计算机硬件基础.docx

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计算机硬件基础

计算机硬件基础

冯·诺依曼体系结构：

控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。

  微型计算机的主机组成：

中央处理单元、主存储器、系统总线、输入／输出接口电路。

  存储器系统的组成：

主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器。

  主要外部设备：

鼠标、键盘，显示器、打印机，软磁盘（驱动器）、硬磁盘（驱动器）、光盘（驱动器）。

  计算机软件知识

  软件系统的层次结构：

系统软件、应用软件、操作系统。

  计算机语言：

机器语言、汇编语言、高级语言。

  计算机的文件系统：

树形目录结构、文件的表示和规定、路径的表示和规定。

  计算机病毒知识。

1．3计算机系统的组成

1．3．1计算机系统概述

1．计算机系统的基本部分

一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。

（1）硬件系统

·指由电子部件和机电装置组成的计算机实体。

·硬件的基本功能是接受计算机程序；并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果等任务。

（2）软件系统

·指为计算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序。

·软件系统保证计算机硬件的功能得以充分发挥，并为用户提供一个宽松的工作环境。

计算机硬件和软件二者缺一不可，否则不能工作。

2．计算机的硬件系统    现在使用的各种计算机均属于冯·诺依曼型，由五大部分组成。

图中的深色线代表“数据信息”的流向，包括原始数据、中间数据、处理结果、程序指令等；浅色线代表“控制信息”的流向，全部由控制器发出，按程序的要求向各部分送去控制信息，使各部分协调工作。

