硬件计算机的体系结构

第3讲、计算机的组成浙江理工大学

刘莉计算机组成：回顾内容提要流水线工作原理计算机体系结构-三个子系统计算机的大脑：处理器系统计算机记忆系统：存储器系统人机交互：输入输出系统微机系统结构与常识微机的主要硬件设备及技术指标多媒体计算机系统★主题一计算机的流水线工作原理程序存储在外存启动程序意味着由操作系统将程序装入内存（连续存放），通过控制器对每个指令进行取指令、分析、执行如果是一条输入输出指令，则中断，等待输入、输出设备就绪如果是一条加法运算指令，则通过运算器进行运算如果是存储指令，则通过总线将数据保存到内存相应数据区程序运行结束，控制权交给操作系统主题二计算机体系结构计算机体系结构主要研究计算机的硬件组成

三个子系统：处理器子系统、存储器子系统、输入输出系统计算机三个子系统和总线的连接1、计算机的大脑——中央处理器系统计算机的核心——处理器（CPU）中央处理器，CPU

：集成运算器和控制器运算器功能：完成算术和逻辑运算组成：算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicalUnit)及运算寄存器组

控制器功能：取指令、译码、向各部件发出控制信号组成：程序计数器、指令寄存器、指令译码器等7指令的执行步骤1.取指令。即按照程序计数器中的地址（图中为“2042H”），从内存储器中取出指令（图中的指令为“075126H”），并送往指令寄存器中2.分析指令。即对指令寄存器中存放的指令（图中的指令为“075126H”）进行分析，由操作码（“07H”）确定执行什么操作，由地址码（“5126H”）确定操作数的地址3.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一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作4.执行指令的同时，指令计数器加1，为执行下一条指令做好准备。如果遇到转移指令，则将转移地址送入指令计数器CPU组成及工作原理中央处理器今天的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CPU的主要技术指标主频：CPU内部元部件的工作频率(Hz)如Pentium4/1.7G表示该CPU为奔腾Ⅳ型，主频为1.7GHz。CPU的主频越高，运算速度就越快字长（Word）：CPU同时处理二进制的位数Intel80286字长16位，Intel80486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位外频：CPU与外围部件进行信息交换的信号频率。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CPU产品简介微机市场上主流的CPU产品是Intel公司生产的微处理器系列Intel的CPU：1978年8086~1996年80486，期间有十多个型号，都是使用数字为产品命名的1993年后，Intel使用Pentium（奔腾，意为高速）开始给新的CPU命名：Pentium、Pentium2、Pentium3、Pentium4代表

CPU型号双核：如果把Peuntium4作为奔腾4代，那么酷睿（CoreDuo）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Core2ExtremeX6800处理器Intel公司的Pentium4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、计算机记忆能力——存储器系统实现计算机记忆功能的是存储器系统（MemorySystem）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设特性，又是作为数据永久存储的设备辅助存储器一般以磁或光的形式进行数据的存储磁介质存储设备硬盘（IDE硬盘、SCSI硬盘）、U盘、磁带、软盘光存储设备光盘（CD-ROM）写保护微机的辅存设备——硬盘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、5400转/分。高档系统如网络服务器的硬盘转速较高，可达10000～15000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8～25ms

