硬件计算机的体系结构

1、第第3 3讲、计算机的组成讲、计算机的组成浙江理工大学刘莉计算机概论九讲计算机概论九讲 讲授：刘莉讲授：刘莉计算机组成：回顾计算机组成：回顾存储器运算器控制器输入输出内容提要内容提要1.流水线工作原理2.计算机体系结构-三个子系统1.计算机的大脑：处理器系统2.计算机记忆系统：存储器系统3.人机交互：输入输出系统3.微机系统结构与常识1.微机的主要硬件设备及技术指标2.多媒体计算机系统主题一主题一 计算机的流水线工作原理计算机的流水线工作原理l程序存储在外存外存l启动程序意味着由操作系统将程序装入内存内存（连（连续存放）续存放），通过控制器控制器对每个指令进行取指令、分析、执行l如果是一条输入

2、输出指令，则中断，等待输入、输出设输入、输出设备备就绪l如果是一条加法运算指令，则通过运算器运算器进行运算l如果是存储指令，则通过总线将数据保存到内存相应数据区l程序运行结束，控制权交给操作系统主题二主题二 计算机体系结构计算机体系结构1.计算机体系结构主要研究计算机的硬件组成 2.三个子系统：处理器子系统、存储器子系统、输入输出系统输 入 /输 出子 系 统处 理 器子 系 统存 储 器子 系 统地 址 总 线数 据 总 线控 制 总 线计算机三个子系统和总线的连接1 1、计算机的大脑、计算机的大脑中央处理器系统中央处理器系统1.计算机的核心处理器（CPU）2.中央处理器，CPU ：集成运算

3、器运算器和控制器控制器1.运算器l功能：完成算术和逻辑运算l组成：算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logical Unit) 及运算寄存器组 2.控制器l功能：取指令、译码、向各部件发出控制信号l组成：程序计数器、指令寄存器、指令译码器等7指令的执行步骤指令的执行步骤n 1.取指令。即按照程序计数器中取指令。即按照程序计数器中的地址（图中为的地址（图中为“2042H”），从内），从内存储器中取出指令（图中的指令为存储器中取出指令（图中的指令为“075126H”），并送往指令寄存器），并送往指令寄存器中中n 2.分析指令。即对指令寄存器中分析指令。即对指令寄存器中存放的指令（图中的指

4、令为存放的指令（图中的指令为“075126H”）进行分析，由操作码）进行分析，由操作码（“07H”）确定执行什么操作，由）确定执行什么操作，由地址码（地址码（“5126H”）确定操作数的）确定操作数的地址地址n 3.执行指令。即根据分析的结果，执行指令。即根据分析的结果，由控制器发出完成该操作所需要的由控制器发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作要求的操作n 4.执行指令的同时，指令计数器执行指令的同时，指令计数器加加1，为执行下一条指令做好准备。，为执行下一条指令做好准备。如果遇到转移指令，则将转移地址如果遇到转移指令，则将转移地址送入指

5、令计数器送入指令计数器CPUCPU组成及工作原理组成及工作原理中央处理器中央处理器l今天的CPU更复杂的技术特征：流水线技术、使用大量的内部高速缓冲存储器（Cache），降低和存储器的数据交换频率、双内核技术即在一个芯片内集成两个CPU等 处理器系统小测验处理器系统小测验 1. CPU中的控制器的功能是_。A、进行逻辑运算 B、进行算术运算C、控制运算的速度 D、分析指令并发出相应的控制信号CPUCPU的主要技术指标的主要技术指标 1.主频：CPU内部元部件的工作频率(Hz)l如Pentium4/1.7G表示该CPU为奔腾型，主频为1.7 GHz。CPU的主频越高，运算速度就越快2.字长（Wo

6、rd）：CPU同时处理二进制的位数lIntel 80286字长16位， Intel 80486字长32位 。目前主流微机CPU的字长为32 位（如奔腾4处理器）和64 位3.外频：CPU与外围部件进行信息交换的信号频率。l如CPU和存储器之间交换数据，一般使用外部信号频率进行同步。典型的频率为100MHz、133MHz、200MHz、400MHz等市场上主流市场上主流CPUCPU产品简介产品简介l微机市场上主流的CPU产品是Intel公司生产的微处理器系列 lIntel的CPU：1978年80861996年80486，期间有十多个型号，都是使用数字为产品命名的l1993年后，Intel使用Pe

