计算机组成原理

计算机的组成和分类

计算机的发展

“代”的划分是以计算机的主机所使用的 元器件为依据

代别 年代 使用的元器件 使用的软件类型 主要应用领域
第1代 1940’s 中期~1950’s 末期 CPU:电子管
内存:磁鼓
使用机器语言和汇编语言编写程序 科学和工程计算
第2代 1950’s 中、后期~1960’s 中期 CPU:晶体管
内存:磁芯
使用FORTRAN 等高级程序设计语言 开始广泛应用于数据处理领域
第3代 1950’s 中、后期~1960’s 中期 CPU:SSI,MSI
内存:SSI,MSI 的半导体存储器
操作系统、数据库管理系统等开始使用 在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用
第4代 1950’s 中、后期~1960’s 中期 CPU:LSI、VLSI
内存:LSI、VLSI 的半导体存储器
软件开发工具和平台、分布式计算、网络软件等开始广泛使用 各行各业,家庭和个人开始使用计算机(如PC 机)

1946年,世界上第一台 数字电子计算 机是由 宾夕法尼亚化学【宾州大学】研制的 “埃尼阿克”(ENIAC)【电子管】

计算机应用模式发展阶段:集中计算模式、分散计算模式、网络计算模式、云计算(目前)

计算机的特点

  • 速度快,通用性强
  • 具有多种多样的信息处理能力
  • 存储容量大,存取速度高
  • 具有互联互通互操作的特性
  • 体积小,功耗低,携带方便

计算机的逻辑组成

从逻辑上(功能上)来讲,计算机硬件主要包括 中央处理器(CPU)、主存储器、辅助存储器、输入设备和输出设备。CPU 和 主存储器作为计算机的主机部分,输入/输出设备和辅助存储器等作为计算机的外围设备(外设)。

计算机系统 由 软件和硬件组成

计算机硬件是计算机系统中 所有实际物理装置的总称

计算几软件是指在计算机中运行的各种 程序 及其处理的 数据和相关的文档

中央处理器【CPU】

定义:计算机中有多个处理器,其中用于承担系统软件和应用软件运行的处理器称为CPU

组成:运算器+控制器+寄存器

处理器 > 微处理器 > cpu,gpu….

微处理器 != cpu

并行处理 VS 多任务处理

并行处理:同一个任务被分解成多个任务,多个CPU核心同时处理【神威·太湖之光】

多任务处理:多个不同的任务不同时间段【时间片轮转】

主存储器 和 辅助存储器

辅助存储器(俗称外存,简称辅存) 内存储器(简称内存或主存)
存取速度慢,成本低、容量很大 存取速度快,成本高、容量相对较小
按 数据块 编址和存取 按 字节 编址和存取
不与 CPU 直接连接,计算机运行程序时,外存中的程序及相关数据必须先传送到内存,然后才能被CPU 使用。 直接与 CPU 连接,CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作。
属于非易失性存储器,断电后信息保持,用于长久存放系统中几乎所有的信息 大多属于易失性存储器,断电后信息消失,用于临时存放正在运行的程序和数据

输入设备

用来向计算机输入的设备

不论信息的原始形态如何,输入到计算机中的信息都使用二进制来表示

设备:键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风和传感器

输出设备

把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式

设备:显示器、打印机、绘图仪

总线

定义:用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传输信息的一组共享/公用的传输线及其控制电路。

特点:共享、高速

总线的分类
  1. 按传输设备

CPU总线/前端总线/高速总线:连接 CPU 和 主存 的总线

I/O总线:连接 主存 和 I/O设备(包括辅存)的总线【PCI和PCI-E】

  1. 按传输信号

数据总线:决定字长,用于传输数据,单向

地址总线:决定寻址空间容量,用于寻址,单向

控制总线:用于传输控制信号,双向

  1. 按数据传输方式

串行总线:串口:USB【4线】、IEEE1394【6线】、SATA

并行总线:并口:IDE(PATA)

