第1讲 计算机组成原理

第2章计算机组成原理

主讲教师：刘建华

引言信息的基本单位

——比特(bit)

计算机的组成与分类

22.1

什么是比特?

比特（bit,binarydigit的缩写）中文翻译为“二进

位数字”、“二进位”或简称为“位”

■比特只有2种取值：0,1

■比特是组成数字信息的最小单位

■数值、文字、符号、图像、声音、命令……都可以

使用比特来表示，其具体的表示方法就称为“编码”

或“代码”

计算机的组成与分类

32.1

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像

42.17T耳机的组成与分类

比特在计算机中如何表示?

■在计算机中表示二进位的方法：

■电路的高电平状态或低电平状态(CPU)

电容的充电状态或放电状态(RAM)

■两种不同的磁化状态(磁盘)

光盘面上的凹凸状态(光盘)

计算机的组成与分类

52.1

例1：CPU内部二进位信息的表示

CPU内部通常使用高电平表示1,低电平表示o

例2：磁盘存储器中比特的表示

■磁盘表面微小区域中，磁性材料粒子的两种不同的

磁化状态分别表示。和1

磁性材料粒子

计算机的组成与分类

72.1

存储容量的计量单位

■8个比特=1个字节（byte,用大写B表示）

■计算机内存储器容量的计量单位：

KB:1KB=21°字节=1024B（千字节）

MB:1MB=22。字节=1024KB（兆字节）

GB:1GB=23。字节=1024MB（吉字节、千兆字节）

TB:1TB=24。字节=1024GB（太字节、兆兆字节）

■外存储器容量经常使用10的哥次来计算：

1MB=1O3KB=1000KB

1GB=1O6KB=1000000KB

1TB=109KB=1000000000KB

计算机的组成与分类

82.1

2.1计算机的组成与分类

计算机的组成与分类

92.1

2.1.1计算机的发展与作用

计算机的组成与分类

102.1

什么是计算机?

计算机是一种工具

■不是交通运输工具

■不是机械加工工具

不是・・・工具

计算机是一种信息处理工具

2.1计算机的组成与分类

11

对计算机的简单描述

计算机（电脑）是一种能够接收信息，并按照存储在

其内部的程序（程序表达了某种规则）对输入信息

进行处理，并产生输出结果的高度自动化的数字电

子设备。

输入信息计算机输出信息

122.1计算机的组成与分类

计算机有哪些特性？

■计算机的特性：

(1)速度快

(2)存储容量大

(3)通用性好

.不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进

行处理

・不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算

-不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能

(4)计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力

计算机的组成与分类

132.1

计算机的发展

世界上的第一台电子计算机

1946年2月，世界上第一台电子计

算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学

问世。

它的出现，开创了一个计算机时

代，引发了一场由工业化社会发展到

信息化社会的新技术产业革命浪潮，

从此揭开了人类历史发展的新纪元。

142.1计算机的组成与分类

第1台数字电子计算机

1946年ENIAC计算机公布

ENIAC（电子数字积分机与计算机）：

研制单位：美国宾夕法尼亚大学

•用途：军事计算

•运算速度：5000次/秒

体积价格：170平方米，30吨，140千瓦，40万美元

152.1计算机的组成与分类

计算机的分代（按使用的元器件）

♦第一代（约1946-1957）电子管计算机

•速度：几十~几万次/秒

•内存：磁鼓，千字

美国于20世纪50年代生产的

•外设：磁带IBM704型采用电子管的第一代

电子计算机

第•代电子计算机中使用的磁•机器语言或汇编语言编程

鼓存储器

♦第二代（约1957-1964）晶体管计算机

•速度：几十万次/秒，

•内存：磁芯，十万字

•外设：磁盘

•高级语言编程电子管晶体管

162.1计算机的组成与分类

计算机的分代（按使用的元器件）

•第三代（约1965-1973）中小规模集成电路（SSI,MSI）计算机

速度：几十万次〜几百万次/秒

内存：半导体存储器

高级语言，OS,DBMS

・第四代（1974年起）大规模（LSD和VLSI计算机

速度：几百万次~亿次/秒

内存：半导体存储器

软件工程，分布式处理等

172.1计算机的组成与分类

2.1.2计算机的组成

计算机的组成与分类

182.1

计算机是一个复杂系统

计算机的组成与分类

192.1

计算机硬件的逻辑结构1

经典计算机的逻辑结构（冯・诺依曼计算机）

存储器

（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）

计算机的组成与分类

202.1

冯•诺依曼

(Johnvoneumann)

美籍匈牙利科学家，

现代计算机之父，率

先奠定了现代计算机

的基本结构。

计算机的组成与分类

212.1

计算机硬件的逻辑结构2

现代计算机的逻辑结构

一中央处理器

'tr（运算器及其控制）

总线(bus)

控制器

%夕;存储器接口

与经典计算机结构相比的3个变化:

集中控制一分散控制

存储器一内存储器+外存储器

通过CPU通信一通过总线进行通信

计算机的组成与分类

222.1

(1)输入设备

■输入(input)的双重含义：

1.把信息送入计算机的过程；2.向计算机输入的内容

■输入设备(inputdevices)

■功能：用来向计算机输入信息

■输入设备有多种，例如：

键盘——输入文字、符号和命令

鼠标器一一输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令

-扫描仪一一输入图片

-麦克风——输入声音

输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中

的信息都使用二进位来表示

计算机的组成与分类

232.1

(2)中央处理器(运算控制器)

什么是处理器(processor)?

