1计算机的基本结构和工作原理

大学计算机基础第一讲4.1计算机的基本结构4.1.1计算机的逻辑（功能）结构一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的，人类通过计算机软件使用计算机。通过软件的包装，人们可以不必太多地了解机器本身的结构与原理，就可以方便灵活地使用计算机。认识和理解计算机硬件系统的基本构成和工作原理，有利于在此基础上更好地理解软件系统中的各种概念，以及各种操作要求的必然性。从而，深刻认识计算机及其操作使用。硬件（Hardware）系统是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。硬件是整个系统运行的物理平台，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。计算机系统计算机硬件系统计算机软件系统主机外部设备中央处理器内存储器运算器控制器外存储器输入设备输出设备系统软件应用软件图4.1计算机硬件系统的基本结构。现代电子计算机的奠基人：英国科学家艾兰·图灵（AlanMathisonTuring）图灵机（TuringMachine，TM）：1936年提出了现代通用数字计算机的数学模型。这是一个描述计算步骤的数学模型，使用这种抽象计算机可以把复杂的计算过程还原为十分简单的操作图灵测试（TuringTest）：1950年，如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别，则该机器就具有智能。它奠定了人工智能的理论基础。美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（VonNeumann）在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，可以归纳为如下几点：（1）计算机硬件设备由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并对其基本功能做了规定。（2）计算机内部采用二进制数码来表示指令和数据，每条指令由一个操作码和一个地址码组成，其中操作码表示所做的操作性质，地址码则指出被操作数在存储器中的存放地址。（3）采用存储程序的概念，即将编制好的程序（由计算机指令组成的序列）和原始数据存入计算机的主存储器中，使计算机在工作时能够连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令执行。CPU冯·诺依曼设计思想确立了现代计算机的基本结构，并第一次提出了“存储程序”的概念。外存储器内存储器运算器控制器输入设备输出设备图4.2冯·诺依曼计算机结构示意图运算器又称算术逻辑部件（ALU——ArithmeticalLogicUnit），是进行算术运算和逻辑运算的部件。算术运算：指按照算术规则进行的运算，如加、减、乘、除、求绝对值等；逻辑运算：泛指非算术性质的运算，如比较大小、移位、逻辑加等。运算器在控制器的控制下，对取自内存储器的数据进行算术和逻辑运算。在计算机中，各种复杂的运算被分解为一系列算术运算和逻辑运算，由ALU执行。运算器每次执行什么操作是由当前指令的操作码来确定的。1）运算器2）控制器控制器（Controller）是计算机的控制指挥中心，计算机的神经中枢。它的基本功能是从内存储器中取出指令并对指令进行分析、判断，并根据指令发出相应的各种控制信号，使计算机的有关设备或电子器件有条不紊地协调工作，保证计算机能自动、连续地工作。中央处理器即CPU（ControlProcessingUnit）：控制器和运算器合称为CPU，是计算机的核心部件。CPU中还包括若干寄存器，用来存放运算过程中的各种数据、地址或其他信息。寄存器的种类很多，主要的有：（1）通用寄存器向ALU提供运算数据，或保留运算结果。一般CPU有多个通用寄存器。（2）累加器A这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器，有重复累加数据的功能。（3）程序计数器PC存放将要执行的指令的地址。（4）指令寄存器IR存放根据PC的内容从内存储器中取出的指令。存储器（Memory）是有记忆能力的部件，用来保存程序和数据。3）存储器内存储器（也称主存储器，简称内存或主存）可以和CPU直接相连，用来存放当前要执行的程序和数据，以便快速向CPU提供信息。内存储器一般采用半导体材料制造。外存储器（也称辅助存储器，简称外存），一般需要通过特殊接口与CPU连接。外存储器用来存放当前暂不参加运行而又需要长期保留的程序和数据。存放在外存的程序必须调入内存才能运行。软盘、硬盘和光盘都属于外存储器。将信息存入存储器谓之“写入”（Write）；从存储器取出信息称为“读出”（Read）。存储器的操作有写入操作和读出操作两种：为了便于对存储器中存放的信息进行管理，整个内存被划分成许多存储单元，每个存储单元都有一个编号，此编号称为地址（Address）。位、字节、字等（1）位(bit，缩写为b)：二进制的每一位(“0”或“1”)是二进制信息的最小单位。（2）字节(Byte,缩写为B)：一个字节由8位二进制代码组成，b7b6b5b4b3b2b1b0其中b7是最高位，b0是最低位。字节是信息存储的基本单位，存储单元的地址也通常按字节编排。（3)字(Word)：又称计算机字，是可作为独立的信息单位进行处理的若干位的组合，其包含的二进位个数称为字长。字长一般是字节的整数倍。存储器的容量指它能存放的二进制位或字节数，常用的计量单位有KB（千字节，K为210），MB（兆字节，B为220），GB（千兆字节，G为2304）输入设备输入设备就是将程序、命令或数据等信息输入到计算机的装置。输入设备把它们转换成计算机能够识别的形式，存放在内存中。常用的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪等。5）输出设备输出设备是将计算机处理后的结果（通常在内存）进行输出的设备。输出结果要转换成人们能够接受的形式，例如数据、文字、图形、表格等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。就是计算机各部件之间传送信息的公共通道，使构成计算机的各功能部件成为一个可工作的系统，图4.3总线与各功能部件的连接示意图。