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教学进度计算机科学与工程系计算思维的本质特征是基于计算模型(环境)和约束的问题求解，计算机硬件系统和软件系统在不同层次上提供了问题求解的计算环境。本章主要介绍计算机硬件体系结构的基础知识。通过本章学习，

应建立起计算机系统的全貌，并对各组成部分的构成和工作原理有一定的认识和理解。应能从总体上理解一个程序经过外部输入、CPU处理，最后输出结果的整个流程所涉及的硬件及其工作原理。第三章计算机硬件体系结构教学进度计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成一个

完整的计算机系统是由硬件和软件组成。对一个计算机系统，硬件就好像是它的身体，软件就好像是它的思想，两大部分缺一不可。硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中：中央处理器(简称CPU)=运

算器+控制器主机=中央处理器+主存储器软件是指各类程序和数据，包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。教学进度计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成U盘3.1.1计算机的硬件系统教学进度计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成冯·诺依

曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储器中，执行时将程序和数据先从外存装入内存，然后让计算机在工作时自动从内存取出指令加以执行，这就是存储程序的基本原理。存储程序的主要目标是使计算机执行计算时不需要人工员干预，能自动逐条取出指令并能正确地沿着程序设计的流程

执行指令。冯•诺依曼提出的这种“存储程序、用程序控制自动计算”的思想以及实现该思想的计算机基本结构，被后人称为冯•诺依曼计算机结构。符合冯•诺依曼结构的计算机被称为冯•诺依曼型计算机。3.1.2冯·诺依曼型计算机的结构教学进度计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成冯·诺依曼计算机体系结构的

主要特点：(1)采用二进制形式表示程序和数据。(2)计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。(3)程序和数据以二进制形式存放在存储器中。(4)控制器根据存放在存储器中的指令工作。冯•诺依曼计算机结构控制信号流数据流教学进度计算机科学与工程系3

.1计算机系统的构成由于电子技术及电子工业的迅速发展，早已将控制器和运算器做在一起了(集成在一块集成电路芯片上，即CPU)，这样以来存储程序的基本原理可用下图表示。存储程序的基本原理任何新技术的产生都有其发展过程，计算机的诞生也是从理论到实现这样一个过程。没有蓝图、没有设想

、没有创新，就不会有计算机的发明。正是因为有了图灵机模型，人类才发明了有史以来最伟大的科学工具——计算机；正是因为有了冯•诺依曼体系结构，才形成了现代计算机的主要设计思想。从系统结构来看，现在的微机系统大都采用的是计算机的经典结构——冯•诺依曼结构。教学进度计算机科学与工程系3.1计算机系

统的构成3.1.3微型计算机的诞生与发展一般来说，电子计算机发展历程是以所采用的电子器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模及超大规模集成电路计算机。微型机属于第四代电子计算机产品，其核心部件是CPU，因此CPU的发展、演变就代表了微机的发展过程。教学进度计算机科学与工

程系3.1计算机系统的构成开始时间CPU芯片集成度主频字长(b)197140042300108KHz4197280062500200KHz819788086/80882.9万4.77-10MHz1619828028614.3万6-20

MHz1619858038627.5万12.5-33MHz32198980486125万33-133MHz321993Pentium310万60-233MHz321997PentiumⅡ750万233-450MHz321999PentiumII

I2800万450-800MHz322000Pentium44200万400M-3.2GHz32/642012Corei77.31亿3.5GHz-4.0GHz64CPU按照处理信息的字长分为：4位或8位微处理器、16位微处

理器、32位微处理器以及64位微处理器等。现在微机的CPU一般是32位或64位的处理器。教学进度计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成第一台微机(1971)第一台IBMPC(1981)Altair8800AppleⅡIBMPC第一台真正的个人微机(197

7)新生事物在诞生时往往是不完善的，但是它揭示了事物发展的必然趋势。阿尔塔及后来苹果机的诞生，虽然看起来是一只“丑小鸭”，但它适应了信息技术的发展趋势。微型计算机的出现，使现代信息处理装置从科学殿堂走出来，进入寻常百姓家。现在，人们的工作、学习和生活都与计算机息息相关。使

用计算机已经成为一种文化、一种生活方式。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构微型机主要是由显示器、键盘和主机箱构成。在主机箱内有CPU、主板、内存、硬盘、光驱、电源等。而中央处理器和主存储器一起构成计

算机主机。而中央处理器是计算机进行运算和控制的核心部件，是计算机中负责取指令、对指令译码并执行指令的核心。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构3.2.1中央处理器CPUCPU的主要功能是控制计算机的操作和处理数据。CPU由控制器、运算器、寄存器及实现它们之间联系

的CPU内部总线组成。CPU从存储器取出指令，放入CPU内部的指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。CPU基本结构教学进度计算机科学与

工程系3.2微型计算机主机结构CPU的主要性能指标：(1)主频/外频主频=外频×倍频，即CPU工作频率主板上有一个石英晶体，能够定期地发出脉冲信号，被称为时钟脉冲。主板上产生的时钟脉冲叫做外频，是指挥主板上其他部

件工作的节拍。即外频是系统总线的工作频率。主板时钟脉冲传递给CPU的过程中被进行了特殊处理，频率被加倍，这样CPU的工作速度就提高了。这个频率就是常说的CPU主频。而倍频则是CPU主频相对于外频的倍数。脉冲就好像唱歌时的节拍，到一个节拍时，控制单元就发出一个命令信号。设

计者精妙地设计节拍的时间以及每个动作完成的时间，让每个命令信号产生的动作刚好在一个节拍时间内完成。目前在微机中，CPU的主频一般是自动配置的，也可以通过主板跳线或程序来设置外频和倍频。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构(2)数

