计算机系统系统单元

优选计算机系统系统单元Ppt2023/2/8第一页，共六十四页。课前预习将手机调到静音认真做笔记及时完成作业上课要求第二页，共六十四页。本节内容2023/2/8冯•诺依曼体系结构计算机体系结构的发展计算机体系结构的评价标准微型计算机的硬件结构（重点）系统主板与时钟频率（难点）电子数据与指令微处理器（重点）主存储器第三页，共六十四页。掌握冯•诺依曼体系结构的构成了解计算机体系结构的发展掌握计算机体系结构的评价标准掌握微处理器的构成及作用了解主存储器的分类及作用学习目标第四页，共六十四页。冯·诺依曼体系结构

体系结构指的是,构成系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。计算机的结构服从冯·诺依曼等人于1946年提出的一个完整的现代计算机雏形。第五页，共六十四页。2023/2/8存储程序计算机的结构第六页，共六十四页。2023/2/8计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。

控制器和运算器是其核心，称为CPU按存储程序原理进行工作数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放的位置由地址确定 控制器是根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器控制指令的执行。第七页，共六十四页。2023/2/8冯·诺依曼的特点：以运算器为中心。在存储器中，指令和数据同等对待。指令和数据一样可以进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。第八页，共六十四页。存储程序原理的基本点：指令驱动。程序预先存放在计算机存储器中，计算机一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。第九页，共六十四页。2023/2/8例：有一函数:

编一程序，输入一个x值，要求输出相应的y值。第十页，共六十四页。2023/2/8scanf("%d",&x);if(x<0)y=-1;if(x==0)y=0;if(x>0)y=1;printf("x=%d,y=%d\n",x,y);第十一页，共六十四页。计算机硬件体系结构的发展

适应串行的算法的体系结构改变为适应并行的算法的计算机体系结构。面向高级语言计算机和直接执行高级语言的计算机。

硬件系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应的计算机。2023/2/8第十二页，共六十四页。从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型的计算机。各种适应特定应用的专用计算机。

高可靠性的容错计算机。处理非数值化信息的计算机。2023/2/8第十三页，共六十四页。2023/2/8体系结构的评价标准

评价计算机系统的标准有速度、容量、功耗、体积、灵活性、成本等指标。常用的计算机评测标准:

时钟频率(主频)

指令执行速度等效指令速度数据处理速率(processingdatarate，PDR)

核心程序法第十四页，共六十四页。

时钟频率（主频）：指同步电路中时钟的基础频率，它以“若干次周期每秒”来度量。量度单位采用单位赫兹（Hz）。它是评定CPU性能的重要指标。通常所说的某某CPU是多少GHz的，而这个多少GHz就是“CPU的主频”，一般来说主频数字值越大越好。2023/2/8第十五页，共六十四页。以Pentium42.0为例，它的工作主频为2.0GHz，这说明了什么呢？2.0GHz意味着每秒钟它会产生20亿个时钟脉冲信号，每个时钟信号周期为0.5纳秒。2023/2/8第十六页，共六十四页。指令执行速度MIPS(MillionInstructionsPerSecond)：表示每秒处理的百万级的机器语言指令数。2023/2/8第十七页，共六十四页。

CPU被集成在一片大规模或超大规模集成电路上，称为MPU（微处理器，microprocessunit）。

微型计算机内部的连接方式都是采用总线结构。总线：计算机系统中，模块与模块，设备与设备之间传输交换信息的公共通道。2023/2/8微型计算机的硬件结构第十八页，共六十四页。2023/2/8

数据总线，DB总线地址总线，AB

控制总线，CB数据总线：传送数据和指令代码的信号线。地址总线：传送CPU所要访问的存储单元或输入输出接口

地址的信号线。控制总线：管理总线上的各个部件所产生的信号协调。第十九页，共六十四页。

接口：将总线信号连接到某个部件或设备的电路。存储器接口：实现存储器与总线相连的电路。输入输出接口：实现外围设备和总线连接的电路。2023/2/8第二十页，共六十四页。

系统主板系统主板：又称为底板或母板，它是整个计算机系统的通信网，系统单元的每个元器件直接连接到系统主板，它们通过系统主板进行数据的交换。2023/2/8第二十一页，共六十四页。2023/2/8CPUSlotPowerSocketBIOS

