第5章计算机部件

1、计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院第第 5 章章 计算机部件计算机部件本章讨论的主要问题是：本章讨论的主要问题是： 1. 现代计算机的体系结构以存储器为核心，如何评价存储现代计算机的体系结构以存储器为核心，如何评价存储器的性能？存储器系统的层次结构是什么？如何理解内存？器的性能？存储器系统的层次结构是什么？如何理解内存？ 2. 处理器的主要工作是执行程序，处理器是如何工作的？处理器的主要工作是执行程序，处理器是如何工作的？ 3. 输入输入/输出设备的作用是什么？都有哪些常用输入输出设备的作用是什么？都有哪些常用输入/输出输出设备？设备？计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院情景

2、问题情景问题计算机的基本配置计算机的基本配置 你使用过的计算机的具体配置是什么？你使用过的计算机的具体配置是什么？虽然计算机技术有了很大变化，但是组成计算机的基本部虽然计算机技术有了很大变化，但是组成计算机的基本部件仍然是处理器、存储器、输入设备和输出设备。件仍然是处理器、存储器、输入设备和输出设备。 计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院CPU存储器存储器冯冯诺伊曼体系结构诺伊曼体系结构 内存储器内存储器运算器运算器控制器控制器 输出设备输出设备输入设备输入设备 外存储器外存储器程序程序数据数据存数存数取数取数输输入入命命令令输输出出命命令令取取数数存存数数存存取取命命令令取取指指令令

3、运运算算命命令令运运算算状状态态数据数据交换交换计算结果计算结果第第 5 章章 计算机部件计算机部件计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院存储器的性能指标：存储器的性能指标：（1）存储容量存储容量：存储器可以容纳的二进制信息总量。：存储器可以容纳的二进制信息总量。（2）存取速度：用）存取速度：用存取时间存取时间（CPU发出有效存储地址启动发出有效存储地址启动一次存储器读一次存储器读/写操作，到读写操作，到读/写操作完成所经历的时间）写操作完成所经历的时间）和和存取周期存取周期（连续启动两次独立的存储器读（连续启动两次独立的存储器读/写操作所需写操作所需的最小时间间隔）两个参数来衡量。的最

4、小时间间隔）两个参数来衡量。（3）每位价格：存储器的价格与存储容量的比。）每位价格：存储器的价格与存储容量的比。 第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器存储器的层次结构存储器的层次结构 计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院存储器的层次结构存储器的层次结构 第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院内存储器内存储器第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器内存储器内存储器也称为也称为内存内存或或主存主存，它直接与，它直接与CPU相连，存储容量相连，存储容量较小，但存取速度较快，用于保存正在使用（或经常使用）较小，但存取速度

5、较快，用于保存正在使用（或经常使用）的程序和数据。的程序和数据。 000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010 地址地址存储单元存储单元存储单元存储单元的信息的信息存储单元存储单元是可管理的最小单位，是可管理的最小单位，典型的存储单元是一个字节。典型的存储单元是一个字节。存储单元的编号称为存储单元的编号称为地址地址，一般，一般从从0开始连续编号。开始连续编号。计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院11100011100011011110100000110010000000000000000

6、1111111011111111011111111内存储器内存储器第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器将内存与宾馆的房间进行类比：将内存与宾馆的房间进行类比：位位床位床位一个二进制位可以存储一个二进制数一个二进制位可以存储一个二进制数 一张床可以容纳一个人一张床可以容纳一个人存储单元存储单元房间房间内存地址内存地址房间号房间号内存容量内存容量床位总数。床位总数。计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院1010101000110010内存储器内存储器第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器000000000000000111111101111111101111111111

7、100011100011011110100000110010向存储器里存入信息也称为向存储器里存入信息也称为写入写入，写入的新内容覆盖了原，写入的新内容覆盖了原来的旧内容；从存储器里取出信息也称为来的旧内容；从存储器里取出信息也称为读出读出，信息读出，信息读出后并不破坏原来存储的内容，因此，信息可以重复取出。后并不破坏原来存储的内容，因此，信息可以重复取出。 存储位不能是空的，必须存存储位不能是空的，必须存放放0或或1，换言之，任意时刻，换言之，任意时刻存储单元的内容都不能是空存储单元的内容都不能是空的，一定是的，一定是0和和1的编码。的编码。 计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院数据

