计算机科学导论五第章计算机组成.ppt

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1、计算机导论计算机导论第第5 5章章 计算机组成计算机组成计算机硬件系统的组成计算机硬件系统的组成计算机系统由计算机系统由硬件子系统硬件子系统和和软件子系统软件子系统组成。组成。硬件（硬件（Hardware）子系统：）子系统：组成一台计算机的组成一台计算机的物理设备物理设备的总称叫做计算机硬件的总称叫做计算机硬件子系统，是看得见摸得着的子系统，是看得见摸得着的实体实体，是计算机工作，是计算机工作的物质基础。的物质基础。软件（软件（Software）子系统：）子系统：驱动计算机工作的各种驱动计算机工作的各种程序的集合程序的集合称为计算机软件称为计算机软件子系统，是控制和操作计算机工作的逻辑基础。子

2、系统，是控制和操作计算机工作的逻辑基础。（软件：使计算机工作的所有程序及相关数据、（软件：使计算机工作的所有程序及相关数据、文档。）文档。）计算机软硬件协同配合工作。计算机软硬件协同配合工作。计算机系统结构计算机系统结构结构结构现在使用的计算机均属于现在使用的计算机均属于冯冯诺依曼型诺依曼型计算机。计算机。计算机由计算机由算术逻辑单元（运算器）算术逻辑单元（运算器）、控制单元控制单元、存存储器储器、输入设备输入设备、输出设备输出设备5个部分组成。个部分组成。各部分功能各部分功能算术逻辑单元：完成算术运算和逻辑运算。算术逻辑单元：完成算术运算和逻辑运算。控制单元：按程序的要求控制计算机各个部分协

3、调控制单元：按程序的要求控制计算机各个部分协调一致地工作，完成程序规定的任务。一致地工作，完成程序规定的任务。存储器：存放数据和程序。存储器：存放数据和程序。输入设备：将数据与程序输入计算机。输入设备：将数据与程序输入计算机。输出设备：将程序执行结果输出给用户。输出设备：将程序执行结果输出给用户。计算机系统结构计算机系统结构计算机硬件系统计算机硬件系统主机主机外设外设硬硬件件系系统统中央处理器中央处理器（CPUCPU）（运算器、控制器）（运算器、控制器）存储器存储器输入设备输入设备输出设备输出设备内存内存外存外存vCPUvcpu风扇风扇v内存内存v显卡显卡v主板主板v声卡声卡计算机工作原理计算

4、机工作原理计算机工作原理计算机工作原理计算机系统工作过程计算机系统工作过程（1）根据要完成任务的详细工作步骤，编写相应）根据要完成任务的详细工作步骤，编写相应的的程序程序。（2）程序输入程序输入到到存储器存储器。（3）控制器从存储器中取出第一条指令，控制器）控制器从存储器中取出第一条指令，控制器分析该指令功能，根据指令功能控制各个部件执分析该指令功能，根据指令功能控制各个部件执行指令，完成相应工作。行指令，完成相应工作。（4）一条指令执行完，控制器读取下一条指令，）一条指令执行完，控制器读取下一条指令，重复重复取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令的过程，直到的过程，直到所有指令执行完，

5、即执行完了一段程序。所有指令执行完，即执行完了一段程序。.中央处理单元中央处理单元基本组成基本组成算术逻辑单元（运算器）：算术逻辑单元（运算器）：算术运算，移位运算算术运算，移位运算和和逻辑运算逻辑运算控制器：控制器：从存储器读取指令、对指令进行分析、按照指令的要求从存储器读取指令、对指令进行分析、按照指令的要求产生操作控制信号产生操作控制信号，控制控制计算机计算机各部件各部件协调协调工作工作寄存器寄存器用来临时存放数据的高速独立的存储单元。用来临时存放数据的高速独立的存储单元。数据存储器：存放输入数据和运算结果数据存储器：存放输入数据和运算结果指令存储器：指令存储器：CPU从内存中取出指令放

6、入其中从内存中取出指令放入其中程序计数器程序计数器：存放下一条指令所在单元的地址的地方。：存放下一条指令所在单元的地址的地方。.存储器存储器计算机的存储器用于计算机的存储器用于保存保存计算机中的计算机中的数据数据。按用途分：按用途分：内部存储器（主存储器）内部存储器（主存储器）外部存储器（辅存储器）外部存储器（辅存储器）存储设备存储设备内存和外存的特点比较内存和外存的特点比较内存主要特点：内存主要特点：容量：容量：较小较小，容量有限，容量有限速度：存取速度速度：存取速度较快较快用途：临时存放数据，用于存放要执行的程序和数用途：临时存放数据，用于存放要执行的程序和数据。据。外存主要特点：外存主要

