大学计算机信息技术教程 第2章 计算机硬件

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第2章计算机组成原理

2.1计算机的组成与分类

2.2CPU的结构与原理

2.3PC主机的组成

2.4常用输入设备

2.5常用输出设备

2.6外存储器

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2.1计算机的组成与分类

2.1.1计算机的发展与作用

2.1.2计算机的逻辑组成

2.1.3计算机的分类

2

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第1畲数生电子计算机

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

3

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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

机器语言或汇编语言编程

第一代电子计算机中使用的磁

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

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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(LSI)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

・新一代计算机着眼于计算机的智能化。

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第1〜4代计算机的对比

代别什:代使用的元器件使用的软件类型主要应用领域

20世纪40年代中CPU：电子管使用机器语言和汇

第1代科学和工程计算

期〜50年代末期内存：磁鼓编语言编写程序

20世纪50年代中、

CPU：晶体管使用FORTRAN等高开始广泛应用于

第2代后期〜60年代中

内存：磁芯级程序设计语言数据处理领域

期

在科学计算、数

CPU：SSLMSI操作系统、数据库

20世纪60年代中据处理、工业控

第3代内存：SSLMSI的管理系统等开始使

期〜70年代初期制等领域得到广

半导体存储器用

泛应用

软件开发工具和平

CPU：LSI、VLSI深入到各行各业，

20世纪70年代中台、分布式计算、

第4代内存：LSI、VLSI家庭和个人开始

期以来网络软件等开始广

的半导体存储器使用计算机

泛使用

6

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2.1.1计算机的发展与作用

计算机的巨大作用：

•开拓了人类认识自然、改造自然的新资源

•增添人类发展科学技术的新手段

•提供了人类创造文化的新工具

•引起人类的工作与生活方式的变化

社会问题及潜在危机：

■隐私威胁

•信息诈骗

•电子垃圾

•青少年网络引导

7

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2.1计算机的组成与分类

2.1.1计算机的发展与作用

2.1.2计算机的逻辑组成

2.1.3计算机的分类

8

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计算机是一个复杂系统

■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

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算机硬件的逻辑结杓1

•经典计算机的逻辑结构（冯•诺依曼计算机）

（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）

10

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计算机硬件的逻辑结构2

•现代计算机的逻辑结构

memor

内存储器/

控制器

nn

-控制器

I/O接口卷

-I输出/备

•与经典计算机结构相比的3个变化:

-集中控制一分散控制e

-存储器-内存储器+外存储器

-通过CPU通信T通过总线进行通信

112.1计算机的组成与分类

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2.1.2计算机的逻辑组成

,输入设备

・中央处理器（CPU）

・内存储器和外存储器

•输出设备

•总线与I/。接口

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⑴输入设备7

•输入(input)的双重含义：

L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

-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

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Y2)^央处理器(运算控耐^

•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”

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什么是史央处理器(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？

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NANJINGNORMALUNIVERSITY00000

0000101101001

00010存储内容

00011

(3)内存储器和外存储器100100

地址《

*功能：

-储存以二进位形式表示的程序和数据

­分类：内存储器/外存储器11110

111111

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（因单位成本较局）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和长期存放计算机系统中几乎所有的

需要立即处理的数据信息

与CPU关CPU所处理的指令及数据直程序及相关数据必须先送入内存

系接从内存中取出后才能被CPU使用

16

•输出(output)的双重含义：

L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)

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⑸总线与I/O接口

•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

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2.1计算机的组成与分类

2.1.1计算机的发展与作用

2.1.2计算机的逻辑组成

2.1.3计算机的分类

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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);作为服务器

-大型计算机.(server)使用

-小型计算机

—个人计算机(personalcomputer)