注意箭头的方向性。

各部分的功能如下。

（1）控制器：

控制器是整个计算机的指挥中心，它取出程序中的控制信息，经分析后，便按要求发出操作控制信号，使各部分协调一致地工作。

（2）运算器：

运算器是一个“信息加工厂”。

数据的运算和处理工作就是在运算器中进行的。

这里的“运算”，不仅是加、减、乘、除等基本算术运算，还包括若干基本逻辑运算。

（3）存储器：

存储器是计算机中存放程序和数据的地方，并根据命令提供给有关部分使用。

①存储器的主要技术参数：

存储容量、存取速度和位价格（即一个二进制位的价格）。

②存储器容量：

表示计算机存储信息的能力，并以字节（byte）为单位。

1个字节为8个二进制位（bit）。

由于存储器的容量一般都比较大，尤其是外存储器的容量提高得非常快，因此又以210（1024）为倍数不断扩展单位名称。

这些单位的关系如下：

（千、兆、吉）

1byte＝8bit  lKB＝l024byte

lMB＝1024KB    lGB＝1024MB

③存储器系统的组成：

  存储器系统包括主存储器（内存储器）、辅助存储器（外存储器）和高速缓冲存储器（cache）。

三者按存取速度、存储容量、位价格的优劣组成层次结构，以提高CPU越来越高的速度要求，并较好地解决三个技术参数的矛盾。

它们之间交换数据的层次如图

主存储器：

存放当前参与运行的程序、数据和中间信息。

它与运算器、控制器进行信息交换。

  特点：

存储容量小、存取速度快、位价格适当。

存储信息不能长期保留（断电即丢失）。

  使用的器件：

微型计算机多数采用半导体动态存储器，写作DRAM。

·辅助存储器：

存放当前不参与运行的程序和数据。

它与主存储器交换信息。

当需要时，将参与运行的程序和数据调入主存：

或将主存中的信息转来保存。

  特点：

容量大、存取速度慢、位价格低。

存储的信息能够长期保留。

  常用的外存储器：

磁盘、磁带、光盘等。

·高速缓冲存储器：

存放正在运行的一小段程序和数据。

它在CPU与主存储器之间不停地进行程序和数据交换，把需要的内容调入，用过的内容返还。

  特点：

存储容量很小、存取速度很快、位价格高。

存储信息不能长期保留。

  使用的器件：

采用半导体静态存储器，写作SRAM。

（4）输入设备：

输入设备的主要作用是把程序和数据等信息转换成计算机所适用的编码，

并顺序送往内存。

常见的输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪等。

（5）输出设备：

输出设备的主要作用是把计算机处理的数据、计算结果等内部信息按人们要求的形式输出。

常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

  输入设备和输出设备通称为计算机的外部设备。

近几年随着多媒体技术的迅速发展。

各种类型的音频、视频设备都已列入了计算机外部设备的名单。

3．计算机的工作过程

（1）有关术语

①指令：

指挥计算机进行基本操作的命令。

它是计算机能够识别的一组二进制编码。

通常一条指令由两部分组成：

第一部分指出应该进行什么样的操作，称为操作码；第二部分指出参与操作的数本身或它在内存中的地址，称为操作数。

②指令系统：

计算机所能执行的全部指令的集合称为计算机的指令系统。

③程序：

完成某一任务的指令（或语句）的有序集合称为程序。

也就是根据执行过程，将对应的操作指令顺序排列在一起。

（2）工作过程

①通过输入设备将程序和数据送入存储器。

②用户通过输入设备发出运行程序命令。

②接收到运行程序命令后，控制器从存储器中取出第一条指令，进行分析，然后向受控对象发出控制信号，执行该指令。

④控制器再从存储器中取出下一条指令，进行分析，执行该指令…·，周而复姑地重复“取指令、分析指令、执行指令”这种过程，直到程序中的全部指令执行完毕。

1．3．2微型计算机的硬件结构

  微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，微处理器是它的核心部件。

自1971年在美国硅谷诞生第一片微处理器以来，微型计算机异军突起，发展极为迅速。

随着微处理器的不断更新，微型计算机的功能越来越强，应用越来越广。

微型计算机具有计算机的一般共性，也有其特殊性。

