计算机导论csi-2-计算机系统的组成.ppt

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1、第二章 计算机系统的组成 2.1 四大功能部件 2.2 程序存储原理 2.3 计算机系统12.1 四大功能部件四大功能部件主存主存/内存内存（Main memory）CPU外部设备外部设备/IO设备设备总线总线（BUS）I/O设备内存CPU主机主机外设外设22.1、内存内存（Main memory）1 内存单元内存单元（Memory cell）Bit 位位 最基本的存储单位，最基本的存储单位，1B存放一个存放一个o或或1Word 字字 内存单元中存放的数据内容内存单元中存放的数据内容Word size 字长字长 一个字包含的位数，一个字包含的位数，8、16、32、64 Byte 字节字节 数据

2、存储单位，数据存储单位，1 Byte=8 BitsAddress 地址地址 内存单元的编号，标识要访问的单元内存单元的编号，标识要访问的单元 Capacity容量容量 存储器的单元数或字节数存储器的单元数或字节数 （单位：（单位：K,M,G）1K=1024 1M(兆兆)=1024K 1G=1024M32.内存读写内存读写Read/write 读读操作：把单元存放的数据内容传送出来操作：把单元存放的数据内容传送出来写写操作：更新单元中存放的数据内容操作：更新单元中存放的数据内容43出种类出种类 nRAM（随机存取存储器）随机存取存储器）按指定地址读写数据、断电丢失数据按指定地址读写数据、断电丢失

3、数据动态动态DRAM，周期性刷新周期性刷新静态静态SRAM，通电保存通电保存nROM（只读存储器）断电后数据可保存只读存储器）断电后数据可保存 PROM 写入一次后只读写入一次后只读EPROM 可用光可用光擦洗擦洗、再写入后、再写入后只读只读EEPROM 可用电信号可用电信号擦洗擦洗5n Cache memory 高速缓冲存储器高速缓冲存储器 存取如同存取如同RAM，但速度更快，价格更贵但速度更快，价格更贵。n Flash memory 闪存闪存 有断电保存数据能力有断电保存数据能力相对高的读写速度相对高的读写速度仍较少用作内存仍较少用作内存RAM多用作数据的保存和转移（外存）多用作数据的保存

4、和转移（外存）62.2、CPU(中央处理机/器）1 作用作用 运算运算：执行对数据的操作：执行对数据的操作 控制控制：协调计算机所有部件的处理动作：协调计算机所有部件的处理动作处理器处理器 processor 微处理器微处理器 microprocessor（PC机的）机的）协处理器协处理器 coprocessor（辅助操作）辅助操作）芯片芯片 chip、microchip 处理器集成电路处理器集成电路主板主板 system board/mother board 安装安装CPU、内存条内存条的电路板的电路板72 主要组成部件主要组成部件 ALU 算术逻辑运算器算术逻辑运算器 执行算术操作和逻辑操

5、作执行算术操作和逻辑操作Control unit 控制器控制器 控制操作的执行控制操作的执行Register 寄存器寄存器 存取极高速，暂存数据，配合存取极高速，暂存数据，配合ALU、CU工作工作 可分：数据寄存器，指令寄存器，地址寄存器可分：数据寄存器，指令寄存器，地址寄存器 通用寄存器（通用寄存器（GR）累加器累加器 accumulator 程序计数器程序计数器 （Program Counter/PC)83 处理速度处理速度 较大型机：专用较大型机：专用CPU，MIPS（百万条指令百万条指令/每秒）每秒）微机：微机：通用通用CPU，（系统时钟）系统时钟）主频主频 MHz 1MHz相当于相当

6、于1百万个机器周期百万个机器周期/每秒每秒 每条机器指令（操作）要若干个每条机器指令（操作）要若干个 机器周期（机器周期（Machine Cycle)才能完成。才能完成。9主要的外部设备主要的外部设备外存储器（外存储器（external/secondary storage）输入设备（输入设备（Input device）输出设备（输出设备（Output device）终端设备（终端设备（terminal）2.1.3、外部设备外部设备10（1）外存（储器）外存（储器）external/secondary storage 存储量大、成本低、存取速度比内存慢存储量大、成本低、存取速度比内存慢 长期保存