据总线宽度即字长，是指CPU可以同时传输的数据的位数，负责整个系统的数据流量大小。目前，市场上流行的是32位CPU和64位CPU。(3)地址总线宽度地址总线宽度决定了CPU可以直接访问的内存物理地址空间，32位地址总线可直接寻址4GB(232=4G)。(4)高速

缓存Cache由于CPU和内存之间的速度差异，直接对内存进行读写将会迟滞CPU的速度。因此，现在的CPU内部一般都包含有Cache。Cache是可以进行快速存取数据的存储器，它使得数据可以更快地和CPU进

行交换。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构1.运算器运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是:(1)运算逻辑部件(2)寄存器部件我们知道，计算机能做算术运算，

也能做关系运算、逻辑运算。除此以外，还能做很多别的事情。特别是给初学者的感觉好像计算机无所不能。从设计的角度来说，如果要求计算机本能地具有处理算术运算、关系运算和逻辑运算的所有功能，那计算机的核心部件——CPU就太复杂了。因为仅就算术运

算而言，就必须为CPU设计加法器、减法器、乘法器、除法器，更不用说其他运算了。事实上，在CPU内部用于运算的核心部件其实就是一个加法器，只能做加法运算。那么减法、乘法和除法运算怎么办呢？这些运算都是通过加法来实现的！我们不得不说计算机的设计者真是太聪明了。教学进度计算机科学与工

程系3.2微型计算机主机结构2.控制器控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。控制器主要由以下部件组成：①程序计数器。存放下一条将要执行的指令在

内存中的地址；②指令寄存器。保存现在正在执行的指令；③指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求；④时序部件。产生各种定时控制信号，以协调各部件的工作顺序；⑤微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列不可再分的微操作命令信号，这些信号通过微操作控制电路以一定的时间

顺序发往各部件，控制各部件动作。时序信号发得太快，前一动作还没有做完，那就会出乱子。如果发得太慢，各个部件干完活只能闲等，浪费时间。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构3.2.2多核CPU技术采用“双核”技术，就是在单个CPU中真正集成两个物理的核心。在

实际使用中，这种“双核心处理器”和使用两个独立CPU的系统在工作原理和性能上基本没有区别。目前，CPU已从双核向4核、8核和多核方向发展。多核带来的最大好处就是同时运行多个任务时速度更快，效率更高、运行更流畅。双核处理器结构教学进度计算机科学与工程系3.2微

型计算机主机结构64位简介：(1)CPU、操作系统软件是64位，且应用软件用64编译器重新编译，效率最高(未来)。(2)CPU是64位，操作系统和应用软件是32位，64位的CPU未发挥很好的作用(现状

)。(3)CPU、操作系统是64位，应用软件是32位，64位的CPU未发挥很好的作用(现状)。(4)CPU、操作系统和应用软件是32位(现状)。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构3.2.3主板主板是电脑中各种设备的连接载体。

它提供了CPU、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。如果将主板比喻为一座城市，CPU就好比是这座城市的政府管理机构；内存就好比是居民的住所及活动场所；接口就好比是这座城市与外界联系的机场、车站、码头；总线就好比是这座城市的供水、供电

系统等。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构(1)CPU插座CPU插座用于连接并固定CPU芯片，由主板提供电源进行工作。不同的CPU需要选择与之相匹配的主板。(2)内存插槽内存插槽是用来

安装内存条的，允许用户根据需要灵活地扩充内存容量。(3)总线扩展插槽主板上有一系列扩展槽，用来连接各种功能插卡(如声卡、显卡、网卡等)与主板相连，这些扩充卡通常都插在主板的总线插槽中。随着主板集成化的提高，许多扩充卡的功能都集成在主板上了。教学进度计算机科学

与工程系3.2微型计算机主机结构(4)芯片组芯片组是直接连接在主板上的一组核心芯片，一般由北桥和南桥两块芯片组成。北桥芯片主要负责与CPU的接口，控制CPU、内存和PCIe总线之间的高速数据传输和转换，南桥芯片主要负责数据传输相对较慢的PCI总线

、硬盘、键盘、鼠标以及USB接口等的连接控制，其中北桥芯片起主导作用，故也称主桥。一般主板型号的命名均与芯片组的类型有关联。一定意义上讲，芯片组决定了主板的级别和档次。芯片组是CPU与周边设备沟通的桥梁，CPU的系统时钟及各种与其同步的时钟

也都是由芯片组提供。芯片组还决定了主板上所安装的内存最大容量、速度及可使用内存条的类型等。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构(5)BIOS和CMOS主板上有两块重要的集成电路芯片：基本输

入输出系统(BIOS)芯片和CMOS存储器芯片。BIOS芯片是一块特殊的ROM芯片，其中保存的最重要程序之一是基本输入/输出程序，另外还有CMOS参数设置程序、POST(加电自检程序)等。BIOS在开机之后最先执行，它首先检测系统硬件有无故障，给出最低级的引导

程序，然后调用操作系统。没有它机器无法启动。在早期，主板上的ROM非常小，里面只有引导系统必需的一些指令。后来ROM越做越大，设计者就往ROM中加了开机自检程序、系统信息设置程序。最后干脆把一些常规外设的驱动程序也放在了里面，比如键盘、打印机、显示器、硬盘，对于一台计算机来说，要想正常工作，它

们是最基本、最低限度的配置。正因为如此，该ROM的名字也就变成基本输入输出系统，即BIOS了。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构(5)BIOS和CMOSCMOS是主板上一块可读写的RAM芯片，用于保存系统初始化时

要用到的许多参数，如硬件配置、启动盘顺序、开机密码、机器时间等。因为CMOS由主板上的一块锂电池供电，而开机后锂电池被自动充电，因此，关机后CMOS参数不会丢失。CMOS中的信息通过BIOS中的参数设置程序来设置，所以CMOS设置也被称为BIOS设置。这

