3 计算机的组成与工作原理

计算机的硬件组成与工作原理《计算机导论》3计算机的组成与工作原理计算机硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机系统的物质基础计算机软件系统是指为使计算机运行和工作而编制的程序和全部文档的总和1/1803计算机的组成与工作原理裸机操作系统应用软件语言处理程序、支持软件和数据库管理系统用户软、硬件关系示意图2/1803.1计算机的工作原理现代计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制冯·诺伊曼原理是美籍匈牙利数学家冯·诺伊曼于1946年提出的，其主要思想是：计算机硬件由5个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备在计算机内采用二进制的编码方式程序和数据一样，都存放在存储器中(即存储程序)计算机按照程序中指令的逻辑顺序逐条取指令、分析指令、执行指令。自动完成程序所描述的数据处理。(即程序控制)3/1803.1计算机的工作原理冯·诺伊曼原理4/180实线：数据和程序虚线：控制命令3.1计算机的工作原理冯·诺伊曼计算机的基本特点如下：程序和数据在同一个存储器中存储，二者没有区别，指令与数据一样可以送到运算器中进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的存储器采用按地址访问的线性结构，每个单元的大小是一定的通过执行指令直接发出控制信号控制计算机操作。指令在存储器中按顺序存放，由指令计算器指明将要执行的指令在存储器中的地址。指令计算器一般按顺序递增，但执行顺序也可以随外界条件的变化而改变计算过程以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。各部分操作及其联系由控制器集中控制5/1803.2计算机的指令系统指令，是指挥计算机进行基本操作的命令，是计算机能够识别的一组二进制编码通常一条指令由两部分组成：第一部分指出应该进行什么样的操作，称为操作码第二部分指出参与操作的数据本身或该数据在内存中的地址程序是能够完成某一任务的指令的有序集合。计算机所能执行的全部指令的集合称为计算机的指令系统。指令系统内核是硬件：当一台计算机的指令系统确定之后，硬件设计师根据指令系统的约束条件构造硬件结构，在硬件的平台上，指令系统的功能得以实现；而软件设计师在指令系统的基础上建立程序系统，以充分发挥机器的功能6/1803.2计算机的指令系统按复杂度复杂指令集计算机CISC(ComplexInstructionSetComputer)精简指令集计算机RISC(ReduceInstructionSetComputer)7/1803.2计算机的指令系统CISC:“复杂指令系统计算机”为了软件编程方便和提高程序的运行速度，硬件工程师采用的办法是不断增加可实现复杂功能的指令和多种灵活的编址方式为实现复杂操作，微处理器除向程序员提供类似各种寄存器和机器指令功能外。还通过存于只读存贮器(ROM)中的微程序来实现其极强的功能，微处理在分析每一条指令之后执行一系列初级指令运算来完成所需的功能，这种设计的型式被称为“复杂指令系统计算机”(ComplexInstructionSetComputer-CISC)一般CISC计算机所含的指令数目至少300条以上，有的甚至超过500条。8/1803.2计算机的指令系统CISC:“复杂指令系统计算机”日趋庞大的指令系统加长了新机器的研制周期,增大了机器调试和维护的难度,从而降低了系统性能指令系统庞大，指令功能复杂，指令格式、寻址方式多；执行速度慢；难以优化编译，编译程序复杂；80%的指令在20%的运行时间使用；无法并行；无法兼容；CISC强调完善的中断控制，势必导致动作繁多，设计复杂，研制周期长；CISC给芯片设计带来很多困难，使芯片种类增多，出错几率增大，成本提高而成品率降低9/1803.2计算机的指令系统RISC:“精简指令系统计算机”一种指令长度较短的计算机，其运行速度比CISC要快RISC的指令系统相对简单，它只要求硬件执行很有限且最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少,以简化指令的存取,缩短指令译码和执行的时间采用流水线技术,以增加指令执行的并行度,提高指令的执行速度。