计算机的分类

  1. 按照内部逻辑结构:16位机、32位机、64位机

  2. 按计算机性能和用途

巨型计算机

采用大规模并行处理体系结构【多个CPU】

应用:科研、石油勘测、天气预报等

神威·太湖之光

大型计算机

虚拟化技术,同时运行多个操作系统

应用:企业级或政府的服务器

服务器【小型计计算机】

应用:中小型企业

个人计算机【pc机/微型计算机】

个人计算机分为:台式机 和 便携机

应用:家用或办公室

扩展:工作站:显卡强大,操作系统是Unix/Linux

嵌入式计算机/单片机

应用:寄生在其他设备中

SoC/片上系统/系统级芯片

CPU的结构和原理

计算机工作原理

冯·诺依曼体系结构:存储程序控制原理 = 存储程序 + 程序控制原理

程序是个指令序列

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CPU的结构

CPU组成:寄存器组、运算器、控制器

  • 寄存器组:用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间或最后结果

  • 运算器:对二进制数据进行 算术运算、逻辑运算【ALU】

  • 控制器:指令计数器、指令寄存器

    指令计数器:用来存放CPU待执行的 指令的地址,CPU按照地址从内存中读取所需要执行的指令。【存指令地址、+1操作】

    指令寄存器:用来保存当前正在执行的指令,通过译码器解释该指令的含义,控制运算器的操作,记录CPU的内部状态【存放指令、编译指令】

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指令与指令系统

什么是指令?

指令是构成程序的基本单位,程序是由一连串指令组成

指令由 操作码 和 操作数地址 组成

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指令的执行过程

  1. 取指令:CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器
  2. 指令译码: 指令寄存器中的指令经过 译码,决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里
  3. 取操作数:根据操作数地址取出操作数
  4. 执行指令:运算器按照操作码的要求,对操作数完成规定的运算,把运算 结果保存到指定的寄存器,需要时将结果保存到内存单元
  5. 修改指令计数器(+1),决定下一条指令的地址

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指令系统

指令系统(指令集):CPU所能执行的全部指令的集合

Core处理器的【七大指令系统】:数据传送类、算数运算类、逻辑运算类、 移位操作类、位操作类、控制转移类、输入输出类

CPU兼容性

1)不同厂商 生产的CPU的指令系统 通常/一般不兼容 (Intel和AMD相互兼容)

2)同一厂商 生产的CPU的指令系统保持 向下兼容

CPU性能指标

衡量性能的方法

  1. 参数角度:每秒钟可执行多少指令
  • MIPS【百万条定点指令/秒】
  • MFLOPS【百万条浮点指令/秒】
  1. 运行角度:运行各种测评软件
  • 游戏性能测试程序:3DMark
  • 整体性能测试程序:PCMAark

影响CPU性能的主要因素/参数

  1. 指令系统

指令系统越简单,越有利于提高速度,降低功耗【短小精悍】

  1. 字长(位数)

通用寄存器和定点运算器的宽度(即二进制整数运算的位数)

  1. 主频(CPU的时钟频率)

CPU 中电子线路的工作频率,它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢。

  1. 高速缓存(cache)的容量和结构

程序运行过程中,高速缓存有利于减少CPU访问内存的次数。Cache容量越大,级数越多,访问Cache的命中率越高,CPU的速度就越快【cache在CPU中】

cache命中率:CPU需要的指令和数据在Cache中能直接取到的概率【CPU先去cache找数据,找到直接从cache中读取,找不到再去内存】

如何提高cache命中率?

