计算机组成原理

1计算机的组成计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统遵循冯诺依曼体系结构，由五部分构成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。主机和外设的区分CPU、内存储器、总线等构成了计算机的主机；外存储器、输入设备、输出设备构成了计算机的外围设备，简称外设。：2计算机的组成中央处理器外存储器内存储器输出设备系统总线输入设备I/O端口I/O端口外存储器接口控制器控制器控制器3计算机的组成PC机的物理组成：机箱、显示器、键盘、鼠标器等。机箱内包含：主板、硬盘、软驱、光驱、电源、风扇等。4计算机的分类按内部逻辑结构分为单处理机、多处理机(并行机)。按字长分为16位机、32位机或64位计算机等。5计算机的分类按计算机的性能、用途和价格分为：巨型计算机（Supercomputer）采用大规模并行处理的体系结构，CPU由数以百计、千计、万计的处理器组成，有极强的运算处理能力，速度达到每秒万亿次以上，大多使用在军事、科研、气象、石油勘探等领域。6计算机的分类按计算机的性能、用途和价格分为：大型计算机（Mainframe）运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机，CPU通常有4、8、16、32个甚至更多处理器。为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作为主服务器（企业级服务器）。7计算机的分类按计算机的性能、用途和价格分为：小型计算机（Minicomputer）为多个用户执行任务，但它没有大型机的高性能，支持的并发用户数目比较少。小型机的典型应用是帮助中小企业（或大型企业的一个部门）完成信息处理任务，如库存管理、销售管理、文档管理等。8计算机的分类按计算机的性能、用途和价格分为：个人计算机（PersonalComputer）以微处理器为中心的一个独立完整的计算机系统。价格便宜，使用方便，软件丰富，性能不断提高，适合办公或家庭使用。通常只用来处理一个用户的任务，可独立使用，也可与其他计算机互连。9计算机的分类按计算机的性能、用途和价格分为：工作站（Workstation)具有高速运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX操作系统，特别适合于工程与产品设计使用。SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此类产品。10计算机性能指标微处理器的发展标志：字长、结构、功能、晶体管数目和工作频率。11计算机性能指标运算速度用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量单位：次／秒（每秒执行加法运算的次数）；MIPS（每秒钟可完成100万次整数运算）。世界第一台计算机ENIAC的运算速度：5000次/秒目前计算机的速度：银河Ⅲ：130亿次／秒(国产机）曙光3000：3800亿次／秒(国产机，国内最快)EarthSimulator(地球仿真超级计算机)：350000亿次/秒浮点运算（NEC公司，世界最快）12计算机性能指标字长中央处理器中运算器和寄存器的宽度。即数据在运算器中做运算或存储时的二进制位数。字长决定了计算的精度。字长通常是2的整数次幂。微处理器字长演变：Intel4004:4位(1971年，世界第一个微处理器)Intel8008,8080:8位Intel8086:16位Intel80386,80486,pentium：32位131计算机的组成1.1中央处理器1.2存储体系1.3主板主要部件1.4系统总线1.5输入设备1.6输出设备14中央处理器（CPU）包含运算器和控制器能够高速地进行算术运算和逻辑运算负责对输入信息进行各种处理的部件一台计算机中有多个处理器，它们各有其不同的任务。中央处理器承担系统软件和应用软件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件15中央处理器（CPU）运算器（执行单元）对数据进行各种算术运算和逻辑运算。控制器取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其它部件的操作控制信号，记录内部状态。寄存器组临时存放参加运算的数据和得到的中间结果，由几十个寄存器组成。16中央处理器（CPU）寄存器运算器控制器指令数据运算结果中央处理器操作命令内存储器17中央处理器（CPU）高速缓冲存储器CPU的工作速度比内存要快得多，为了匹配两者的工作速度，发挥CPU的高速性能，CPU中增加了指令快存（cache）和数据快存（cache）两个高速存储器，使运算器所需要的数据大部分来自数据快存，所需要的指令也大半来自指令快存。18中央处理器（CPU）超标量结构为了加快CPU中指令的处理速度，CPU在执行当前指令的同时，可以使用指令预取部件提前向主存或快存去取出一些准备要执行的指令。CPU采取“流水线”式的工作方式和结构，实现了“超标量结构”。19中央处理器并行处理和多处理器系统使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。【2007真题】中央处理器（CPU）是计算机的核心部件，一台计算机中最多包含＿＿＿中央处理器。A．一个B．两个C．四个Ｄ．多个20中央处理器中央处理器的所有组成部分（运算器、控制器和寄存器等）制作在一块半导体芯片上的处理器称为微处理器（Microprocessor）。微处理器的主要性能指标有字长、结构、功能、晶体管数目和工作频率。21指令和指令系统指令和指令系统基本概念指令执行过程22指令和指令系统基本概念指令对计算机进行程序控制的最小单位。指令用二进制位表示，规定计算机执行什么操作。大多数情况下，指令由操作码和操作数地址两部分成组23指令和指令系统基本概念指令系统或指令组CPU所能执行的所有的指令的集合称为计算机的指令系统或指令组（instructionset）。指令系统中有数以百计的不同的指令。指令系统分为两类：CISC（复杂指令集计算机）、RISC（精简指令集计算机）。24指令和指令系统基本概念扩展指令集新型号的CPU可以通过增加指令集功能的方法来提高CPU的运算速度。