7、数据长期保存数据 磁盘磁盘 1 外存外存 disk软盘软盘 diskette（floppy disk）硬盘硬盘 hard disk 11 盘片盘片 disk 和和 驱动器驱动器 Driver 磁道磁道TrackSector 扇区扇区Access arm(R/W)读写臂Head 磁头Cylinder圆柱圆柱/柱面柱面磁盘组stack/packSpindle 轴盘片12随机存取存储器随机存取存储器 direct/random access storage可以在相同的时间数量级内、按指定的任意可以在相同的时间数量级内、按指定的任意磁盘地址（柱号、道号、扇区号）存取数据。磁盘地址（柱号、道号、扇区号）

8、存取数据。毫秒毫秒级（存取动作涉及机械运动）级（存取动作涉及机械运动）;Seek time 寻道寻道时间时间Latency （旋转旋转)延迟延迟时间时间13 硬盘硬盘 存储量大，几十个存储量大，几十个GB以上；以上；盘片密封，工作寿命长；盘片密封，工作寿命长；用作数据长期保存；用作数据长期保存；软盘软盘 存储量小，如存储量小，如 3”diskette 为为 1.44 MB/1.2 MB 盘片可拆卸，多用作数据迁移；盘片可拆卸，多用作数据迁移；价格便宜、寿命较短；价格便宜、寿命较短；14 Tape 磁带磁带 tapeCartridge 盒式Reel 卷式tape unit 磁带机磁带机/驱动器驱

9、动器 79 track 磁轨磁轨 顺序存取设备顺序存取设备 Sequential storage 沿沿磁带长度方向依次存取数据；磁带长度方向依次存取数据；平均存取速度为秒级；平均存取速度为秒级；价低，主要用为数据备份设备价低，主要用为数据备份设备 backup device15 O Optical disk 光盘光盘 原理：激光在金属面的反射状态原理：激光在金属面的反射状态 0/1CD-ROM 只读光盘只读光盘 速度速度 1X40X 150KB/S 6MB/S 容量容量 650MBCD-R recordable 可刻录光盘可刻录光盘 空白；写入一次后只读；空白；写入一次后只读；CD-RW 可重

10、写光盘可重写光盘 容量容量 M级；价格贵；级；价格贵；DVD-ROM digital video 容量容量 G级级16 Flash Memory 闪存闪存 无无驱动器驱动器 drive、存取速度较快；存取速度较快；兆级兆级、如、如128MB、256MB；工作时通电、断电后数据仍长期保存；工作时通电、断电后数据仍长期保存；多通过多通过USB接口作机外连接；接口作机外连接；“热插拔热插拔”，但注意执行操作系统的断开但注意执行操作系统的断开 USB设备命令后方可拔走设备命令后方可拔走；有取代软盘的趋势；有取代软盘的趋势；17 2 Input device 输入设备输入设备 Key board 键盘键

11、盘 用作输入字符数据；用作输入字符数据；字符键的语义最终由程序解释；字符键的语义最终由程序解释；18Pointing device 定位设备（定位设备（“选择输入选择输入”）mouse 鼠标鼠标 主要操作包括主要操作包括 point 定位定位,click 单击单击/双击双击,drag 拖动拖动 等等 touch-screen 触摸屏触摸屏 touchpad 触摸触摸板板track ball 定位球定位球 “固定的固定的mouse”joystick 游戏杆游戏杆 多用作游戏、机器人控制多用作游戏、机器人控制light pen 光笔光笔 使用渐少使用渐少 pen-based system 输入笔输

12、入笔 如如 PDA（掌上电脑）的手写输入掌上电脑）的手写输入19Scanning device 扫描设备扫描设备bar-code reader 条码阅读器条码阅读器 MICR 磁性墨水阅读器磁性墨水阅读器 （银行支票读入（银行支票读入）OMR 铅笔铅笔记号光学读入器记号光学读入器 （试卷读入）（试卷读入）OCR 印刷体印刷体/手写体手写体字符光学读入器字符光学读入器image/graphics scanner 扫描仪扫描仪 dpi 点点/英英寸寸video-input 影像输入设备影像输入设备 如如 数码相机数码相机 DC voice-recognition system 声音输入设备声音输入