1)增大cache容量。

2)采用多级cache技术(2级或3级等)。

3)cache中采用快速的查找算法,判定是否命中。

4)不能命中时,采用有效的算法将读入的内容替换cache中暂时不使用的内容。

5)编译器优化目标程序

6)程序员写出cache-friendly的程序。

⭐重点

  • 作用:解决内存和CPU速度的差距方案【CPU和内存之间】
  • 不与主存统一编址,但可接受CPU直接访问;Cache中的数据是主存中部分内容的映象。
  • CPU局部访问原理
  1. 逻辑结构(微架构)

  2. CPU核的个数【并行处理】

主板、内存和I/O

主板

主板的物理尺寸已经标准化;ATX 规格主板正向 BTX 规格转换;主板的稳定性影响着整个计算机系统的稳定性。

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扩充卡

插在PC 机主板总线插槽中的电路板,如显卡、声卡、网卡、视频卡等;随着集成电路的发展和计算机技术的进步,许多扩充卡的功能已经部分或全部集成在芯片组和主板上,因此不再需要插接相应的适配卡。

芯片组

芯片组是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽

芯片组组成

  1. 北桥
  • 概念:存储控制中心,用于连接CPU、内存、显卡等高速设备,并与南桥芯片互联。【高速设备】
  • 北桥的大部分功能已经集成在CPU芯片中,剩余功能集成到了南桥芯片中【单芯片组】
  1. 南桥
  • 概念:I/O控制中心,用于连接各种输入输出设备,各个扩展槽、I/O总线、以及各种输入输出接口等。【低速设备】

随着集成电路技术的进步,北桥的大部分功能已经集成在CPU芯片中,其他功能则合并至南桥芯片,所以现在只需要一块芯片,就可以完成系统中所有硬件的连接

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其他

1)芯片组决定了所使用的 CPU的类型和参数

2)CPU类型和参数不同,需要配备不同的芯片组

3)芯片组提供了 CPU的时钟频率

4)芯片组决定了主板上所能安装的 内存的最大容量和类型

BIOS【基本输入/输出系统】

存放在主板上【只读存储器(ROM)】芯片中的一组机器语言程序。【机器语言】

注意:是BIOS-ROM,只读存储器,断电不会丢失,BIOS是计算机中最基础的、开机最先启动的程序

BIOS组成

  1. 加电自检程序 POST
  • 测试PC机各部件的工作状态是否正常
  1. 系统自举程序 / 系统盘主引导记录的装入程序 BOOT

  2. CMOS设置程序

  • 设置系统参数,例如 时间、日期、口令、配置参数等
  1. 基本外围设备驱动程序
  • 键盘、显示器、软驱和硬盘等

CMOS

其中存放的是与计算机系统相关的一些参数(称为“配置参数”),包括当前的日期和时间、开机口令、已安装的光驱和硬盘的个数及类型,加载操作系统的顺序;CMOS是主板上的一块可读写的存储芯片。

注意:CMOS是易失性存储器RAM芯片,断电后信息丢失,靠纽扣电池供电。

存储器

内存和外存

存储器 内存储器【主存储器】 外存储器【辅助存储器】
基本特征 存储速度快,成本较高,容量较小 存储速度慢,成本第,容量大
编址方式 按 字节 编址和存取 按 数据块 编址和存取
CPU关系 直接与 CPU 连接,CPU(指令)可以对内存中的指今及数据进行读、写操作。 不与 CPU 直接连接,计算机运行程序时,外存中的程序及相关数据必须先传送到内存,然后才能被CPU 使用。
存储性质 大多属于易失性存储器,用于临时存放正在运行的程序和数据 属于非易失性存储器,用于长久存放系统中几乎所了有的信息

存储器的层次结构

目的:优化存储器的性能/性价比

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存储器分类

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主存储器

内存条:把若干片 DRAM 芯片焊在一小条印制电路板上做成的部件

存储单元:每个存储单元的基本单位为1Byte,按字节编址。

地址:每个存储单元(一个字节)都有一个唯一编号的地址,主存储器以字节为单位进行连续编址,CPU 按地址对存储器进行访问

主存性能指标
  1. 存储容量:主存储器中所包含的存储单元的总数(即内存中可存储信息的多少)