个设置过程有人叫“BIOS设置”，也有人叫“CMOS设置”。要设置CMOS参数时，可以在开机时按下特定键(一般是Delete键)进入CMOS参数设置程序界面。在新购计算机、新增设备、CMOS数据意外丢失(电池失效、病毒破坏等)，以及需要优化系统时需要进行CMOS设置。另外，如果忘记开机密码时也可

以通过跳线来清除CMOS数据，该跳线通常在CMOS电池或BIOS芯片附近。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构现在的CMOS芯片通常都集成在主板的BIOS芯片里面，通过BIOS程序对电脑硬件进行设置，设置好的参数放在CMOS芯片里面。但是CMOS芯片和B

IOS芯片却是完全不同的概念。大致有如下设置内容：1.StandardCMOSSetup:标准参数设置，包括日期，时间和软、硬盘参数等。2.BIOSFeaturesSetup:设置一些系统选项。3.Chipset

FeaturesSetup:主板芯片参数设置。4.PowerManagementSetup:电源管理设置。5.PnP/PCIConfigurationSetup:即插即用及PCI插件参数设置。6.其他:硬盘自动检测，系统口令

，加载缺省设置，退出等。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构计算机具体的启动过程：当打开微机的电源时，首先系统将调用BIOS中的POST(加电自检程序)检查BIOS芯片，然后测试CMOS。如果一切正常，接下来就会完成对CPU、内存、接口

、显示器、硬盘、键盘等的测试(如果检测到错误，计算机会用喇叭报警)。在POST过程中，键盘、显示器、软驱和硬盘等外围设备的驱动程序也必须预先安放在ROM中，成为BIOS的组成部分，由BIOS调用这些基本设备的驱动程序来完

成检测。当自检测试完成后，将执行BIOS中的自举(装入)程序，搜索硬盘、光盘等，从中读出引导程序并装入内存，然后将控制权交给引导程序，由引导程序继续启动操作系统。操作系统启动成功后，用户就可以正常地使用计算机了。正常情况下，这个启动过程

只需用户按下微机电源开关即可。执行POST程序执行自举程序装入操作系统引导结束开机启动BIOS是否正常工作BIOS已失败进行BIOS修补重新启动计算机BIOS工作流程教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构早期的P

C机主板是将快速的CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。微型计算机的概念结构教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构现代微型计算机的主板结构：芯片组由3块芯片构成。跟南北桥架构相差不大，它主要是把PCI系统总线控制部分

从北桥转到南桥。北桥：主板上离CPU最近的一块芯片，负责与CPU的联系并控制内存、缓存、显卡数据在北桥内部传输。键盘接口鼠标接口串行口并行口CPU多核/单核存储控制中心(北桥)中心高速接口I/O控制中心(南桥)固件中心BIOSROMPCI扩展插槽PCI总线USB接口音频接口I/

O芯片PCIe显示接口主存储器前端总线网络接口硬盘和光驱接口存储器总线PCIe总线南桥：主板上另一块芯片，主要负责I/O接口以及IDE设备的控制等。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构内存，由半导体材料构成。内存分为只读存储器和随机读写存储器。内存储

器分类3.2.4内存教学进度计算机科学与工程系存储单元地址0000H0001H0002HFFFFH存储体结构图示意存储位存储单元（字节）存储体512MB2GB存储单元特点：地址与存储单元是一一对应的一个数据存放在一个或多个字

节中CPU通过单元地址访问存储单元中的数据往存储单元放新数据时原数据将被覆盖教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构1.只读存储器ROM特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信息不会丢失，可靠性高

。ROM主要用于存放固定不变的、控制计算机的系统程序和参数表ROM分类：(1)掩膜式ROM(MaskROM)(2)可编程PROM(ProgrammableROM)(3)可擦除EPROM(ErasablePROM)

(4)电可擦EEPROM(ElectricallyEPROM)(5)快擦写ROM(FlashROM)注：闪存ROM主要是利用单晶体管的特性，在通电以后能够改变状态、不通电就固定状态来存储信息的。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构2.随机存储器RAM特点：用

于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失。RAM分类:(1)SRAM：静态RAM。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般做高速缓冲存储器。(2)DRAM：动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整性，通常所说

的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型：①SDRAM---同步动态存储器②DDR---双倍速率内存(DDR2\DDR3\DDR4\DDR5等)教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构3.Cach

e(高速缓存)Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内Cache集成在CPU芯片中，片外Cache安插在主板上。高速缓存的存取速度比主存要快一个数量级，接近CPU的

处理速度。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构4.多级缓存最早的CPU缓存容量很低。当集成在CPU内核中的缓存已不能满足CPU的需求时，出现了集成在与CPU同一块主板上的缓存，此时把CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二级缓存。随着CPU制造工艺的提高，现在二级缓存也被集

成到CPU芯片中。较高端的CPU中还会带有三级缓存。另外，Cache的容量并不是越大越好，过大的Cache会降低CPU在Cache中查找的效率。教学进度计算机科学与工程系6.存储器的层次结构既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求合理，在目前技术

条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。3.2微型计算机主机结构(通用寄存器)教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构3.2.5总线(1)总线的定义及分类是一组连接各个部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、

数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构总线按所传输信号不同可分为：数据总线地址总线控制总线。①地址总线。传输的是地址信号，一般是单向传输。当CPU需要访问某个

外设时，它向地址总线发出相应外设的地址信号，以选择某个外设。②数据总线。传输的是数据，一般是双向传输。CPU进行“读”时，数据由外设流向CPU，当CPU进行“写”时，数据由CPU流向外设。③控制总线。有的是CPU向内存或外部设备发出的信号；有的是内存或外部设备向CPU

