专题2-计算机组成原理（2021版）

计算思维导论大学计算机公共基础教学部内容安排第3章系统思维3.2计算机系统概述3.3计算机硬件系统3.4计算机软件系统3.5操作系统专题2计算机组成原理专题3计算机软件2计算机组成原理2.1

计算机系统的组成

2.2CPU的结构与原理（难点）2.3主板和内存（重难点）2.4辅助存储器补充阅读材料1、微处理器的发展与应用2、CPU常用术语解释3、智能手机4、无线接口——蓝牙和NFC5、显示卡和GPU2.1计算机系统的组成（1）计算机系统的组成

（2）经典计算机的逻辑结构（3）现代计算机的逻辑结构计算机系统计算机硬件计算机软件运算器控制器输入设备存储器输出设备系统软件应用软件操作系统数据库管理系统程序语言处理系统文字处理通信···娱乐计算机是一个复杂系统计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档计算机是一个复杂的系统复杂性：硬件由数以亿计的元器件组成，软件由数以亿计的指令组成多样性：硬件与光、机、电、声等有关，软件与数学、逻辑···等有关层次性：分层(hierarchical)结构模块化：每一层均由许多模块构成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）运算器和控制器输入设备输出设备存储器（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构，而不是实际的物理结构）中央处理器CPU(CentralProcessing

Unit)计算机硬件的逻辑结构2现代计算机的逻辑结构与经典计算机结构相比的3个变化：集中控制→分散控制存储器→内存储器＋辅助存储器通过CPU通信→通过总线进行通信中央处理器(运算器及其控制)辅助存储器内存储器输出设备总线(bus)输入设备I/O接口I/O接口辅存接口控制器控制器控制器CPU控制器memorystorageI/O设备通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连(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——输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令扫描仪——输入图片麦克风——输入声音条码、磁卡、IC卡等的扫描器/阅读器——输入文字符号输入设备的共性：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(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关于(微)处理器和中央处理器(CPU)现代计算机中一般包含有多个(微)处理器，它们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完成其它功能的处理器举例：显卡包含的绘图处理器GPU（用于加速图形绘制）声卡包含的DSP（用于数字声音信号的处理）注意，CPU和CPU芯片是两个概念：CPU是逻辑上的概念，强调的是它的功能CPU芯片是IC产品的概念，1个CPU芯片可包含1个、2个或更多个CPU(称为内核)，还可以包含cache，存储控制器，甚至GPU等需根据上下文进行区别存储器中央处理器存储数据和指令执行指令处理数据指令，数据处理结果CPU的任务CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作(3)存储器功能：储存以二进位形式表示的程序和数据分类：内存储器/辅助存储器内存储器(简称内存或主存)辅助存储器(俗称外存，简称辅存)存取速度很快相对较慢存储容量相对较小(因单位成本较高)

很大(因单位成本较低)

性质按字节编址和访问，断电后信息消失按数据块编址和访问，断电后信息保持用途存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据长期存放计算机系统中几乎所有的信息与CPU关系CPU所处理的指令及数据直接从内存中取出程序及相关数据必须先送入内存后才能被CPU使用·····011010011010101000001000000001000011001001111011111·······存储内容地址存储单元(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)(5)总线(bus)功能：用于连接CPU、内存、辅存（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和内存储器的总线I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线2.2CPU的结构与原理（1）

CPU的逻辑结构

（2）

指令冯·诺依曼计算机的结构与原理(1)计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令；(2)程序(指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；(3)存储器中存放的指令和数据按地址进行存取；(4)指令是由CPU一条一条顺序执行的。中央处理器运算器和控制器输入设备输出设备存储器“存储程序控制”原理将问题的解算步骤编制成为程序，程序连同它所处理的数据都用二进位表示并预先存放在存储器中程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据④将指令的运算处理结果送回内存保存⑤任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存外存储器内存储器CPU①任务启动时，执行该任务的程序和数据从外存成批传送到内存指令1指令2指令k指令n程序数据1数据2数据m数据③CPU逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理存储器中央处理器存储数据和指令执行指令处理数据指令，数据处理结果CPU的任务CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作指令是什么？指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组成：操作码操作数指出CPU应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除、取数、存数等指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在内存的地址举例:100206把02存储单元和06存储单元中的内容相加，和数保存在02单元CPU的结构和任务CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作寄存器组运算器中央处理器指令计数器指令寄存器控制器数据程序指令1指令2指令k指令n数据1数据2数据m数据内存储器指令

