第3章--计算机硬件系统,多媒体

计算机导论(2009)第3章计算机硬件系统3.1计算机的基本组成及工作原理3.2计算机硬件子系统3.3计算机软件子系统3.4数据表示3.5数据存储3.6多媒体技术基础3.7本章小结计算机导论(2009)3.1计算机的基本组成及工作原理计算机的基本组成—系统构成计算机导论(2009)3.1计算机的基本组成及工作原理计算机的基本组成—硬件构成冯·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导论(2009)3.1计算机的基本组成及工作原理计算机的工作原理运算器用来完成算术运算和逻辑运算。存储器用来存放数据和程序。控制器用来控制计算机各部分协调工作。输入设备用来将数据和程序输入计算机。输出设备用来将运算结果输出。计算机导论(2009)3.1计算机的基本组成及工作原理计算机的工作步骤1根据要完成任务的工作步骤，编写出相应的程序，一个程序由若干条指令或语句组成。2通过键盘等输入设备把编好的程序输入到计算机的内存储器中，程序中的指令按顺序存放在若干个存储单元中。3控制器从内存储器中读出程序的第一条指令，分析该指令的功能，根据指令的功能要求，控制器指挥计算机的其他部分完成相应的工作。4按上述方式依次执行完程序中的所有指令。计算机导论(2009)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。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。3.1.4微型计算机的硬件结构计算机导论(2009)3.2系统单元中央处理器内存储器外存储器输入设备输出设备主板总线计算机导论(2009)3.2系统单元3.2.1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计算机导论(2009)3.2.2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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3.2系统单元计算机导论(2009)3.2.3微处理器3.2.3中央处理器基本组成运算器控制器寄存器主要性能指标兼容性字长主频计算机导论(2009)微处理器(1)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。(2)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。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(3)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：比较操作计算机导论(2009)3.2.3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Pentium4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。3.2系统单元计算机导论(2009)3.2.4主存储器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存储器的层次结构3.2系统单元计算机导论(2009)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。主要特点断电后存储的数据丢失。用于存放要执行的程序和相应的数据。常用的内存种类随机存取存储器（RandomAccessMemory,RAM）只读存储器（ReadOnlyMemory,ROM）高速缓存（Cache）存储容量表示1TB=1024GB，1GB=1024MB，1MB=1024KB，1KB=1024B。计算机导论(2009)3.2.2内存储器1随机存储器（RAM）2闪存(flashRAM,Flash):非易失的存储器芯片，具有电删除指定数据块的能力。3动态RAM（DRAM）：由一只单一CMOS晶体管组成，通过电容来驱动。优点：集成度高、体积小、成本低。不足：DRAM存储单元需要定时刷新，否则存储的数据就会丢失，存取速度比较慢。用途：目前RAM内存主要选用SDRAM。–同步动态随机存储器（SynchronousDRAM，SDRAM）•单倍数据速率SDRAM（SDR-SDRAM）•双倍数据速率SDRAM（DDR-SDRAM）•四倍数据速率SDRAM（QDR-SDRAM）4静态RAM（SRAM）：优点：在通电情况下，SRAM中存储的数据不会丢失，所以不需定时刷新，存取速度快。不足：集成度较低、体积比较大、成本比较高。用途：主要用于速度快、容量较小的高速缓存。计算机导论(2009)5只读存储器（ROM）6可编程只读存储器（ProgrammableROM，PROM）7可删除编程只读存储器（ErasableProgrammableROM，EPROM）8电可删除编程存储器（ElectricallyErasableProgrammableROM，EEPROM）9互补金属氧化物半导体（CMOS）：CMOS芯片用来存储计算机系统每次开机时所需要的重要信息。它由电池供电。