1．中央处理单元

  中央处理单元是微型计算机的核心部件，它是包含有运算器和控制器的一块大规模集成电路芯片，写作CPU（ControlProcessingUnit），俗称微处理器。

大家通常简单称呼其型号，例如：

286、386、486、P5、P6、PII、PIII（P代表Pentium系列，中文译为奔腾）等。

（1）CPU的主要参数

①字长：

在计算机中，作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制数，称为一个“字”（word）。

组成该字的二进制数的“位数”，称为“字长”。

字长等于CPU中通用寄存器的佐数。

因此，在用字长来区分计算机时，常把计算机说为“8位机”、“16位机”、“32位机”、“64位机”。

②主频：

对于同一种型号的CPU还可按它们的主频进一步加以区分，例如：

100、133、166、200、233、266、300、……（单位：

MHz）等。

主频是表征运算速度的主要参数。

（2）主流微处理器

  目前在我国微型计算机中使用的主流微处理器是Intel近几年推出的32位Pentium系列微处理器，而且主频都选用l00Hz以上的。

主要有以下几种：

①Pentium微处理器：

又写作P5，是Intel的第五代微处理器。

延续以前的X86系列，俗称为586。

②PentiumPro微处理器：

又写作P6，是Intel的第六代微处理器，也称为“高能奔腾”。

延续以前的X86系列，俗称为686。

②PentiumMMX微处理器：

又写作P55C，属于Intel第五代“增强型”的微处理器，也称为“多能奔腾”。

内含MMX（MultiMediaeXtension）技术，追加了针对多媒体应用

的57条指令。

④PentiuumII微处理器：

是在PentiumPro基础上加入MMX技术推出的第六代Pentium系列产品。

它的浮点运算性能、MMX性能都是最出色的。

今后还将继续改进，计划把主频逐步提高到400、600、800MHz；总线速率提高到100MHz；并将MMX扩展为MMX2。

⑤PentiumⅢ微处理器：

是Intel第七代微处理器，字长64位，并支持MMX。

它增加了全新的指令，可以提高三维图像、视频、声音等程序的运行速度，并可优化操作系统和网络的性能。

2．主存储器

  主存储器是微型计算机存储各种信息的部件。

按其功能和性能，可分为随机存储器和只读存储器，二者共同构成主存储器。

但通常说“内存容量”时，则指RAM，不包括ROM在内。

（1）随机存储器RAM（RandomAccessMemory）

  又称为读写存储器。

用于存放当前参与运行的程序和数据。

  特点：

其中信息可读可写，存取方便；信息不能长期保留，断电便丢失。

关机前应将RAM中的程序和数据转存到外存储器上。

（2）只读存储器ROM（ReadonlyMemory）

  由生产厂家将开机检测、系统初始化、…等程序固化其中。

  特点：

其中信息固定不变，只能读出不能重写；关机后原保存的信息不丢失。

3．系统总线

系统总线是CPU与其它部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。

根据传送内容的不同，分为如下三组，每组都由多根线组成。

（1）数据总线DB（DataBus）：

用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数据。

数据总线的宽度（根数）等于计算机的字长。

（2）地址总线AB（AddressBus）：

用于CPU访问主存储器或外部设备时，传送相关的地址。

此地址总线的宽度决定CPU的寻址能力。

（3）控制总线CB（ControlBus）：

用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。

这样一种结构使得各部件之间的关系都成为单一面向总线的关系。

即任何一个部件只要按照标准挂接到总线上，就进入了系统，就可以在CPU统一控制下进行工作。

4．输入、输出接口电路

输入、输出接口电路也称为I／O电路（INPUT／Output），即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。