•笔记本PC｝独立使用或作为

•台式PCJ客户机(client)使用

-嵌入式计算机

SamsungQ1

20

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巨型计算机（Supercomputer）

•也称超级计算机，有极强的运算处理能力，速度达到每秒运算数万、

数十万亿次以上

•采用大规模并行处理的结构，由数以百计、千计、万计的CPU共同完

成系统软件和应用软件运行任务

•大多使用在军事、科研、气象预报、石油勘探、飞机设计模拟、生物

信息处理、破解密码等领域

•国际上：

-美国IBM公司的Gene/L系统，运算速度为280.6万亿次/秒

-美国Cray公司XT4巨型计算机（3万处理器）250万亿次/秒

-日本NEC公司的“地球模拟器”

•我国：

-江南计算技术研究所；“神威”巨型机

-中科院计算所（曙光计算机公司）：“曙光”巨型计算机

-国防科技大学：“银河”巨型机、“天河一号”千万亿次/秒

-联想集团公司：“深腾”巨型机

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关于“个人计算机”

Sony一体机iMac一体机

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个人计算设备走向多元化

eBook（电子书）

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Apple的iPad平板电脑

9.7-inch液晶显示器，带多点触摸功能,

分辨率:1024x768

^hcKmiUoricji

a松

.—・

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平板电脑的趋势

Gartner报告指出，2010年全球总共卖出了1760万台平板电脑，其中主要是

苹果的iPad,销售价格平均为每台543美元。

Gartner预测,2011年全球平板电脑销售数量将达到6950万台,平均售价则

为423美元。

Gartner表示，平板电脑平均售价将持续走跌，在2013年达到300美元，2015

年则降到263美元，届时卖出的数量将达到2亿9500万台。

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计算机的分类（2）

・按计算机服务的对象和作用划分:

类型服务对应用主要特点分类或软件特点

象性质应用举例

个人直接为通用性能/价格比高工作站种类多，功

计算用户服多媒体性能好台式机

机能丰富，用

务有通用性和可扩展性笔记本户可自行装

卸

其

它

为半通吞吐率(throughput)高数据库服务器实时处理和并

机

计

服务算

用Web服务器发工作能力强

器眼可用性(availabi1ity)

务

好有可扩展性打印服务器可靠性和安全

（企业级，部门级・•）性好

(scalabi1ity)

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

算机

实时（realtime）处理MP3播放器凑，固化在

软件固化，扩展性差•••芯片中

262.1计算机的组成与分类

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关于“服务器”

•服务器的英文名是“server"，指的是在计算机网络中专门用于为其他计算机

提供服务和资源（数据、存储空间、处理能力、软件等）的一类计算机

•原理上任何计算机都可以作为服务器使用

-巨型机和大型机可以作为企业级服务器

-专用的服务器可作为部门级服务器

-一般的PC也可以作为工作组服务器或打印服务器

•由于需要大量服务器，一些计算机厂家专门设计制造了称为“服务器”的一

类计算机产品，取代了传统的小型计算机。其特点是：

-存储容量大，存取速度快，网络通信功能强，可靠性好

27

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嵌入式计算机

•把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电

路全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称

为“单片计算机”或“嵌入式计算机”

•用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置

•例如

-数码相机、MP3播放器、手机、汽车、机顶盒等

•产品举例：

-全球市场份额最大的是英国ARM公司的ARM处理器，现在大部

分手机和平板电脑使用的都是采用ARM技术的微处理器(包括苹

果公司的iPad)

习题选讲

282.1计算机的组成与分类

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第2章计算机组成原理

2.1计算机的组成与分类

2.2CPU的结构与原理

2.3PC机的主机

2.4常用输入设备

2.5常用输出设备

2.6外存储器

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2.2CPU的结构与原理

2.2.1CPU的作用与组成

2.2.2指令与指令系统

2.2.3CPU的性能指标

30

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计算机的逻辑结构(冯•诺依曼)