7、ntium （奔腾，意为高速）开始给新的CPU命名：Pentium、Pentium2、Pentium 3、Pentium 4代表 CPU型号型号l双核：如果把Peuntium4作为奔腾4代，那么酷睿（Core Duo）双核（处理器）也就是Pentium第8代产品，之前的产品还有Pentium（Centrino，迅驰）、至强（Xeon）、安腾（Itanium）分别为第5、第6和第7代。新一代处理器已经舍弃了用处理器主频命名的老方式，取而代之的是代号命名，具体的处理器代号将以一个英文字母加上4个数字来表示。字母X代表处理器TDP热量设计功耗微75W以上，如Core 2 Extreme X6800处

8、理器 lIntel公司的Pentium 4以及赛扬（Celeron）系列。赛扬系列与Pentium的主要区别在于CPU的Cache的大小不同，赛扬系列CPU的Cache比Pentium小，因此CPU的浮点运算速度受到很大影响，相应地价格便宜得多。Cache是CPU内部的高速缓冲存储器 2 2、计算机记忆能力、计算机记忆能力存储器系统存储器系统p 实现计算机记忆功能的是存储器系统（Memory System）p 存储器子系统保存程序代码和数据的物理载体 存储器系统的层次存储器系统的层次寄 存 器高 速 缓 冲 存 储 器主 存 储 器 R A M外 部 低 速 存 储 器 （ 磁 ， 光 ）C

9、P U 内 部外 接内 连容量越来越大，每位的价格越来越便宜访问速度越来越快外部存储器外部存储器l外设特性，又是作为数据永久存储的设备l辅助存储器一般以磁或光的形式进行数据的存储 l磁介质存储设备l硬盘（IDE硬盘、SCSI硬盘）、U盘、磁带、软盘l光存储设备 l光盘（CD-ROM）写保护微机的辅存设备微机的辅存设备硬盘硬盘l硬盘的主要技术参数为硬盘转速、存储容量及存取时间等（实例：希捷320G/7200.10/16M/串口硬盘，容量-320GB 硬盘；转数-7200rpm 缓存-16MB ）台式机常用的硬盘转速有5400转/分、7200转/分。对笔记本电脑，常用的硬盘有4400转/分、540

10、0转/分。高档系统如网络服务器的硬盘转速较高，可达1000015000转/分一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。最早使用在微机上的硬盘容量只有10MB磁盘存取时间是指从CPU发出读写命令后，磁头开始移动到读出或写入信息所需要的时间。这两个时间都是随机的，一般使用平均值表示。目前硬盘的存取时间为825ms 计算机概论九讲计算机概论九讲 讲授：刘莉讲授：刘莉外存储器外存储器l外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富17微机的辅存设备微机的辅存设备光存储设备光存储设备l光存储设备使用激光技术存储和读取数据lCD（Compact Disc，即光盘）被发明用

11、来存放音频信息后，开始设计将CD用于存储计算机数据l只读光盘（CD-ROM）：lCD-ROM的存储容量一般在650800MB之间。 l可刻录光盘（CD-R，CD-Record）l可重写光盘（CD-R/W,CD-Read/Write）l通用数字光盘（DVD, Digital Versatile Disc ）l与CD比较，它在几乎不增加成本的基础上，数倍、几十倍的提升了储存容量，其速度比CD更快 l我国深圳朗科公司（Netac Technology Co.）的发明专利l“优盘” 体积小、存储容量大、方便携带，非常适合文件复制及数据交换等应用l各大计算机厂商迅速支持闪存U盘的即插即用U盘迅速成为个人

