计算机科学导论计算机组成

1、第3讲计算机组成ComputerOrganizations,本讲内容,1冯诺依曼模型2计算机硬件3微型计算机程序执行其他体系结构,1冯诺依曼模型,计算机是一个接受输入数据，处理数据，产生输出数据的黑盒子。,冯诺依曼（美籍匈牙利数学家科学家，计算机之父）提出的冯诺依曼模型着眼于计算机的内部结构。,冯诺依曼模型,冯诺依曼模型,计算机的硬件组成包括：存储器，算术逻辑单元（ALU），控制单元和输入/输出设备。,存储器:存储数据和程序,算术逻辑单元（ALU）:进行算术逻辑运算,控制单元:控制程序的执行,输入/输出设备:接收来自外界数据/向外界发送数据,1945年6月冯诺依曼在一篇论文中第一次提出了计算机

2、三个主要思想：计算机由四大部件组成程序和数据存储程序和数据采用二进制数表示目前绝大多数计算机仍建立在这个思想的基础上，称之冯诺依曼型计算机。,硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。,2计算机硬件,运算器,控制器,主存储器,输入设备,输出设备,辅助存储器,CPU,控制,数据,地址或指令,主机,外设,存储器,计算机硬件组成,CPU包括三部分：算术逻辑单元(ALU)、控制单元和寄存器。,中央处理单元（CPU）,算术逻辑单元（ALU）,执行算术运算和逻辑运算。算术运算：包括加法、减法、乘法和除法等。逻辑运算：包括“

3、非”、“与”、“或”和“异或”等。控制单元负责选择这些运算中的一种。,数字电路/模拟电路,寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。CPU的运算需要多个寄存器常见的寄存器,寄存器,数据寄存器,指令寄存器,程序计数器,用来存放输入数据，运算中间结果和最终结果。,存放从内存中取出的指令，以便于稍后解释和执行它们。,存放当前指令的地址。当前指令执行完后，程序计数器自动加1，指向下一条指令的地址。,数据寄存器：用来存放输入数据，运算中间结果和最终结果。指令寄存器：存放从内存中取出的指令，以便于稍后解释和执行它们。程序计数器：存放当前指令的地址。当前指令执行完后，程序计数器自动加1，指向下一条指令的

4、地址。,控制单元是整个计算机的指挥中心，被称为计算机的大脑控制通过线路的开（高电平）或关（低电平）实现控制单元的基本功能：从主存中取出指令对指令译码，产生相应的操作控制信号指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间的数据流动,控制单元,主存储器是存储单元的集合每一个存储单元都有惟一的标识符地址数据以字（或字节）的形式在存储器中传入或传出,主存储器,每个存储单元存放一个字（或字节）。所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称为地址空间。存储地址用无符号二进制数表示。地址本身采用位模式。如果计算机有N个字的存储空间，则存储地址应当有log2N位。,地址空间,主存储器分为三种类型：随机存储器(RAM

5、)只读存储器(ROM)互补金属氧化物存储器(CMOS)主存储器RAMROMCMOS,主存储器的种类,RAM的特点：计算机中主存的主要组成部分。用户既可以读，又可以写。对所有存储单元的读写时间均相同。具有易失性。若断电或关掉计算机，全部存储的信息将会丢失。,随机存取存储器（RAM）,随机存储器（RAM）又分为两大类：静态RAM（SRAM）：利用触发器来存储信息，当通电的时候信息始终存在，不需要刷新。存取速度快，但容量较小，价格较高。动态RAM（DRAM）:利用电容上的电荷存储信息，电容上的电荷会泄漏，需要周期性的刷新。存取速度慢，但容量较大，价格较低。,RAM的容量、速度：衡量RAM容量的单位通

6、常用字节数表示。每1024个字节称为1K字节（210=1K），每1024K字节称为1M字节（220=1M），每1024M字节称为1G字节（230=1G）。RAM的速度是重要的指标，如果RAM的速度低于CPU的速度，则CPU访存时需要等待。,ROM中的内容是预先写进去的。用户只能读，不能写。ROM具有非易失性，断电或关掉计算机，存储在ROM的信息不会丢失。通常用来存储那些关机后不能丢失的程序和数据。例如开机时运行的引导程序。,只读存储器（ROM）,ROM四种类型：掩模式ROM（MROM）：内容由芯片制造商写入，写入后任何人无法改变。一次可编程（PROM）：用户可以借助专业设备一次写入自己的程序，