发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构微机各级总线的简易关系总线按处于计算机硬件系统中的位置来分：CPU内部总线内存Cache局部总

线显示接口芯片组(北桥)芯片组(南桥)系统总线扩展插槽…硬盘接口、网络接口、音频接口、USB接口、键盘、鼠标……外部总线④外部总线(又称通信总线)。是微机和中低速外部设备之间连接的总线。①内部总线(又称片内总线)。是指CPU芯片内部的总线。③系统总线(又

称输入/输出总线)。是微机中各插件板与系统主板之间的总线，用于插件板一级的互连。②局部总线(又称片间总线)。是主板上各外围芯片与CPU之间的总线，用于芯片一级互连。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构微机系统三层总线示意简图北桥CPU内存Cache局部总线南桥P

CI和PCIExpressX1接口（网卡、声卡等）键盘、鼠标接口USB接口外部总线前端总线存储器总线PCIExpressX16显卡系统总线片内总线PCI扩展总线中心快速通道BIOSROM硬盘、光驱、网络、音频接口教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构①ISA总

线。是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。(2)系统总线标准系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、PCIExpress三个阶段。②PCI总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。③AGP总线。专为系统中一块图形显示卡设计

的总线。PCIe×16PCIe×1④PCIExpress总线。是新一代的总线接口。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构总线带宽，也称总线数据传输率。用总线上每秒可传送数据量的多少表示，常用单位为Mbps或MB/s。总线带宽=总线宽度

×总线频率×每时钟周期传输数据的次数【例】32位、33.3MHz的PCI总线带宽计算如下：总线带宽=4(字节)×33(MHz)×1(每周期传输次数)=132MB/s【例】32位、66.6MHz的AGP×4

总线带宽计算如下：总线带宽=4(字节)×66.6(MHz)×4(每周期传输次数)=1066MB/s另外，PCIe总线带宽的计算方法与一般总线不同，PCI总线每个通道的带宽为500MB/s，那么PCIe的总线带宽为：500MB/s×通道数。【例】那么PCIe×16的总线带

宽计算如下：总线带宽=500MB/s×16=8GB/s教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构在微机统中，最常见的外部总线是USB总线。USB总线：属高速串行接口总线。该总线最多可连接127个设备，支持热拔插，支持即插即用，该接口已经成

为许多外设的标准接口。USB有三个规范，即USB1.1、USB2.0和USB3.0。(3)外部总线标准USB总线在某种程度上可以看作是系统总线的一个连接低速外设的延长线。USB总线一端连接在系统总线上(如前面提到的PCI总线)，另一端可

以连接低速的设备。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构I/O接口的功能是负责实现CPU通过系统总线把主机系统和外围设备联系在一起，是内、外交流的窗口。I/O接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由I/O接口电路、

连接器(一般为连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。3.2.6接口教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构I/O接口分为内置I/O接口和外置I/O接口两类。(1)内置I/O接口将I/O接口电路内嵌在主板中，由主板提供外设接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、USB接

口、串口、并口及软硬盘接口等。常见的内置I/O接口：教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构(2)外置I/O接口将I/O接口集成到一块独立的电路板(接口卡)上，接口卡必须插在总线扩展插槽上(如PCI、PCIExpress插槽等)。在每一

张接口卡的边缘，有一排像钢琴按键一样的铜皮，它们是接口卡与主机连接的导线。当接口卡插到主板上的扩展槽里时，这些铜皮就会与主板上的电路接通。教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器外部存储器通常用来存放需要长期保存的各种程序和数据。当需

要执行或处理这些程序和数据时，必须将其先调入到内存中然后再被CPU处理，所以外存实际上属于输入／输出设备。目前微机常用的外存储器主要有硬盘、光盘、U盘等。存储器是由一些具有记忆功能的器件构成的。对计算机系统来说，所谓记忆功能就是能够保持两种不同的状态。例如，电容可以有带电和没电两种

状态，因此它可以用来做内存条。又比如，磁性材料可以被磁化成不同极性方向，所以可以用两个相反的极性来表示0和1两种数码。因而磁性材料也可以做成磁盘。其实可以表示两种状态的材料非常多。比如在一张纸上打一个孔，就可以和没打孔的地方区

分开，因而也可以表示两种状态。从这个角度来说，纸张也是一种存储器。只不过它的存储容量太小，成本太高，而且不能重复使用。教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器3.3.1磁盘磁盘分为软盘和硬盘，是由一个或多个表面涂有磁性材料的薄盘组成。这类用磁化磁性材料的原理制成的存储器上被

磁化后的极性，如果没有被再次磁化，就不变了。它不需要用电或者其他的任何帮助，信息就可以长期保持下来了。如果需要重写，用磁头对其进行再次磁化就可以了。早期的3.5英寸软盘曾经被广泛使用，但缺点是容量太小，存取速度较慢，数据保存时间不长久，且盘片很容易受损。目前，在微机上软盘

已被U盘等存储设备所取代，原来作为标准配置的软驱也已被取消。教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器3.3.1磁盘硬盘是微机最重要的外部存储器，常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件，以及存储大量数据。柱面磁头臂1956年9月13日，一个名叫雷诺•约翰逊的人和他的同事

们首次将一个叫硬盘的大家伙安装到计算机上。这个足有两个冰箱那么大，重达1吨东西，从侧面看上去像一把巨大的梳子，但是，以今天的眼光来看容量实在是太小了，只有4.4MB，勉强存得下一首MP3歌曲。教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器(1)硬盘存

储格式在对硬盘进行格式化时，将对盘片进行划分磁道和扇区，而多个盘片的同一磁道构成柱面，柱面数与每个盘面上的磁道数相同，磁盘是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，所以柱面也从外向内依次编号，最外一个柱面