影响内存容量的因素:主板芯片组的型号、主板存储器插座类型与数目、CPU 地址线的宽度

  1. 存取时间:从CPU 送出内存单元的地址码开始,到主存读出数据并送到CPU(或者是把CPU 数据写入主存)所需要的时间——单位:ns(1ns = 10-9 秒)
DDR 和 DIMM

1)DDR

利用时钟的上升沿与下降沿在同一个时钟周期内实现两次数据传送(即DDR SDRAM 的有效时钟频率是SDRAM 的两倍)【x2】,两块相同配置的DDR内存条可以组成“双通道”

DDR速率 X2

2)DIMM

双列直插式内存条,触点分布在内存条的两面【两面引脚作用不同】

I/O操作与I/O总线

I/O操作

定义:将输入设备输入的数据送入计算机内存【输入】,或者将数据从内存读出送到输出设备【输出】。

⭐I/O操作特点
  • I/O 操作与 CPU 的数据处理操作是并行的;
  • 多个I/O 设备能同时进行工作
  • I/O 设备的种类多,性能相差很大,与计算机主机的连接方法也各不相同

  • 每个(类)I/O 设备都有各自专用的控制器,它们的任务是接收CPU 启动I/O 操作的命令后,独立地控制I/O 操作的全过程

I/O总线

定义:用于连接内存和I/O 设备(包括外存)的总线(I/O 总线与主板上扩充插槽中的扩充卡直接相连)

总线数据传输速率

定义:单位时间内总线上可传送的数据量。

总线带宽(MB/s)=(数据线宽度/8)×总线工作频率(MHz)×每个总线周期的传输次数

I/O总线发展
  • ISA、EISA【第一代】
  • PCI、PCI-X【第二代】
  • PCI-Express(简称PCI-E)【第三代】
PCI总线特点
  • PCI 的数据线宽度可为 32 位(数据传输速度 133MB/s),也可为 64 位(数据传输速度 266MB/s)【可扩展】
  • PCI 可支持多个外围设备,如网卡、声卡、显卡【PCI-E x 16】
  • PCI采用高速 串行 传输
  • PCI 总线的时钟与 CPU 时钟无关
  • PCI 能与其他 I/O 总线共存于 PC 系统中

I/O接口

输入/输出设备通过I/O 接口与各自的控制器连接起来

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I/O接口分类

1)按数据传输方式

  • 串行:USB【4线】、IEEE1394【6线】、SATA

  • 并行:IDE【PATA】

2)按能否能连接多个设备

  • 总线式:USB….

  • 独占式:PS/2

⭐USB接口

USB 又名 通用串行总线式接口,可以连接多个设备,串行传输

USB传输速率:

1)USB2.0:480Mb/s(60MB/s)

2)USB3.0:3.2Gbps(400MB/s) 5Gbps(625MB/s)

3)USB3.1:10Gb/s(1.25GB/s)

USB特点

  • USB2.0使用 4线 接口(红白绿黑)
  • 支持热插拔和即插即用
  • 可连接多个设备(最多127 个)
  • 可向外设供电(+5V,100~500 mA)。

IEEE-1394 接口

  • FireWire,双向串行传输、采用差分信号形式传输时钟及数据、连接高速设备(如音视频设备)50MB/S~100 MB/S、6 线接口、可连接多个设
    备(63 个)

SCSI 接口(small computer interface)

  • 一种用于连接大容量磁盘驱动器、扫描仪等外围设备的专门的高速并行端口。

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常用输入设备

键盘

按键功能

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键盘分类

  • 机械键盘
  • 电容式键盘:击键声音小、不存在磨损接触不良等问题、寿命长、手感好

扩展

软键盘:智能手机使用的就是软键盘(虚拟键盘),用户手指触摸其中的按键就可以输入相应的信息,不使用时虚拟键盘可以从屏幕上消失

键盘与主机接口

  • AT 接口(早期)
  • PS/2 接口【绿色鼠标,紫色键盘】
  • USB 接口
  • 无线接口(红外、无线电波、蓝牙)

