计算机导论-计算机部件

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。CPU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。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。运算器计算机部件——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。运算器计算机部件——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然后，控制器开始下一个机器周期，直到执行停机指令。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，程序执行完毕程序的执行过程计算机部件——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