7、一旦写入后将无法改变。可擦除可编程ROM（EPROM）：用户可编程，但需要用紫外线灯擦除。电可擦除可编程ROM（EEPROM）：用户可编程，用电子脉冲擦除。,ROM常用来存放固定不变重复使用的程序、数据或信息，如存放汉字库、各种专用设备的控制程序等。最典型的是ROMBIOS（基本输入输出系统），其中部分内容是用于启动计算机的指令，内容固定但每次开机时都要执行。,CMOS芯片一般用来存储计算机系统每次开机时所需的重要信息，例如计算机贮存容量、键盘类型、鼠标、监视器以及磁盘驱动器的有关信息。它与RAM的区别在于，CMOS芯片通过锂电池提供电源，即关机后其存储的信息不会丢失。它与ROM的区别在于，其

8、内容随着计算机系统配置的改变或用户的设置而发生变化。,CMOS,主存储器,高速缓冲存储器,寄存器,速度,辅助存储器,容量,小,大,快,慢,存储器的层次结构,不同的存储器具有不同的存储容量、不同存取速度。,为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾，通常把各种不同存储容量、不同存取速度的存储器，按一定的体系结构组织起来，形成一个统一整体的存储系统。计算-传输-存储,高速缓冲存储器的存取速度比主存快，但比CPU内部的寄存器慢。高速缓冲存储器容量较小，常置于CPU和主存之间。,主存,高速缓冲存储器（Cache）,cache用来存放主存中一部分内容的副本（拷贝），即当前正在执行的程序中的活跃部分。CP

9、U可以直接访问cache，以便快速地向CPU提供指令和数据。当CPU需要程序和数据时，首先检索内部cache，然后检索外部cache，再往后是RAM。只有前者中找不到所需内容时才继续检索后者。,输入/输出子系统中的设备可以分为两大类：非存储设备和存储设备。,输入/输出,存储设备,非存储设备,输入设备,输出设备,磁介质存储设备,光存储设备,其他存储设备,非存储设备,输入设备,输出设备,键盘输入设备扫描仪音频输入设备视频输入设备其他,显示器打印机其他,键盘,输入设备,鼠标,游戏杆,触模屏,扫描仪,条码阅读器,语言输入设备,视频和图像输入设备,液晶显示器(LCD),阴极射线管(CRT)显示器,输出设

10、备,显示器,针式打印机,打印机,激光打印机,投影仪,存储设备,磁介质存储设备,光存储设备,硬磁盘软磁盘磁带,存储设备又称为辅助存储器。用来存放暂时不参与运行的程序和数据。CPU不能直接访问辅助存储器，需要时将信息先传送到主存。,辅助存储器,其他存储设备,硬盘是由一张一张的盘片叠加而成的，硬盘实际上是磁盘组。表面结构：每个盘面都被划分成磁道，每个磁道又被分成为若干扇区。数据存取：属于随机存取设备，最小存储区域只能是一个扇区。硬盘的容量大于内存和软盘。硬盘的存储速度低于内存，但高于软盘。,磁介质存储器,硬磁盘,硬盘驱动器,磁道：磁化区上闭合的圆环,扇区：一段磁道,簇：若干个扇区,圆柱面：在一个盘组

11、中，各记录面上相同编号（位置）的诸磁道的总称。,硬盘的主要技术指标有：容量：磁盘存储的信息总量。转速：磁盘的旋转速度。平均寻道时间：磁头移动到指定位置的时间。平均等待时间：等待被访问的记录区旋转到磁头下方所等待的时间。传送时间：数据从磁盘移到CPU/主存所需的时间，或反之所需的时间。数据传输率：接口的传输速度。接口标准：硬盘的接口可分为IDE和SCSI两种。传统微机和便携机采用标准的IDE接口，而工作站和服务器则多采用SCSI接口。两种接口在物理上不兼容。,硬磁盘,软磁盘,软盘是一种轻便、移动的存储媒体。软盘片是聚酯薄膜塑料圆片，封装在护套内。,磁带用两个卷轴承接起来，当磁带运动时，可以通过读