7、特点：容量：容量：较大较大，理论上无限，理论上无限速度：存取速度速度：存取速度较慢较慢用途：可永久存放数据，断电后数据不会丢失，用用途：可永久存放数据，断电后数据不会丢失，用于存放暂时不执行而将来要执行的程序和数据。于存放暂时不执行而将来要执行的程序和数据。内存储器内存储器1、内存容量、内存容量1）存储容量的概念）存储容量的概念一个存储器中一个存储器中存储单元存储单元的的个数个数称为该存储器的称为该存储器的存储存储容量容量。2）存储容量单位及换算关系）存储容量单位及换算关系基本单位：基本单位：8个二进制位（个二进制位（b,bit）组成一个）组成一个字节字节（B,Byte）换算关系：换算关系：1

8、KB=1024B,1MB=1024KB,1GB=1024MB,1TB=1024GB地址空地址空间间：存存储储器中独立的地址器中独立的地址单单元的元的总总数。数。注意：注意：一个字包含几个字一个字包含几个字节节是不固定的，和是不固定的，和计计算机的字算机的字长长有关。有关。例：例：机器字机器字长为长为8，则则一个字包含一个字一个字包含一个字节节；机器字机器字长为长为16，则则一个字包含两个字一个字包含两个字节节；例例5.1 例例5.2内存储器内存储器2、内存种类（按工作原理）、内存种类（按工作原理）只读存储器（只读存储器（ROM）随机存取存储器（随机存取存储器（RAM）1）只读存储器（）只读存储

9、器（read only memory,ROM）（1）只读存储器特点）只读存储器特点只读存储器中的数据一旦写入，只读存储器中的数据一旦写入，只能读只能读，不能改不能改写写。内存储器内存储器2）随机存取存储器（）随机存取存储器（random access memory,RAM）（1）随机存取的含义）随机存取的含义可以根据地址可以根据地址直接存储任一单元中直接存储任一单元中的的数据数据，这种，这种存取方式的存取速度要快得多。存取方式的存取速度要快得多。（2）随机存取存储器的特点）随机存取存储器的特点随机存取存储器，既能随机存取存储器，既能读出数据读出数据，又能，又能写入数据写入数据。5.2.4 高速

10、缓冲存储器高速缓冲存储器一、一、Cache引入引入1.问题的提出避免 CPU“空等”现象CPU 和主存的速度差异2.基本依据：程序访问的局部性原理指令和数据在主存内都是连续存放的，并且有些指令和数据往往会被多次调用（如循环程序），即指令和数据在主存的地址分布不是随机的，而是相对的簇聚，使得CPU在执行程序时，访存具有相对的局部性。二、二、Cache1.其存放内容其存放内容2.特点特点CPU经常要用到的程序或数据。经常要用到的程序或数据。存存取取速速度度比比主主存存快快，比比CPU及及其其内内部部寄寄存存器组慢。器组慢。容量比主存小，比容量比主存小，比CPU内部寄存器组大。内部寄存器组大。三、三

11、、CPU访访存的存的过过程程（1）CPU首先检查高速缓存首先检查高速缓存（2）如如果果已已经经存存在在，CPU直直接接复复制制，否否则则从从主主存存中中拷拷贝贝所所需需要要的的数数据据块块，保保存存在在高高速速缓存中一份；缓存中一份；（3）CPU从高速缓存中读取该字。从高速缓存中读取该字。外存储器外存储器常用外存种类常用外存种类磁盘磁盘光盘光盘闪存闪存移动硬盘移动硬盘外存储器外存储器1、磁盘、磁盘（1）磁盘材质）磁盘材质表面涂有表面涂有磁性材料磁性材料的的硬质硬质圆形盘片。圆形盘片。磁盘的盘片是铝、玻璃、塑料等硬质材料。磁盘的盘片是铝、玻璃、塑料等硬质材料。（2）磁盘存储数据原理）磁盘存储数据