是0柱面。一个扇区的容量通常是512字节，因此，一个硬盘的容量可以按照下面的公式计算：硬盘的容量=面数(磁头数)×磁道/面×扇区/磁道×512字节/扇区【例】某硬盘磁头数为16，柱面数为4000，每个磁道有扇区2000，故该硬盘

的容量为：容量=16面×4000磁道/面×2000扇区/磁道×512字节/扇区=65536000000字节=65536000000/1024/1024/1024≈61GB教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器(1)硬盘存储格式在对

硬盘进行格式化时，将对盘片进行划分磁道和扇区，对于大容量的硬盘还将多个扇区组织起来成为一个块——“簇”，簇成为磁盘读写的基本单位。因为扇区的单位太小，因此把它捆在一起，组成一个更大的单位更方便灵活管理。有的簇是一个扇区

，有的有好几个扇区，一般在格式化时根据硬盘大小确定。一般分区越小簇越小，分区越大簇越大，一个文件通常存放在一个或多个簇里，但至少要单独占据一个“簇”，也就是说两个文件不能存放在同一个簇中。在操作系统当中硬盘的容量

与标称的容量不符，都要少于标称容量，容量越大则这个差异越大。这是因为，在计算机中是采用二进制，所以在操作系统中对容量的计算是以每1024为一进制的，而硬盘厂商在计算容量方面是以每1000为一进制的，这二者进制上的差异造成了硬盘容量“缩水”。教学进度计算机科学与工程

系3.3外部存储器(2)硬盘性能指标①硬盘的容量。微机配置的硬盘一般在几百GB以上。②硬盘的转速。硬盘的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快。现在的主流硬盘转速一般为7200rpm以上。③缓存。硬盘自带的缓存能提高硬盘的访问速度

。(3)硬盘接口硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种，IDE和SATA接口硬盘多用于普通微机中。教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器(4)硬盘格式化硬盘格式化分为低级格式化、分区、高级格式化。①硬盘低级

格式化。主要是对一个新硬盘划分磁道和扇区。一般由生产厂家在硬盘出厂前完成。②硬盘分区。把硬盘划分为成若干个相对独立的逻辑分区。每个分区有自己的名字，即硬盘标识符(如C：、D：等)，操作系统通过硬盘标识符访问硬盘。

③硬盘高级格式化。主要是对指定的硬盘分区进行初始化，建立文件分配表以便系统按指定格式存储文件。分区和格式化的目的是为了能够方便地存储和管理硬盘上的数据。教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器(5)硬盘启动过程CPU在开机之后首先从ROM

中取得指令开始执行，借此完成硬件检测和系统初始的布置工作。接着，它将把硬盘0面0磁道第一个扇区的内容(引导程序)读入内存，然后CPU将从ROM那里跳转到这里继续执行。主引导扇区的启动指令将分析读入内存的分区表

，看看哪个是活动分区。接着，算出该分区的起始位置，从那个扇区读入操作系统在这里，主引导扇区承担了一个承上启下的作用。通常，操作系统的引导代码位于各分区前若干个连续的扇区内。这一切都安排得很好，一环扣一环，就这样一点一点地，操作系统把自己最重要的部分全部读入内存中。教学进度计算机科

学与工程系3.3.2光盘存储器(1)光盘的分类·只读型光盘只读光盘中的数据是在制作时写入的，用户只能读数据，而不能写入或修改光盘中的数据。音频光盘CD-DA、数据光盘CD-ROM、VCD、DVD等都属于只读光

盘。·一次写入光盘这种光盘允许一次写入数据，但不能修改和擦除数据，如CD-R。·可擦写光盘这种光盘可多次写入或修改数据，如CD-RW。3.3外部存储器光盘简称CD(CompactDisc)是利用塑料盘片表面凹凸不平的特征，通过光的反射来记录和识别二

进制的0、1信息。教学进度计算机科学与工程系(2)光盘存储器的工作原理光驱把经过聚焦后的激光投射到光盘上，利用光盘的凹坑或非凹坑边缘反射的激光强度不同而将其表示为不同的电信号。3.3外部存储器读出原理教学进度计算机科学与工程系

3.3外部存储器只读光盘：生产厂家是利用机械办法在盘上压制凹坑来记录数据，用户无法写入，也无法更改。一次性写入光盘：是利用刻录机发出高功率的激光，聚焦在盘片某特定部位上，温度升高到数百度使这个部位的有机染料层产生不可逆的物

理化学反应，聚焦成永久性的微光斑，光斑的光学特性相当于凹坑。可擦写入光盘：是利用刻录机发出高功率的激光，聚焦在盘片某特定部位上，使被照射的相变合金材料在非晶体和晶体之间转换来来记录和重写数据。写入原理教学进度计算机科学与工程系(3)光盘主要技术指标①数据传输率光盘的数据传输率即光驱的

倍数（150KB/s为单倍，以此类推）。对于DVD来说，单倍数据传输率为1358KBps，大约相当于CD的9倍速。②存储容量常见的CD光盘的容量：650MB；流行的DVD光盘标准容量为4.7GB(单面单层)和8.5GB(单面双

层)。另外，还有双层单面和双层双面两种规格的DVD，后者存储容量为17GB。3.3外部存储器教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器(4)DVD光盘应用最广的是DVD-Video格式，用于存储影音信息。此外还有DVD-ROM(只读DVD)、DVD-Audio(音频DVD)、DVD

±R(可写DVD)、DVD-RAM或DVD±RW(可擦写DVD)。另外，还有蓝光高清DVD光盘。(5)光盘刻录机①CD刻录机既有CD-ROM光驱的功能，也能够向刻录CD光盘。其传输速率一般标注为A/B/C的形式(如20/10/40)，其中A表示写