12、/写磁头来读写磁带上的数据。磁带是顺序访问的，用户要找一个文件，必须从磁带头开始。,磁带,利用激光技术来存储和读取数据。光存储设备有只读光盘(CD-ROM)、可刻录光盘(CD-R)、可重写光盘(CD-RW)、数字多功能光盘(DVD)。,光存储设备,CD-ROM的内容是由制造商写入的。用户不能删除，也不能写入。CD-ROM盘所需的费用是可调节的，尤其是大批量地生产，每个盘片的费用会很便宜的。CD-ROM驱动器被使用来读CD-ROM盘。CD-ROM驱动器有不同的速度，如单倍速，多倍速等。,只读光盘（CD-ROM）,CD-ROM的制造需要先使用高能红外激光来制作主盘。激光在主盘上形成一系列的坑和纹间

13、表面。然后依照主盘，作成相应的模盘。最后将溶解的聚碳酸酯树脂注入模盘中制成光盘。,只读光盘（CD-ROM）,CD-R制造时不需要主盘和模盘。CD-R盘上的坑和纹间表面是模拟出来的。CD-R是让用户自己制作的光盘。用户只需要一次写入信息，就可以多次读出信息。,可刻录光盘（CD-R）,CD-RW技术又称之为可擦写光盘技术。CD-RW光盘可以写入、擦除、重写。,可重写光盘（CD-RW）,DVD采用与CD类似的技术。两种盘尺寸相同。DVD盘的存储量远大于CD-ROM盘（如单层DVD盘的容量为4,700MB，而CD-ROM盘的容量仅为650MB）。DVD盘更适用于多媒体对存储大容量数据的需要。,数字多功

14、能光盘（DVD）,CPU与主存之间的连接,子系统间的连接,CPU和主存之间通常通过系统总线连接。系统总线包括三组线路：数据总线、地址总线和控制总线。,系统总线,数据总线：由双方向的多根信号线组成，CPU可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据。通常数据总线的位数取决于字的宽度。如果计算机的字长是32位，就需要32位宽度的数据总线，以便同一时刻能够同时传送32位的数据。地址总线：由单方向的多根信号线组成，用于CPU向主存、外设传输地址信息。地址总线的位数取决于存储空间的大小。如果存储容量为2n个字，那么地址总线需要n位。,系统总线,控制总线：传输的是控制信息，包括CP

15、U送出的控制命令和主存/外设反馈给CPU的状态信号。控制总线的位数取决于计算机所需要的控制命令的总数。如果计算机有2m条控制命令，那么控制总线需要m位。,输入输出设备不能直接与CPU和主存的总线相连。因为输入输出设备往往都是机电、磁性或光学设备，比CPU和主存的速度慢得多。必须要有“中介”来处理速度上的差异，这个中介被称为设备控制器或接口。,I/O设备的连接,设备控制器有两种串行控制器：只有一根数据线连接到设备上。并行控制器：数根数据线连接到设备上。,I/O设备的连接,串行接口,并行接口,硬件,微处理器主板（扩展槽，适配器，接口，总线）一组内存辅助存储器输入输出设备电源机箱,3.微型计算机,微

16、处理器,微处理器是微型计算机的最关键的部件，直接决定了计算机的性能。Intel公司的产品代表了微处理器技术的发展。,微处理器运算器+控制器大规模集成电路芯片Microprocessor（简称MPU）,微处理器是微型计算机的核心，它完成计算机所有的运算和控制工作。微处理器的性能指标决定了由它构成的微型计算机的性能指标。微处理器因其体积小而得名。,微处理器微型计算机？,微处理器不是微型计算机，因为它不能独立操作，必须与其它装置构成完整系统。,微处理器的主要技术指标,字长：字长决定了微处理器在每个时钟周期内处理数据的能力，字长由微处理器的型号来区分。,主频：主频就是微处理器的时钟频率。主频越高，微处