外存储器外存储器容量越大，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——光存储设备光存储设备使用激光技术存储和读取数据CD（CompactDisc，即光盘）被发明用来存放音频信息后，开始设计将CD用于存储计算机数据只读光盘（CD-ROM）：CD-ROM的存储容量一般在650~800MB之间。可刻录光盘（CD-R，CD-Record）可重写光盘（CD-R/W,CD-Read/Write）通用数字光盘（DVD,DigitalVersatileDisc）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更快我国深圳朗科公司（NetacTechnologyCo.）的发明专利“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盘迅速成为个人移动存储的主流产品微机的辅存设备——优（U）盘3.3.3主存储器系统主存——也叫内存，由半导体存储器组成半导体存储器类型RAM（随机存储器，RandomAccessMemory）ROM（只读存储器，ReadOnlyMemory）存储器系统——内存储器RAM存储器（内存）RAM——RandomAccessMemory，随机存储器，计算机主存储器系统中的主要组成部分RAM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单元读取数据特点：速度快，体积小，易失性——数据会由于系统断电而消失RAM根据其保持数据的方式可以分为动态RAM（DynamicRAM，DRAM）静态RAM（StaticRAM，SRAM）DRAM的存取速度较慢但价格要便宜些微机的主存设备——内存条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内存芯片被做成插件形式——内存条例：金士顿1GBDDR2800ROM存储器（内存）ReadOnlyMemory，使用之前被写入的数据只能被读出，而不能被写入断电也不会丢失数据，类型：PROM（ProgrammingROM）EPROM（ErasablePROM）EEPROM

（ElectricalEPROM）FlashMemory（EEPROM的特殊类型，如数码相机的图像存储器）ROM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在一段时间内使用，这对提高程序的整体运行速度有很大的影响运算在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：地址和内容存储器的单元和地址Cont存储单元基本单元——字节(Byte)，8位(bit)二进制存储器地址存储空间——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

存储单位单位实际字节数近似表示方法B(Byte)字节11KB(KByte)千字节210103MB(MByte)兆字节220106GB(GByte)千兆字节（吉）230109TB(TByte)兆兆字节（太拉）2401012存储系统小测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RAMD、内存和硬盘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计算机的内存主要由RAM组成，其中存储的数据在断电后______丢失。A、不会B、部分C、完全D、不一定。√√√小测计算机硬件系统有哪几部分构成？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、人机交互——输入输出系统计算机的第三个子系统是输入输出系统（InputandOutputSystem，I/O）多种类型的输入输出设备（PeripheralEquipment，外设），及连接这些设备的接口电路输入设备——键盘和鼠标输出设备——显示器、打印机接口

——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最常用的输入设备是键盘和鼠标器微机输入设备微机输出设备常用的输出设备是显示器、打印机其他输出设备有投影仪、用于工程设计的绘图仪、语音输出设备、视频输出设备等微机输入设备——鼠标器和点击设备今天的视频技术已经非常成熟，除了CRT显示器还有LCD（LiquidCrystalDisplay）显示器。微机的显示系统由显示卡和显示器组成显示器的分辨率

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640×480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1280×1024。显示模式和标准微机输出设备——显示器微机输出设备——显示器显示器模式和标准分辨率缩写模式标准720×350MDA文本单色字符显示320×200CGA文本/图形彩色图形/字符显示640×350EGA文本/图形增强图形显示640×480VGA图形模式视频图形阵列800×600SVGA超级VGA1024×768XGA扩展图形阵列1280×1024UVGA超级VGA（1600×1200/无“蚊子说，我是针式的，章鱼说，我是喷墨的，营火虫说，虽然我不是激光的，但我很环保的。”微机输出设备——打印机打印机的分类

针式打印机喷墨打印机激光打印机热升华打印机

打印原理：以图形方式将点输出到打印纸的确定位置打印分辨率以DPI（DotsPerInch）为单位如300DPI是指在1英寸长度内输出点数300DPI数值越高，打印质量越好喷墨打印机，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．针式打印机价格便宜，目前多用于票据打印，而家庭和办公多以喷墨和激光打印为主。针式打印机，通常应用于窗口行业用户，比如银行、财务、税务、邮政等需要打印多联票据的用户，工作时噪音比较大，其使用的耗材是色带，通常售价都在千元以上，后期使用成本很低。4．热升华打印机热升华打印机，特点是体积小巧，可以轻易携带，而打印的照片质量较好，适合年轻时尚的照片打印和数码用户。其使用色带作为耗材，通常是色带与纸张一体式的耗材，价格较为昂贵，照片打印成本高。输入输出系统小测下面_____组设备包括：输入设备、输出设备和存储设备。A、显示器、CPU