第二章 计算机组成原理(1).ppt

第2章 计算机组成原理,2.1 计算机的组成与分类 2.2 CPU的结构与原理2.3 PC机的主机2.4 常用输入设备2.5 常用输出设备2.6 外存储器,2.1 计算机的组成与分类,2.1.1 计算机的发展与作用,第1台数字电子计算机,1946年ENIAC计算机公布 ENIAC（电子数字积分机与计算机）：研制单位：美国宾夕法尼亚大学用 途：军事计算运算速度：5000次/秒体积价格：170平方米，30吨，140千瓦，40万美元,计算机的分代(按使用的元器件),计算机的分代(按使用的元器件),第三代（约1965-1973）中小规模集成电路(SSI,MSI)计算机 速度：几十万次几百万次/秒 内存：半导体存储器 高级语言,OS,DBMS,第四代（1974年起）大规模(LSI)和VLSI计算机 速度：几百万次亿次/秒 内存：半导体存储器 软件工程，分布式处理等,第14代计算机的对比,计算机有哪些特性？,计算机的特性：（1）速度快（2）存储容量大（3）通用性好不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进行处理不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能（4）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力,计算机的巨大作用、应用,计算机对社会的进步与发展产生了巨大的作用：计算机应用于科学研究，大大增强了人类认识自然、开发自然、改造和利用自然的能力，促进了科学技术的发展。计算机应用于工农业生产，大大提高了人类物质生产水平和社会生产率，促进了经济的飞跃发展。计算机应用于社会服务，大大扩展和改善了服务范围与质量，提高了工作效率，推动了社会进步。计算机应用于社会文化，为人类创造文化提供了现代化工具，改变了人们创造文化和传播文化的方式和方法，扩展了人类文化活动的领域、丰富了内容、提高了质量。,2.1.2 计算机的组成,计算机是一个复杂系统,计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称,计算机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,计算机是一个复杂的系统复杂性：硬件由数以亿计的元器件组成，软件由数以亿计的指令组成多样性：硬件与光、电、声等有关，软件与数学、逻辑等有关层次性：分层(hierarchical)结构,计算机硬件的逻辑结构 1,经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算机）,冯.诺依曼计算机的主要特点是：1）由五大逻辑部件组成（运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备）2）存储程序控制计算机的所有操作均由存储在存储器中的程序进行控制3）程序和数据都使用二进制表示,计算机硬件的逻辑结构 2,现代计算机的逻辑结构,与经典计算机结构相比的3个变化：集中控制分散控制存储器内存储器外存储器通过CPU通信通过总线进行通信,(1)输入设备,输入(input)的双重含义：1.把信息送入计算机的过程;2.向计算机输入的内容输入设备(input devices)功能：用来向计算机输入信息输入设备有多种，例如:(要点)键 盘 输入文字、符号和命令鼠标器输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令扫描仪输入图片麦克风输入声音输入设备的共性：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位来表示,(2)输出设备,输出(output)的双重含义：1.把信息送出计算机的过程;2.从计算机输出的内容输出设备(output devices)功能：从计算机输出信息输出设备有多种，例如:（要点）显示器输出文字、符号和图形打印机打印文字、符号和图形扬声器输出声音绘图仪自动输出图形(多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式(文字、符号、图形、声音等),(3)中央处理器(运算控制器),什么是处理器(processor)？能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件，特点是：由数字电路组成，结构非常复杂所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几个平方厘米)，称为“微处理器”(microprocessor),Intel 4004 chip,Intel 8080 chip,什么是中央处理器(CPU)？,计算机中通常有多个不同的处理器，各有不同的分工和任务用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU，CPU是计算机必不可少的核心组成部件（考点）多数个人计算机只有1个CPU，但有一些计算机包含有2个、4个、8个甚至成百上千个CPU（并行）问题：除了CPU之外，计算机中还有哪些处理器？绘图处理器、通信处理器等,(4)存储器,功能：储存以二进位形式表示的程序和数据分类：内存储器/外存储器（考点）,(5)总线(bus),功能：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的传输线及其控制电路按连接方式分类（要点）系统总线：连接CPU、内存、I/O接口的总线CPU总线（或前端总线）：用于连接CPU和内存的总线I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线按总线上传输信号分类（考点）数据总线、地址总线、控制总线,2.1.3 计算机的分类,计算机的分类（1）,按内部逻辑结构分类（要点）8位/16位/32位/64位单CPU/多CPU按性能和价格分类巨型计算机(supercomputer)大型计算机小型计算机 个人计算机(personal computer)笔记本PC台式PC平板工作站(workstation),曙光4000A巨型计算机,计算机的分类（2）,按计算机服务的对象和作用划分：,什么是嵌入式计算机？,把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为“单片计算机”或“嵌入式计算机”用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置，例如数码相机、MP3播放器、手机、计算机外围设备、汽车、机顶盒等特点：功能固定、专用，软件固化在芯片上，通常不能改变大多应满足实时信息处理的要求以最低成本满足应用要求能适应恶劣工作环境,2.1习题解析,冯诺依曼结构计算机的基本工作原理是。