计算机的部件

第四讲：计算机的部件

主讲教师：宁德琼硬件层第2部分硬件层硬件层在计算机系统的位置

介绍数理逻辑进行逻辑电路的设计基础，介绍二进制与其它进制转换、分析门、电路的构成计算机部件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？

3.输入/输出设备的作用是什么？都有哪些常用输入/输出设备？情景问题——计算机的基本配置

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件仍然是处理器、存储器、输入设备和输出设备。http:///CPU_Brand.htmlCPU存储器冯·诺伊曼体系结构内存储器运算器控制器输出设备输入设备外存储器程序数据存数取数输入命令输出命令取数存数存取命令取指令运算命令运算状态数据交换计算结果计算机部件存储器的性能指标：（1）存储容量：存储器可以容纳的二进制信息总量。（2）存取速度：用存取时间（CPU发出有效存储地址启动一次存储器读/写操作，到读/写操作完成所经历的时间）和存取周期（连续启动两次独立的存储器读/写操作所需的最小时间间隔）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。计算机部件——存储器存储器的层次结构存储器的层次结构计算机部件——存储器计算机中存储器主要功能是什么？为什么要把存储系统分为Cache、主存、外存不同层次？内存储器计算机部件——存储器内存储器也称为内存或主存，它直接与CPU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）的程序和数据。000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010地址存储单元存储单元的信息………存储单元是可管理的最小单位，典型的存储单元是一个字节。存储单元的编号称为地址，一般从0开始连续编号。111000111000110111101000001100100000000000000001111111011111111011111111………内存储器计算机部件——存储器将内存与宾馆的房间进行类比：位——床位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存储单元——房间内存地址——房间号内存容量——床位总数。1010101000110010内存储器计算机部件——存储器000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010………向存储器里存入信息也称为写入，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。存储位不能是空的，必须存放0或1，换言之，任意时刻存储单元的内容都不能是空的，一定是0和1的编码。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——内存。

表示什么？000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010………内存储器计算机部件——存储器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。如果没有明确的上下文环境，我们无法正确回答这个问题。内存储器有两种：随机存储器RAM和只读存储器ROM。随机存储器RAM又称为易失性存储器，RAM保存的信息在断电后就会消失。只读存储器ROM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ROM中读取信息，如BIOS。内存储器大部分是RAM，RAM是内存性能的决定性因素。内存储器计算机部件——存储器

外存储器也称为辅助存储器（或简称外存、辅存），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其他部件直接访问。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器进行信息交换。外存储器计算机部件——存储器联机（on-line）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；脱机（off-line）意味着设备在被计算机使用之前需要人的干预——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。常用的外存储器有磁带、硬盘、光盘、优盘、移动硬盘等。外存储器计算机部件——存储器高速缓冲存储器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CPU的处理速度相比仍有很大差距。高速缓冲存储器（Cache，简称缓存）介于内存和CPU之间，位置可以在CPU芯片的内部，也可以在CPU芯片的外部。

Cache的存取速度比内存快，但价格昂贵，能够以接近CPU的速度向CPU提供程序指令和数据。计算机部件——存储器高速缓冲存储器高速缓冲存储技术基于程序执行的局部性原理（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）。因此当CPU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从内存传送到缓存中。内存CPUCache计算机部件——存储器总线：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，这组电导线直接印制在电路板上延伸到各个部件。总线计算机部件——CPU总线宽度运算器又称算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit,ALU），是计算机对数据进行加工处理的部件。（它主要是由算术逻辑部件和寄存器组成。）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。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。运算器主要由算术逻辑运算部件和寄存器组成。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路，具体执行哪一种运算则由控制器发来的控制信号决定。寄存器用来保存算术逻辑运算部件正在处理的数据，运算结果可以暂存在寄存器中，也可以送到指定的内存单元中。计算机部件——CPU运算器一次能处理数据的字节数称为字（word），一个字所包含的二进制位数称为字长。字长越长，计算机的处理能力就越强。一般来说：大型机字长在128～256之间；小型机字长在64～128之间；微型机字长在32～64之间。计算机部件——CPU程序计数器用来对程序中的指令进行计数，使得控制器能够依次读取指令；指令寄存器在指令执行期间暂存正在执行的指令；指令译码器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；时序控制电路用来生成时序信号，以协调在指令执行周期内各部件的工作；微操作控制电路用来产生各种控制操作命令。控制器的基本构成计算机部件——CPU微操作命令下一条指令的地址指令寄存器操作码地址码时序控制电路指令译码器