8、和操作数据的指令在逻辑上是相同的，它们存储数据和操作数据的指令在逻辑上是相同的，它们存储在相同的地方在相同的地方内存。内存。 表示什么？表示什么？000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010内存储器内存储器第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器可能是用于计算的数值数据，可可能是用于计算的数值数据，可能是表示文本字符的编码，可能能是表示文本字符的编码，可能是图像的一部分，也可能是操作是图像的一部分，也可能是操作数据的指令。如果没有明确的上数据的指令。如果没有明确的上下文环境，我们无法正确

9、回答这下文环境，我们无法正确回答这个问题。个问题。 计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院n 内存储器有两种：随机存储器内存储器有两种：随机存储器RAM和只读存储器和只读存储器ROM。n 随机存储器随机存储器RAM又称为易失性存储器，又称为易失性存储器， RAM保存的信息保存的信息在断电后就会消失。在断电后就会消失。n 只读存储器只读存储器ROM又称为非易失性存储器，一般情况下，又称为非易失性存储器，一般情况下，ROM中的信息是固化的，计算机只能从中的信息是固化的，计算机只能从ROM中读取信息，中读取信息，如如BIOS。n 内存储器大部分是内存储器大部分是RAM ，RAM是内存性能的决定

10、性因素。是内存性能的决定性因素。 内存储器内存储器第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院n 外存储器外存储器也称为辅助存储器（或简称也称为辅助存储器（或简称外存外存、辅存辅存），它只），它只能和内存储器交换信息，在脱机状态下不能被计算机系统的能和内存储器交换信息，在脱机状态下不能被计算机系统的其他部件直接访问。其他部件直接访问。n 外存储器的存储容量大，但存取速度较慢，一般用来存放外存储器的存储容量大，但存取速度较慢，一般用来存放大量暂时不用的数据和程序，需要时，可以成批地和内存储大量暂时不用的数据和程序，需要时，可以成批地和内存储器进行信

11、息交换。器进行信息交换。外存储器外存储器第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器联机（联机（on-line）意味着设备已经与计算机相连，不需要人的干意味着设备已经与计算机相连，不需要人的干预就可以使用；预就可以使用；脱机（脱机（off-line）意味着设备在被计算机使用之意味着设备在被计算机使用之前需要人的干预前需要人的干预或许需要将这个设备接通电源，或许需要或许需要将这个设备接通电源，或许需要将这个设备与计算机相连接。将这个设备与计算机相连接。计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院常用的外存储器有磁带、硬盘、光盘、优盘、移动硬盘等。常用的外存储器有磁带、硬盘、光盘、优盘、移动硬

12、盘等。外存储器外存储器第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院高速缓冲存储器高速缓冲存储器 n 随着硬件制造水平不断提高，计算机的内存容量越来越大，随着硬件制造水平不断提高，计算机的内存容量越来越大，速度越来越快，但内存的存取速度与速度越来越快，但内存的存取速度与CPU的处理速度相比仍有的处理速度相比仍有很大差距。很大差距。 n高速缓冲存储器高速缓冲存储器（Cache，简称，简称缓存缓存）介于内存和）介于内存和CPU之间，之间，位置可以在位置可以在CPU芯片的内部，也可以在芯片的内部，也可以在CPU芯片的外部。芯片的外部。n Cache的存取

13、速度比内存快，但价格昂贵，能够以接近的存取速度比内存快，但价格昂贵，能够以接近CPU的速度向的速度向CPU提供程序指令和数据。提供程序指令和数据。 第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院高速缓冲存储器高速缓冲存储器 高速缓冲存储技术基于高速缓冲存储技术基于程序执行的局部性原理程序执行的局部性原理（程序的执行（程序的执行在一段时间内总是集中在程序代码的一个小范围内）。因此在一段时间内总是集中在程序代码的一个小范围内）。因此当当CPU读取内存中某一地址的指令时，计算机就自动地将与读取内存中某一地址的指令时，计算机就自动地将与该地址相近的一段代码

14、从内存传送到缓存中。该地址相近的一段代码从内存传送到缓存中。 内 存CPUCache 第第 5 章章 计算机部件计算机部件存储器存储器计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院总线总线：计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的公共信：计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的公共信息通道，是计算机系统的骨架。计算机的各部件通过总线连息通道，是计算机系统的骨架。计算机的各部件通过总线连接在一起。接在一起。从物理角度看，总线就是一组电导线，这组电导线直接印从物理角度看，总线就是一组电导线，这组电导线直接印制在电路板上延伸到各个部件。制在电路板上延伸到各个部件。总线总线第第 5 章章 计算机部件计算