指令地址

操作数地址存放待执行指令的地址已经启动运行的程序和数据存放待执行的指令并进行译码完成规定的运算暂存等待处理的数据操作命令指令在计算机中的执行过程取指令：CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里执行指令3.1取操作数3.2进行运算修改指令计数器，决定下一条指令的地址1取指令4修改指令计数器3执行指令2指令译码指令执行周期通常，每一步需要1个或几个时钟周期才能完成2.3主板和内存2.3.1

主板、芯片组与BIOS

2.3.2内存储器台式PC的物理组成台式机台式PC主机外部设备机箱、电源主板CPU内存条显示卡芯片组BIOSROMCMOSPCI插槽(I/O总线)网卡输入设备外存储器键盘鼠标器麦克风摄像头输出设备U盘、移动硬盘显示器打印机音箱/耳机声卡插头和插座(I/O接口)硬盘、软驱光盘驱动器1音箱5CPU2调制解调器6键盘3麦克风7鼠标器4内存条8CD驱动器9软驱10硬盘驱动器11打印机12I/O接口13CRT显示器14扩展卡主板2.3.1

主板、芯片组与BIOS台式PC机(立式)的主机箱扩展空间(1)主板主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件ROMBIOS：存放最基础的软件——基本输入/输出系统(BIOS)CMOS存储器：存放硬件配置信息和系统基本参数（日期、时间、口令等）内存条插座处理器

USB、VGA、HDMI

等I/O接口光驱及硬盘连接器电源连接器扩充卡插座(PCI)CPU插座芯片组

BIOSCMOS存储器扩充卡插座(PCI-Ex1)显示卡插座(PCI-Ex16)例：华硕P8B75-VCorei7/i5/i3独立显卡PCI插槽(3个)最大容量32GB(5个)PCI-Ex1插槽(2个)音频端口PS/2接口(4个)安装了CPU和内存条的主板(2)芯片组的作用芯片组是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽北桥芯片：1.存储器控制功能；2.连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽南桥芯片：1.多种I/O设备的控制功能；2.I/O总线(PCI总线)功能；3.提供了各种I/O接口CPU芯片CPU前端总线北桥MCH图形卡接口双通道南桥ICH5USB2.0接口(x8)以太网接口PCI插槽(≤6个)ROMBIOS硬盘接口(x2)音频CodecSuperI/O键盘,鼠标,软驱,并口,串口等电话ModemDDR2电源管理、时钟生成DDR2存储器关于芯片组的一些说明芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU，就有什么样的芯片组与之配套由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能由于CPU芯片越来越复杂，功能越来强大（如Corei3/i5/i7），有些已将北桥芯片的存储器控制器和图形控制器功能集成在CPU芯片之中，因此主板上北桥芯片已经消失，只需一块南桥芯片即可。(3)BIOS什么是BIOS（BasicInput/OutputSystem）？“基本输入/输出系统”，存放在主板上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序（固件）功能：诊断计算机故障启动计算机工作在启动阶段控制基本外设的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等)BIOS芯片保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片BIOS芯片中包含的程序加电自检程序（POST）

(PowerOnSelfTest)用于检测计算机硬件故障系统自举程序（Boot）启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态CMOS设置程序设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等常用外部设备的驱动程序（Driver）在计算机启动阶段实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制2.3.2内存储器主存储器(RAM)的功能与原理主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令和数据特点：以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节（8个二进位）存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：MB或GB）存取时间：从CPU送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入主存）所需要的时间（单位：ns，1ns=10-9s）····· 0110100110101010存储内容00001000000001000011001001111011111·······存储单元地址地址码存储单元地址寄存器地址译码器地址线读写控制电路数据线控制线读/写的数据读/写控制信号

(64位)(36位)每个存储单元由8位二进制位组成。1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB字节BYTE76543210位Bit存储单元存储单元地址0000H0001H0002HFFFFH存储体结构图存储位存储单元（字节）存储体

