计算机导论第三章课件

第3章计算机硬件系统内容提要本章以微型计算机为例介绍计算机硬件系统的组成，包括系统单元、内存、系统总线、扩展卡以及常用的输入输出设备和辅助存储器。通过本章学习，要求掌握计算机系统的基本结构和工作原理，了解多种输入输出设备及其功能。冯·诺依曼体系结构体系结构指的是,构成系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。冯·诺依曼体系结构的要点：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。控制器和运算器是其核心，称为CPU按存储程序原理进行工作数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放的位置由地址确定控制器是根据存放在存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由一个程序计数器控制指令的执行。冯·诺依曼体系结构（续）控制器输入设备运算器（ALU）输出设备存储器计算机硬件体系结构的发展适应串行的算法的体系结构改变为适应并行的算法的计算机体系结构。面向高级语言计算机和直接执行高级语言的计算机。硬件系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应的计算机。从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型的计算机。各种适应特定应用的专用计算机。高可靠性的容错计算机。处理非数值化信息的计算机。体系结构的评价标准评价计算机系统的标准有速度、容量、功耗、体积、灵活性、成本等指标。常用的计算机评测标准:时钟频率(主频)指令执行速度等效指令速度数据处理速率(processingdatarate，PDR)核心程序法整数测试程序(Dhrystone)浮点测试程序(Linpack)Whetstone基准测试程序SPEC基准测试程序TPC基准程序微型计算机的硬件结构微型计算机硬件的系统结构与冯·诺依曼结构无本质上的差异，不过CPU已被集成在一片大规模或超大规模集成电路上，称为MPU。此外，微型计算机内部的连接方式都是采用总线结构。数据总线：数据总线是传送数据和指令代码的信号线，它是双向总线。地址总线：地址总线是传送CPU所要访问的存储单元或输入输出接口地址的信号线，它是单向总线。控制总线：控制总线是管理总线上活动的信号线。控制总线中的信号是用来实现CPU对外部部件的控制、状态等信息的传送以及中断信号的传送等。数据总线用于在各部件之间传递数据（包括指令、数据等）。数据的传送是双向的，因而数据总线为双向总线。•决定CPU速度的第一个要素是数据总线的宽度。•数据总线的宽度用位（8，16，32，64）来衡量。•数据总线的位数决定了计算机可同时处理的数据的位数，这一数目也是计算机中“字”的长度。•如：32位计算机即该计算机的数据总线是32位。该计算机的“字”长为32位（4byte）.•数据总线将CPU于内存相连，并提供到计算机外部的通道。数据总线又分为内部数据总线和外部数据总线：•内部总线在处理器内部起作用；•外部总线用于处理器与计算机的其余部分进行通信；一般情况下，内部数据总线宽度大于外部总线。地址总线指示欲传数据的来源地址或目的地址。地址即存储器单元号或输入／输出端口的编号.计算机内存中的每个存储位置的地址是唯一的，地址不会改变，但是存储在那里的数据可以改变。CPU通过地址总线来确定数据在内存中的存取位置，从而从内存中读写数据。CPU地址总线（CPU到内存的一组连线）的宽度决定了CPU可以访问到的存储位置（物理空间）的最大数目。如：对于Intel486以上的微机系统，地址线的宽度为32位，则CPU最多可以直接访问4096MB的物理空间。控制总线：用于在各部件之间传递各种控制信息。有的是微处理器到存储器或外设接口的控制信号，如复位、存储器请求、输入／输出请求、读信号、写信号等，有的是外设到微处理器的信号，如等待信号、中断请求信号等。CPU和内存之间的信息交换都是通过数据总线、地址总线和控制总线进行的。