它是微型计算机与外部设备交换信息的桥梁。

（1）接口电路结构：

一般由寄存器组、专用存储器和控制电路几部分组成，当前的控制指令、通信数据、以及外部设备的状态信息等分别存放在专用存储器或寄存器组中。

（2）接口电路的连接：

所有外部设备都通过各自的接口电路连接到微型计算机的系统总线上去。

（3）通信方式：

分为并行通信和串行通信。

并行通信是将数据各位同时传送；串行通信则使数据一位一位地顺序传送。

1．3.3微型机主机的主体一主机板

由前所述：

·微型计算机是由CPU、RAM、ROM、I／0接口电路及系统总线（BUS）组成的计算机装置，简称“主机”。

·主机加上外部设备便构成微型计算机的“硬件系统”。

·硬件系统安装软件系统后称为“微型计算机系统”。

·作为主机的主体则是“主机板”（Mainboard）。

主机板又称为系统主板（Systemboard）或简称主板。

CPU就安装在它的上面。

主机板上有内存槽（Bank）、扩展槽（Slot）、各种跳线（Jumper）和一些辅助电路。

1，内存槽

  内存槽用来插入内存条。

一个内存条上安装有多个RAM芯片。

目前微型机的RAM都采用这种“内存条结构”，以节省主板空间并加强配置的灵活性。

现在使用的内存条有8MB、16MB、32MB、64MB等规格。

（1）内存槽的安排：

内存槽以“Bank”计量。

一个Bank可能对应1个内存槽，也可能包含2个内存槽，这与主板的设计有关。

现在的主板通常设有多个Bank，而且这些Bank所属的内存槽类型不完全一致，以便广泛适用各种型号的内存条。

（2）使用规则：

每个内存槽插入一个内存条。

如果一个Bank包含2个内存槽，则它们必须全部插满，而且同一Bank中内存条的型号、规格必须完全一致。

例如，Bank0有内存槽l、2；Bankl有内存槽3、4

若配4MB：

可在内存槽l、2、3、4中各插入1MB的内存条；

若配8MB：

可在内存槽1、2中各插入4MB的内存条；内存槽3、4置空；

若配24MB：

对在内存槽1、2中各插入4MB的内存条；内存槽3、4中各插入8MB的内存条；

此外，所选内存条的读写速度应与CPU的工作速度相适应。

2．扩展糟

  扩展槽用来插入各种外部设备的适配卡。

选择主板时，应注意它的扩展槽数量和总线标准。

前者反映计算机的扩展能力：

后者表达对CPU的支持程度以及对适配卡的要求。

先后推出过ISA、MCA、EISA、VESA、PCI等总线标准。

这些标准涉及的主要技术参数是数据总线宽度、最高工作频率、数据传输率等。

近几年推出的PCI总线标准，具有并行处理能力、支持自动配置、I／O过程不依赖CPU、充分满足多媒体要求，从而使得Pentium系列CPU的优点得以充分发挥。

总线结构ISAMCA  EISAVESA  PCI

推出时间19851987198819921993

最高频率（MB）  8  l083333

传输率（MB／S）  84033132132

总线宽度（位）  1632323232／64

并行处理能力  ×××√√

扩展槽数目  886310

多媒体功能  ×××√√

3．跳线、跳线开关和排线

（1）跳线：

实际是一种起“短接”作用的微型插头，它与多孔微型插座配合使用。

当用这个插头短接不同的插孔时，便可调整某些相关的参数，以扩大主板通用性。

如调整CPU的速度、总线的时钟、cache的容量，选择显示器的工作模式等。

（2）跳线开关：

就是一组微型开关。

它利用开关的通、断实现跳线的短路、开路作用，且比跳线更加方便、可靠。

新型的主板大多使用跳线开关。

（3）排线：

主板上设置有若干多孔微型插座，称为排线座。

这些排线座用来连接电源、复位开关、各种指示灯以及喇叭等部件的插头。

4.主要辅助电路

（1）CMOS电路

  这是一个小型的ROM，它的工作电压低，耗电量要比DRAM少的多。