15、机部件CPU总线宽度总线宽度计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院n运算器运算器又称算术逻辑单元（又称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit, ALU），），是计算机对数据进行加工处理的部件。是计算机对数据进行加工处理的部件。n计算机所做的每一件事情都是一系列极其简单而又极其快速计算机所做的每一件事情都是一系列极其简单而又极其快速的算术运算和逻辑运算的结果。的算术运算和逻辑运算的结果。n运算器在控制器的控制下完成对二进制数的加、减、乘、除运算器在控制器的控制下完成对二进制数的加、减、乘、除等基本算术运算和与、或、非等基本逻辑运算。等基本算术运算和与、或、非等基本逻辑运算

16、。n运算器主要由算术逻辑运算部件和寄存器组成。运算器主要由算术逻辑运算部件和寄存器组成。n算术逻辑运算部件算术逻辑运算部件是可以执行算术运算和逻辑运算的逻辑电是可以执行算术运算和逻辑运算的逻辑电路，具体执行哪一种运算则由控制器发来的控制信号决定。路，具体执行哪一种运算则由控制器发来的控制信号决定。n寄存器寄存器用来保存算术逻辑运算部件正在处理的数据，运算结用来保存算术逻辑运算部件正在处理的数据，运算结果可以暂存在寄存器中，也可以送到指定的内存单元中。果可以暂存在寄存器中，也可以送到指定的内存单元中。 运算器运算器 第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPU计算机计算机导论导论成都工业学院成都工

17、业学院n运算器一次能处理数据的字节数称为运算器一次能处理数据的字节数称为字字（word），），一个字所包含的二进制位数称为一个字所包含的二进制位数称为字长字长。n字长越长，计算机的处理能力就越强。字长越长，计算机的处理能力就越强。n一般来说：一般来说： 大型机字长在大型机字长在128256之间；之间； 小型机字长在小型机字长在64128之间；之间； 微型机字长在微型机字长在3264之间。之间。 运算器运算器 第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPU计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院n程序计数器程序计数器用来对程序中的指令进行计数，使得控制器用来对程序中的指令进行计数，使得控制器能够

18、依次读取指令；能够依次读取指令；n指令寄存器指令寄存器在指令执行期间暂存正在执行的指令；在指令执行期间暂存正在执行的指令；n指令译码器指令译码器用来识别指令的功能，分析指令的操作要求，用来识别指令的功能，分析指令的操作要求，将指令翻译成控制信号；将指令翻译成控制信号；n时序控制电路时序控制电路用来生成时序信号，以协调在指令执行周用来生成时序信号，以协调在指令执行周期内各部件的工作；期内各部件的工作；n微操作控制电路微操作控制电路用来产生各种控制操作命令。用来产生各种控制操作命令。控制器的基本构成控制器的基本构成 第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPU计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业

19、学院微操作命令微操作命令 下一条指令的地址下一条指令的地址指令寄存器指令寄存器 操作码操作码 地址码地址码时序控制电路时序控制电路指令译码器指令译码器 微程序控制电路微程序控制电路来自于内存的指令来自于内存的指令地址形成电路地址形成电路操作数地址操作数地址程序计数器程序计数器1控制器的基本构成控制器的基本构成 第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPU计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院指令的执行过程指令的执行过程 控制器控制器 （2）分析指令）分析指令 （1）取指令）取指令读取读取运算器运算器（3）执行指令）执行指令执行执行内内 存存译码译码第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPU

20、如何启动一个程序的执行？如何启动一个程序的执行？ 计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院程序的执行过程程序的执行过程 第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPU例例5.3 假设要把存放在地址为假设要把存放在地址为6A和和6C的存储单元中的数相的存储单元中的数相加，结果存放在地址为加，结果存放在地址为6E的存储单元中，的存储单元中， 指令编码指令编码 含义含义 156A 把地址为把地址为6A的存储单元中的数取出装入寄存器的存储单元中的数取出装入寄存器 5 166C 把地址为把地址为6C的存储单元中的数取出装入寄存器的存储单元中的数取出装入寄存器 6 5056 把寄存器把寄存器 5 和和 6