并通过增加内部寄存器数量来减少存取数据的次数目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU10/1803.3微型计算机的硬件组成主板主板是微型计算机的主体主板上布满了各种电子元件、插槽、接口等为CPU、内存和各种功能卡(声、图、通信、网络、TV、SCSI等)提供安装插座(槽)；为各种存储设备、I/O设备、多媒体和通信设备提供接口11/1803.3微型计算机的硬件组成主板芯片组(Chipset)是主板的灵魂，决定了主板的性能和价格。北桥芯片提供对CPU的类别和主频、内存的类型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC纠错等支持南桥芯片则提供对KBC(键盘控制器)、RTC(实时时钟控制器)、USB(通用串行总线)、ACPI(高级能源管理)等的支持北桥芯片起着主导性的作用，也称为主桥(HostBridge)。(a)北桥芯片(b)南桥芯片12/1803.3微型计算机的硬件组成中央处理器中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)，又称微处理器，是计算机系统的核心。CPU的主要功能是按照程序给出的指令序列分析指令、执行指令，完成对数据的加工处理。计算机所发生的全部动作都受CPU的控制(a)第1代Intel处理器4004(b)Intel486(c)Core2Duo13/1803.3微型计算机的硬件组成中央处理器包括运算器和控制器两个部件控制器用来协调和指挥整个计算机系统的操作，本身不具有运算功能，而是通过读取各种指令，并对其进行翻译、分析，然后对各部件作出相应的控制。主要由指令寄存器、译码器、程序计算器、时序电路等组成。运算器主要完成算术运算和逻辑运算，是对信息加工和处理的部件，它主要由算术逻辑部件和寄存器组成。14/1803.3微型计算机的硬件组成中央处理器衡量CPU的性能有以下几个主要指标：主频（GHz）CPU时钟的频率。主频越高，CPU单位时间内完成的操作越多主频的倒数是CPU时钟周期。对于同一型号的计算机，其主频越高，完成指令的一个执行步骤所用的时间越短，执行指令的速度越快。MIPS（MillionInstructionPeerSecond）：即每秒执行多少百万条指令MFLOPS（MegaFloating-pointOperationPerSecond）：即每秒执行多少百万次浮点运算15/1803.3微型计算机的硬件组成中央处理器衡量CPU的性能有以下几个主要指标：内部数据总线CPU内部数据传输的通道。内部数据总线一次可传输二进制数据的位数越大，CPU传输和处理数据的能力越强外部数据总线CPU与外部数据传输的通道。外部数据总线一次可传输二进制数据的位数越大，CPU和外部交换数据的能力越强地址总线CPU访问内存时的数据传输通道。地址总线一次可传输二进制数据的位数越大，CPU的物理地址空间越大16/1803.3微型计算机的硬件组成存储器存储器是计算机的记忆和存储部件，用来存放信息对存储器而言，容量越大，存取速度越快越好通常至少有两级存储器：一个是包含在计算机中的内存储器，它直接和运算器、控制器联系，容量小，但存取速度快，用于存放那些急需处理的数据或正在运行的程序另一个是外存储器，它间接和运算器、控制器联系，存取速度慢，但存取容量大，价格低廉，用来存放暂时不用的数据17/1803.3微型计算机的硬件组成存储器内存储器又称为主存储器，实质上是一组或多组具备数据输入输出和存储功能的集成电路主要作用是用来存放计算机系统执行时所需要的数据，存放各种输入、输出数据和中间计算结果，以及与外部存储器交换信息时作为缓冲内存储器存取速度较快，由于价格上的原因，一般容量较小内存储器的主要技术指标存储器容量读写时间18/1803.3微型计算机的硬件组成存储器——内存储器存储器容量位：二进制中的0或1。