在CMOS中保存有存储器和外部设备的种类、规格、当前日期、时间等大量参数，以便为系统的正常运行提供所需数据。

如果这些数据记载错误，或者因故丢失，将造成机器无法正常工作，甚至不能启动运行。

·当CMOS中的数据出现问题或需要重新设置时，可以在系统启动阶段按照提示，按Del键启动SETUP程序，进入修改状态。

·开机时，CMOS电路由系统电源供电；关机后，则由电池供电。

因此，要注意适时更换电池。

（2）ROMBIOS芯片

  ROM表示它是一个只读存储器，BI0S指此ROM中固化有“基本输入输出系统”程序。

BIOS程序的性能对主板影响较大，好的BIOS程序能够充分发挥主板各种部件的功能，提高效率，并能在不同的硬件环境下，方便地兼容运行多种应用软件。

所以B10S为系统提供了一个便于操作的软硬件接口。

主板上有两个ROMBIOS芯片：

系统ROMB10S芯片和键盘ROMBIOS芯片。

（3）外部Cache芯片

  高速缓冲存储器强调的是存取速度，所以它采用静态读写存储器（SRAM），用来补充CPU内部Cache容量的不足。

依据Cache的工作原理，Cache结构由两部分组成。

一部分存放数据，另一部分是此数据的标记。

这两部分分别存放在两个芯片中。

存放数据的芯片写作DataRAM；存放标记的芯片，写为TagRAM。

（4）芯片组（Chipset）

  是成套使用的一组芯片，负责将CPU运算或处理的结果以及其它信息传送到相关的部件，从而实现对这些部件的控制。

从这点来说，芯片组是CPU与所有部件的硬件接口。

（5）振荡晶体

  产生CPU主频所要求的固定频率。

有的主板采用可调式振荡晶体，利用跳线生成多种频率，以适应不同的CPU。

1．3．4外存储器

  当前微型计算机使用的外存储器大量是磁盘存储器。

分为软磁盘和硬磁盘。

磁盘存储器由磁盘、磁盘驱动器和驱动器接口电路组成，共称为磁盘机。

1．软磁盘

（1）软磁盘的结构

  软磁盘由盘片、盘套组成。

盘片与盘轴连结，上有读写定位机构；

在盘套上开设有读写窗口和写保护块。

①盘片：

以聚酪薄膜为基底，表面涂覆一层均匀的磁性材料。

新盘在“格式化”之后，盘片的面（Side）将被划分出许多不同半径的同心圆，称为磁道（Track），信息就记录在这些磁道上。

磁道编号由0开始，自外沿向圆心排序。

为便于读写，磁道又被径向划分成若干段，由于这些分区的物理形状呈扇形，所以称为扇区（Sector）。

扇区编号由l开始，自定位点顺时针旋转。

②盘套：

由具有一定硬度的塑料和衬垫组成，其中衬垫是一层无纺布，它的作用是当盘片在盘套内旋转时，清除盘片上的灰尘和消除静电。

③读写窗口：

为使磁头与磁盘接触，对磁盘上的信息进行读写而在盘套上开出的窗口。

3．5英寸磁盘的读写窗口，平时用一个装有弹簧的金属板遮住，当插入驱动器后金属板才被移开，露出窗口。

务必小心保护磁盘表面，以免损坏。

④写保护块：

用于保护磁盘上的重要信息。

3．5英寸磁盘的写保护块位于磁盘角的一个方孔处，当拨动滑块遮住方孔时，可对磁盘进行“读”或“写”；当拨动滑块露出方孔时，磁盘上的信息将只能“读”出使用，不能“写”入其它信息，从而起到保护磁盘信息的作用。

（2）软磁盘的种类

①按盘片直径分类：

有3．5、5．25英寸两种。

②按盘记录面分类：

有单面软磁盘和双面软磁盘两种。

现在单面软磁盘已被淘汰。

③按记录密度分类：

有普通密度（位密度5876位／英寸、道密度48道／英寸）、倍道密度（位密度5922位／英寸、道密度96道／英寸）、高密度（位密度9650位／英寸、道密度96道／英寸）3种。

现在使用的都是高密度磁盘。

当前配合微型计算机使用最多的软磁盘是3．5英寸双面高密度，容量1．44MB；其次是5．25英寸双面高密度，容量1．2MB。

（3）高、低密度软磁盘的识别

在软磁盘的标签上部印有表示磁盘密度的英文标志.