12、原理磁性材料的磁性材料的磁化磁化和和非磁化非磁化有两种状态。可以分别表有两种状态。可以分别表示二进制数据示二进制数据0和和1。外存储器外存储器（3）磁盘结构及工作原理）磁盘结构及工作原理外存储器外存储器（3）磁盘结构及工作原理）磁盘结构及工作原理支撑臂外存储器外存储器（4）相关概念）相关概念一个磁盘盘片的单面或双面上可保存数据。一个磁一个磁盘盘片的单面或双面上可保存数据。一个磁盘可以有多张盘片。盘可以有多张盘片。每个盘面都有一个盘面号，按顺序从上至下从每个盘面都有一个盘面号，按顺序从上至下从“0”开始依次编号。开始依次编号。由于每个盘面都有自己的磁头，因此，盘面数等于由于每个盘面都有自己的磁头

13、，因此，盘面数等于总的磁头数。盘面号又叫磁头号。总的磁头数。盘面号又叫磁头号。磁道磁道：每个盘面在格式化时，被划分成许多同心圆，：每个盘面在格式化时，被划分成许多同心圆，这些同心圆轨迹叫做磁道。磁道从外向内从这些同心圆轨迹叫做磁道。磁道从外向内从0开开始顺序编号。始顺序编号。外存储器外存储器（4）相关概念）相关概念扇区扇区：每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便：每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区。扇区从是磁盘的扇区。扇区从“1”开始编号。开始编号。每个扇区可以存放每个扇区可以存放512个字节的信息，磁盘驱动器个字节的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，要在向磁盘读取和写

14、入数据时，要以扇区为单位以扇区为单位。柱面柱面：每个盘面都被划分为数目相等的磁道，具有：每个盘面都被划分为数目相等的磁道，具有相同编号（相同半径）的磁道形成一个圆柱，称相同编号（相同半径）的磁道形成一个圆柱，称之为磁盘的柱面。之为磁盘的柱面。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。磁盘的柱面数与一个盘面上的磁道数是相等的。外存储器外存储器（5）磁盘的地址组成）磁盘的地址组成盘面号、磁道号、扇区号和数据块的长度盘面号、磁道号、扇区号和数据块的长度（6）磁盘的容量计算）磁盘的容量计算磁盘的存储容量磁盘的存储容量=磁头数（盘面数）磁头数（盘面数）磁道数（柱面）磁道数（柱面）每磁道扇区数每磁道扇区数

15、每扇区字节数每扇区字节数外存储器外存储器1、磁盘、磁盘磁盘内部组成磁盘内部组成磁盘与磁盘驱动器是封装在一起的。磁盘与磁盘驱动器是封装在一起的。磁盘片读写磁头外存储器外存储器2、光盘（、光盘（Compact Disc）（1）光盘材质）光盘材质光盘是用表面覆盖有反光物的材料制造的，反光面光盘是用表面覆盖有反光物的材料制造的，反光面的平和凹也有两种状态。根据激光照射后反射光的平和凹也有两种状态。根据激光照射后反射光的不同表示不同信息。的不同表示不同信息。（2）光盘存储数据原理）光盘存储数据原理光盘存储数据的方法光盘存储数据的方法 利用高强度激光束造成光盘相应位置上反光材料表面为利用高强度激光束造成光

16、盘相应位置上反光材料表面为凹坑状态凹坑状态外存储器外存储器（3）光盘的分类（格式）光盘的分类（格式）CD（Compact Disc）CD-ROM（CD-Read Only Memory，只读光盘），只读光盘）CD-R（CD-Recordable，一次写入型光盘），一次写入型光盘）CD-RW（CD-ReWriteable，可重复写光盘），可重复写光盘）常用的常用的CD容量有容量有650MB和和700MB两种。两种。VCD（Video CD，视频，视频CD）可存储约可存储约70分钟的基于分钟的基于MPEG-1标准的影视节目。标准的影视节目。CD只能播放音乐，不能播放视频信息。只能播放音乐，不能播放

17、视频信息。VCD的存储容量和的存储容量和CD相同。相同。外存储器外存储器（3）光盘的分类（格式）光盘的分类（格式）DVD（Digital Versatile Disk，数字通用光盘），数字通用光盘）DVD-Video：用于存储和播放电影和其他可视娱：用于存储和播放电影和其他可视娱乐节目。乐节目。DVD-ROM：用于存储数据。：用于存储数据。DVD-R：可供用户写入一次数据。：可供用户写入一次数据。DVD-RAM：能随机存取并可以重写：能随机存取并可以重写100000次。次。DVD-RW：采用顺序存取并可以重写：采用顺序存取并可以重写1000次。次。DVD Audio：用于存储高质量音质的音频数