21、 的数相加，结果存入寄存器的数相加，结果存入寄存器 0 306E 把寄存器把寄存器 0 中的数存放到地址为中的数存放到地址为6E的存储单元中的存储单元中 C000 停止停止计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院启动程序：将该程序启动程序：将该程序装入内存装入内存中，并且把程序的第一条指令中，并且把程序的第一条指令所在的地址放在程序计数器中，从而所在的地址放在程序计数器中，从而启动该程序启动该程序的执行。的执行。程序的执行过程程序的执行过程 第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPU计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院控制器开始一个机器周期，首先执行控制器开始一个机器周期，首先执行

22、取指令取指令， 把存放在地址把存放在地址A0的指令取出并送入的指令取出并送入指令寄存器指令寄存器， 并预置并预置程序计数器程序计数器为下一为下一条指令的地址。条指令的地址。程序的执行过程程序的执行过程 第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPU计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院其次，控制器其次，控制器分析指令分析指令寄存器中的指令为传送操作；寄存器中的指令为传送操作；再次，控制器再次，控制器执行指令执行指令完成把地址为完成把地址为6A的存储单元的数据的存储单元的数据取到寄存器取到寄存器 5 中。中。 程序的执行过程程序的执行过程 第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPU计算机计算机

23、导论导论成都工业学院成都工业学院然后，控制器开始然后，控制器开始下一个机器周期下一个机器周期，直到执行停机指令。，直到执行停机指令。 程序的执行过程程序的执行过程 第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPU计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院给程序计数器置初值给程序计数器置初值A1，会如何执行？，会如何执行？程序的执行过程程序的执行过程 第第 5 章章 计算机部件计算机部件CPUCPU只会忠实地执行命令，这也是计算机病毒、木马、黑客只会忠实地执行命令，这也是计算机病毒、木马、黑客存在的根源。存在的根源。计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院n总体上讲，输入设备接收来自用户的数据和

24、程序并转换总体上讲，输入设备接收来自用户的数据和程序并转换为计算机可以识别的二进制形式。为计算机可以识别的二进制形式。n由于现实世界信息的形式各种各样，因此需要设计各种由于现实世界信息的形式各种各样，因此需要设计各种输入设备把这些多样的信息数字化。输入设备把这些多样的信息数字化。输入设备输入设备 第第 5 章章 计算机部件计算机部件输入输入/输出设备输出设备计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院触摸屏触摸屏鼠标鼠标手写输入手写输入游戏杆游戏杆输入设备输入设备 第第 5 章章 计算机部件计算机部件输入输入/输出设备输出设备计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院扫描仪扫描仪条形码读入与

25、条形码读入与光学符号识别光学符号识别数码相机数码相机光学字符识别光学字符识别输入设备输入设备 第第 5 章章 计算机部件计算机部件输入输入/输出设备输出设备计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院n总体上讲，输出设备将计算机内部的二进制信息转换成总体上讲，输出设备将计算机内部的二进制信息转换成人们可以理解的形式提供给用户。人们可以理解的形式提供给用户。n输出设备可以分为两类：软拷贝和硬拷贝。输出设备可以分为两类：软拷贝和硬拷贝。n软拷贝软拷贝是临时性的，没有实体性的东西留下来，例如在是临时性的，没有实体性的东西留下来，例如在显示器上看到的文章或电影；显示器上看到的文章或电影；n硬拷贝硬拷贝

26、是可以触摸和携带的，通常是以纸张等形式保留是可以触摸和携带的，通常是以纸张等形式保留下来。例如用打印机把文档打印出来。下来。例如用打印机把文档打印出来。输出设备输出设备 第第 5 章章 计算机部件计算机部件输入输入/输出设备输出设备计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院输出设备输出设备 第第 5 章章 计算机部件计算机部件输入输入/输出设备输出设备计算机计算机导论导论成都工业学院成都工业学院n 接口的作用：接口的作用：协调协调主机与外部设备之间数据传输速度的差异。主机与外部设备之间数据传输速度的差异。n 接口接口：计算机系统中两个硬件设备之间的逻辑电路，是各组：计算机系统中两个硬件设备之间的逻辑电路，是各组成部分之间进行信息交换的功能部件。成部分之间进行信息交换的功能部件。 输入输入/输出接口输出接口外设外设主机主机I/O接口接口外设识别外设识别 数据数据/命令命令/状态状态地址信息地址信息数据（