ChipFloppyInterfaceMotherBoardChipsAGPSlotMemorySlotBatteryPCI

SlotCPU插槽BIOS芯片Floppy接口IDE接口主板芯片组AGP插槽内存插槽电池I/O端口PCI插槽IDE

Interface电源插座I/OPorts第二十二页，共六十四页。系统时钟系统时钟：控制计算机操作的速度，这个速度用兆赫（MHz）表示。１兆赫等于每秒一百万周期，时钟周期速度越快，则计算机处理信息的速度就越快。2023/2/8第二十三页，共六十四页。电子数据与指令

数据与指令是通过两种状态的信号表示,例如电子电路的开与关。它们分别表示二进制0或1。8个比特构成一个字节，一般每个字节可以表示成一个英文字母，两个字节表示一个汉字。2023/2/8第二十四页，共六十四页。电子数据与指令

表示字符的三种二进制编码形式：ASCII码：使用最广泛的二进制编码,使用7位分别表示0～9、a～z、A～Z以及标点符号,用8位表示特殊字符，主要用于微型计算机。EBCDIC码：用一个字节表示数字和字母等，主要用于大型机系统。Unicode码：它是一种16位的编码，用于支持像中文、日文等国际语言。2023/2/8第二十五页，共六十四页。当用户按下一个键时，该键所表示的字符自动转化为一系列计算机系统能识别的电子脉冲（有脉冲和无脉冲两个状态）。如字母键A，引起电子脉冲送到微型计算机系统，系统单元将其翻译成ASCII码：01000001。2023/2/8第二十六页，共六十四页。微处理器1971年10月，美国Intel公司首先推出Intel4004微处理器。这是实现4位并行运算的单片处理器，构成运算器和控制器的所有元件都集成在一片大规模集成电路芯片上，是第一片微处理器。2023/2/8第二十七页，共六十四页。

第一代，1971年开始，是4位微处理器和低档8位微处理器的时期。第二代，1973年开始，是8位微处理器的时期。第三代，1978年开始，是16位微处理器的时期。第四代，1981年开始，是32位微处理器的时期。1985年，Intel80386，集成度为27.5万管/片，采用CHMOS工艺，1.2μm光刻技术。2023/2/8第二十八页，共六十四页。自Intel80386芯片推出以来，又出现了许多高性能的32位及64位微处理器，如Motorola的MC68030、MC68040，AMD公司的K6-2、K6-3、K7以及Intel的80486、Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ、Pentium4等。2023/2/8第二十九页，共六十四页。2023/2/8微处理器的典型结构运算器控制器寄存器第三十页，共六十四页。2023/2/8(1)运算器：包括算术逻辑单元(ALU)，用来对数据进行算术和逻辑运算，运算结果的一些特征由标志寄存器储存。(2)控制器：包括指令寄存器、指令译码器以及定时与控制电路。根据指令译码的结果，以一定时序发出相应的控制信号，用来控制指令的执行。第三十一页，共六十四页。(3)寄存器阵列：包括一组通用寄存器和专用寄存器。通用寄存器用来临时存放参与运算的数据。专用寄存器通常有指令指针IP(或程序计数器PC)和堆栈指针SP等。2023/2/8第三十二页，共六十四页。2023/2/8微处理器的典型结构第三十三页，共六十四页。2023/2/8微处理器芯片CISC芯片RISC芯片专用芯片第三十四页，共六十四页。CISC芯片：又称复杂指令集计算机，其指令系统一般多达几百条指令,这种技术由Intel公司推广，并且是该公司主流微处理器的基础。例如PentiumⅢ和Pentium4。RISC芯片：又称简化指令集计算机，其使用较少的指令。Motorola、IBM和Apple公司共同开发的PowerPC芯片就是利用了RISC技术。专用芯片：用于智能卡的微型内置式微处理器。例如交通卡、社保卡。2023/2/8第三十五页，共六十四页。2023/2/8

主存储器主存储器又称为内存储器或内存，是指能够通过指令中的地址直接访问的存储器。作用：用来存储正在被CPU使用的程序和数据。第三十六页，共六十四页。2023/2/8单元地址00…0000…01........XX…XX存储单元存储元存储容量存储体第三十七页，共六十四页。2023/2/8随机存储器（RAM）闪存(flashRAM,Flash)动态RAM（DRAM）静态RAM（SRAM）只读存储器（ROM）可编程只读存储器(PROM)可删除编程只读存储器(EPROM)电可删除编程存储器(EEPROM)互补金属氧化物半导体（CMOS）磁阻随机存取存储器(MRAM)存储器第三十八页，共六十四页。2023/2/8

