东北大学《计算机基础》课件-第2章（张老师）.pptx

第第2章章 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成 本章导读本章导读：重点阐述了微机的中央处理器重点阐述了微机的中央处理器、存储器存储器、输入输入/输输 出设备的类型出设备的类型、发展和主要性能指标发展和主要性能指标。重点内容重点内容：计算机软计算机软、硬件系统构成硬件系统构成、中央处理器的类型中央处理器的类型、性性 能和指能和指标标 、存储器的类型存储器的类型、性能和指标输入性能和指标输入/输出设备输出设备 的类型的类型、性能和指标性能和指标。返回本节目录 第第2章章 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成 1.1.概述概述 2.2.中央处理器中央处理器CPUCPU 3.3.存储器存储器 4.4.总线与输入总线与输入/输输出出 接口电路接口电路 5.5.输入输入/输出设备输出设备 2.1 概述概述 2.1.1 硬件系统 微型计算机的硬件系统主要由CPU、存 储器、系统总线、接口电路及I/O设备等部件组 成。2.1 概述概述 2.1.1 硬件系统（外）存储器（内）存储器 输入 设备 输出 设备 数据流 地 址 控制流 运算器 控制器 中央处理器（CPU）光盘驱动器 软盘驱动器 主机箱 显示器 键盘 鼠标 微型计算机工作原理 运算（处理）存储（记录）控制（协调）计算机的语言二进制 进制的概念进制的概念 “逢R进一，借一当R”十进制 R=10，可使用0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 二进制 R=2，可使用0,1 八进制 R=8，可使用0,1,2,3,4,5,6,7 十六进制 R=16，可使用0,9,A,B,C,D,E,F 二进制概念 128瓦 32瓦 64瓦 16瓦 8瓦 4瓦 1瓦 2瓦 1 1 1 1 1 0 0 0 信息复制的精确性 运算规则简单 电子线路制造计算机成为可能 程序和指令 指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。机器指令格式 操作码 操作数 机器执行什么操作 执行对象（具体数、存放位置）程序是为完成一项特定任务而用某种语言 编写的一组指令序列。信息的存储单位 位（Bit）：度量数据的最小单位 字节（Byte）：最常用的基本单位 1K=1024 byte 1M=1024 K 1G=1024 M 1T=1024 G b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 1 0 0 1 0 1 0 1 K 字节 M（兆）字节 G（吉）字节 T（太）字节=27+24+22+20 2.1 概述 2.1.2 软件系统 软件是提高计算机使用效率、扩大计算机功能的 程序总称，它由各种程序和数据组成。软件系统由系 统软件和应用软件组成。在硬件基础上的系统软件是对硬件功能的扩充与 完善，而操作系统是配置在硬件上的第一层软件，它 是对硬件功能的第一次扩充，从而构成了一个比硬件 裸机功能更强大、使用更方便的虚拟计算机。所 有系统实用程序以及更上层的应用程序都在操作系统 虚拟机上运行，他们受操作系统的统一管理和控制。硬件和软件的整体称为计算机系统资源，其系统构成 示意图见图2-2。2.1 概述 软件 系统软件 程序设计语言 应用软件：如软件包、数据库等 机器语言 汇编语言 高级语言 监控程序 操作系统 编辑程序 解释程序 编译程序 诊断程序 2.1.2 软件系统!#$&(硬件系统硬件系统 软件系统软件系统 主机主机 外部设备外部设备 系统软件系统软件 中央处理器中央处理器 内存储器内存储器 输入设备输入设备 输出设备输出设备 外存储器外存储器 操作系统操作系统 语言处理系统语言处理系统 系统服务程序系统服务程序 数据库管理系统数据库管理系统 文字处理软件文字处理软件 表格处理软件表格处理软件 应用软件应用软件 辅助设计软件辅助设计软件 实时控制软件实时控制软件 运算器运算器 控制器控制器 只读存储器只读存储器 随机存储器随机存储器 2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 1、CPU主要性能指标 1CPU字长：CPU的字长（位数）通常是指 CPU内部数据总线宽度或位数。它是CPU数据 处理能力的重要指标。2CPU主频。CPU主频也叫CPU的工作频率 或CPU内部总线频率，是CPU内核（整数和浮 点运算器）电路的实际运行频率，亦是CPU自 身工作频率。2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3CPU外频。CPU的外频也是指CPU从主板上获得的 工作频率。它是由主板上晶体震荡电路为CPU提供的 基准时钟频率，也就是主板的工作频率。4CPU倍频系数 CPU主频、外频和倍频系数关系如下：CPU主频=CPU外频 倍频系数 5前端总线频率。前端总线（FSB：Front Side Bus）指主板芯片组中的北桥芯片与CPU之间传输数据的通 道，因此也可以称为是CPU的外部总线。2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 2、CPU技术 1CPU字长：CPU的字长（位数）通常是指 CPU内部数据总线宽度或位数。它是CPU数据 处理能力的重要指标。2CPU主频。CPU主频也叫CPU的工作频率 或CPU内部总线频率，是CPU内核（整数和浮 点运算器）电路的实际运行频率，亦是CPU自 身工作频率。2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 2、CPU技术 4指令与数据分开。经典奔腾有两个高速缓存，一 个用于缓存指令，一个用于缓存数据，这种把指令与 数据分开存取结构称为哈佛结构 5固化常用指令。奔腾把常用指令，例如把MOV、ADD、INC、DEC、PUSH等指令改用硬件实现，而不 用微代码操作，使指令的运行速度进一步加快。6增强的32位数据总线。7采用PCI局部总线。8错误检测及功能冗余校验技术。9能源效率技术。10支持多重处理。2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展 CPU从最初发展至今已经有三十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分 为：4位处理器、8位处理器、16位处理器、32 位处理器以及64位处理器，可以说个人电脑的 发展是随着CPU的发展而前进的，甚至可以说 英特尔的发展史就是CPU的发展史。