18、据。：用于存储高质量音质的音频数据。外存储器外存储器（3）光盘的分类（格式）光盘的分类（格式）光盘的使用要有光盘驱动器的配合。光盘的使用要有光盘驱动器的配合。外存储器外存储器3、闪存（、闪存（Flash Memory）闪存是一种闪存是一种不挥发性不挥发性（非易失性）存储器，在没有（非易失性）存储器，在没有电流供应的条件下，也能够长久的保持数据。电流供应的条件下，也能够长久的保持数据。闪存种类：闪存种类：U盘、盘、CF、SM、SD、MMC、XD卡、卡、MS、TF卡等。卡等。闪存卡（闪存卡（Flash Card）一般应用在数码相机，掌上）一般应用在数码相机，掌上电脑，手机、电脑，手机、MP3、MP

19、4等小型数码产品中作等小型数码产品中作为存储介质。为存储介质。外存储器外存储器4、移动硬盘（、移动硬盘（Mobile Hard disk）移动硬盘是移动硬盘是以硬盘为存储介质以硬盘为存储介质的存储产品。是一种的存储产品。是一种便携性的存储产品。便携性的存储产品。市场上绝大多数的移动硬盘都是市场上绝大多数的移动硬盘都是以标准硬盘为基础以标准硬盘为基础的的，而只有很少部分的是以微型硬盘，而只有很少部分的是以微型硬盘(1.8英寸硬英寸硬盘等盘等)，但价格因素决定着主流移动硬盘还是以，但价格因素决定着主流移动硬盘还是以标准笔记本硬盘为基础。标准笔记本硬盘为基础。移动硬盘多采用移动硬盘多采用USB、IE

20、EE1394等传输速度较快等传输速度较快的接口，可以较高的速度与系统进行数据传输。的接口，可以较高的速度与系统进行数据传输。移动硬盘一般由移动硬盘一般由硬盘硬盘加上加上带有带有USB或或IEEE 1394接接口的硬盘盒口的硬盘盒构成。构成。外存储器外存储器4、移动硬盘（、移动硬盘（Mobile Hard disk）(a)1.8英寸(250GB)(b)2.5英寸(2TB)(c)3.5英寸(4TB)存储设备存储设备存储器的层次结构存储器的层次结构存储容量从小到大形成如下层次存储容量从小到大形成如下层次寄存器寄存器高速缓存高速缓存内存（主存储器）内存（主存储器）外存（辅助存储器）外存（辅助存储器）.

21、输入输入/输出设备输出设备输入设备输入设备输出设备输出设备输入设备输入设备概念概念用来向计算机输入各种原始数据和程序的设备叫做用来向计算机输入各种原始数据和程序的设备叫做输入设备。输入设备。输入设备把输入设备把各种形式的信息各种形式的信息，如数字、文字、图形、，如数字、文字、图形、图像等图像等转换为转换为计算机能识别的计算机能识别的二进制二进制“编码编码”，并把它们输入到计算机存储起来。并把它们输入到计算机存储起来。常用输入设备常用输入设备键盘（键盘（Keyboard）鼠标（鼠标（Mouse）触摸屏（触摸屏（Touch Screen）扫描仪（扫描仪（Scanner）输出设备输出设备概念概念从计

22、算机输出数据的设备叫做输出设备。从计算机输出数据的设备叫做输出设备。输出设备把计算机加工处理的二进制信息转换为输出设备把计算机加工处理的二进制信息转换为用户或其他设备所需要的信息形式输出，如文用户或其他设备所需要的信息形式输出，如文字、数字、图形、图像、声音等。字、数字、图形、图像、声音等。常用输出设备常用输出设备显示器（显示器（Display Device）打印机（打印机（Printer）绘图仪（绘图仪（Plotter）投影仪（投影仪（Projector）.子系统的互连子系统的互连定义定义总线（总线（bus）是多个）是多个系统部件系统部件之间进行之间进行数据传输数据传输的的公共通路公共通路。