CD-R盘的倍速，B表示写CD-RW盘的倍速，C表示读盘的倍速。②DVD刻录机既具有DVD-ROM光驱的功能，也能够刻录DVD光盘和CD光盘。教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器3.3.3移动存储器(1)U盘U盘也称闪存盘，俗称U盘。它采

用的存储介质为闪存，可以通过USB接口与电脑连接，实现即插即用。(2)移动硬盘移动硬盘一般由笔记本硬盘和硬盘盒组成。通过USB接口与主机连接，主要用在拷贝海量数据的场合。需要指出的是外存储器也属于输入输出设备，它只能与内存储器交换信息，不能被计算机系统的其他部件直接访问。外存

储器主要有磁盘存储器、半导体存储器和光盘存储器。教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器3.3.4内存与外存的关系内存实际上就是前面所说的主存储器，外存就是辅助存储器。就存储程序和数据来说，二者的在功能上是没有多大差异的，之所以区分“内”和“外”，与各自所处的位置以及与CPU的关系有关。内

存和外存的相互联系、相互协作、相互弥补，共建了一个和谐、高效的存储系统。打个比方，如果把处理器和硬盘比做一条河的两岸，那么内存就是连接两岸的桥梁。“桥梁”越宽，同时通过的人数就多，所以大容量内存相比小容量内存有着绝

对的优势，如果“桥梁”窄，那么处理器与硬盘之间就会存在瓶颈，从而对实际使用中表现出来的计算性能造成影响。教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器内存与外存的区别区别分类内存外存按CPU存取CPU可以直接读写内存的程序与数据外存中的程序和数据必须先加载到内存，才能被CPU读取按存储容量内存的容

量有限，这种限制取决于内存的价格以及CPU的寻址空间的大小外存的容量是非常大的，甚至可以说是“海量”的。只要需要，容量可以任意增大，不受任何限制按存取速度内存的读写速度是“电子级的”，比外存的存取速度快得多。外存的速度基

本上是“机械级的”，内存和外存不在一个数量级上按物理实现内存是电子设备，实现形式为大规模集成电路(RAM和ROM)外存多半是机械设备，利用磁记录、光学原理等做成硬盘、光盘等按成本费用单位存储容量内存的成本费用高单位存储容量外存的成本费用

低按存储状态存放在内存中的程序或数据，一旦掉电就全没了外存可以永久存放程序和数据教学进度计算机科学与工程系3.3外部存储器通常CPU不会同时需要非常多的信息，所以设计者在计算机内部加了一些小小的但很快的存储器，即内存。而计算机用户拥有

名目繁多的软件、整理不完的文档，以及看不完的电影。于是设计者就在计算机里面加了一个大大的、造价便宜的存储器——硬盘(外存)。而磁盘的速度是远远跟不上CPU速度的，设计者的办法是把你正在运行的软件从磁盘复制到那个小小的、高速的存储器(内存)里，然后C

PU只和这个高速的存储器打交道。内存用来存放正在执行的程序段和相关的数据，所以容量也不能太小。为了让存储器的速度更接近CPU，设计者们用更快、更小、更贵的存储器来存放内存中最近最可能被CPU访问的内容。这种存储器

被称为高速缓冲存储器，简称缓存。这样我们用两种不同类型、不同性价比的存储器就把问题解决了。教学进度计算机科学与工程系3.４常用的外部设备3.4.1输入设备(1)键盘键盘是计算机最主要的输入设备。键盘与主机相连的接口主要有PS/2和USB，有一些高档键盘采用无线连接。(2)鼠标鼠标是一种指

示方式的输入设备，常用的鼠标分为三类：机械式、光机式、无线鼠标。教学进度计算机科学与工程系3.４常用的外部设备3.4.2输出设备(1)显示器CRT显示器在工作时，电子枪发出电子束轰击荧光粉层上的某一点，使该点发光，每个像素有红、绿、蓝三基色组成，通过对

三基色的强度的控制就能合成各种不同颜色。科学家发现了人眼的一个缺点：在超过一定距离后人眼的分辨能力就不行了，如果把三种颜色不同的光照在距离很近的点上，人眼看起来和单色的效果一样。这被称为空间混色法。当我们把每个像素点分成三个区，涂上产生三种原色的荧光粉就行了。为了产生一个带颜色的像

素，只要用三束强度不同的电子束同时分别轰击像素点上的三个不同的荧光粉区就行了。教学进度计算机科学与工程系3.４常用的外部设备液晶显示器LCD的优点在于：①图像稳定。由于只有在画面内容发生变化时才需要刷新，因此没有闪烁感；②液晶底板整体发光，真正的完全平面；③LCD显示器基本上没有辐射

；④能耗低。约为CRT显示器的三分之一。教学进度计算机科学与工程系3.４常用的外部设备几个显示器的性能参数：①显示器的点距。点距指屏幕上相邻两个同色像素单元之间的距离，点距越小，显示效果就会越好。②像

素和分辨率。分辨率指屏幕上像素的数目，一个像素是组成图像的最小单位，它是一个发光点。③显示器接口VGA接口，是一种连接显示器的传统接口，采用模拟信号传输；DVI接口即可传输数字视频信号，也可传输模拟RGB视频信号；HDMI接口不但可以提供全数字视频信号，而且还可以同时传输音频，主要用于连接电视机

。教学进度计算机科学与工程系3.４常用的外部设备显卡，也称图形加速卡,它是连接主机与显示器的接口卡。其作用是将主机的输出信息转换成字符、图形和颜色等信息，传送到显示器上显示。另外，它还用于增强多媒体和3D图形的显示效果。显卡有集成显卡