12、移动存储的主流产品 微机的辅存设备微机的辅存设备优（优（U U）盘）盘3.3.3 3.3.3 主存储器系统主存储器系统l主存也叫内存，由半导体存储器组成l半导体存储器类型lRAM（随机存储器，Random Access Memory ）lROM（只读存储器，Read Only Memory ）存储器系统存储器系统内存储器内存储器RAMRAM存储器存储器 （内存）（内存）lRAMRandom Access Memory，随机存储器，计算机主存储器系统中的主要组成部分lRAM数据的存取是随机发生的，用户或者程序可以随时对RAM写入数据，也可以随时从RAM单元读取数据l特点：速度快，体积小，易失性数

13、据会由于系统断电而消失lRAM根据其保持数据的方式可以分为l动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）l静态RAM（Static RAM，SRAM）lDRAM的存取速度较慢但价格要便宜些 微机的主存设备微机的主存设备内存条内存条l微机内存也就是主存储器，它和CPU一起被安装在计算机的主电路板上l内存芯片被做成插件形式内存条 例：金士顿1GB DDR2 800 ROMROM存储器存储器 （内存）（内存）lRead Only Memory，使用之前被写入的数据只能被读出，而不能被写入l断电也不会丢失数据，类型：lPROM（Programming ROM）lEPROM（Erasable PROM

14、）lEEPROM （Electrical EPROM）lFlash Memory（EEPROM的特殊类型，如数码相机的图像存储器 ）lROM一个重要的应用存放启动计算机所需要的BIOS程序。计算机每次开机都执行相同的操作，所以BIOS程序是固定不变的，它被“固化”（Solidify）在ROM中。每次计算机上电开机时，首先执行的就是BIOS程序 层次结构的主存储器系统的工作过程层次结构的主存储器系统的工作过程l启动程序后硬盘上的内容（程序）加载到内存，大量的程序代码和数据存放在主存储器中l计算机把正在执行的指令地址附近的一部分指令和数据，从主存RAM调入高速缓冲存储器Cache，供CPU在一段时

15、间内使用，这对提高程序的整体运行速度有很大的影响l运算在CPU内部使用寄存器，高速缓冲存储器Cache介于CPU和主存之间 存储器系统结构总结存储器系统结构总结辅存储器磁介质存储器磁带软磁盘硬磁盘光存储设备CDROMCDRCDRWDVD主存储器(半导体)随机存储器(RAM)只读存储器(ROM)存储器系统存储器的单元和地址存储器的单元和地址 存储单元模式进行存储器数据的管理1存储单元：地址和内容0 1 0 1 0 1 0 10 1 1 0 0 0 1 01 0 0 1 0 0 1 10 0 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 0 01 1 0 0 1 1 0 00 0 0 0 0 0

16、0 01 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 10 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 0 0 1单 元 地 址单 元 内 容存储器的单元和地址存储器的单元和地址 ContContl存储单元 l基本单元字节(Byte)，8位(bit)二进制l存储器地址l存储空间被标识的主存储器中所有存储单元地址的总和就是整个存储器的“空间” ，也叫做存储器容量 存储单位存储单位 单位单位实际字节数实际字节数近似表示方法近似表示方法B(Byte)B(Byte)字节字节1 1 1 1KB(K Byte)KB(K Byte)千字节千字节2 210101010

17、3 3MB(M Byte)MB(M Byte)兆字节兆字节2 2202010106 6GB(G Byte)GB(G Byte)千兆字节（吉）千兆字节（吉）2 2303010109 9TB(T Byte)TB(T Byte)兆兆字节（太拉）兆兆字节（太拉）2 2404010101212存储系统小测存储系统小测l计算机的存储系统通常包括_。A、内存储器和外存储器 B、软盘和硬盘C、ROM和RAM D、内存和硬盘l对于有写保护装置的优盘，如果设置写保护，就_。A、不能存数据也不能取数据 B、既能存数据又能取数据C、只能存入新数据而不能取数据 D、只能取数据而不能存入数据l计算机的内存主要由RAM组成