微程序控制电路……来自于内存的指令地址形成电路操作数地址程序计数器＋1控制器的基本构成计算机部件——CPU指令的执行过程控制器（2）分析指令（1）取指令读取运算器（3）执行指令执行内存译码第5章计算机部件——CPU如何启动一个程序的执行？程序的执行过程计算机部件——CPU例5.3假设要把存放在地址为6A和6C的存储单元中的数相加，结果存放在地址为6E的存储单元中，指令编码含义

156A把地址为6A的存储单元中的数取出装入寄存器5166C把地址为6C的存储单元中的数取出装入寄存器65056把寄存器5和6的数相加，结果存入寄存器0306E把寄存器0中的数存放到地址为6E的存储单元中

C000停止启动程序：将该程序装入内存中，并且把程序的第一条指令所在的地址放在程序计数器中，从而启动该程序的执行。程序的执行过程计算机部件——CPU控制器开始一个机器周期，首先执行取指令，把存放在地址A0的指令取出并送入指令寄存器，并预置程序计数器为下一条指令的地址。程序的执行过程第5章计算机部件——CPU其次，控制器分析指令寄存器中的指令为传送操作；再次，控制器执行指令完成把地址为6A的存储单元的数据取到寄存器5中。程序的执行过程计算机部件——CPU机器周期操作2取指令从地址A2开始的内存单元读取指令送到指令寄存器，程序计数器加2分析指令控制器分析指令寄存器中的指令166C执行指令把地址为6C的存储单元的数据取到寄存器6中3取指令从地址A4开始的内存单元读取指令送到指令寄存器，程序计数器加2分析指令控制器分析指令寄存器中的指令5056执行指令启动算术运算部件实现加法操作，把结果存放在寄存器0中4取指令从地址A6开始的内存单元读取指令送到指令寄存器，程序计数器加2分析指令控制器分析指令寄存器中的指令306E执行指令将寄存器0中的内容写入地址是6E的内存单元5取指令从地址A8开始的内存单元读取指令送到指令寄存器，程序计数器加2分析指令控制器分析指令寄存器中的指令C000为停止指令执行指令控制器在这个机器周期的执行步停止，程序执行完毕计算机部件——CPU给程序计数器置初值A1，会如何执行？程序的执行过程计算机部件——CPUCPU只会忠实地执行命令，这也是计算机病毒、木马、黑客存在的根源。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。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。输入设备计算机部件——输入/输出设备触摸屏鼠标手写输入游戏杆输入设备计算机部件——输入/输出设备扫描仪条形码读入与光学符号识别数码相机光学字符识别输入设备计算机部件——输入/输出设备总体上讲，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。输出设备可以分为两类：软拷贝和硬拷贝。软拷贝是临时性的，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；硬拷贝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。输出设备计算机部件——输入/输出设备输出设备计算机部件——输入/输出设备

接口的作用：协调主机与外部设备之间数据传输速度的差异。接口：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。输入/输出接口外设主机I/O接口外设识别数据/命令/状态地址信息数据（并）控制信息数据（并/串）计算机部件——输入/输出设备

接口的作用：协调主机与外部设备之间数据传输速度的差异。接口：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。输入/输出接口计算机部件——输入/输出设备串行接口（串口）：外设和接口之间的信息按位进行传送。并行接口（并口）：外设和接口之间是按字节或字进行传送。串口和并口：接口和主机之间都是以字节或字为单位进行传送。

USB接口（通用串行总线）：其目的是使所有的低速外设都可以连接到统一的USB接口上。输入/输出接口计算机部件——输入/输出设备微型计算机硬件系统主机的基本组成主板

CPU

存储器：内存、外存各种接口资料阅读:

主板图解FLASH演示：

微型计算机系统基本结构演示

主板上各器件组装演示板载功能板载功能一般附加许多原来由各种类型的卡所承担的功能一般来说，板载功能有：声卡、显示卡、网卡、IEEE1394卡等PC99规范要求主板各接口必须采用有色识别标识，方便识别1.