半导体存储器

只读

存储器

ROM

随机读写存储器RAM

掩膜ROM

可编程ROM（PROM）

可擦除ROM（EPPROM）

电擦除ROM（EEPROM）

静态RAM（SRAM）

动态RAM（DRAM）

第三十九页，共六十四页。2023/2/8(1)随机存储器(randomaccessmemory，简称RAM)随机存储器(又称读写存储器)指通过指令可以随机地对各个存储单元进行访问，一般访问所需时间基本固定，而与存储单元地址无关。第四十页，共六十四页。2023/2/8(2)只读存储器(readonlymemory,简称ROM)只读存储器是一种对其内容只能读不能写入的存储器，在制造芯片时预先写入内容。它通常用来存放固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。第四十一页，共六十四页。2023/2/8(3)可编程只读存储器(programmableROM,简称PROM)一次性写入的存储器，写入后，只能读出其内容，而不能再进行修改。第四十二页，共六十四页。2023/2/8(4)可擦除可编程序只读存储器(erasablePROM,简称EPROM)可用紫外线擦除其内容的PROM，擦除后可再次写入。(5)可电擦除的可编程只读存储器(electricallyEPROM,简称EEPROM)第四十三页，共六十四页。2023/2/8RAM为“易失性存储器”。除了RAM以外，即使停电，仍能保持其内容，称之为“非易失性存储器”。第四十四页，共六十四页。2023/2/8各存储器的用途存储器应用SRAMDRAMROMPROMEPROMEEPROMFlashMemoryCache计算机主存固定程序，微程序控制器用户自编程序，工业控制机或电器用户编写并可修改程序，产品试制阶段程序IC卡上存储器固态盘、IC卡第四十五页，共六十四页。2023/2/8存储器层次结构

容量大，速度快，成本低。为解决三者之间的矛盾，目前通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。对存储器的要求是：寄存器Cache主存储器外/辅助存储器第四十六页，共六十四页。2023/2/8微机系统中存储器的配置第四十七页，共六十四页。2023/2/8主存储器的技术指标

指标存储容量存取时间存储周期存储器带宽

含义在一个存储器中可以容纳的存储单元总数启动到完成一次存储器操作所经历的时间连续启动两次操作所需间隔的最小时间单位时间里存储器所存取的信息量

表现存储空间的大小

主存的速度

主存的速度数据传输速率技术指标

单位字数，字节数ｎｓｎｓ位/秒，字节/秒第四十八页，共六十四页。主存储器的基本操作

2023/2/8CPU通过使用AR(地址寄存器)和DR(数据寄存器)和主存进行数据传送。在一个存储周期内，CPU和主存之间通过总线进行n位数据传送。控制总线包括控制数据传送的读(read)、写(write)和表示存储器功能完成的(ready)控制线。第四十九页，共六十四页。BIOSBIOS：basicinput/outputsystem其内容集成在微机主板上的一个ROM芯片上，主要保存着有关微机系统最重要的基本输入输出程序，系统信息设置、开机上电自检程序和系统启动自举程序等。2023/2/8第五十页，共六十四页。2023/2/8

BIOS的主要作用BIOS中断服务程序:主要用来在程序软件与微机硬件之间实现衔接BIOS系统设置程序:主要保存着系统基本情况、CPU特性、软硬盘驱动器、显示器、键盘等部件的信息。

上电自检（POST）:由POST（PowerOnSelfTest,上电自检)程序来对内部各个设备进行检查。BIOS系统启动自举程序:按照系统CMOS设置中保存的启动顺序搜寻软硬盘驱动器及CD-ROM、网络服务器等有效地启动驱动器，读入操作系统引导记录，然后将系统控制权交给引导记录，并由引导记录来完成系统的顺利启动。第五十一页，共六十四页。BIOS设置程序的菜单操作说明开机出现电脑商家图标时，按住F2键进入BIOS界面。大多数电脑是按住F2键，有部分电脑品牌按F1或是其他。2023/2/8第五十二页，共六十四页。主菜单（1）StandardCMOSFeatures（标准CMOS特征）（2）AdvancedBIOSFeatures（高级BIOS特征）（3）AdvancedChipsetFeatures（高级芯片组特征）2023/2/8第五十三页，共六十四页。（4）IntegratedPeripherals（整合周边）（5）PowerManagementSetup（电源管理设定）（6）PNP/PCIConfigurations（PNP/PCI配置）（7）PCHealthStatus（PC当前状态）（8）Frequency/VoltageControl（频率/电压控制）2023/2/8第五十四页，共六十四页。20