系统主板与时钟频率系统主板：又称为底板或母板,它是整个计算机系统的通信网,系统单元的每个元器件直接连接到系统主板,它们通过系统主板进行数据的交换键盘、鼠标端口内存条插槽电源插槽CPU插槽硬盘、软盘、CDROM接线插槽并、串行端口USB接口扩展插槽显示卡插槽系统时钟除过总线宽度影响计算机的性能外，系统时钟也是影响计算机性能的一个主要因素。CPU执行指令的速度与“系统时钟”有直接的关系。系统时钟不在CPU芯片内，是一个独立的部件。在计算机工作过程中，系统时钟每隔一定的时间间隔发出脉冲式的电信号，这种脉冲信号控制着各种系统部件的动作速度，使它们能够协调同步。就好像一个定时响铃的钟表，人们按照它的铃声来安排作息时间一样。在一台计算机里，系统时钟的频率是根据部件的性能决定的。如果系统时钟的频率太慢，则不能发挥CPU等部件的能力，但如果太快而工作部件跟不上它，又会出现数据传输和处理发生错误的现象。因此，CPU能够适应的时钟频率，或者说CPU作为产品的标准工作频率，即CPU在一秒钟内能够完成的工作周期数，就是一个很重要的性能指标。CPU的标准工作频率就是人们常说的CPU“主频”。显然，在其它因素相同的情况下，主频越快的CPU速度越快。80年代初，IBMPC机上采用的Intel8088芯片的主频是4.78MHz，而目前的PentiumⅣ微处理器的主频已达到了2GHz以上。但是，CPU芯片在速度上的优劣并不完全取决于它的“主频”或者执行指令的速度，实际的CPU速度与芯片内部的体系结构以及CPU和外围电路的配合等都有密切的关系。电子数据与指令数据与指令是通过两种状态的信号表示,例如电子电路的开与关。它们分别表示二进制0或1。ASCII码：ASCII码是微型计算机中使用最广泛的二进制编码,使用7位分别表示0～9、a～z、A～Z以及标点符号,用8位表示特殊字符。主要用于微型计算机EBCDIC码：用一个字节表示数字和字母等。主要用于大型机系统Unicode码：它是一种16位的编码，用于支持像中文、日文等国际语言微处理器控制单元寄存器算术/逻辑单元（ALU）程序控制单元程序控制单元是CPU的核心，当一条指令进入CPU后，它分析检查该指令的内容，确定指令要求完成的动作以及指令的有关参数。例如，如果是一条加法指令，指明被加数在内存的某个地方。程序控制单元要指挥内存把数据送到CPU来。当计算所需要的数据准备好后，算术逻辑部件就可以执行指令所要求的计算。计算完成后，程序控制单元还要按照指令要求把计算结果存入数据寄存器，或者存入内存储器中。同时，控制单元对计算机系统的其他各个部分进行协调与控制，并对输入、输出设备的运行进行监控。寄存器CPU另一个重要部分是一组寄存器，其中包括：•一个指令寄存器用于存放从内存中取出、当前执行的指令；•若干个控制寄存器是CPU在工作过程中要用到的；•若干个数据寄存器，是提供给程序控制单元和算术逻辑部件在计算过程中临时存放数据用的。一个数据寄存器能够存放的二进制数据位数一般与CPU的字长是相等的。通用数据寄存器个数对于CPU的性能有很大影响。目前的CPU一般设置十几个到几十个数据寄存器，有些CPU，如采用RISC技术制造的CPU，设置了包含更多寄存器的寄存器组。专用寄存器通用寄存器寄存器的硬件组成相似于内存的单元，其速度更快以及使用方式不同。算术逻辑单元CPU里必须包含算术逻辑单元，用来完成算术运算和逻辑运算。许多CPU中还设置了两个运算单元，一个用来执行整数运算和逻辑运算，另一个用于浮点数计算。浮点数计算是CPU比较复杂的一部分，早期的计算机中需要用专门的程序，即软件方法实现浮点数计算，完成一次浮点数加法要执行许多指令，浮点数乘除法的指令更多，因而计算时间很长。后来Intel公司为Intel8088、Intel8086芯片设计制造了配套的专用浮点计算芯片，称为“协处理器”或“浮点处理器”。这种芯片可以安装在微型机里，与CPU连接。当CPU发现要执行的是浮点数指令时，就把工作递交给协处理器完成。在现在的CPU中，数值协处理器电路作为其一部分，包含在CPU的电路中了。完成两种类型的操作。