系统主板微机中最大的一块集成电路板微机中各种部件的连接载体主板主要有：

CPU插座 控制芯片组 BIOS芯片

内存条插槽、 AGP总线扩展槽 PCI局部总线扩展槽

其它各种接口CPU插座内存插槽PCI插槽串行接口网络接口USB接口AGP插槽2.CPU(1)CPU主要性能指标

CPU的位数=CPU的字长=CPU中通用寄存器的位数(位宽)

字：在计算机中，作为一个整体参与运算、处理和传送的一串二进制数，称为一个“字”。

字长：组成“字”的二进制数的“位数”，称为“字长”。

通用寄存器的位数：等于字长例如：32位CPU=CPU的字长为32=CPU中通用寄存器为32位

CPU外频：CPU总线频率

CPU主频：CPU的时钟频率、CPU的工作频率生产工艺技术：通常用微米μm数字来描述(2)Intel当前主要微处理器Pentium(奔腾)系列

PentiumPentiumMMX

Pentium2

Pentium3

Pentium4

PentiumM

PentiumD

当今主流CPUCeleron(赛扬)系列

Itanium(安腾)系列

Xeon(至强)系列

Banias(迅驰)系列

(3)早期使用过的CPU(Intel)1971年40044位1972年

80088位1978年808616位1982年8028616位1985年8038632位1989年8048632位1993年Pentium32位1995年PentiumPro32位

1999年PentiumIII32位2000年Pentimu432位1997年PentiumII32位1996年PentiumMMX32位(4)国产CPU—龙芯

标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了“零”的突破，打破了我国长期依赖国外CPU产品的无芯的历史。

3.存储器程序、数据都是存储放存储器中内存：ROM、RAM

速度快，容量小，价格较高，可由CPU直接访问。

ROM：可以读，不可以写；掉电后数据不会丢失

RAM：可以读，也可以写；掉电后数据丢失外存：磁盘、光盘、优盘速度慢，容量大，价格低，CPU不可以直接访问。Cache①随机存取存储器

RandomAccessMemory，RAMCPU可对它们直接读写可以读，不可以写；掉电后数据不会丢失目前主要是采用动态随机存储器DRAM，制作成内存条形式出现

(1)内存储器笔记本电脑内存条

台式机内存条FLASH演示：

存储器写操作演示

存储器读操作演示②只读存储器

ReadonlyMemory，ROMCPU对它们只可以读，不可以写，断电时信息不会丢失。

ROM中一般存放计算机系统管理程序。(2)高速缓冲存储器Cache

CPU速度快、内存速度慢，为了协调两者的速度设置CacheCache一般采用静态随机存取存储器SRAM构成，速度约是DRAM的10倍。

CPUCacheRAMFLASH演示：

Cache工作演示重要概念：磁道扇区柱面柱面扇区磁道硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成读写硬盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮在盘面上而不接触盘面硬盘容量视具体类型而定硬盘片读写磁头②硬盘资料:硬盘图解外存储器特点：容量大、成本低廉、便于携带，保存时间长。类型：只读型光盘CD-ROM

一次性可写入光盘CD-R需要光盘刻录机完成数据的写入可重复刻录的光盘CD-RW衡量光盘驱动器传输数据速率的指标叫做倍速

一倍速率=150kb/s

40倍速光驱数据传输速率可达到40×150kb/s=6Mb/s。

③光介质存储器

资料:

光驱与光盘

CD-R刻录机④移动存储产品

(a)

移动硬盘

通常由笔记本硬盘和带有数据接口电路的外壳组成

数据接口电路有三种：

USB1.1 速度可达每秒12MBUSB2.0 速度可达每秒480MBIEEE1394 速度可达每秒450MB(b)Flash存储设备用FlashMemory芯片构成的存储介质广泛用于数字摄像机、数码相机、MP3播放器、PDA等采用USB的接口可擦写100万次以上

USB有两个规范：①USB1.1可达12Mbps。②USB2.0可达480MbpsUSB2.0可以向下与USB1.1兼容资料:优盘总线：微处理器与各部件和外围设备共用的连接线路总线与接口处理器存储子系统I/O子系统总线分类地址总线:传输地址信息数据总线:传输数据信息控制总线:传输控制信息内部总线：连接CPU的各个组成部件（芯片内部）系统总线：连接计算机中各大部件外部总线：连接计算机和外部设备连接对象传输对象并行总线:通信速度快、实时性好串行总线:简易、方便、灵活通信方式

总线微处理器地址总线数据总线控制总线内存插槽外存接口I/O接口其他I/O主存储器硬盘等各种外设键盘显示接口电路微处理器、总线、存储器、接口电路和外设逻辑关系

PCI总线

CPU与外部设备之间一条独立的数据通道

让每种设备都能直接与CPU取得联系

PCI总线的数据传送宽度为32位，可扩展到64位

工作频率为33MHz，数据传输率可达133Mb/s显卡：显示器通过显卡与计算机主机连接DVI-I输出VGA输出TV输出。(1)声卡又称音频卡，通常集成在主板上。主要功能：①录制与播放即可以录音和播放。②编辑与合成处理对进行多种特效处理，

例如：加入回声、倒放、淡入淡出、单声道放音和左、右声道交叉放音等。③MIDI接口