内存储器的访问过程向[0001]单元写数据111011011100110110001101111011011110100111101101111011011110110111101101111011011110110111101101100011011100110110001101111011010000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111地址0001控制:写数据1000000010000000复习：内存与辅存的关系及比较内存储器(简称内存或主存)存取速度快，成本高、容量相对较小按字节编址和存取直接与CPU连接，CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作大多属于易失性存储器(volatile)，用于临时存放正在运行的程序和数据内存储器辅助存储器CPU指令1指令2指令k指令n程序数据1数据2数据m数据①任务启动时，执行该任务的程序和数据将从辅存成批传送到内存②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据④将指令的运算处理结果送回内存保存⑤任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到辅存以长久保存③逐条执行指令，按指令要求完成对数据的运算和处理辅助存储器(俗称外存，简称辅存)存取速度慢，成本低、容量很大按数据块编址和存取不与CPU直接连接，计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据必须先传送到内存，然后才能被CPU使用。属于非易失性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息半导体存储器的分类及应用半导体存储器有多种类型：半导体存储器非易失性存储器易失性存储器(RAM)静态随机存取存储器SRAM动态随机存取存储器DRAM

EEPROM闪速存储器（FlashMemory）（用作Cache存储器）

（用作主存储器）每个存储单元(cell)由6个晶体管组成只要加上电，信息就能一直保持对电器干扰相对不很敏感比DRAM更快，也更贵每个存储单元由1个电容和1个晶体管组成.每10-100ms必须刷新一次对电器干扰比较敏感比SRAM慢，但便宜可用于存储BIOS等固件用作辅存：U盘、固态硬盘NOR型NAND型速度较慢、容量不大，价格便宜，在低端产品中用得较多智能手机/平板电脑的辅助存储器：NAND型闪速存储器PC机主存储器的物理结构主存储器由1～4个内存条组成内存条的组成：把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用目前流行的是DDR3和DDR4内存条：均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面PC机主板中一般都配备有2个或4个内存条插槽

4个内存条插槽存储器与CPU速度差距愈来愈大DRAM,硬盘与CPU之间的速度差距愈来愈大：问题：由于CPU工作速度很快，内存速度比较慢（差1～2个数量级），从内存取数或向内存写数时，CPU往往需要等待解决方案——高速缓存(cache)cache是一种小容量高速缓冲存储器，它由SRAM组成cache直接制作在CPU芯片内，速度几乎与CPU一样快程序运行时，CPU使用的一部分数据/指令会预先成批复制在cache中，cache的内容是主存储器中部分内容的映象当CPU需要从内存读(写)数据或指令时，先检查cache中有没有，若有，就直接从cache中读取，而不用访问主存储器012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息复制在cache存储器中cache主存储器CPUCPU芯片小结：计算机存储器的层次结构cache存储器主存储器(RAM和ROM)辅助存储器（硬盘、光盘、闪速存储器）后备存储器（磁带库、光盘库）内存储器辅助存储器寄存器典型容量<1KB几个MB几个GB100GB-1TB10TB-100TB典型存取时间1ns2ns10ns10ms10s分析：速度越快，成本较高。为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作工作过程：1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器2）如需要从(向)存储器中取(存)数据时，先访问cache，如在，取自cache3）如操作数不在cache，则访问RAM，如在RAM中，则取自RAM4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出→RAM→cache2.4辅助存储器2.4.1硬盘存储器2.4.2U盘、存储卡和固态硬盘2.4.3光盘存储器PC机的辅助存储器硬盘存储器软盘驱动器光盘驱动器2.4.1硬盘存储器硬盘存储器概述功用：长期保存二进制信息（非易失性存储器）特点：可读可写，按块存取容量很大（当前台式PC：500GB~2000GB）可靠性高成本极低（当前：1~2GB/元）技术发展很快，容量将更大，成本会更低磁盘存储器的信息存储原理(1)磁头，用于写入和读出信息“0”“1”盘片旋转方向磁盘片磁性材料粒子的两种不同磁化方向，分别表示记录的是“0”还是“1”磁盘存储器的信息记录原理(2)写“1”写“0”电流方向磁头盘片旋转方向磁性材料粒子磁盘表面磁道扇区磁盘的磁道和扇区磁盘表面被分为许多同心圆，每个同心圆称为一个磁道。每个磁道都有一个编号，最外面的是0磁道每个磁道被划分为若干段（段又叫扇区），每个扇区的存储容量均为512字节。每个扇区都有一个编号注：所谓磁盘的格式化操作，就是在盘面上划分磁道和扇区，并在扇区中填写扇区号等信息的过程磁盘总容量＝磁面数×磁道数×扇区数×扇区字节数硬盘存储器的结构控制电路硬盘片接口柱面所有盘片上相同半径处的所有磁道构成一个“柱面”