(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。

31

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程序在计算机中的执行过程

•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

令

指

1程

1

指令

①任务启动时，执行序②CPU从内存中逐条

该任务的程序和数据

内读取该程序的指令及CPU

从外存成批传送到内指令箱夹於数据

存存逐条

令

+匕③CPU

n

日

外存储器1储执行指令d安

器指令要求完

数

数

⑤任务完成后，将处据1④将指令的送其处理最对薮据的

数

据

理得到的全部结果成2据结果送回内存保存运算和处理

〔

批传送到外存以长久“m

数

保存据

322.2CPU的结构与原理

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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

存储数据执行指令

和指令处理数据

332.2CPU的结构与原理

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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

EU的任务：取指令并完成指令所规定的操作

已经启动运存放待执行的

行的程序和存放待执行指令并进行译

指令的地址

指令地址

程指令1―1—

序指令2指令1

指令寄存器”

指令k

操作命令

I寄T

指令n

匚=1

内

存运J±L

数数据1操作数地址

存人

据数据2器处

储数据算

如

器数据m理

器

暂存等待处

潭的数趾完成规定的运算

342.2CPU的结构与原理

港^NNU•，¥）东用走大学

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2.2CPU的结怨原理

2.2.1CPU的结构

2.2.2指令与指令系统

2.2.3CPU的性能指标

35

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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

操作码操作数理址

指出CPU应执行何种操作的一

指出该指令所操作（处理）的

个命令词，例如加、减、乘、

数据或者数据所在位置

［除、取数、存数等

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

2.2CPU的结构与原理

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指令在计算机中的执行过程

指令执行周期

1.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2指令译码

1取指令

2.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

3执行指令

3.执行指令4修改指

3.1取操作数令计数器

3.2进行运算

问题：CPU的时钟频率（主频）

4.修改指令计数器，决定下与指令执行速度是什么关系？

一条指令的地址

372.2CPU的结构与原理

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关于Intel公司CPU的指令系统

•产品发展过程为：8088(8086)-80286-80386-80486-Pentium-Pentium

PRO^PentiumIIfPentiumIIIfPentium4一奔腾D一奔腾至尊f酷睿一

酷睿2-Corei3/i5/i7

•为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式”开发新的处理器，即所有新处

理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。例如：

-Pentium比80386增力口了的80多条浮点指令，

-PentiumH比Pentium增加了50多条处理多媒体信息的指令(MultimediaExtension,

称为MMX),

-PentiumIH比PentiumII增加了70条处理128位长操作数的流式单指令多数据指令

(StreamingSIMDExtention,SSE)

-Pentium4又比PentiumIII增力口了144条指令(称为SSE2)

-奔腾D、奔腾至尊、酷睿2等又增加了13条SSE3指令

-Corei5和Corei7又增力口了40多条SSE4指令

38

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关于CPU的兼容性

■不同公司生产不同的CPU产品，一般互不兼容：

-Intel公司：奔腾、赛扬、酷睿、灵动等»

互相兼容

-AMD公司：独龙、闪龙、炫龙等

-IBM公司：Power5>6、7等

A计算机的程序不能在B上

公司：处理器

-SUNUltraSPARC直接运行，B计算机的程

-HP公司：PA-RISC>Itanium处理器序也不能在A上直接运行

•同一公司同一系列的CPU具有向下兼容性：

-A计算机（使用新型号CPU）的程序不能在B计算机（使用老型号

CPU）上运行，B计算机的程序却能在A计算机上运行

39

蓝lNNU•，¥）京阡走大学

NANJINGNOR.'AALUNIVERSITY

2.2CPU的结构与原理

2.2.1CPU的结构

2.2.2指令和指令系统

2.2.3CPU的性能指标

40

窿^NNU•，¥）东用走大学叫秒用'•

・陕功NANJINGNORMALUNIVERSITY

如何衡量CPU的性能?