13、设备sensor 传感器传感器 (其他物理量的电子输入其他物理量的电子输入)human-biology input 体征输入设备体征输入设备 如如finger print 指纹输入器指纹输入器 捕捉人体活动的传感器捕捉人体活动的传感器203 Output device 输出设备输出设备 Monitor/display 显示器显示器 阴极射线管阴极射线管CRT 液晶液晶LCD参数参数：resolution 解象度解象度 如如1024*768 pixels（点）点）dot pitch 点距点距 0.28mmrefresh rate 刷新速度刷新速度 72HzColor 颜色（种数）颜色（种数）st

14、andard 显示标准显示标准 VGA,SVGA,XGA 等等工作方式工作方式 字符方式字符方式/图象方式图象方式21Printer 打印机打印机 击打式击打式 inject printer 字符打印机字符打印机 character 针式针式 行式打印机行式打印机 line 上千行上千行/每分钟每分钟 非击打式非击打式 non-inject printer 激光打印机激光打印机 laser 喷墨打印机喷墨打印机 ink-jet Plotter （X-Y)绘图仪绘图仪224terminal 终端终端 泛指应用的泛指应用的I/O设备设备 哑终端哑终端 Domb 一般意义的一般意义的I/O设备，如键

15、盘显示器设备，如键盘显示器 智能终端智能终端 intelligent 带带CPU的终端，一种的终端，一种I/O处理机处理机 如如 POS 销售收款销售收款 ATM 银行自动柜员机银行自动柜员机 Smart card IC卡读写器卡读写器235 Interface 接口接口 外设和外设和CPU之间的连接电路之间的连接电路,如显示卡如显示卡 port 端口端口 外设连接插口外设连接插口传输方式传输方式 Parallel port（并口）并口）如打印机端口如打印机端口 Serial port （串口）串口）如如RS-232通讯端口，通讯端口，（插接（插接modem等）等）标准标准 SCSI（一种并行

16、接口）、一种并行接口）、USB（一种串行接口）一种串行接口）等等24 2.1.4、总线总线 BUS 信息的机内传送通道，把信息的机内传送通道，把cpu、内存、内存、I/O设备连接起来设备连接起来1 按传送的内容可分为按传送的内容可分为(种类种类)：数据总线；数据总线；地址总线；地址总线；控制总线；控制总线；2 结构结构单总线单总线多总线多总线3 参数参数频率频率宽度宽度4 总线标准总线标准 ISA、EISA、PCI、PCMCIA、USB25 2.2 程序存储原理2.2.1、Instruction （机器）机器）指令指令 CPU直接识别和执行的基本操作的表示。直接识别和执行的基本操作的表示。1

17、机器指令的编码形式机器指令的编码形式：二进制数：二进制数!构成：构成：操作码操作码 地址码地址码 指令系统：和（计算机）指令系统：和（计算机）CPU有关的有关的 指令集合。指令集合。262 指令集的大致分类：指令集的大致分类：算术运算类算术运算类 加、减、乘、除加、减、乘、除逻辑运算类逻辑运算类 比较、判断、与、或、非比较、判断、与、或、非传送类传送类 如如CPU 内存单元内存单元I/O类类 CPU 接口接口 外设外设控制转移类控制转移类27 3 CPU 体系结构的主要种类体系结构的主要种类 CISC 复杂指令集计算机复杂指令集计算机 指令繁多，包括完成复杂操作的指令。指令繁多，包括完成复杂操

18、作的指令。RISC 精简指令集计算机精简指令集计算机 指令种类少，每条指令只执行简单操作。指令种类少，每条指令只执行简单操作。MPP massive parallel procession 多多 CPU 并行计算机并行计算机282.2.2、程序存贮原理、程序存贮原理（1）Program 程序程序：机器指令序列，算法的最终表现形式。机器指令序列，算法的最终表现形式。（2）程序存贮程序存贮 （编写好的）程序存入内存（指令编写好的）程序存入内存（指令内存单元）内存单元）指定首地址指定首地址（第一条执行指令的内存地址）（第一条执行指令的内存地址）启动启动 CPU，逐条执行程序中的指令逐条执行程序中的指