从逻辑上(功能上)来讲，计算机硬件主要包括中央处理器、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，它们通过总线互相连接。下列关于内存和外存的叙述，错误的是。A、断电后存放在外存中的信息不会丢失，可以长期保存 B、外存的容量比内存大的多，甚至可以说是海量的 C、外存速度慢，内存速度快 D、内存和外存都是由半导体器件构成的。,存储程序控制,D,一台计算机中采用多个CPU的技术称为“并行处理”。采用并行处理的目的是为了。A.提高计算机的处理速度 B.扩大计算机的存储容量 C.降低单个CPU的成本 D.降低单个CPU的功耗 在下列设备中，不属于输入设备。A.扫描仪 B.键盘 C.绘图仪 D.鼠标,A,C,2.2 CPU的逻辑结构与工作原理,2.2.1 CPU的逻辑结构 2.2.2 CPU的性能指标,2.2.1 CPU的逻辑结构,冯诺依曼计算机的结构与原理,(1)计算机包括运算器、存储器、控制器、I/O设备；(2)程序(指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；存储器中存放的指令和数据按地址进行存取；(3)指令是由CPU一条一条顺序执行的，无需人工干预。,中央处理器,“存储程序控制”原理,将问题的解算步骤编制成为程序，程序连同它所处理的数据都用二进位表示并预先存放在存储器中程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止,CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据,将指令的运算处理结果送回内存保存,任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存,CPU逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理,CPU的结构和任务（考点）,CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作,存放待执行指令的地址,已经启动运行的程序和数据,存放待执行的指令并进行译码,完成规定的运算,暂存等待处理的数据,操作命令,2.2.2 指令与指令系统,指令是什么？,指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组成：（考点）,指出CPU应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除、取数、存数等,指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置,举例:10 02 06,把02存储单元和06存储单元中的内容相加，和数保存在02单元,指令在计算机中的执行过程,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、操作数在哪里执行指令3.1 取操作数3.2 进行运算修改指令计数器，决定下一条指令的地址,1 取指令,4 修改指令计数器,3 执行指令,2 指令译码,指令执行周期,关于指令系统,CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，即它的机器语言（考点）指令应该简单，简单才能提高速度!操作功能要简单，不宜太多、太复杂指令的格式要统一：固定长度、统一分段操作数的来源要有限制：算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器LOAD/STORE指令的操作数来自(或送到)内存寄存器内存 内存寄存器Intel 奔腾处理器的指令系统由于历史的原因，并不符合上述原则！,关于CPU的兼容性,不同公司生产不同的CPU产品：Intel公司：Pentium系列、赛扬系列、至强等AMD公司：独龙、闪龙、炫龙等IBM公司：Power5、Power6等（苹果的Macintosh使用）SUN公司：Ultra SPARC处理器HP公司：PA-RISC、Itanium 处理器同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：A计算机（使用新型号CPU）的程序不能在B计算机（使用老型号CPU）上运行，B计算机的程序却能在A计算机上运行不同公司的不同CPU产品其指令系统不同，它们互相不兼容：A计算机的程序不能在B计算机上直接运行，B计算机的程序也不能在A计算机上直接运行,2.2.3 CPU的性能指标,如何衡量CPU的性能？,计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，它由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡等，但通常CPU是主要因素CPU性能高低的主要指标是CPU的速度，有2种衡量方法：计算每秒钟可执行的指令数目（单位：MIPS、MFLOPS）（要点）使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等）的执行速度来衡量CPU的性能,影响CPU性能的主要因素(考点),CPU的字长（位数）目前PC使用的CPU大多是64位处理器（字长定义）主频（CPU时钟频率）主频提高，CPU的处理速度通常也会加快高速缓存（cache）的容量与结构（知识点补充）cache容量越大、级数越多，其效用就越显著 CPU总线速度前端总线速度越快，CPU性能越好,影响CPU性能的主要因素(之二),CPU的指令系统指令的格式和功能会影响程序的执行速度CPU的逻辑结构CPU包含的定点运算器和浮点运算器数目是否流水线结构，流水线的条数和级数有无指令预测和数据预测功能是否具有数字信号处理功能是否多核，有几个内核,2.2习题解析,根据“存储程序控制的原理”，准确地说，计算机硬件各部件如何动作由 决定。A、CPU所执行的指令 B、操作系统 C、用户 D、控制器 下列关于CPU的叙述，错误的是。A.CPU中指令计数器的作用是统计已经执行过的指令数目 B.CPU所能执行的全部指令的集合称为该CPU的指令系统 C.CPU中含有若干寄存器 D.时钟频率决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢,A,A,CPU中包含若干个寄存器用来临时存放数据。计算机中运算器的主要功能是。A、控制计算机的运行 B、进行算术运算和逻辑运算 C、分析指令并执行指 D、存取存储器中的数据 下列关于指令系统的叙述，正确的是。A、CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统 B、用于解决某一问题的指令序列称为指令系统 C、不同公司生产的CPU的指令系统完全不兼容 D、同一公司生产的CPU的指令系统向上兼容,B,A,下列关于CPU的叙述，正确的是。