10磁阻随机存取存储器(MRAM)是一种非挥发性的磁性随机存储器，掉电具有记忆功能。与Flash相同。与硬盘存储数据一样，以磁性方向来存储“0”或“1”。可永久保存数据。11BIOS与CMOS的区别计算机导论(2009)3.2.2内存储器快闪存储器高速缓存存储容量不大，存取速度很快。直接集成在CPU内部用于存放部分正在运行的程序和数据由静态存储器构成。常用的容量为128KB/256KB/512KB。计算机导论(2009)3.2.3外存储器主要特点断电后存储的数据不丢失。作为内存的后援设备，存放暂时不需要执行而将来要执行的程序和相应的数据。常用的外存种类软盘（FloppyDisk）硬盘（HardDisk）光盘（CompactDisc）U盘（USB接口盘）计算机导论(2009)3.2.3外存储器软盘内部是一种表面涂覆一层均匀磁性材料的软质圆形盘片。存储的数据是按一系列同心圆记录在其表面上的。软盘的存储容量计算公式：盘面数×每面磁道数×每磁道扇区数×每扇区字节数。软盘的使用要有软盘驱动器的配合。计算机导论(2009)3.2.3外存储器硬盘一个硬盘可以有多张硬质镀磁盘片。硬盘的存储容量计算公式：磁头数×柱面数×每磁道扇区数×每扇区字节数。硬盘与硬盘驱动器是封装在一起的。巨磁阻效应的发现催生了大容量的小体积硬盘，巨磁阻效应的发现者荣获2007年诺贝尔物理学奖。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。硬盘性能的提高：磁盘缓冲、价格低廉磁盘的冗余阵列RAIDs和文件压缩/解压缩计算机导论(2009)1磁盘缓冲需要硬件和软件共同完成。在空闲处理时间，将频繁使用的数据从硬盘读到内存，当需要时能直接从内存读取该数据。2磁盘阵列（diskarray)采用两种技术：（1）一个是由一个硬盘控制器来控制多个硬盘的相互链接，使多个硬盘的读写同步，减少错误，增加效率和可靠度；（2）另一个是把多个磁盘组成一个阵列，当作单一磁盘使用，他将数据分段的方式存储在不同的磁盘中，存取数据时，阵列中的相关磁盘一起动作，大幅度降低数据的存取时间，同时有更加的空间利用率。计算机导论(2009)廉价冗余磁盘阵列（redundantarrayofinexpensivedisk,RAID）常用等级有1，3，5级等。（1）RAIDLevel0是数据分段技术的实现（2）RAIDLevel1使用磁盘映射（diskmirror）技术，就是把一个硬盘的内容同步复制到另一个硬盘里。备份、可靠。（3）RAIDLevel3采用数据交错存储技术，硬盘在SCSI控制卡的控制下同时动作，并将用于奇偶校验的数据存储到特定硬盘机中，具备容错能力，可靠度较佳。（5）RAIDLevel5用硬盘分段技术，与Level3不同在于，他把奇偶校验的数据存储到各个硬盘里，各个硬盘在SCSI控制卡的控制下平行动作，有容错能力。计算机导论(2009)3.2.3存储器光盘：根据激光照射后反射的不同表示不同信息。二进制1由盘片表面的平坦区域表示，0由不平坦区域表示。光盘的读取通过发射细小的一束激光到这些区域，而反射光的强度决定该区域表示1还是0.CD（CompactDisc）650M。CD-ROM（CD-ReadOnlyMemory，只读光盘）。CD-R（CD-Recordable，一次写入型光盘）。CD-RW（CD-ReWriteable，可重复写光盘）。VCD（VideoCD）：可存储70分钟的MPEG-1影视节目。计算机导论(2009)3.2.3外存储器光盘：DVD（DigitalVersatileDisk，数字通用光盘）4.7G。DVD-Video：用于观看电影和其他可视娱乐节目。DVD-ROM：用于存储数据。DVD-R：可供用户写入一次数据。DVD-RAM：能随机存取并可以重写100000次。DVD-RW：能顺序存取并可以重写1000次。DVDAudio：用于存储高质量音质的音频数据。光盘的使用要有光盘驱动器的配合。计算机导论(2009)3.2.3外存储器U盘/优盘通过USB接口与计算机相连。传输速度快/使用方便。支持热插拔/连接灵活。是一种基于闪存技术的移动存储设备，用FlashEPROM芯片来存储数据。广泛应用于MP3/MP4/数码相机/数码摄像机/手机/个人数字助理的各种闪存卡都是基于闪存技术的存储设备。具有易扩展、即插即用的优点。计算机导论(2009)3.2.3外存储器存储器的层次结构存储器的指标主要有存取速度、存储容量和单位价格。存取速度快、单位价格高的存储器容量少一些。存取速度慢、单位价格低的存储器容量多一些。存储容量从小到大形成如下层次：寄存器。高速缓存。主存储器/内存。辅助存储器/外存。计算机导论(2009)3.3输入输出系统计算机系统的输入输出系统的基本功能：1为数据传输操作选择输入输出设备。2在选定的输入输出设备和CPU（或主存储器）之间交换数据。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。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。计算机导论(2009)3.3.1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。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。3.3输入输出系统计算机导