計算機導論(第四版)課件第2章計算機硬件基礎計算機硬件概述中央處理器存儲器輸入輸出設備總線與接口計算機硬件新技術contents目錄計算機硬件概述CATALOGUE01計算機硬件是指計算機系統中由電子、機械和光電元件等物理裝置組成的各種計算機部件和設備的總稱。計算機硬件主要包括運算器、控制器、存儲器、輸入輸出設備等部分，這些部分通過總線相互連接。硬件定義與組成硬件組成硬件定義計算機體系結構現代計算機體系結構的基本思想最早由美籍匈牙利數學家馮·諾依曼提出，其特點是采用二進制、存儲程序和計算機內部包含五大基本部件。指令系統指令系統是計算機硬件中全部指令的集合，是計算機執行程序的基礎。計算機組織計算機組織是指計算機內部各部件的構成及其相互聯系的方式，主要包含輸入輸出組織、數據通路組織、控制組織等。馮·諾依曼結構隨著技術的發展，計算機硬件越來越小型化，性能更高，更加便攜。微型化巨型化是指計算機的存儲容量、運算速度和數據傳輸速度不斷攀升，以滿足大規模數據處理和云計算等應用的需求。巨型化網絡化是指計算機硬件與互聯網緊密結合，實現遠程控制、數據共享等功能，使得人們可以更加便捷地獲取和使用信息。網絡化硬件發展趨勢中央處理器CATALOGUE02CPU是計算機的核心部件，負責執行指令和處理數據。它由運算器、控制器、寄存器等組成，通過總線與其他部件進行通信。運算器負責執行算術和邏輯運算，控制器負責協調各個部件的工作，寄存器用于存儲指令和數據。CPU的功能還包括指令譯碼、內存訪問、中斷處理等，這些功能使得CPU能夠高效地處理各種任務。CPU結構與功能指令集與微處理器指令集是CPU所能執行的指令的集合，不同的CPU有不同的指令集。指令集的豐富程度和優化程度直接影響到CPU的性能。微處理器是CPU的集成電路實現，它包含了CPU的所有功能。隨著技術的發展，微處理器的集成度越來越高，功能也越來越強大。CPU性能指標CPU性能指標包括時鐘頻率、指令集、緩存大小等。時鐘頻率決定了CPU執行指令的速度，指令集的豐富程度影響CPU的處理能力，緩存大小則可以減少內存訪問延遲。除了這些硬件性能指標外，還有許多軟件性能指標，如執行速度、響應時間等。這些指標可以通過各種基準測試來評估。存儲器CATALOGUE0301隨機訪問存儲器(RAM)02特點：可讀可寫，斷電后數據丟失。03分類：SRAM（靜態隨機訪問存儲器）、DRAM（動態隨機訪問存儲器）。04只讀存儲器(ROM)05特點：只能讀取，不能寫入，斷電后數據不丟失。06分類：掩膜ROM、可編程ROM（PROM）、可擦除可編程ROM（EPROM）、電可擦除可編程ROM（EEPROM）。內存儲器類型及特點特點：容量大、價格低、數據可以長期保存。固態電子盤(SSD)分類：基于閃存的SSD和基于DRAM的SSD。硬盤驅動器(HDD)分類：機械硬盤（HDD）和固態硬盤（SSD）。特點：速度快、無機械運動、防震抗摔。010203040506外存儲器類型及特點存儲器層次結構層次結構概述:從上到下，存儲容量增大，訪問速度減慢，價格降低。各層的特點寄存器：CPU內部的高速存儲單元，用于暫存指令和數據。主存（MainMemory）：即內存，是計算機主要的數據存儲區域。外存（ExternalMemory）：如硬盤、U盤等，用于長期保存大量數據，訪問速度相對較慢。高速緩存（Cache）：位于CPU和主存之間的高速存儲器，用于存放訪問最頻繁的數據和指令。輸入輸出設備CATALOGUE04攝像頭通過捕捉圖像或視頻，將信息輸入到計算機中。掃描儀通過掃描文檔或圖片，將信息輸入到計算機中。觸摸屏通過觸摸屏幕，將指令輸入到計算機中。鍵盤通過按鍵觸發電子信號，將字母、數字和符號輸入到計算機中。鼠標通過移動和點擊操作，將指令輸入到計算機中。輸入設備類型及原理顯示器通過打印紙張將信息輸出到計算機中。打印機投影儀音響01020403通過播放聲音將信息輸出到計算機中。通過顯示屏幕將信息輸出到計算機中。通過投影屏幕將信息輸出到計算機中。輸出設備類型及原理利用磁性原理存儲數據，具有較高的存儲容量和讀寫速度。硬盤驅動器固態驅動器光盤驅動器利用閃存原理存儲數據，具有較快的讀寫速度和較輕的體積。利用光學原理存儲數據，具有較大的存儲容量和較慢的讀寫速度。030201輔助存儲設備總線與接口CATALOGUE05總線類型及功能用于在CPU、內存和外設之間傳輸數據。用于CPU指定內存單元或I/O端口的地址。用于傳輸控制信號，如讀寫信號、中斷信號等。連接主板上的各部件，包括CPU、內存、PCIe設備等。數據總線地址總線控制總線系統總線如RS-232，用于連接慢速外設。串行接口如打印機接口，用于連接需要大量數據傳輸的外設。并行接口通用串行總線，用于連接大量種類的外設。USB接口串行ATA接口，用于連接硬盤等存儲設備。SATA接口接口類型及功能帶寬表示總線每秒傳輸的數據量。速度表示總線傳輸數據的速率。負載能力表示總線能連接的最大設備數量。兼容性表示總線是否能支持多種設備標準。總線性能指標計算機硬件新技術CATALOGUE06通過將多個核心集成到一個處理器中，實現并行處理，提高計算機性能。處理器多核化采用不同架構的核心，如高性能核心和能效核心，以適應不同負載的需求。處理器異構化根據特定應用的需求，定制處理器的功能和性能，提高計算效率。處理器定制化新型處理器技術緩存容量擴大增加高速緩存的容量，以容納更多的數據和指令，減少對主存的訪問。緩存層次化將高速緩存分為多個層次，如L1、L2、L3等，以實現更精細的數據管理。緩存數據一致性采用緩存一致性協議，確保多處理器