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第二章 计算机组成原理

第二章 计算机组成原理. 第二章 学习目标与要求. 1.掌握计算机硬件的主要组成部分及其功能， 了解计算机的类型及它们的用途 2.了解微处理器的特点、功能、应用及大概的发展情况 3.描述 CPU 的结构与工作原理，理解指令的大体执行过程 4.熟悉 PC 机的物理组成，芯片组与其他部件的关系 5.了解 Cache 存储器和主存储器的功能与关系 6.理解 I/O 总线、 I/O 控制器、 I/O 接口及 I/O 设备的功能与相互关系 7.掌握常用输入设备的功能、结构与原理 8.掌握常用输出设备的功能、结构与原理 9.理解磁盘、光盘的类型、结构与原理.

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第二章 计算机组成原理

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  1. 第二章 计算机组成原理

  2. 第二章 学习目标与要求 1.掌握计算机硬件的主要组成部分及其功能， 了解计算机的类型及它们的用途 2.了解微处理器的特点、功能、应用及大概的发展情况 3.描述CPU的结构与工作原理，理解指令的大体执行过程 4.熟悉PC机的物理组成，芯片组与其他部件的关系 5.了解Cache存储器和主存储器的功能与关系 6.理解I/O总线、I/O控制器、I/O接口及I/O设备的功能与相互关系 7.掌握常用输入设备的功能、结构与原理 8.掌握常用输出设备的功能、结构与原理 9.理解磁盘、光盘的类型、结构与原理

  3. 第二章 主要内容 2.1 计算机的组成和分类——计算机的逻辑结构 2.2 CPU的结构和原理——个人计算机中的中央处理器 2.3 PC机的主机——个人计算机的物理结构 2.4 常用输入设备——个人计算机的输入设备 2.5 常用输出设备——个人计算机的输出设备 2.6 外存储器——个人计算机的外存储设备

  4. 2.1 计算机的组成与分类 • 主要内容:计算机的逻辑结构 • 各组成部分的基本功能 • 计算机分类 • 计算机主要性能指标

  5. 2.1.1 计算机的发展和作用 • 过去很长时间人们都按照计算机主机所使用的元器件，为计算机划代。

  6. 计算机的巨大作用 （1）开拓了人类认识自然、改造自然的新资源 （2）增添了人类发展科学技术的新手段 （3）提供了人类创造文化的新工具 （4）引起了人类的工作与生活方式的变化

  7. 2.1.2 计算机的组成

  8. 计算机系统的组成 • 硬件：计算机系统中所有实际物理装置的总称 • 软件：在计算机中运行的各种程序和相关的数据及文档 • 程序：用来向计算机指出应如何一步步地进行规定的操作 • 数据：程序处理的对象 • 文档：提供给用于使用的操作说明、技术资料等 • 它们都是软件不可缺少的组成部分

  9. 冯·诺依曼计算机的基本原理 ——存储程序与程序控制 • 几个要点 • 程序是一个指令序列 • 指令是可以被计算机理解并执行的基本操作命令 • 指令与数据都用二进制编码形式存储、运行和运算 • 程序和数据预先存放在存储器内 • 计算机工作时，CPU依次从存储器中取出一个程序中的各条指令（取指令），对指令的功能进行分析（指令译码），按指令的功能从内存取出数据（取数），对数据进行运算处理（运算）并保存运算结果，直到取到并执行了停机指令为止。至此完成程序的一次运行

  10. 运算器 中央处理器 俗称: CPU 控制器 主机 存储器 计算机硬件 输入 I/O设备 输出 冯·诺依曼计算机的5个组成部分

  11. 控制器 运算器 存储器 中央处理器 内存储器 系统总线 适配器 适配器 适配器 外存储器接口 I/O端口 I/O端口 输入设备 输出设备 外存储器 计算机的逻辑结构

  12. 通过系统总线互相连接 CPU 中央处理器（CPU） 主存储器 主机 内存储器 总线 计算机硬件 外存储器 外存储器 输入设备 外围设备 （外设） 输入设备 输出设备 输出设备 计算机硬件的组成

  13. 输入设备 • 输入（input） 指把信息（程序，数据，信息）送入计算机的过程 （名词）向计算机输入的内容 • 输入设备 用来向计算机输入信息的设备 输入到计算机中的信息都使用二进制中的“0”和“1”两个符号来表示

  14. 输入设备类别 • 按照输入信息的类型划分 • 数字和文字输入设备（键盘、写字板等） • 位置和命令输入设备（鼠标器、触摸屏等） • 图形输入设备（扫描仪，数码相机等） • 声音输入设备（话筒，MIDI演奏器等） • 视频输入设备（摄像机） • 温度、压力输入设备 （温度、压力传感器）

  15. 中央处理器 CPU：Central Processing Unit • 处理器 能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入信息进行各种处理 • 微处理器 简称μP或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的处理器

  16. 中央处理器(CPU) • 包含运算器和控制器。承担系统软件和应用软件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。（一台计算机中有多个处理器，它们各有其不同的任务） • 并行处理和多处理器系统 使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。