和独立显卡的区别。集成显卡集成在主板上，而独立显卡需要插在主板的扩展插槽上，如图所示。教学进度计算机科学与工程系3.4常用的外部设备显卡主要的组成部分有：·显示主芯片：是显卡的核心，俗称GPU——图形处理单元，它的主要任务是

对系统输入的视频信息进行构建和渲染。显示主芯片的能力直接决定了显卡的能力。·显存：是用来存储将要显示的图形的信息以及保存图形运算的中间处理数据部件。·数字/模拟模拟器：作用是把二进制的数字信号转换成为

和显示器相适应的模拟信号。显示存储器(VRMA)数字/模拟模拟器显示主芯片显卡显示器视频输出接口芯片组CPURAM主机接口系统总线显卡工作原理教学进度计算机科学与工程系3.4常用的外部设备(2)打印机常用的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等。①针式打印

机特点。利用钢针击打色带把色带上的墨打印在纸上形成文本或图形。缺点是打印质量差、速度慢、噪声大；优点是可以打多联纸，耗材相对较便宜。②喷墨打印机特点。打印时，墨水经喷头以每秒近万次的频率喷射到纸上。其打印质量、速度、噪声及成本方面处于中等层次。③激光打印机特点。利用激光将碳粉固着在纸上，

加热后印出文字和图片。优点是打印速度快、噪音低、质量好，缺点是价格及打印成本较高。对三种打印机的打印效果对比来说，激光最好，喷墨其次，而针式相对较差。教学进度计算机科学与工程系3.4常用的外部设备激光打印机工作原理

简介硒鼓表面带正电荷，被激光照射时照射点位置的正电荷减弱或消失，而未消失部分吸附带负电荷的碳粉形成潜影。送纸机构将打印纸送入，此时打印纸会带上很强的正电荷。打印纸与硒鼓墨粉影像区接触后，墨粉会在更强的静电作用力下转移

到纸张上面，形成打印影像。加热纸张，墨粉被熔化固定在纸上，完成一个扫描行的打印。硒鼓不断转动、墨粉连续被吸附、纸张持续被送入，最终完成整幅图像的打印。教学进度计算机科学与工程系3.4常用的外部设备3.4.3其他外部设备(1)多媒

体设备（第七章）(2)调制解调器电话线010011010011modemmodem教学进度计算机科学与工程系3.4常用的外部设备3.4.4计算机硬件系统的性能指标性能指标说明CPU的主频CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频

率。一般说来，主频越高，单位时间内完成的指令数也越多，CPU工作的速度也就越快。字长字长是计算机进行数据处理时一次存取、加工和传送的数据长度。字长越长，计算机一次能处理信息的位数就越多，表现为计算机的运算速度

越快。早期微型计算机的字长是8位，接下来是16位、32位，发展到今天的64位。运算速度计算机的运算速度是指计算机每秒钟执行的指令数，它是一项综合性的性能指标。运算速度的单位是MIPS，即每秒百万条指令。内存容量存储器中能存储的信息总数量称为存储容量，以字节为单位。内存容量越大

，一次读入的程序、数据就越多，从而大大提高计算机的运行速度。PC机的内存储器容量已由286机配置的1MB，发展到现在PentiumIV的1GB、2GB、4GB以上。内存存取速度内存储器连续启动两次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间，称为存取周期。存取周期的单位为纳秒ns(1ns=

10-9秒)。I/O速度I/O的速度是指CPU与外部设备进行数据交换的速度。随着CPU主频速度的提升，存储器容量的扩大，系统性能的瓶颈越来越多地体现在I/O速度上。教学进度计算机科学与工程系3.5计算机指令系

统3.5.1计算机指令系统概述(1)指令是指计算机执行特定操作的命令，是程序设计的最小语言单位。指令构成：操作码+操作数例如：某单片机指令0010001100000010将2送累加器A，前8位是操作码，后8位是操作数指令系统：是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。不同型号的计算机有不同的指令系统

，它反映了计算机的处理能力。教学进度计算机科学与工程系3.5计算机指令系统操作码操作数数据传送指令数据处理指令•程序控制指令输入输出指令其它指令IfGoto……＋－×÷AndOr……CPU内存I/O

设备主机对计算机的硬件进行管理等指令结构分类操作码要完成的操作类型或性质操作数操作的内容或所在的地址教学进度计算机科学与工程系3.5计算机指令系统3.5.2指令的执行过程开始取一条指令执行指令分析指令停止

停机指令执行指令教学进度计算机科学与工程系3.5计算机指令系统可分为以下四个步骤：首先，将被执行程序第一条指令的首地址0100H写入程序计数器PC。①取指令按计数器中的地址从内存中取出指令(070270H)，并送往指令寄存器。然后计

数器PC自动加1指向下一指令地址。②分析指令由译码器对操作码(07H)进行译码，由地址码(0270H)确定操作数地址。③执行指令取出操作数，去完成该指令所要求的操作。例如，取内存单元(0270H)的值和累加器的值相加，结果还是放在

累加器。④一条指令执行完成，再回到①取指令阶段开始下一指令的执行。起始地址内存储器（2）（3）（1）（4）（1）内存储器程序计数器PC指令寄存器自动加1操作码07地址码0270译码器操作控制线路累加寄存器算术、逻辑运算部件地

址内容………01000702700101………0270数据程序区数据区控制器运算器（2）（3）（1）（4）（1）内存储器程序计数器PC0100指令寄存器自动加1操作码07地址码0270译码器操作控制线路累加寄存器算术、逻辑运算部件地址内容……

…01000702700101………0270数据程序区数据区控制器运算器教学进度计算机科学与工程系3.5微型计算机使用3.6.1微型计算机选型选购微型计算机时需要进行需求分析。首先，确定需要微型计算机来做什么，是用来办公？还是用来游戏？或者是制图、开发设计等？在明确了计算机的用途需求后，再确