鼠标

鼠标能够方便地控制屏幕上的鼠标箭头准确地定位在指定的位置处,然后通过按键(左键/右键)发出命令,进行各种操作。

工作过程

  1. 用户移动鼠标器时,借助于机械或光学原理,将鼠标在X方向和Y方向移动的距离变换成脉冲信号输入计算机

  2. 计算机中的鼠标驱动程序把接收到的脉冲信号转换成水平和垂直方向的位移量,继而控制屏幕上鼠标箭头的移动

鼠标分类

  • 机械式鼠标
  • 光电式鼠标【目前】:它使用一个微型镜头不断地拍摄鼠标器下方的图像经过一个特殊的微处理器(数字信号处理器DSP)对图像颜色或纹理的变化进行分析,计算出鼠标器的移动方向和距离。

鼠标操作

略

鼠标形状

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主要指标

  • 分辨率dpi:鼠标每移动一英寸距离光标在屏幕上所通过的像素的数目,分辨率越高,定位越准确

鼠标与主机接口

  • EIA(RS)-232 串行口
  • PS/2 接口
  • USB 接口
  • 无线接口

与鼠标作用类似的设备

  • 操纵杆【经常用于游戏控制】

  • 触摸屏【适用于服务性公共场所】 :触摸屏对压力敏感,触摸屏兼又鼠标和键盘的功能,智能手机/平板电脑流行使用 ”多点触摸屏“,多点触摸屏大多基于电容传感器原理,可以同时感知频幕上的多个触控点。

  • 触摸板【笔记本】

扫描仪

扫描仪是将原稿 (图片、照片、底片、书稿) 输入计算机的一种输入设备。扫描仪输入到计算机中的是原稿的“图象”。

未经OCR 识别,内容不可编辑

分类

  • 手持式扫描仪:一行一行地扫描
  • 平板式扫描仪【家用和办公自动化领域广泛应用】
  • 胶片专用和滚筒式【专业印刷排版领域】

⭐扫描仪工作过程与原理

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扫描仪工作时,将被扫描的原稿 正面朝下 放置在扫描仪玻璃板上。扫描仪采用高亮度的光照射图像,由电机牵动的扫描头沿着原稿移动,并接受从原稿反射回来的光束。通过 CCD(电荷耦合器件) 的 光电转换 产生电流输出。照射光强电流大,照射光弱电流小,经过 模数转换器(A/D转换器)转换,就变成计算机可以处理的数字信号。这种数字信号由专门软件经过各种校正和平滑处理之后得到的图像数据以指定的文件格式存储在计算机中。

性能指标

  1. 分辨率(dpi):反应了扫描仪扫描图像的清晰程度,用每英寸生成的像素数目(dpi)来表示

  2. 色彩位数(像素深度/色彩深度):色彩位数越多,能反映的色彩就越丰富,扫描效果也越真实

  3. 扫描幅面:原稿最大尺寸

  4. 接口:SCSI、USB、IEEE-1394 【全是串口】

数码相机

数码相机原理

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性能指标

  1. CMOS/CCD像素数目:CCD 像素个数越多,影像分辨率越高,图像质量越好
  • 中高档数码相机用 CCD
  • 低档普及型相机用 CMOS
  1. 存储器的容量

传感器

传感器(transducer/sensor)是一种检测装置,它能感知被测量的信息,并将其变换成电信号输入计算机,供计算机进行测量、转换、存储、显示或传输等处理。

常见传感器

  • 环境光感应器:感知设备使用环境的光线明暗,自动调整屏幕的显示亮度可以延长电池工作时间,对保护眼睛也有利

  • 近距离传感器 (proximity sensor):通过红外线进行测距,当手机用户接听电话或者装进口袋时,传感器可以判断出手机贴近了人脸或衣服而关闭屏幕的触控功能,以防止误操作。