算术操作：加、减、乘、除等运算逻辑操作：比较操作微处理器芯片CISC芯片：又称复杂指令集计算机,其指令系统一般多达几百条指令,这种技术由Intel公司推广,并且是该公司主流微处理器的基础。例如PentiumⅢ和Pentium4RISC芯片：又称简化指令集计算机，其使用较少的指令。Motorola、IBM和Apple公司共同开发的PowerPC芯片就是利用了RISC技术专用芯片：用于智能卡的微型内置式微处理器。例如交通卡、社保卡。指令集告诉CPU如何操作的具体指令的集合，每一种类型的处理器都有特定的指令集。适用于特定CPU的机器语言必须使用该CPU的指令集。因此，在某一类型的CPU上可以运行的程序，在其他类型的CPU上可能不能运行，其原因是不同类型的CPU的指令集可能不同。存储体系结构通用寄存器堆指令和数据缓冲栈脱机外部存储器（磁带、光盘等）联机外部存储器（磁盘等）主存储器（DRAM）Cache（SRAM）存储容量越来越大速度越来越快高速缓冲存储器高速缓存是与计算机内存共同使用的特殊芯片。其速度比RAM快！高速缓存作为一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据，以利于CPU快速访问。高速缓冲存储器存储了频繁访问的RAM位置的内容及这些数据项的存储地址。当处理器引用存储器中的某地址时，高速缓冲存储器便检查是否存有该地址。如果存有该地址，则将数据返回处理器；如果没有保存该地址，则进行常规的存储器访问。因为高速缓冲存储器总比主RAM存储器速度快，所以当RAM的访问速度低于微处理器的速度时，常使用高速缓冲存储器。虚拟内存虚拟内存系统将大型程序分割成小的部分，并使计算机能够使用空闲的硬盘作为RAM的扩展。需要时，计算机将在硬盘和RAM之间进行程序段的交换。主存储器内存按存储信息的功能可分为：ROMRAM从物理的角度看，内存是一组或多组具备数据输入输出和数据存储功能的集成电路。主存储器又称为内存储器或内存，是指能够通过指令中的地址直接访问的存储器，它被用来存储正在被CPU使用的程序和数据。主存储器容量存储器的容量是衡量存储器性能的重要指标之一，以字或字节为单位来表示存储器存储单元的总数，就得到了存储器的容量。1KB等于1024字节。1MB等于1024×1024字节。1GB等于1024×1024×1024字节。1TB等于1024×1024×1024×1024字节。随机存储器RAM（RandomAccessMemory）RAM就是我们平常所说的“内存”。RAM主要用来存放各种现场的输入、输出数据，中间计算结果，以及与外部存储器交换信息和作堆栈用。RAM的存储单元根据具体需要可以读出，也可以写入或改写。由于RAM由电子器件组成，所以只能用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断电，其中的数据就会丢失。现在的RAM多为MOS型半导体电路，它分为静态和动态两种。静态RAM是靠双稳态触发器来记忆信息的；动态RAM是靠MOS电路中的栅极电容来记忆信息的。由于电容上的电荷会泄漏，需要定时给与补充，所以动态RAM需要设置刷新电路。动态RAM比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容量存储器。所以主内存通常采用动态RAM，而高速缓冲存储器（Cache）则使用静态RAM。另外，内存还应用于显卡、声卡及CMOS等设备中，用于充当设备缓存或保存固定的程序及数据。只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）ROM中的信息只能被读出，而不能被操作者修改或删除，故一般用于存放固定的程序，如监控程序、汇编程序等。启动计算机的指令存储在ROMBIOS（基本输入/输出系统）芯片中，ROM在制造时即包含了永久储存的指令。ROM还有一下一些类型：PROM写入一次以后，内容就不可以在更改EPROM（ErasableProgrammableROM）将芯片从计算机中取下，用特殊设备擦除其内容后，重新编程EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory,电可擦除