O接口。I/O接口在主机与外部设备之间的连接。常用的有显示适配卡（显示卡）、打印机适配卡（打印卡）、网络适配卡（网卡）等。242.2外围设备1．接口的作用（1）数据隔离（2）数据缓冲（3）数据变换（4）提供外围设备和接口的状态（5）主机与外围设备之间的通信联络控制252.2外围设备2．接口的交换信号（1）交换信号的类型数字量D/模拟量A，开关量、脉冲量（2）信号传送方式并行传送：并行接口可以向外设同时传送一个字节或多个字节。它使用的连线多，通常用在传输距离较短，数据传输率要求较高的场合。串行传送：串行接口是一位接一位依次地传送。它使用的连线少，但传输速度慢，所以常用于低速I/O设备和长距离的远程通信。(同步通信、异步通信)262.2外围设备二、输入输出控制方式CPU是微机的核心部件。它不仅要承担数据的加工和运算，还要控制数据的输入和输出。输入/输出控制方式包括程序控制方式中断控制方式直接存储器存取方式（DMA方式）输入/输出处理机方式272.2外围设备1．程序控制方式在程序控制下进行信息传送，又有无条件传送方式与条件传送方式两种。(1)无条件传送在程序中恰当位置直接插入I/O指令，当程序执行到这些指令时，外设马上与CPU进行数据交换这种传送方式使用方便，所需的软、硬件资源都少。但它要求外设总是在数据交换前作好接收或发送数据的准备，因而只适用于操作时间为已知或变化十分缓慢的外设。282.2外围设备(2)条件传送当外设的操作时间未知或与CPU不同步时，可采用条件传送方式。这一方式的特点是：在执行I/O操作之前先用程序对外设的状态进行检测。只有当检测到所选择的外设已作好输入/输出准备并发回状态信息后，才能开始执行I/O操作。因此该方式也可称为状态查询方式。292.2外围设备用查询方式进行数据交换的工作流程如图所示。图中的状态信息对输入设备而言有效状态信息为READY（准备就绪），对输出设备而言有效状态信息为BUSY（闲），均用1位二进制数表示。30启动输入/输出设备输入状态信息状态信息是否有效？执行I/O操作YN2.2外围设备2．中断控制方式“中断”概念出现后，随即被应用到I/O系统中，产生了由中断控制的I/O方式。所谓“中断控制”，就是当CPU执行程序时，允许外部设备用“中断”信号中止CPU原来正在执行的程序。具体地说，当外设需要与CPU进行数据交换时，便由接口板向CPU发出一个中断请求信号，待CPU响应这一中断请求后，便可通过中断服务程序完成一个字节或一个字的信息交换。312.2外围设备3．直接存储器存取方式（DMA方式）用中断方式控制I/O传送时，每交换一个字（节）要实施一次中断，在成批（或成组、成块）传送时效率太低。因此在使用高速I/O设备（例如磁盘或光盘）传送成批数据时，最好采用直接存储器存取（DirectMemoryAccess,DMA）方式。这种方式完全由硬件（称为DMA控制器）来完成I/O传送。数据交换不必经CPU中的寄存器为中介，可直接在外设和存储器之间进行。322.2外围设备4.输入/输出处理机控制方式对于有大量输入/输出设备的微机系统，连DMA控制方式也不能满足需要。这时可设置与CPU配套的输入/输出处理机（IOP），专门执行输入/输出操作。在整个数据块的传送过程中，CPU可摆脱对外设的管理去完成其它作业。332.2外围设备三、常用外部设备外部设备（ExternalDevice）用于在计算机与其它机器之间、以及计算机与用户之间提供联系。没有外部设备的计算机就像缺少五官四肢的人一样，既不能从外界接收信息，又不能对处理的结果作出表达和反应。微型计算机的外部设备可包括输入/输出设备、外存设备、通信设备、过程控制设备等种类。342.2外围设备1．常用输入设备（1）键盘键盘是最常用也是主要的输入设备，用户通过键盘，可以将英文字母、数字、标点符号、汉字及其它图形、文字输入到计算机的存储器中，从而向计算机发出命令或输入数据。352.2外围设备（2）鼠标鼠标的英文名称为Mouse，是一个可以按在手掌下，带有两个（或三个）按键，拖着一条长尾巴（连到微型计算机的串行口上）的设备。它能增强或代替键盘的光标移动键，可以在屏幕上更快速更准确地定位光标；它亦是一种计算机辅助输入设备。由于它使用方便，几乎取得了与键盘同等重要的地位。362.2外围设备（3）光笔光笔的外形与钢笔相似，其头部装有一个透镜系统，能将进入的光聚为一个光点。在光笔头部附有开关，当按下开关时，光笔就可拾取CRT屏幕上的光标。光笔与屏幕上的光标配合，可使光标跟踪光笔移动。光笔的工作原理是：辨认荧光屏上的选点是否为光点，然后再作预定的响应。372.2外围设备（4）条形码阅读器条形码是利用黑白相间、宽窄不同的条组成的编码。条形码阅读器选用光电技术对条形码进行扫描，并根据条的宽窄转换成其记录的信息再输入给计算机，在商业管理信息系统中应用较多。条形码阅读器的选用可以大大减少击键次数，加快录入速度。382.2外围设备（5）数码相机数码相机又称数字式相机，是一种集光、机、电于一体的产品。它既可像传统相机一样用于拍照，又可用作计算机的图像输入设备，供计算机对拍摄的图像直接加工处理。它是20世纪末声像领域突起的一支异军，也是多媒体计算机图像输入设备中令人瞩目的一颗新星。392.2外围设备2．常用输出设备输出设备的任务是将信息传送到中央处理器之外的介质上。显示器和打印机是计算机中最常用的两种输出设备。（1）显示器显示器也叫监视器，是微型机中最重要的一种输出设备，也是人机交互必不可少的设备。显示器的种类402.2外围设备显示器主要性能指标分辨率（Resolution）灰度级（GrayLevel）刷新（Re