  17. 内存储器和外存储器 • 存储器 存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等)的部件。 • 存储器类别与特性 • 内存储器(简称内存或主存) • 存取速度快、容量相对小，价格相对高 • 直接与CPU相连接（CPU可直接访问） • 易失性，用于临时存放CPU正在运行的程序、正被处理的数据以及产生的结果数据 • 存储介质：半导体芯片

  18. 内存储器和外存储器 • 外存储器(简称外存或辅存) • 存取速度慢、容量相对大，价格相对低 • 不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用） • 非易失性，用于长期存放各类信息 • 存储介质：磁盘、光盘、磁带等

  19. 输出设备 • 输出（output） 把信息送出计算机的过程 （名词）指计算机所产生的结果。 计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式 • 输出设备 完成信息输出的设备。即把计算机存储器中用“0”和“1”表示并存储的信息转换成人可直接识别的信息形式的设备 • 输出设备类别 • 输出文字和图形的设备： 显示器 打印机 绘图仪 • 输出声音的设备：音箱

  20. 系统总线 用来连接CPU、内存、外存和各种输入输出设施并协调它们工作的一个控制部件，其主要组成部分是用于在各部件间运载信息的一组（或多组）公用的传输线。

  21. I/O端口（I/O port） 计算机系统中的I/O设备通过I/O端口与各自的控制器连接，然后由控制器与总线相连。常用的I/O端口有并行口、串行口、视频口、USB口等，它们的外形、结构和信号交换规程各不相同。

  22. 2.1.3 计算机的分类

  23. 计算机的分类 • 按内部逻辑结构分为 • 单处理机、多处理机(并行机) • 按字长分为 • 16位机、32位机或64位计算机等 • 按计算机的性能、用途和价格分为 • 巨型计算机（Supercomputer） • 大型计算机（Mainframe） • 小型计算机（Minicomputer） • 个人计算机（Personal Computer）

  24. 计算机的分类 1.巨型计算机（Supercomputer） 巨型计算机也称超级计算机，它采用大规模并行处理的体系结构，CPU由数以百计、千计、万计的处理器组成，有极强的运算处理能力，速度达到每秒万亿次以上，大多使用在军事、科研、气象、石油勘探等领域。

  25. 2.大型计算机（Mainframe） 运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机，CPU通常有4、8、16、32个甚至更多处理器。 • 功能： 为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作为主服务器（企业级服务器）， 在信息系统中起着核心作用。

  26. 小型计算机（Minicomputer） 供部门使用的计算机，以IBM公司的AS/400为代表。近些年来，小型机逐步为高性能的服务器（部门级服务器）所取代。 • 功能： 为多个用户执行任务，但它没有大型机的高性能，支持的并发用户数目比较少。小型机的典型应用是帮助中小企业（或大型企业的一个部门）完成信息处理任务，如库存管理、销售管理、 文档管理等。

  27. 4.个人计算机（Personal Computer，也称个人电脑、PC机或微机） • 特点： 以微处理器为中心的一个独立完整的计算机系统。价格便宜，使用方便，软件丰富，性能不断提高，适合办公或家庭使用。通常只用来处理一个用户的任务，可独立使用，也可与其他计算机互连。 • 最早的代表机型： 1977年：Apple Macintosh (Apple公司产品，使用Motorola公司生产的微处理器） 1981年：IBM-PC (IBM公司产品，使用Intel公司生产的 8086微处理器）

  28. 5.微控制器（单片机） 是一种把处理器、存储器、输入／输出接口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电路芯片。

  29. 台式机 掌上计算机 笔记本电脑 个人计算机类别 台式机：一般在办公室或家庭中使用。 便携机：用于移动计算。 • 笔记本（膝上机）：体积小、重量轻，便于外出携带，性能与台式机相当，但价格高出一倍左右。 • 手持式计算机（掌上机）：包括商务通、快译通之类产品，它们与PC机不一定兼容，有些只有一些专用功能，缺乏通用性。

  30. 工作站（一种特殊的个人计算机，称为工程工作站 Workstation) 具有高速运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX操作系统，特别适合于工程与产品设计使用。SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此类产品。

  31. 服务器/客户机 在这种系统中，巨型机、大型机和小型机均可作为系统的服务器，个人计算机和工作站则用作客户机。 客户机直接面向用户，通过联网与服务器共同合作完成信息处理的任务。 鉴于客户机/服务器系统的盛行，一些计算机厂家专门设计生产了称为“服务器”的一类计算机产品，它们的存储容量大，网络通信功能强、可靠性好、运行专门的网络操作系统。

  32. 2.1.4 计算机主要性能指标

  33. 计算机主要性能指标 1.运算速度 • 用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量单位： 次／秒：每秒执行加法运算的次数 世界第一台计算机ENIAC的运算速度 5000 次/秒 目前计算机的速度 银河Ⅲ：130亿次／秒 (国产机） 曙光3000：3800亿次／秒 (国产机，国内最快) Earth Simulator(地球仿真超级计算机)：350000 亿次/秒 浮点运算（NEC公司，世界最快）