磁盘种类                    规格标志  

低密度（单面）  SSDD（SingleSidedD011bleDensity）  

低密度（双面）  DSDD（DoubleSidedDoubleDensity）

            或2S—2D、MD、2D、Hx—2D、48TPI（磁道／英小）  

高密度（双面）  DSHD（DoubleSidedHighDensity）

              或MD—HD、HD、HX—HD、96TPI（磁道／英寸）  

（4）软磁盘使用注意事项

·关闭系统电源之前，应从驱动器中取出盘片；磁头正在进行读写操作时，绝不能取出或插入盘片。

·不要触模、刻划磁盘的裸露部分；也不要用硬笔在磁盘的标签上写字；更不要弯曲、折迭磁盘，以防盘片损坏。

·平时保管磁盘，应注意防尘、防霉、防磁、防火，垂直放置。

另外，长期存放会出现退磁，对于重要的文件，最好做两个以上的备份，并定期更新。

·软盘驱动器是比较容易出故障的部件。

灰尘一旦附在磁头上，不仅会划伤盘片，还会影响正确数据的读、写。

为此，需要定期清洗磁头。

通常使用专用的清洗盘。

2．硬磁盘

硬磁盘采用金属为基底，表面涂覆磁性材料。

由于刚性较强，所以称为硬磁盘。

（1）硬磁盘机的结构

  应用最广的小型温式（温彻斯特式）硬磁盘机，是在一个轴上平行安装若干个圆形磁盘片，它们同轴旋转。

每片磁盘的表面都装有一个读写磁头，在控制器的统一控制下沿着磁盘表面径向同步移动。

于是几层盘片上具有相同半径的磁道可以看成是一个圆柱，每个圆柱称为一个“柱面（cylinder）”。

盘片与磁头等有关部件都被密封在一个腔体中，构成一个组件，只能整体更换。

（2）硬磁盘的种类

·按磁盘片直径分：

有2．5、3．5、5．25英寸三种。

·按硬盘机结构分：

有盒式硬盘机、可换盘组硬盘机、固定式硬盘机等。

目前占据硬盘

市场90％以上、技术优点较多的“温彻斯特”硬盘机（简称温盘）就是固定式的。

（3）硬盘使用注意事项

·不要领繁开关电源；供电电源应稳定。

·XX的普通用户切勿进行“硬盘低级格式化”、“硬盘分区”、“硬盘高级格式

化”等操作。

（4）硬磁盘与软磁盘的对比

          软磁盘                         硬磁盘

使用方式：

随身携带，使用方便                多安装在机箱内部  

结构特点：

单片暴露，划分有磁道和扇区      多片密封，组合成柱面和扇区  

读写方式：

磁头直接接触磁盘                磁头采用浮动方式工作  

使用寿命：

易损坏，寿命短                  不易损坏，寿命长  

存储容量：

密度低，单片容量小              密度高，存储容量大  

存取速度：

旋转速度慢，存取速度慢          旋转速度快，存取速度快  

磁盘价格：

价格低                          价格高  

3．磁盘驱动器及其接口电路

（1）磁盘驱动器

①功能：

是带动磁盘旋转并具有读写磁记录功能的装置。

②结构：

由主轴驱动系统、磁头定位系统和信息读、写、抹系统和状态检测系统几部分组成。

②分类及其参数：

·软盘驱动器FDD（FloppyDiskDrive）：

软盘驱动器与软盘是两个部分。

主要参数有盘片尺寸、存储密度（道密度、位密度）、平均存取时间、传输率等。

·硬盘驱动器HDD（HardDiskdrive）：

硬盘驱动器与硬盘片封装在一起。

主要参数有盘片尺寸、盘片数量（磁头数量）、存储密度（道密度、位密度）、平均存取时间、传输率等。

（2）驱动器接口电路

①功能：

磁盘驱动器接口电路的一端接磁盘驱动器，另一端与系统总线相连。

当主机发出读写磁盘命令时，先由接口电路接收，然后再向磁盘驱动器发出控制信号，使驱动器按照要求执行相关操作。

②接口标准：

为了方便驱动器与接口电路进行连接，先后制定了多种接口标淮。

已经推出的标淮有ST506／ST412、IDE、SCSI、ESDI等。

其中IDE（IntegratedDriveElectronics）是微型计算机使用的主流接口，它兼容性高、速度快、价格低。

SCSI（SmallComputerSystemInterface）多装在网络主机上，它传输率高、并能同时连接多种外部设备，如磁盘、磁带机、光盘、打印机等。

（3）几种新型磁盘驱动器

①ZIP

  ZIP由传统的3．5英寸软盘驱动器发展而来，所以工作原理与软驱相同，盘片可以像软盘那样自由插入或取出。

一张ZIP盘的容量为100MB，存取速度是软盘的20倍。

ZIP驱动器有“内置”和“外置”两种。

内置的使用IDE或SCSI接口；外置的可使用并行接口（打印机接口）或SCSI接口。

②LS—120

  LS指LaserServo，120为120MB容量，是一种类似于ZIP的大容量驱动器。

外形基本等同于3．5英寸软驱，可以兼容读写1．44MB的软盘。

②JAZ

  JAZ也是一种大容量驱动器。

—张JAZ的容量为l一2GB。

JAZ驱动器也有内置、外置两种。

内置JAZ的外形尺寸与3．5英寸软驱一样，能安装在机箱原软驱的位置。

外置的JAZ可作为活动硬盘使用。

两者均采用SCSI接口。

4．光盘

  随着多媒体技术的广泛应用，以及计算机处理大量数据、图形、文字、声像等多种信息能力的增强，磁盘存储器存储容量不足的矛盾日益突出。

在这种背景下，人们又研制了一种新型的“光盘存储器”，而且