25指令和指令系统基本概念计算机指令系统的“兼容性”问题由于每种类型的CPU都有自己的指令系统，因此，某一类计算机的可执行程序代码未必能在其他计算机上运行。同一公司的CPU产品通常“向下兼容”——新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。26指令执行过程（1）CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器。（2）指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应该进行何种操作、操作数在哪里。（3）根据操作数的位置从存储器取得操作数。……→27指令执行过程（4）运算器按照指令操作码的要求，对操作数完成规定的运算处理，并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志。（5）把运算结果保存到指定的寄存器，需要时把结果从寄存器保存到内存单元。（6）修改指令计数器，决定下一条指令的地址。●28CPU的性能CPU的运算速度与CPU的工作频率、cache容量、指令系统、运算器的逻辑结构等都有关系。29CPU的性能工作频率主频：CPU内部的时钟频率，是CPU进行运算时的工作频率。一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。但由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPU性能一样。30CPU的性能工作频率外频：即系统总线，CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。倍频：CPU主频的计算方式变为：主频=外频×倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频，CPU主频也就越高。31存储体系存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等)的部件内存储器(简称内存或主存)外存储器(简称外存或辅存)32存储体系Cache存储器主存储器(RAM和ROM)外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带、光盘）内存储器外存储器33存储体系内存储器(简称内存或主存)存取速度快、容量相对小，价格相对高,一般使用DRAM芯片组成，速度大约比CPU慢10倍。直接与CPU相连接（CPU可直接访问）。易失性，用于临时存放CPU正在运行的程序、正被处理的数据以及产生的结果数据。存储介质：半导体芯片。34存储体系外存储器(简称外存或辅存)存取速度慢、容量相对大，价格相对低。不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用）。非易失性，用于长期存放各类信息。存储介质：磁盘、光盘、磁带等35内存储器专题内存储器由称为存储器芯片的半导体集成电路组成。半导体存储器芯片按照是否能随机地进行读写，分为只读存储器(ReadOnlyMemory，简称ROM)随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)两大类36内存储器专题只读存储器(ReadOnlyMemory，简称ROM)是一种能够永久或半永久地保存数据的存储器，即使掉电（或关机）后，存放在ROM中的数据也不会丢失，所以叫做非易失性存储器。37内存储器专题只读存储器按照ROM的内容是否能改写，ROM可分为以下几类：MaskROM（掩膜ROM），存储的数据由工厂在生产过程中一次形成，此后也无法进行修改。PROM（ProgrammableROM）和EPROM（ErasableProgrammableROM），用户可使用专用装置写入信息。前者不能改写，后者可以通过专用设备改写其中的信息。FlashROM（快擦除ROM，或闪速存储器），一种新型的非易失性存储器，在低电压下，存储的信息可读不可写，而在较高电压下，存储的信息可以更改和删除。经常用于PC中的BIOS程序，还可使用在数码相机和优盘中。38内存储器专题随机存储器随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)，多采用MOS(金属氧化物半导体)型半导体集成电路芯片制成，属于易失性存储器。根据其保存数据的机理又可分为SRAM（静态随机存取存储器）和DRAM（动态随机存取存储器）两类。39内存储器专题SRAMSRAM芯片用于构造高速Cache（高速缓冲存储器），简称缓存。它的速度几乎与CPU一样快。CPU需要的数据和指令首先从Cache中读取，如果Cache中没有，CPU再直接访问内存。Cache的一个重要指标就是“命中率”，即CPU需要的指令或数据在Cache中能直接找到的概率。40内存储器专题Cache容量为解决内存速度与CPU速度不匹配，从而影响系统运行速度的问题，在CPU与内存之间设计了一个容量较小(相对主存)但速度较快的高速缓冲存储器(Cache)，简称快存。41内存储器专题Cache容量CPU访问指令和数据时，先访问Cache，如果目标内容已在Cache中(这种情况称为命中)，CPU则直接从Cache中读取，否则为非命中（命中率），CPU就从主存中读取，同时将读取的内容存于Cache中。Cache可看成是主存中面向CPU的一组高速暂存存储器。42内存储器专题Cache容量这种技术早期在大型计算机中使用，现在应用在微机中，使微机的性能大幅度提高。随着CPU的速度越来越快，系统主存越来越大，Cache的存储容量也由128KB、256KB扩大到现在的512KB或2MB。Cache的容量并不是越大越好，过大的Cache会降低CPU在Cache中查找的效率。43内存储器专题Cache容量Cache分为一级缓存和二级缓存，应用的早期一级缓存被设计在CPU内部，二级缓存被设计在主板上，随着集成电路制造工艺的改进，现在一级缓存和二级缓存都被设计在CPU内部。二级缓存的容量要大于一级缓存的容量。一级缓存（L1Cache）（容量：几KB～几十KB）二级缓存（L2Cache）（容量：128KB～1MB）44内存储器专题DRAM一般使用DRAM芯片组成。由于DRAM存储器芯片的电路、工艺、存储控制技术的不同，目前市场上