A.能直接读取硬盘上的数据 B.能直接与内存储器交换数据 C.由存储器、运算器和控制器组成 D.不同公司生产的CPU指令系统均相互兼容 为了提高CPU的处理速度，以下措施无效的是。A.增加ALU数量 B.提高主频 C.增加硬盘容量 D.增加寄存器数目,B,C,2.3 PC机的主机,2.3.1 主板、芯片组与BIOS 2.3.2 内存储器2.3.3 I/O总线和I/O接口,台式PC的物理组成,台式机,2.3.1 主板、芯片组与BIOS,台式PC机(立式)的主机箱,例：华硕P4T主板照片,(1)主板,主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件主板安装内容：见上图ROM BIOS：存放最基础的软件基本输入/输出系统(BIOS)CMOS存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等）,考点,关于CMOS 芯片,这是一个容量很小的存储器，由电池供电，即使计算机关机后也不会丢失所存储的信息（考点）作用：存放计算机硬件的参数（称为“配置信息”），包括日期和时间、口令、软盘/硬盘/光盘驱动器的数目、类型及参数、显卡类型、cache使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供BIOS程序使用设置和修改CMOS参数的方法：在开机启动BIOS工作时，按下Del键(或F2或F8健)，即可进入BIOS中的CMOS设置程序,BIOS,什么是BIOS（Basic Input/Output System）？中文名为“基本输入/输出系统”，它是存放在主板上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序功能：诊断计算机故障启动计算机工作控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等)BIOS 芯片保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片,BIOS 芯片中包含的程序,加电自检程序程序（POST）(Power On Self Test)用于检测计算机硬件故障系统自举程序（Boot）启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态CMOS设置程序 设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等常用基本外部设备的驱动程序（Driver）实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制,(2)芯片组,芯片组的作用：是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽，是主板的核心存储控制器（北桥）1.存储器控制功能；2.连接CPU、存储器、显卡I/O控制器（南桥）1.多种I/O设备的控制功能；2.I/O总线(PCI总线)功能；3.提供了各种I/O接口,关于芯片组的一些说明,芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU，就有什么样的芯片组与之配套 CPU类型或参数的不同，需要使用不同的芯片组。芯片组决定了主板上所能安装的内存的最大容量、速度及可使用内存条的类型（考点）由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能,2.3.2 内存储器,复习：内存与外存的关系及比较,内存储器(简称内存或主存)存取速度快成本高、容量相对较小直接与CPU连接，CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作属于挥发性存储器(volatile)，用于临时存放正在运行的程序和数据,CPU,逐条执行指令，按指令要求完成对数据的运算和处理,外存储器(简称外存或辅存)存取速度慢成本低、容量很大不与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。属于不挥发性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息,计算机中存储器的层次结构,分析：速度越快，成本较高。为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作 工作过程：1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器2）如需要从(向)存储器中取(存)数据时，先访问cache，如在，取自cache3）如操作数不在cache，则访问RAM，如在RAM中，则取自RAM4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出RAM cache,内存储器的分类及应用（要点）,内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型：,半导体存储器,只 读存储器(ROM),随机存取存储器(RAM),静态随机存取存储器SRAM,动态随机存取存储器DRAM,不可在线改写内容的ROM,快擦除存储器（Flash ROM）,（用作Cache存储器）,（用作主存储器）,主存储器(RAM)的功能与原理,主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令和数据特点：（考点）以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节（8个二进位）存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：MB或GB）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，1 ns=10-9 s）,存储器与CPU速度差距愈来愈大,DRAM,硬盘与CPU 之间的速度差距愈来愈大：,问题：由于CPU工作速度很快，内存速度比较慢（差12个数量级），从内存取数或向内存写数时，CPU往往需要等待,关于cache存储器,什么是cache(高速缓存)？,cache是一种小容量高速缓冲存储器，它由SRAM组成cache直接制作在CPU芯片内，速度几乎与CPU一样快程序运行时，CPU使用的一部分数据/指令会预先成批拷贝在cache中，cache的内容是主存储器中部分内容的映象当CPU需要从内存读(写)数据或指令时，先检查cache中有没有，若有，就直接从cache中读取，而不用访问主存储器,0,1,2,