19、令(运行程序）运行程序）按内存单元地址顺序执行指令，遇到按内存单元地址顺序执行指令，遇到 转移指令时，改变执行次序转移指令时，改变执行次序重要意义：重要意义：使控制提供速度和操作执行速度匹配。使控制提供速度和操作执行速度匹配。29 例例 求任意两个整数的最大公约数的程序求任意两个整数的最大公约数的程序 (假想指令集、单字长（假想指令集、单字长（16位）指令位）指令)15 12 110 操作码操作码 地址码地址码 4位位 12位位 P7230 单元地址单元地址 单元内容单元内容 指令含义指令含义 0201 010216 取数取数（216）AC 取取M 0202 040217 减法减法（AC)-(

20、217)AC M-N 0203 100205 条件转移条件转移 如（如（AC）0 转转0205 0204 050202 无条件转移无条件转移 再去减再去减N 0205 030217 加法加法 +N 恢复恢复 M N 的余数的余数R 0206 060215 条件转移条件转移 如（如（AC）=0 转转0215 0207 020220 存数存数（AC）0220 暂存暂存 0的的R 0210 010217 取数取数 （217)AC 取取N 0211 020216 存数存数 (AC)0216 N M 0212 010220 取数取数 (0220)AC 取取R 0213 020217 存数存数 (AC)0

21、217 R N 0214 050201 无条件转移无条件转移 “碾转相除碾转相除”直到直到R=0 0215 000000 停机停机31 0216 000100 无符号整数无符号整数M 640217 000014 无符号整数无符号整数N 120220 000000 余数余数R的暂存单元的暂存单元 程序：程序：13条机器指令条机器指令+3个数据单元个数据单元 首地址：首地址：0201 终地址：终地址：0215 顺序顺序程序的控制结构：程序的控制结构：分支分支 （0203、0206）循环循环 （02020204 内循环）内循环）（02010214 外循环）外循环）322.2.3、Von Neuman

22、n 冯冯.纽曼纽曼 结构体系结构体系 程序存储原理程序存储原理多级存储体系多级存储体系 寄存器高速缓存内存外存寄存器高速缓存内存外存加法线路为基础的运算器加法线路为基础的运算器并行处理原理（一个位的多位同时处理）并行处理原理（一个位的多位同时处理）二进制记号二进制记号 一切数据和指令在机内底层都表示为二进数一切数据和指令在机内底层都表示为二进数 数据的信息含义由程序解释；数据的信息含义由程序解释；指令的含义由指令的含义由CPU分析处理；分析处理；如何区分数据和指令？如何区分数据和指令？只能依靠程序本身的正确性只能依靠程序本身的正确性33 2.3 Computer system2.3.1、Har

23、dware&Software硬件：组成计算机的电子、电磁、光学、机械硬件：组成计算机的电子、电磁、光学、机械 等等 设备部件总称设备部件总称 软件：软件：（传统观点）完成计算任务需要的各种程序传统观点）完成计算任务需要的各种程序（现代观点）（现代观点）程序、文档、数据、开发规范程序、文档、数据、开发规范 的集合的集合34两者关系：两者关系：协同实现数据处理任务；协同实现数据处理任务；界面浮动界面浮动；如如 浮点运算：程序实现浮点运算：程序实现 或或 硬件协处理器硬件协处理器 机器指令：硬件组合逻辑机器指令：硬件组合逻辑 或或 CPU微程序微程序 “软件固化软件固化”两者技术相互推动；两者技术相

24、互推动；如如 磁盘文件磁盘文件/DB 数据组织数据组织 中断机制操作系统中断机制操作系统35主机主机CPU 内存内存 Memory 其他其他外设外设外存外存 I/O设备设备 总线总线 硬硬件件 第第二二章章36 System系统软件系统软件操作系统操作系统 OS 实用程序实用程序 Utility 语言处理语言处理DBMS网络通信网络通信防病毒程序防病毒程序Applications 应用软件应用软件软件包软件包 Package：如文字处理如文字处理自行开发自行开发软软件件372.3.2、应用结构模式、应用结构模式（1）主机集中式）主机集中式(2)C/S 方式方式 客户机（客户机（Client)服务器（服务器（Server)单单CPUCPU阵列阵列 （并行处理机系统并行处理机系统）Micro 微机微机Mainframe 主机主机 38（3）B/S方式方式 浏览器（浏览器（browser)服务器（服务器（server）（4）对等模式）对等模式（4）分布式系统）分布式系统39