CPU内存I/O控制器外存储器输入设备输出设备总线6）总线（BUS）4．1．2微型计算机的组成1）CPU1971年，Intel公司把运算器和逻辑控制功能集成在一起，用一片芯片实现了中央处理器的功能，制成了世界上第一片微处理器（MPU——MicroProcessingUnit）Intel4004。它再加上存储器组成了4位微型电子计算机MCS-4，随后，许多公司竞相研制微处理器，相继推出了8位、16位、32位微处理器。1981年美国IBM公司推出采用Intel微处理器芯片的IBMPC（personalcomputer）个人计算机，随后又相继推出IBMPCXT、PC286、386、486、Pentium和PentiumPro等一系列微型计算机。Apple公司一直坚持开发自己的PC机系列，如AppleⅠ和AppleⅡ等8位PC机以及包括多种机型的Macintosh（简称Mac）系列，以其独特的界面风格，在16位和32位PC机市场上也占有一席之地。DEC公司推出的Alpha211，IBM、Motorola、Apple三家公司联合推出的Power-PC体系结构均为64为微处理器芯片衡量CPU性能的主要技术指标有：（1）CPU字长指CPU内部各寄存器之间一次能够传送的数据位，即在单位时间内能一次处理的二进制数的位数。该指标反映CPU内部运算处理的速度和效率。（2）运算速度用每秒钟能够执行多少条指令来表示。通常用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并以MIPS（MillionInstructionsPerSecond）作为计量单位；或用每秒浮点运算次数FLOPS（FloatingPointOperationPerSecond）来表示。（3）工作频率CPU的工作频率也称为CPU的主频，指CPU内核电路的实际运行频率，主频越高，其处理速度也越快。（4）CPU的生产工艺技术通常用µm来描述，精度越高表示其生产工艺越先进，在同样体积的硅材料上可以集成的元件也越多，主频也越高。2）内存储器内存一般使用半导体材料制造，存取速度较快，容量较小，成本较高；而外存通常以磁性材料和其他材料制造，容量较大，速度较慢，成本较低。寄存器高速缓冲存储器主存储器辅助存储器（软盘、硬盘、光盘）辅助存储器（光盘、磁带）暂存中间结果Cache通常指内存与CPU的通信需要经过专门的接口内存按其功能特征可以分为：1.随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）可以被随机访问，大多采用MOS型半导体集成电路芯片制成。当关机或断电时，保存在存储器中的信息将随之丢失。又分为：（1）静态随机存取存储器（SRAM）：它的体积较大，功耗大，制造成本较高，价格较贵；但是存取速度快，能与CPU芯片的工作保持同步，适合用作高速缓冲存储器。（2）动态随机存取存储器（DRAM）：集成度高，功耗低，作成本较低，被广泛采用作为主存。2.只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）两类。只读存储器是一种只取不存的存储器。一般由计算机制造厂家将信息写入ROM中，用户是无法修改的。即使停电，ROM中的信息也不会丢失，是非易失性存储器。（2）高速缓冲存储器（Cache）CPUCacheRAMCache设立的依据是程序访问的局部性原理，即在一个较短时间间隔内，CPU执行的指令和处理的数据往往集中存放在存储器的局部范围内，对该局部范围的存储器地址访问频繁，而此范围外的地址访问较少。如果把在一定地址范围内被频繁访问的指令和数据从内存复制到Cache中，当CPU要访问内存中的数据时，先在Cache中进行查找，若Cache中有CPU所需的数据（称为“命中”），CPU就直接从Cache中读取；否则再从内存中读取，并将与该数据相关的一部分内容复制到Cache中。这样在一个时间间隔内，CPU将不会或很少去访问速度较慢的内存，可以加快程序的运行。3）系统主板主板上的部件包括控制芯片组、CPU、Cache、BIOS芯片、I/O接口、内存储器插槽、总线扩展槽、键盘和鼠标接口、软盘接口、IDE（ATA）接口（用于连接硬盘和光驱）、可充电电池以及各种开关和跳线等。一体化主板上还有多媒体和通信设备接口。图4.8是系统主板的布局结构。4）总线与接口计算机的各个功能部件是通过总线实现相互通信的，总线的主要特征是共享传输介质。接口是外部设备与计算机连接的端口。1.总线分为三种：（1）数据总线DB（DataBus）用来传送数据，其位数一般与微处理器字长相同。数据总线具有双向功能。通过它可以实现CPU（2）地址总线AB（AddressBus）用来传送地址信息。它是单向传送的，用来把地址信息从CPU单向地传送到存储器或I／O接口，指出相应的存储单元或I／O设备。16位AB能直接寻址的存储空间为216，存储地址编址范围为0000H～FFFFH（3）控制总线CB（ControlBus）用来传输控制信号。这些控制信号控制着计算机按一定的节拍，有规律地自动工作。控制总线的多少因不同性能的CPU而异。目前微型计算机上常见的总线结构有：①ISA（IndustryStandaraArchitecture）总线ISA是工业标准结构总线，数据传送宽度是16位，工作频率为8MHz，数据传输速率最高为8MB/s，寻址空间为1MB。它在80286至80486时代广泛应用，现在的机器中也还保留有ISA总线插槽。②PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线外部设备互联总线PCI，也称局部总线，它在CPU与外部设备之间提供了一条独立的数据通道，使每种设备都能直接与CPU联系，各种设备都能同时工作。数据传送宽度是32/64位，③AGP（AcceleratedGraphicsPort）总线AGP总线是为了适应图象和视频传输的需要而推出的总线，又称加速图形端口总线。总线宽度为32位。2计算机与外部设备接口必须使用外部接口的原因：CPU和I/O设备两者的信息类型和格式不一样,必须通过I/O接口来进行缓冲和协调。CPU与I/O设备信号传输处理信号的速度往往不匹配，信号时序有很大差别，必须通过I/O接口来进行缓冲和协调。微处理器内存插槽主存储器外存接口硬盘等I/O接口键盘显示其他I/O各种设备地址总线数据总线控制总线接口电路图4.1