定其他因素，如预算、售后、品牌等。3.6.2初始设置(1)BIOS设置在开机时通过特定的按键就可进入BIOS设置程序，方便地对系统进行设置。如果微型计算机的设置不正确，会导致系统性能降低、零部件不能识别，并由此引发一系列的软硬件故障。教学进度计算机科学与工程系

3.5微型计算机使用(2)硬盘分区与格式化硬盘分区就是对硬盘的物理存储进行逻辑划分，将大容量硬盘分成多个大小不同的逻辑区间。如果不进行硬盘分区，系统在默认情况下只有一个分区(C盘)，在管理和维护系统时会有很大的不便。因此，应根据自己的实际需要，将硬盘划分多个分区

。硬盘分区后，还不能存储文件，需要进行格式化。(3)安装操作系统和驱动程序任何一台计算机都必须配置一种或多种操作系统。操作系统安装完成后还要安装相关的设备驱动程序。完成上述工作后，计算机就可以工作了。教学进度计算机科学与工程系

3.5微型计算机使用3.6.3故障排除排除微型计算机故障常用方法有：①拔插法。②代换法。③比较法。④程序测试法。另外，计算机更多情况下出现的是软件故障，或软件与硬件综合产生的故障。如内存不足、非法操作、文件损坏、出现蓝屏和自动启动、频频死机等。这些故障产生

的原因很多，可能是病毒侵犯、硬件老化、文件损坏或丢失、软件与硬件不兼容、硬件冲突等等。软、硬件方面都可能有，因此要从两个方面查找原因进行故障排除。教学进度计算机科学与工程系3.6计算思维的典型案例案例1：在计算机科学中，抽象是一种被广泛

使用的计算思维方法。在本章中介绍的冯•诺依曼体系结构就是对现代计算机体系结构的一种抽象认识。在冯•诺依曼体系结构中，计算机由内存、处理单元、控制单元、输入设备和输出设备等五部分组成。这一体系结构屏蔽了实现上的诸多细节，明确了现代计算应该具备的重要组成部

分及各部分之间的关系，是计算机系统的抽象模型，为现代计算机的研制奠定了基础。教学进度计算机科学与工程系3.6计算思维的典型案例案例2：并行是一种重要的计算思维方法。并行计算一般是指许多指令得以同时进行的计算模式。我们在计算机系统的设计中看到了很多运用并行技术提高系统效率的例子，例如

，本章介绍的“多核处理器”技术，是从空间的角度，通过硬件的冗余，让不同的处理器并发执行不同的任务。该种技术体现了运用并行方法解决问题的思路。在日常生活中也有许多并行思维的例子。在高速公路收费站服务中也可以经常见到并行。在车流量多的高峰时段，收费站可以通过增加

一些通行通道提高服务的并行度，从而提高服务能力，减少车辆通行的等待时间；而在车流量较少的时候，会通过关闭一些通道降低服务的并行度，在保证通行速度的同时减少高速公路收费站自身的运营成本。教学进度计算机科学与工

程系3.6计算思维的典型案例案例3：缓存也是一种重要的计算思维方法。缓存是将未来可能会被用到的数据存放在高效存储区域中，使得将来用到这些数据时能够非常快地得到。在计算机系统中有一个重要的原理，即程序的局部性原理。程序的局部性原理有两方

面的含义：时间局部性和空间局部性。时间局部性是指，如果一个信息项正在被访问，那么近期它很可能还会被再次访问；空间局部性是指，在最近的将来将用到的信息很可能与现在正在使用的信息在空间地址上是临近的。因此，在时间和空间上，

程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令，其访问行为不是随机的，而是相对集中的。教学进度计算机科学与工程系3.6计算思维的典型案例CPU访问存储器，无论存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。根据这一原理，计算机系统中采取了层次

性的存储体系，包括高速缓存、内存储器、外存储器等。高速缓存的访问速度最快、容量最小、成本最高，外存储器的访问速度最慢、容量最大、成本最低。计算机系统充分利用了局部性原理，提高系统在缓存中命中数据的可能性，从而以较多的低速大容量存储器、配合较少的高速缓存，得到速度和高速存储

器差别不大的大容量存储器，在存储容量、速度和成本上获得了较好的平衡。在我们的工作和生活中也有缓存思维的例子。例如，学生上学在书包中通常只放上当天上课需要的书本，而不需要把所有书本都带上；我们的办公桌上总是放上最常用或刚刚看到过的书，而长时间不用的书都转移到书架上，这些都是通过缓存和预取提高效率的例

子。教学进度计算机科学与工程系3.6计算思维的典型案例案例4：以键盘输入与屏幕显示为例可以感受“信息处理的思维”，即：位置→电信号→编码→存取/ASCII→解码→字形→显示。理解和掌握这一思维之后，可以很容易地

推广至其他语言文字的处理，如汉字等。更进一步，这一例子蕴含着一种普适的思维——信息处理思维，即：物理对象通过采集设备采集相关信息(物理－信息映射)，然后按一定的编码规则使用编码器进行编码及存储，再按编码规则使用解码器进行解码，识别所需信息并进行显示。教学进

度计算机科学与工程系学习完本章后，请思考并讨论以下提出的几个问题：1．解释硬盘分区的类别及特点，如果有一个新硬盘你将如何分区。2．收集一些不同品牌、不同配置电脑的宣传单，对收集到的资料按高、中、低档次分别配置一台电脑，列出相关的配置参数。3．谈谈通过哪些方法可以提

高计算机的速度。4．简述内存与外存的关系。以上讨论题为本章作业，并作为本课程平时成绩的部分依据，请完成后上传。