23、系统总线的分类系统总线的分类1 1、数据总线（、数据总线（Data BusData Bus）数据用来传送要处理的数据。数据用来传送要处理的数据。位数与计算机字长的位数相同。位数与计算机字长的位数相同。2 2、地址总线（、地址总线（Address BusAddress Bus）用来传送数据的地址，即数据在内存的存放地址或用来传送数据的地址，即数据在内存的存放地址或外部设备的地址。外部设备的地址。位数位数(n)(n)决定了决定了CPUCPU可直接寻址的内存容量可直接寻址的内存容量(2(2n n个字个字)3 3、控制总线（、控制总线（Control BusControl Bus）用来传送控制处理过程

24、的控制信号。控制总线的线用来传送控制处理过程的控制信号。控制总线的线数取决于控制命令的总数。数取决于控制命令的总数。5.4.2 IO设备的连接设备的连接输入输出设备是通过输入输入输出设备是通过输入/输出控制器获接口连输出控制器获接口连接到总线上的。接到总线上的。接口的分类：并行接口的分类：并行 串行串行接口分类接口分类并行接口并行接口 数据的各位同时进行传送数据的各位同时进行传送特点是传输速度快，但当传输距离较远、位数又特点是传输速度快，但当传输距离较远、位数又多时，导致了通信线路复杂且成本提高。多时，导致了通信线路复杂且成本提高。如计算机中的并行接口主要作为打印机端口。如计算机中的并行接口主

25、要作为打印机端口。串行接口串行接口 数据逐位分时传送。数据逐位分时传送。适用于设备本身串行工作，距主机较远，或需减适用于设备本身串行工作，距主机较远，或需减少传送线的情况。少传送线的情况。几种常见控制器几种常见控制器 SCSI（小型计算机系统接口）（小型计算机系统接口）并行接口并行接口火线火线串行接口串行接口USB（通用串行总线）（通用串行总线）串行接口串行接口 输入输入/输出设备的寻址输出设备的寻址I/O独立寻址独立寻址在在I/O独立独立寻址中，用来读独立独立寻址中，用来读/写内存的指令与用写内存的指令与用来读写输入来读写输入/输出的指令完全不同。输出的指令完全不同。Read 101 Inp

26、ut 101 I/O存储器映射寻址存储器映射寻址CPU将输入将输入/输出控制器中的每一寄存器都看作内输出控制器中的每一寄存器都看作内存中的某个存储字。存中的某个存储字。优点：优点：指令少指令少缺点：缺点：输入输入/输出控制器占用了部分内存地址输出控制器占用了部分内存地址5.5 程序执行程序执行.取指令取指令将下一条要执行的指令取到将下一条要执行的指令取到CPU的指令寄存器的指令寄存器.译码译码控制单元将指令寄存器中的指令翻译成可执行的二控制单元将指令寄存器中的指令翻译成可执行的二进制代码进制代码.执行执行 输入输入/输出操作输出操作1.程序控制输入程序控制输入/输出输出发出I/O命令检查设备状

27、态传输一个字给我提供人员信息好了没有好了没有好了，给你XXXXXX2.中断控制输入中断控制输入/输出输出发出I/O命令传输一个字中断给我提供人员信息准备好了3.直接存储器存取直接存储器存取（DMA）主要用于高速主要用于高速I/O设备间传输大量的数据块。设备间传输大量的数据块。DMA传输前，传输前，CPU要把总线控制权交给要把总线控制权交给DMA控制控制器，而在结束器，而在结束DMA传输后，传输后，DMA控制器应立即把控制器应立即把总线控制权再交回给总线控制权再交回给CPU。发出I/O命令等待中断中断（DMA准备数据传输）中断中断（DMA已完成数据传输）释放总线，等待DMA结束做其他事情CPU1

28、234DMA内存磁盘控制器磁盘2324252627缓存地址控制传输字节数23，3，O23O3总线请求1235.6 不同的体系结构不同的体系结构CISC（复杂指令集计算机）（复杂指令集计算机）使用大量的指令，包括复杂指令。程序设计简单，使用大量的指令，包括复杂指令。程序设计简单，因为每一项简单或复杂的任务都有一条对应的指因为每一项简单或复杂的任务都有一条对应的指令。但是指令的复杂导致电路非常复杂。令。但是指令的复杂导致电路非常复杂。RISC（精简指令集计算机）（精简指令集计算机）使用少量的指令完成最少的简单操作。程序设计使用少量的指令完成最少的简单操作。程序设计费事费时，因为复杂指令需要简单指令模拟。费事费时，因为复杂指令需要简单指令模拟。流水线流水线取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码执行取指令译码取指令