磁头磁头浮在高速旋转的盘片上，它负责盘片上数据的写入或读出移动臂用来固定磁头并可带动磁头沿盘片径向高速移动，以便定位到指定的“柱面”

主轴带动盘片高速旋转柱面扇区磁道54硬盘的磁道、扇区、柱面硬盘总容量＝磁头数×磁道（柱面）数×扇区数×扇区字节数（512B）例如：某硬盘基本信息如下：磁头数16，柱面数512000，扇区数64，每扇区512字节，请计算该硬盘的存储容量。

选讲：信息的平均存取时间磁盘上的信息以扇区为单位进行读写，平均存取时间为：

T=寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间寻道时间——磁头寻找到指定磁道所需时间(大约5ms)旋转等待时间——指定扇区旋转到磁头下方所需要的时间(大约4～6ms)(转速：4200/5400/7200/10000rpm)数据传输时间——(大约0.01ms/扇区)磁头磁道旋转轴碟片硬盘存储器的性能指标（1）容量：以GB为单位，目前硬盘单碟容量约为几百个GB（2）平均存取时间：在几ms～几十ms之间，由硬盘的旋转速度、磁头寻道时间和数据传输速率所决定（3）缓存容量：原则上越大越好，通常为几MB～几十MB（4）数据传输速率外部传输速率指主机从（向）硬盘缓存读出（写入）数据的速度，与采用的接口类型有关内部传输速率指硬盘在盘片上读写数据的速度，转速越高内部传输速率越快

（5）与主机的接口：以前使用：并行ATA（ATA）接口当前流行：串行ATA（SATA）接口2.4.2U盘、存储卡

和固态硬盘闪速存储器（flashmemory）闪速存储器是半导体集成电路存储器，非易失性存储器优点：闪存没有机械运动部件，工作时无噪音，尺寸小、轻便，抗震性更好，能耐受高压高温不足之处：写入过程较复杂，写入速度慢于读出速度，写入次数有限制；性价比低于传统硬盘分类：NOR型闪存，可以按字节地址读出，用来存储需要运行而不要经常更新的程序代码，可作内存使用

NAND型闪存，比NOR型闪存的存储密度高、每个比特的成本也低，它具有较快的抹写速度，可抹除次数也高出NOR闪存十倍。但NAND闪存不能按字节随机读写，只能像硬盘那样以数据块为单位存取信息优盘采用NANDFlash存储器（闪存）芯片，体积小，重量轻容量按需要而定（几个GB～几百GB），具有写保护功能数据保存安全可靠，使用寿命长使用USB接口，即插即用，支持热插拔(必须先停止工作)读写速度比较快可以模拟光驱和硬盘启动操作系统固态硬盘（SSD）固态硬盘(SolidStateDisk、SolidStateDrive)是使用NAND型闪存做成的外存储器用途：在便携式计算机中代替传统的硬盘外形及与主机的接口和常规硬盘相同，如1.8英寸、2.5英寸或3.5英寸存储容量：64GB～128GB或更大优点：低功耗、无噪音、抗震动、低热量，读写速度也快于传统硬盘存在问题：成本：高于常规的硬盘寿命：Flash存储器都有一定的写入寿命、寿命到期后数据会读不出来且难以修复平板电脑/智能手机的辅助存储器多数平板电脑的辅助存储器既不是硬盘也不是SSD：iPad是将NAND型Flash芯片直接焊接在主板上作为外存储器，容量可以是16,32,64,或128GB；微软公司的平板电脑Surface使用的是microSDXC存储卡多数智能手机的外存储器是microSD存储卡，其接口控制有两种：eMMCUFS2.4.3光盘存储器