•计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢

•计算机性能由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡等，但通常CPU

是主要因素

•CPU的性能高低主要表现为CPU的速度，有两种衡量方法：

1.计算每秒钟可执行的指令数目（单位：MIPS、MFLOPS）

・巨型计算机：几十万亿〜几百万亿次基本运算/秒

•个人计算机：几千万〜几亿次基本运算/秒

（其中，基本运算指的是：四则运算和八，V等逻辑运算）

2.PC大多以常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等）的运行速度来测试

CPU的性能，例如：

•游戏性能测试程序:3DMark

•整体综合性能测试程序：PCMark

412.2CPU的结构与原理

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影响CPU性能的主要因素

体

系J•字长（位数）

I

结-指通用寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）

构■指令系统

逻-指令的类型、数目和功能等都会影响程序的执行速度

辑•逻辑结构

实Y-CPU包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采用的流水线结构和级

现数、指令分支预测的机制、执行部件的数目等

-内核数目

>•高速缓存（cache）的容量与结构

物•主频（CPU内部时钟频率）

理

<-指CPU芯片中电子线路（门、触发器）的工作频率，它决定着CPU芯

实

片内部数据传输与操作速度的快慢

现

•CPU总线速率

L-CPU总线（前端总线）传输速率：决定着CPU与内存之间传输数据的

速度快慢

42

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Y^1＞高CPU1能的措施

•扩展CPU的字长：32位一＞64位

•扩充CPU指令系统：SSE指令

•提高CPU主频：从1.5GHz—＞3GHz以上，目前最高

已经接近4GHz；

•加快CPU前端总线的数据传输速率

•增大cache存储器容量、增加cache的级数

•改进CPU内部的逻辑结构

-超标量结构（多个执行部件）

-指令流水线执行技术

-超线程技术

•采用多内核结构

43

偿'NNU•，¥)京阡走大学叫出用，

NANJINGNORrAALUNIVERSITY

Intel微处理器主要技术参数比较

处理器高能奔酷睿2酷睿2

8086802868038680486奔腾奔腾II奔腾m奔腾4

主要参数腾（双核）（四核）

1993〜11995-191997〜1999〜

推出时间（年）19781982198519892000〜2006〜2007〜

9969719982003

4.7716〜33〜60〜150〜450〜1500〜1800〜2400〜

主频(MHz)6-20233〜333

〜10331002002001400380031602830

400,533

前端总线频率4.7716〜800〜1066,

6〜2025或3350或666666100或133或800,

（MHz）〜103313331333

1066

外部数据线数目1616323264646464646464

地址线数目2024323232363636363636

0.25-6〜

L2cache容量无无无仅L1仅L10.25MB0.5MB0.5MB2〜6MB

2MB12MB

内核数目11111111124

29100〜

晶体管数目（万）2.913.427.5120310550750950420082000

41000

1.5-11・0〜0.0.8-0.6〜0.35-0.25-0.13-0.065,0.065,

制造工艺Qm）>21.5

.080.350.350.250.130.090.0450.045

273或

芯片引脚数目,4068132168387242370478或775775775

296

习题选讲

442.2CPU的结构与原理

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第2章计算机组成原理

2.1计算机的组成与分类

2.2CPU的结构与原理

2.3PC主机的组成

2.4常用输入设备

2.5常用输出设备

2.6外存储器

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2.3PC机的组成

2.3.1主板、芯片组与BIOS

2.3.2内存储器

2.3.3I/O总线与I/O接口

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台式PC机（立式）的主机箱

:D-ROM或

IVD-ROM

区动器

openbav

i口和

接口

主板CPU

472.3PC机的主机

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台式PC的物理组成

1台式PC）

主机〕仪询设备I

｛输入「设备:

键盘I

（鼠标器:

［麦克风:

—I输出设备I

I—4SMM

.内存条,——

,——借箱离机

—［外存储器）

—卜硬盘、软驱.

7盘、移动硬盘）

—［光盘驱动器，

482.3PC机的主机

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主，LL

外部设备插口（I/O接口）

OO□□口

PCI总线槽CPU插座

显示卡的

AGP插槽

ROMBIOS

_____W存储器插座

CMOS存储器南桥