18、，其中存储的数据在断电后_丢失。lA、 不会 B、 部分 C、 完全 D、 不一定。小测小测1.计算机硬件系统有哪几部分构成？2.CPU是计算机硬件系统的核心，它是由_组成的。A、运算器和存储器 B、控制器和乘法器C、运算器和控制器 D、加法器和乘法器3.在下列设备中，既是输入设备又是输出设备的是_。 A、显示器 B、磁盘驱动器 C、键盘 D、打印机 处理器、存储器、输入输出系统3 3、 人机交互人机交互输入输出系统输入输出系统 l计算机的第三个子系统是输入输出系统（Input and Output System，I/O）l多种类型的输入输出设备（Peripheral Equipment，外设

19、），及连接这些设备的接口电路l输入设备键盘和鼠标 l输出设备显示器、打印机l接口 高速的主机和低速的外设之间的缓冲，实现了主机和外设交换数据速度的匹配 微机输入设备微机输入设备l输入设备可以让我们将外部信息如文字、数字、声音、图像、程序等转变为数据输入到计算机中，以便加工、处理l输入设备是人们和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一l键盘、鼠标、扫描仪、光笔、压感笔、手写输入板、游戏杆、语音话筒、数码相机、数码录像机、光电阅读器等都属于输入设备l最常用的输入设备是键盘和鼠标器 微机输入设备微机输入设备微机输出设备微机输出设备l常用的输出设备是显示器、打印机l其他输出设备有投影仪、用于工程设计

20、的绘图仪、语音输出设备、视频输出设备等微机输入设备微机输入设备鼠标器和点击设备鼠标器和点击设备l今天的视频技术已经非常成熟，除了CRT显示器还有LCD（Liquid Crystal Display）显示器。l微机的显示系统由显示卡和显示器组成l显示器的分辨率显示器的分辨率 分辨率指屏幕上像素的数目，像素是指组成图像的最小单位，即显示器上的发光“点”。如640480的分辨率是指在水平方向上有640个像素，在垂直方向上有480个像素。为控制像素的亮度和色彩，显卡上的显示存储器上需要多位二进制表示。如果要显示256种颜色，则每个像素需要8位(一个字节)，当显示真彩色时，每个像素要用3个字节。 显示器

21、一般有多种供选择的分辨率，能达到较高分辨率的显示器的性能较好，显示的图像质量更高。目前15寸的显示器最高分辨率一般可以达到12801024。 l显示模式和标准显示模式和标准微机输出设备微机输出设备显示器显示器微机输出设备微机输出设备显示器显示器显示器模式和标准模式和标准分辨率缩写模式标准720350MDA文本单色字符显示320200CGA文本/图形彩色图形/字符显示640350EGA文本/图形增强图形显示640480VGA图形模式视频图形阵列800600SVGA超级VGA1024768XGA扩展图形阵列12801024UVGA超级VGA（16001200/无“蚊子说，我是针式的，章鱼说，我是喷

22、墨的，营火虫说，虽然我不是激光的，但我很环保的。” 微机输出设备微机输出设备 打印机打印机l打印机的分类 l针式打印机l喷墨打印机l激光打印机l热升华打印机 l打印原理：以图形方式将点输出到打印纸的确定位置l打印分辨率以DPI（Dots Per Inch）为单位l如300DPI是指在1英寸长度内输出点数300lDPI数值越高，打印质量越好l喷墨打印机，喷墨打印机，可以打印黑白、彩色文档、彩色照片，更适合小型办公用户、个人用户、家庭用户和照片打印用户，使用的耗材是墨盒，墨盒内装有不同颜色的墨水，一般低端喷墨打印机配备一个黑色墨盒和一个彩色墨盒，而对于影像级的喷墨打印机，不仅仅是黑、红、黄、蓝三色，为了表现更加丰富的色彩细节，还有6色或者8色的打印机。1喷墨打印机2激光打印机l激光打印机，激光打印机，分为黑白激光打印机和彩色激光打印机，适用于输出文档的办公用户，其特点是打印质量好，其使用的耗材是硒鼓和墨粉，通过将墨粉附着在纸张上，然后加热形成图形和文字。 3针式打印机l价格便宜，目前多用于票据打印，而家庭和办