■能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑

运算和数据传送等操作的部件，特点是：

-由数字电路组成，结构非常复杂

■所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几

个平方厘米)，称为“微处理器"(microprocessor)

Intel4004chipIntel8080chip

计算机的组成与分类

242.1

什么是中央处理器(CPU)?

■计算机中通常有多个不同的处理器，各有不同的分

工和任务

■用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU,

CPU是计算机必不可少的核心组成部件

■多数个人计算机只有1个CPU,但有一些计算机包

含有2个、4个、8个甚至成百上千个CPU

■问题：

除了CPU之外，计算机中还有哪些处理器？

计算机的组成与分类

252.1

00000

00001

00010,存储内容

00011

（3）存储器00100

地址，

■功能：

储存以二进位形式表示的程序和考攵据

11110

分类：内存储器/外存储器11111

内存储器外存储器

（简称内存或主存）（简称外存或辅存）

存取速度很快较慢

存储容量较小（因单位成本较高）很大（因单位成本较低）

性质断电后信息消失断电后信息保持

用途存放已经启动运行的程序长期存放计算机系统中几乎所

和需要立即处理的数据有的信息

与CPU关CPU所处理的指令及数程序及相关数据必须先送入内

系据直接从内存中取出存后才能被CPU使用

计算机的组成与分类

262.1

(4)输出设备

■输出(output)的双重含义：

1.把信息送出计算机的过程；2.从计算机输出的内容

输出设备(outputdevices)

■功能：从计算机输出信息

输出设备有多种，例如：

・显示器——输出文字、符号和图形

■打印机——打印文字、符号和图形

■扬声器---输出声音

(多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可

感知的形式(文字、符号、图形、声音等)

计算机的组成与分类

272.1

(5)总线(bus)

■功能：

■用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们

之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路

■分类：

■CPU总线（或前端总线）：用于连接CPU和内存的

总线

I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线

计算机的组成与分类

282.1

2.1.3计算机的分类

计算机的组成与分类

292.1

计算机的分类(1)

按内部逻辑结构分类

8位/16位/32位/64位

单CPU/多CPU

按性能和价格分类

巨型计算机(supercomputer)、

大型计算机A作为服务器曙光4。。快巨型计算机

小型计算机-(server)使用

个人计算机(personal

computer)

・笔记本PC｝独立使用或作为

・台式PC客户机(client)使用

工作站(workstation)

计算机的组成与分类

302.1

计算机的分类（2）

按计算机服务的对象和作用划分:

-

类服务应用分类或应用

型上要特点软件特点

对象性质举例

个

人

直接为通用性能/价格比高工作站种类多，功

算

计

用户服多媒体性能好台式机能丰富，用

机

务有通用性和可扩展性笔记本户可自行装

卸

服务为其它半通吞吐率(throughput)高数据库服务器实时处理和并

器计算机用可用性(availabi1ity)好Web服务器发工作能力强，

可靠性和安全

有可扩展性(scalabi1ity)打印服务器

（企业级,部门级••）性好

嵌入为其它专用价格便宜手机功能专用、单

式计设备服功耗低数码相机一、结构紧凑,

固化在芯片中，

算机务实时（realtime）处理MP3播放器

不易修改和扩

软件固化，扩展性差•••

充

计算机的组成与分类

312.1

2.1.4微处理器

和嵌入式计算机

计算机的组成与分类

322.1

什么是微处理器?

微处理器（HP）是使用单片大规模集成电路制成的、

具有运算和控制功能的电子部件，例如：

Intel4004Intel8086Intel奔腾4Intel酷睿2

HP是各种类型计算机的核心组成部分

用于执行系统软件和应用软件的PP称为“CPU”

■目前几乎所有计算机的CPU使用的都是微处理器

除了用作CPU的通用微处理器之外，还有许多专用的微

处理器产品：绘图处理器、通信处理器等

计算机的组成与分类

332.1

微处理器的发展非常迅速

处理器高能奔

400480808086802868038680486奔腾奔腾II奔腾奔腾4

主要参数腾Ill

197119741993〜11995〜11997〜1999〜2000〜

推出时间（年）1978198219851989

996997199820032006

0.108216〜33〜60〜150〜233〜450〜1500〜

主频（MHz）4.776-20

3310020020033314003800

前端总线频16〜25或100或400,533或

0.10824.776〜2050或666666

率（MHz）3333133800,1066

外部数据线4864

1616323264646464

数目

地址线数目1016202432323236363636

存储空间大640B64K64GB

1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB

小B

晶体管数目0.230.454200

2.913.427.5120310550750950

（万）

制造工艺1061.5-1.1.0-0.0.8-0・6〜0.35-0.25-0.13-

>21.5

Rm）080.350.350.250.130.065

芯片引脚数1640