17、理器的速度就越快。时钟频率以MHz或GHz为单位表示。,主板,主板也称为主机板，它是一块印刷电路板，集中放置了微型机的主要部件，目前一些常用的接口电路也放在主板上。主板的主要部件包括：微处理器芯片、芯片组、一组高速内存储器、基本输入输出接口、总线及总线接口、扩展槽、其它一些支持电路。,硬盘接口,总线扩展槽,CPU插座,输入输出设备接口,电源插口,只读存储器电源,主板,前面板接口,基本输入输出接口,例如：键盘、打印机接口等,扩展槽:是适配器与微机总线之间的物理连接装置，其中可插入各类适配器。,其它配套的支持电路,扩展槽,配套电路,键盘端口,总线及总线接口,CPU,内存条,配套芯片,主板,1.芯片

18、组,主板性能好坏对总体指标产生举足轻重的影响，关键在于芯片组的选用，决定主板本身性能和整个计算机系统的级别，影响到支持什么性能的CPU、硬盘图形加速卡等。芯片组是指主板上各种设备间的接口电路，主要有内存控制器、硬盘控制器、CACHE控制器、总线控制器等。,2.总线及扩展插槽,早期产品只有一种ISA总线，即“IndustryStandardArchitecture”工业标准体系结构，IBM制定的总线标准。,只有16位，传输速率低,现在只有部分内置的调制解调器、10M网卡等还使用。,PCI（PeripheralComponentInterconnect,外部设备互连）总线，具有132MB/S的数据

19、传输能力和很强的带负载能力，被世界上大多数厂商采用。,EIDE（EnhancedIntegratesDriveElectronics,集成驱动器电子部件）是硬盘接口标准。AGP（AcceleratedGraphicsPort)插槽，安装加速图形卡，有专用总线和内存连接，速度达到553MB/S。USB（UniversalSerialBus,通用串行总线），用于连接摄象头、数码相机、打印机等。USB支持热插拔，安装较简单。PS/2鼠标、键盘插口。,串行端口并行端口,USB口,鼠标键盘端口,3.输入输出设备端口,I/O接口电路,微处理器,外部设备,内部总线,外部数据线,接口板,插在主板上与总线相连,

20、外部端口与外设相连,4.适配器,适配器是微机系统中驱动某一个外部设备的功能模块电路的统称。该模块电路必须包含两个接口，一个是与主机连接的总线接口，一个是与外部设备连接的外设接口。适配器也称为“卡”。,显示卡,总线接口,外设接口,主机总线,外设端口,适配器具有独立的系统功能，可与系统并行工作。,与主机板相连,与外设相连,适配器,微机计算机基本配置,键盘,显示器,鼠标,打印机,显示卡,并行接口卡,串行接口卡,主机板,软硬盘适配器,软盘驱动器,硬盘驱动器,电源,总线,机箱,RAM存储芯片和内存条过去，一般存储芯片都是双列直插封装的，简称DIP。目前，在微机上，越来越多地使用单列直插存储模块SIMM和

21、双列直插存储模块DIMM，也就是通常所说的内存条。,主存,SDRAM和DDRSDRAMSDRAM在同步脉冲的控制下工作，取消了内存等待时间，减少了数据传送的延迟时间，因而加快了系统速度。DDRSDRAM不仅能在时钟脉冲的上升沿读出数据而且还能在下降沿读出数据，不需要提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的速度。,主存,标准的SDRAM有168线（2个小缺口），而DDRSDRAM有184线（多出的16个线占用了空间，故只有1个小缺口），DDRSDRAM目前的标准为PC-266，可以工作在2.5V的低电压环境下。,主存,电源,硬盘,机箱,一般微机通常使用5V或12V直流电，其耗电功率为300瓦。微机的电源系统用于将220V的交流电转换成系统所需的直流电。,电源,通用计算机通过执行程序来处理数据。程序是指令的有序集合。程序和数据都放在主存中。,4.程序执行,译码,执行,取指令,循环执行指令,一条指令的执行过程,指令是计算机进行操作的命令，将控制计算机完成规定动作的命令称为指令。,CPU利用重复的机器周期来执行指令。简化的周期包括3步：,机器周期,取指令在取指令阶段，控制单元命令系统取出一条指令放在指令寄存器I中，程序计数器PC加1。译码把指令置于指令寄存器后进行译码，以确定这是一条什么样的指令。执行