  34. 计算机主要性能指标 • 用于说明CPU运算速度的度量单位： （1）MIPS：百万条定点指令／秒 （Million Instructions Per Second） 。 例如, P4微处理器运算速度已超过100 MIPS （2）MFLOPS：百万条浮点指令／秒 （Million FLOating instructions Per Second ） （3）TFLOPS：万亿条浮点指令／秒 （Trillion FLOating instructions Per Second ) 例如， Earth Simulator运算最高速度达到 35.8 TFLOPS

  35. 计算机主要性能指标 2.字长 中央处理器中运算器和寄存器的宽度。即数据在运算器中做运算或存储时的二进制位数。 字长决定了计算的精度。 字长通常是2的整数次幂。 微处理器字长演变： Intel 4004: 4位 (1971年，世界第一个微处理器) Intel 8008,8080:8位 Intel 8086: 16位 Intel 80386,80486, pentium：32位

  36. 计算机主要性能指标 3.存储容量 内存容量，硬盘容量 度量单位：B，KB，MB，GB，TB 1 B（字节,Byte）= 8位二进制数（个人计算机主存的地址编码单元,bit） 1 KB = 1024 B = 210 B 1 MB = 1024 KB = 220 B 1 GB = 1024 MB = 230 B 1 TB = 1024 GB = 240 B 例如：内存 256 MB，硬盘 40 GB

  37. 2.2 CPU的结构与原理 • 主要内容： CPU的内部结构 • 指令和指令系统的基本概念 • 指令执行过程 • CPU的性能

  38. 2.2.1 CPU的结构

  39. CPU内部的组成 • 运算器（执行单元） 对数据进行各种算术运算和逻辑运算 • 控制器(包含一个指令计数器和一个指令寄存器） 取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其 它部件的操作控制信号，记录内部状态 • 寄存器 临时存放参加运算的数据和得到的中间结果

  40. 控制信号 指 令 中 央 处 理 器 控 制 器 控制信号 数 据 寄 存 器 组 运 算 器 运算结果 内 存 储 器 CPU与内存的关系

  41. 处理器内部主要部件的功能 整数ALU（ALU:算术逻辑单元) 完成整数运算 浮点运算器 完成实数运算 指令预取部件 提前向主存或快存去取出准备要执行的指令 指令译码部件 分析指令需要执行什么操作，然后产生控制信号去控制运算器或其它部件具体执行这些操作

  42. 处理器内部主要部件的功能 地址转换部件 用来形成指令所处理的数据存放在内存中的存储单元的地址码 指令Cache 指令高速缓冲存储器 总线接口部件 提供了与其他芯片的接口 数据Cache 数据高速缓冲存储器 寄存器组 临时保存被执行的指令、参加运算的数据和运算结果数据 微指令序列存储器ROM

  43. 为提高Pentium处理器处理速度采取的措施 • 运算器由多个处理整数的算术逻辑运算部件（ALU）和1个处理实数的浮点运算器组成，它们可以同时进行整数和实数的运算。 • 处理器中包含了几十个数据寄存器，用来临时存放中间结果。 • 由于CPU的工作速度比内存要快得多，为了匹配两者的工作速度，CPU中增加了指令快存（cache）和数据快存（cache）两个高速存储器，使运算器所需要的数据大部分来自数据快存，所需要的指令也大半来自指令快存，从而大大提高了CPU的处理速度。 • 为加快指令处理速度，CPU在执行当前指令的同时，可以使用指令预取部件提前向主存或快存去取出一些准备要执行的指令。

  44. 2.2.2 指令与指令系统

  45. 操作码 操作数 机器指令格式： 机器指令（简称指令） 一种使用二进制编码表示的命令语言（称为计算机的“机器语言”），它用来规定计算机执行什么操作以及操作对象所在的位置。用机器指令编写的程序中的每一条指令都可以直接被控制器译码产生执行指令所需的控制信号。 操作码 表示计算机应执行何种操作的一个二进制代码 操作数 表示该指令所操作（处理）的数据（直接数）或数据所在存储单元的地址 每一种不同类型的CPU都有它自己独特的一组指令

  46. 指令系统（instruction set） 一个CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统或指令组。 指令系统中有数以百计的不同的指令。 主要有以下几类指令： 　　 数据传送指令 移位指令 　　算术运算指令 位（位串）操作指令 　　逻辑运算指令 控制转移指令 　　输入/输出指令等

  47. 指令系统兼容 由于每种类型的CPU都有自己的指令系统，因此，某一类计算机的可执行程序代码未必能在其他计算机上运行，这个问题称之为计算机的“兼容性”问题。 同一公司的ＣＰＵ产品通常“向下兼容”——　新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。

  48. 汇编指令 机器指令的符号化表示（称为计算机的“汇编语言”） 操作码和操作数地址均用便于记忆的符号表示 例如，数据传送指令的操作码用mov表示 加法指令的操作码用add表示

  49. 2.2.3 指令的执行过程

  50. 一条指令的执行流程 • 指令预取 • 指令译码 • 取操作数并执行指令 • 回送结果

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