  • 气压传感器:检测大气压,感知当前高度以及辅助GPS定位。

  • 三轴陀螺仪:感知手机横竖纵三个方向的位置变化,自动调整屏幕以横向还是纵向进行显示。

  • 重力传感器(加速度感应器):感知用户晃动手机的速度、角度、方向和力量的大小,在玩游戏的时候很有用处

  • 磁力计 (电子罗盘):用作电子指南针、帮助GPS定位等

  • 3D 触摸传感器:嵌在液晶屏的背光层,可测量出用户触摸屏幕的力量大小。3Dtouch与振动器结合,后者可向用户提供力反馈

常用输出设备

显示器和显示卡

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显示器

显示器分类

计算机使用的显示器主要有两类:

  • CRT显示器:
  • 液晶显示器(LCD):工作电压抵,辐射危害小,功耗低,不闪烁
显示器性能参数
  • 显示屏的尺寸与屏幕宽高比:显示器的尺寸以对角线长度度量,的单位是英寸;宽高比:4:3;16:10

  • 显示器的分辨率:水平像素个数 x 垂直像素个数

    注意:在显卡的控制下,屏幕的分辨率是可以设置的

  • 刷新速率:所显示的图像每秒钟更新的次数,单位 Hz

  • 响应时间:越小越好

  • 色彩、亮度和对比度

  • 背光源类型:荧光灯管 和 白色发光二极管(LED)

  • 辐射和环保:能源之星

常见分辨率

1920x1080 (1080P)、1024x 768 (720P)、2560x 1440 (2K)、3840x 2160 (4K)、1280x1024、800x600、640x480

CRT VS LCD
CRT 显示器 LCD
闪烁 有时会 不会
工作电压 高 低
功耗 高 低
电磁辐射 少量 没有
体积 通常较大 较轻薄易携带
显示分辨率 可调节,有多种 一般固定为一种

显示卡

显卡分类

显示卡分为两种:

  • 独立显卡:以扩展卡的形式插在机箱中
  • 集成显卡:绘图处理器包含在CPU或北桥芯片中,显示使用的存储器需要占用内存的一部分
显卡的组成

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显卡主要由显示控制电路、图形处理器(GPU)、显示存储器和接口电路四个部分组成。

  • 显示控制电路:负责对显卡的操作进行控制,包括对液晶显示器进行控制,如 光栅扫描、同步、画面刷新 等等
  • 主机接口电路:负责显示卡与CPU和内存的数据传输,现在显卡一般都采用 PCI-Ex16 高速接口。
  • 显示存储器(VRM):用于接收和传输CPU和内存交互的数据
  • 图形处理器(GPU):用于对显示图像相关数据进行运算
显卡性能参数
  1. 绘图处理器

  2. 显存容量

  3. 主机接口:PCI-Ex16、AGPx4,x8

  4. ⭐显示器接口:

    • VGA:模拟接口
    • DVI:数字接口
    • HDMI:全高清多媒体接口(以无压缩方式传送1920x1200的数字视频信号和5.1声道音频信号) 【图像+声音】19针,不可热插拔

打印机

1. 针式打印机

类型:击打式打印机

优点:耗材成本低,支持多层套打,适合于票据打印

缺点:打印质量不高,工作噪声很大,速度慢

应用:银行、证券、邮电、商业等领域 用于打印存折和票据等

扩展:

热敏打印机:非击打式打印机,所使用的热敏打印纸上覆盖了一层热敏材料的透明膜

2. 激光打印机

类型:击打式打印机,

原理:激光技术 与 复印技术的结合

优点:分辨率较高,打印质量好速度高,噪声低,价格适中

缺点:彩色输出价格还比较高

接口:过去是并行口,目前流行使用USB接口

应用:办公室和家庭应用

3. 喷墨打印机

类型:非击打式打印机,大多为彩色打印。

优点:可以打印近似全彩色图像,经济,效果好,低噪音,使用低电压,环保。

缺点:墨水成本高,消耗快

应用:家庭及办公

扩展:

3D打印机技术

1.熔融沉积技术

2.选择性激光烧结技术

3.立体平面印刷技术

打印机性能指标

  • 打印精度(分辨率dpi):每英寸多少像素点
  • 打印速度:页数/分 PPM
  • 色彩表现能力:打印机可打印的不同颜色的总数
  • 可打印篇幅大小
  • 与主机接口:并行口、SCSI、USB
  • 其他:如打印成本、噪声、功耗等。

总结

针式打印机 激光打印机 喷墨打印机
性质 击打式 非击打式 非击打式
耗材 色带 炭粉 墨水
打印质量 差 最好 好
工作噪声 最大 小 低
臭氧产生 无 有(使用高电压) 无
打印速度 慢 最快 中
打印平均成本 中 最低(但初始购机成本大) 高(墨水成本高、消耗快,但能最经济的输出彩色图像)
定位 超市银行等商业打印存折票据(字符图案) 政府或单位 家庭
工作原理 打印头上安装了若干钢针 激光成像、静电吸附 墨水喷射到纸上形成图案或字符
其他 多层套打(突出特点)平推式进纸技术 激光技术与复印技 关键技术:喷头(易堵)
接口 并口、USB 接口、SCSI 接口(高速激光打印机) 并口、USB 接口、SCSI 接口(高速激光打印机) 并口、USB 接口、SCSI 接口(高速激光打印机)

声音和力反馈输出

声音输出

  • 扬声器
  • 耳机
  • 音响

力反馈输出

作用:在开/关手机、虚拟键盘输入、电话来电通知等场合,会产生力反馈使手机振动,提醒用户知晓

实现:微型振动马达

辅助存储器

硬盘存储器

机械硬盘由磁盘盘片(存储介质)、主轴与主轴电机、移动臂、磁头和控制电路等组成,他们全部密封于一个盒状装置内,这就是通常所说的硬盘。

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盘片表面由外向里分成许多同心圆,每个圆称为一个磁道,盘面上一般都有几千个磁道,每条磁道还要分成几千个扇区,每个扇区的容量一般为512字节或4KB

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通常,一块硬盘由1至5张盘片(1张盘片也称为1个单碟)组成,所有盘片上相同半径处的一组磁道称为“柱面”。所以,硬盘上的数据需要使用三个参数来定位:柱面号、扇区号和磁头号。

平均存取时间

磁盘上的信息以扇区为单位进行读写,存取时间为:

==T(存取时间) = 寻道时间 + 旋转等待时间 + 数据传输时间==

  • 寻道时间:磁头寻找到指定磁道所需时间(大约5ms)

  • 旋转等待时间:指定扇区旋转到磁头下方所需要的时间(大约4~6ms)(转速: 4200/5400/7200/10000rpm)

  • 数据传输时间:(大约0.01ms/扇区)

==平均存储时间 = 平均寻道时间 + 平均旋转等待时间 + 平均数据传输时间==

平均:(最好 + 最坏) / 2

SATA(ATA)接口

固定安装在PC机箱中的硬盘其接口是串行ATA(简称SATA)接口,他以高速串行的方式传输数据

  • SATA 1.0:150MB/s
  • SATA 2.0:300MB/s
  • SATA 3.0:600MB/s

机械硬盘性能指标

  1. 容量
  2. 平均存取时间
  3. 缓存容量:机械硬盘高速缓存为DRAM
  4. 数据传输速率:
    • 外部传输速率:主机从(向)硬盘缓存读出(写入)数据的速度,它与采用的接口类型有关,现在采用SATA3.0接口的硬盘传输速率为6Gb/s(约600MB/s);
    • 内部传输速率:指硬盘在盘上读写数据的速度,转速越高,内部传输速率越快。通常远小于外部传输速率。【提高硬盘性能的决定性因素】
  5. 与主机的接口
    • 并行ATA(PATA/IDE)【以前】
    • 串行ATA(SATA)【现在】