2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展 几种CPU的外观图如下所示。图 2-3 4004CPU 图 2-4 80386 2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展 几种CPU的外观图如下所示。图 2-5 80486 图 2-6 Pentium Pro 2.2 中央处理器CPU 2.2.1 CPU主要指标、技术和发展 3、CPU的发展 几种CPU的外观图如下所示。图 2-7 Celeron 图 2-8 Pentium 4 图 2-9 Itanium 2.2 中央处理器CPU 2.2.2 CPU的基本组成 1、控制单元 控制单元（Contral Unit）是硬件系统的控制部件。它能自动、逐条地从内存储器中取出指令，将指令翻 译（转换）成控制信号（电脉冲），并按时间顺序和 节拍，发往其他部件，指挥各部件有条不紊地协同工 作。2运算单元 运算单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）又称为 算术逻辑单元，是负责处理数据的部件。它既能进行 加、减、乘、除等算术运算，又能进行与、或、非、比较等逻辑运算。可以把它比做数据的加工厂。2.2 中央处理器CPU 2.2.2 CPU的基本组成 3、摩尔定律 在芯片制造技术中，有一条摩尔定律（Moores Law），即每十八个月集成电路的密度翻一番，表示它的功能要翻一番。摩尔是英特尔公司的 创始人之一，20多年来，该定律在业界一直正 确，带动着微机不停地更新换代，总的趋势是 CPU字长“位”数不断增多，速度指标“主频”不断加快，功能不断增强，而价格又不断下降。计算机第一定律摩尔定律 数/单 位 时 间 百 执 万 条 行 每 的 秒 指 令 每18个月芯片能力增长一倍。晶 体 管 数 2.3 存储器 2.3.1 存储器的分类 1、按存储介质分类 1半导体存储器 2磁表面存储器 3光存储器 2、按存储器的读写功能分类 1只读存储器ROM 2随机存储器RAM 2.3 存储器 2.3.1 存储器的分类 3、按信息的可保存性分类 1非永久性记忆的存储器。2永久性记忆的存储器 4按在微机系统中的作用分类 1主存储器 2辅助存储器 3高速缓冲存储器 2.3 存储器 2.3.2 存储器的基本性能指标 1、存储容量 存储器可以存储的二进制信息总量称为存储容量。存储容量通常以字节（B）为单位来表示，对于大容量存 储器还可以用千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字 节（GB）、太字节（TB）等表示。其换算关系为：1KB=210B=1024B 1MB=220B=1024KB 1GB=230B=1024MB 1TB=240B=1024GB 2.3 存储器 2.存储器的基本性能指标 2、存取速度 存储器的存取速度可以用存取时间和存取周期来衡量。1存取时间。存取时间是指启动一次存储器操作到 完成该操作所用的时。2存取周期。存取周期是指连续两次独立的存储器 操作之间的最小时间间隔。通常存取周期略大于存取 时间，其差别与存储器的物理实现细节有关。3、价格 存储器的价格常用每位的价格来衡量。2.3 存储器 2.3.3 存储系统的层次结构 所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存 储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构 组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件 有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数 据按层次分布在各种存储器中。目前，在计算 机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系 统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器 和辅助存储器组成，如图2-10所示。CPU 高 速 缓 存 主 存 储 器 I/O 控 制 电 路 高 速 缓 存 辅 存 磁 盘 光 盘 磁 带 图 2-10 存 储 系 统 的 多 级 层 次 结 构 2.4 总线与输入/输出接口电路 2.4.1 总线 总线：计算机系统中传输信息的公共通道。按位置可 将总线分为以下三类：（1）片内总线：片内总线是指在微处理器芯片内部各 单元之间传输信息的总线，它主要用于芯片级的互连。（2）系统总线：也称内总线，用以实现微机系统与各 种扩展插件板之间的相互连接，是微机系统所特有的 总线，一般用于模板之间的连接，系统总线有时也称 为板级总线。目前这类总线已基本上实现了标准化，例如STD总线、ISA总线、VESA总线、PCI总线等。在 微型计算机主板上的各种扩展插槽都属于内总线。2.4 总线与输入/输出接口电路 2.4.1 总线（3）外部总线 这是微型计算机之间或微型计算机与外部 设备之间进行通信的总线，主要用于设备级的 互连。外部总线也称为通信总线。其种类比较 多，通常与特定的设备有关，例如：RS-232C 总线、RS-458总线、USB总线等。图2-11所示即为常见的微型计算机总线层次的 典型结构。扩充存储器 打印机接口 通信接口 网络接口 仪表接口 计算机 打印机 智能仪表 局域网络 ROM RAM I/O接口 CPU 内总线 芯片总线 外总线 主机板 2.4 总线与输入/输出接口电路 2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线 1ISA（Industry Standary Architecture）总线 1数据宽度：16位 2工作频率：8MHZ 3数据传输率：8Mb/S 4寻址空间：1M 2PCI（Peripheral Component Interconnect）总线 1数据宽度：32位，可扩展到64位 2工作频率：33MHZ 3数据传输率：133Mb/S 2.4 总线与输入/输出接口电路 2.4.2 ISA、PCI、AGP、USB、IEEE 1394总线 3、AGP（Advanced Graphics Port）总线 AGP是Intel公司配合Pentium处理器开发的总