字节：存储器的基本存储单位，8个二进制位组成一个字节存储器容量：是指最多可存放的二进制数据的总和。计量单位：KB、MB、GB、TB。1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB1个字节(Byte)01234567位(bit)19/1803.3微型计算机的硬件组成存储器——内存储器内存的分类只读存储器ROM随机存取存储器(RAM)高速缓冲存储器20/1803.3微型计算机的硬件组成存储器——内存储器内存的分类只读存储器ROM存储在ROM中的数据理论上是永久的，即使在关机后保存在ROM中的数据也不会丢失ROM中常用于存储微型机的重要信息，如主板上的BIOS等21/1803.3微型计算机的硬件组成存储器——内存储器内存的分类随机存取存储器(RAM)RAM主要用来存放系统中正在运行的程序、数据和中间结果，以及用于与外部设备的信息交换它的存储单元根据需要可以读出、也可以写入，但它只能用于暂时存放信息，一旦关闭电源或发生断电，其中的数据就会丢失分为动态随机存储器（DRAM）和静态随机存储器（SRAM）22/1803.3微型计算机的硬件组成存储器——内存储器ROM23/180RAM3.3微型计算机的硬件组成存储器——内存储器内存的分类高速缓冲存储器高速缓冲存储器是位于CPU和主内存DRAM之间的规模较小但速度很高的存储器，简称Cache，通常由SRAM组成是为了解决CPU和主存之间速度匹配问题而设置的。把在一段时间内一定地址范围被频繁访问的信息集合，成批地从主存中读到一个能高速存取的小容量存储器中存放起来，供程序在这段时间内随时采用，而减少或不再去访问速度较慢的主存，就可以加快程序的运行速度CPU一般设有一级缓存(L1Cache)和二级缓存(L2Cache)24/1803.3微型计算机的硬件组成存储器——内存储器内存的分类高速缓冲存储器CPU与存储器关系示意图25/1803.3微型计算机的硬件组成存储器——外存储器硬盘硬盘(HardDisk)由一组大小相同、涂有磁性材料的铝合金或玻璃片环绕一个共同的轴心组成通常，硬盘盘片和驱动装置合为一体，盘片完全密封在驱动器内，不可更换每个磁盘的表面都装有一个读写磁头，在控制器的统一控制下沿着磁盘表面径向同步移动26/1803.3微型计算机的硬件组成存储器——外存储器硬盘硬盘是由磁道(Tracks)、扇区(Sectors)、柱面(Cylinders)和磁头(Heads)组成的。硬盘的性能指标：①硬盘容量②硬盘转速③平均寻道时间④高速缓存⑤硬盘接口类型27/1803.3微型计算机的硬件组成存储器——外存储器光盘光盘系统包括光盘盘片和光盘驱动器光盘盘片由聚碳酸酯注塑而成，表面有大量凸凹，用来存储数据信息；光盘驱动器通过激光束照射到带凹坑的光盘上反射光的强弱不同来读取光盘数据光盘

光盘驱动器28/1803.3微型计算机的硬件组成存储器——外存储器可移动磁盘U盘采用闪存(FlashMemory)作为存储介质，可反复存取数据，使用时只要插入计算机中的USB插口即可移动硬盘是通过一个转接电路把2.5或3.5英寸的硬盘连接到USB接口上，具有容量大、便于携带的优点，适合大量数据的移动存储或备份(a)U盘(b)移动硬盘29/1803.3微型计算机的硬件组成输入/输出设备输入设备输入设备用于将系统文件、用户程序及文档、计算机运行程序所需的数据等信息输入到计算机的存储设备中以备使用常见的输入设备有键盘、鼠标、光笔、扫描仪、数码相机等30/1803.3微型计算机的硬件组成输入/输出设备输出设备输出设备是将计算机内部以二进制代码形式表示的信息转换为用户所需要并能识别的形式，如十进制数字、文字、符号、图形、图像、声音，或者其他系统所能接受的信息形式输出主要的输出系统是显示器、打印机和绘图仪31/1803.3微型计算机的硬件组成输入/输出设备输出设备显示器系统显示器系统是由显示器和图形适配器(Graphicsadapter，也称为图形卡或显卡)组成