闪存

闪速存储器是半导体集成电路存储器,属于非易失性存储器

优点:闪存没有机械运动部件,工作时无噪音,尺寸小、轻便,抗震性更好,能耐受高压高温

缺点:写入过程较复杂,写入速度慢于读出速度,写入次数有限制;性价比低于传统硬盘

闪存分类

NOR型闪存:可以按学节地址读出,用来存储需要运行而不要经常更新的程序代码,可作内存使用

NAND型闪存:比NOR型闪存的存储密度高。每个比特的成本也低,它具有较快的抹写速度,可抹除次数也高出NOR闪存十倍。但NAND 闪存不能按字节随机读写,只能像硬盘那样以数据块为单位存取信息

U盘

U盘采用NAND Flash存储器(闪存)芯片,体积小,重量轻;容量按需要而定(几个GB ~ 几个TB),具有写保护功能;数据保存安全可靠,使用寿命长;使用USB接口,即插即用,支持热插拔(必须先停止工作);读写速度比较快;可以模拟光驱和硬盘启动操作系统

存储卡

原理与U盘相同,也使用闪存芯片 (flash memory)

长方形或正方形的卡片状,使用印刷插头,不使用USB插头

使用读卡器才能对存储卡进行读写

存储卡的主要种类

  • CF卡
  • MMC卡
  • SD/SDHC卡 (包括Mini SD卡、Micro SD卡)
  • Memory Stick卡(MS卡)

用途:数码相机、游戏机、手机、MP3播放器

MN存储卡

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华为NM存储卡 (Nano Memory Card,简称NM卡) 是华为自创的一种超微型存储卡。

特点:

  • 比Micro SD卡的体积减小45%,与Nano SIM卡几乎相同
  • 顺序读取速率可达90MB/s,顺序写入速率达70MB/s
  • 使用手机中的1个Nano SIM卡槽,增大手机存储容量
  • 提供 64GB、128GB等多种容量选择

固态硬盘

固态硬盘(SolidState Disk或Solid State Drive,简称SSD准确的技术名称应为固态驱动器)它也是基于NAND型闪速存储器构成的一种辅助存储设备,其目的是在计算机中代替传统的硬盘。由于其接口规范功能及使用特性与普通硬盘完全相同,起初外形和尺寸也保持一致,所以人们把这类存储器称为“固态硬盘”

光盘

==CD是由里向外连续的螺旋光道;硬盘是由外向里的同心圆==

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代别 年代 名称 激光类型 存储容量
第1代 1982 CD光盘存储器 红外光 650MB
第2代 1995 DVD光盘存储器 红光 4.7GB
第3代 2006 BD光盘存储器 蓝光 25GB

为什么DVD比CD容量大得多?

DVD的道间距比CD盘小一半,且信息凹坑更加密集,它利用聚焦更细(108m)的红色激光进行信息的读取因而盘片的存储容量大大提高。

1)更小的凹点长度

2)数据轨道间隔更紧密

3)采用较短波长的635nm或650nm的红色激光,使激光斑点直径缩小,提高信息的鉴别能力

4)数据区域稍大一点

5)更有效的信道比特调制

6)更有效的纠错码

7)较少的段开销

⭐光盘类型

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⭐DVD

DVD光盘类型 ⭐120mmDVD存储容量(名称) 80mmDVD存储容量(名称)
单面单层(SS/SL) 4.7 GB(DVD-5) 1.46 GB(DVD-1)
单面双层(SS/DL) 8.5 GB(DVD-9) 2.66 GB(DVD-2)
双面单层(DS/SL) 9.4 GB(DVD-10) 2.92 GB(DVD-3)
双面双层(DS/DL) 17 GB(DVD-18) 5.32 GB(DVD-4)