大学计算机基础：第3章 计算机系统的基本组成和基本工作原理第1次课.ppt

1.1.浮点数的表示浮点数的表示2.2.文字的表示和处理文字的表示和处理 ASCIIASCII码、机内码码、机内码3.3.汉字的输出汉字的输出 点阵、矢量点阵、矢量4.4.常见文本类型常见文本类型 TXTTXT、、RTFRTF复习上节课内容：复习上节课内容：1练习：练习：1.1.写原码、反码和补码写原码、反码和补码 123123、、-111-1112.2.若某机器字长为若某机器字长为1616位，假设用前位，假设用前4 4位来表示阶码位来表示阶码( (补码表示补码表示) ) ，后，后1212位表示尾数位表示尾数( (补码表示补码表示) )，则下，则下面面1616位二进制数表示的十进制是多少？位二进制数表示的十进制是多少？ 1101 1011000000001101 1011000000003.3.有十六进制序列，判断其中有多少个汉字和西有十六进制序列，判断其中有多少个汉字和西文字符 67 C5 E8 D9 BE 34 21 B9 F567 C5 E8 D9 BE 34 21 B9 F523.1 3.1 计算机的基本组成计算机的基本组成3.2 3.2 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成3.3 3.3 微型计算机的主机系统微型计算机的主机系统3.4 3.4 微型计算机的外部设备微型计算机的外部设备3.5 3.5 计算机软件系统的组成与分类计算机软件系统的组成与分类3.6 3.6 计算机基本工作原理计算机基本工作原理3 3 计算机系统的基本组成和基本工作原理计算机系统的基本组成和基本工作原理33.1 3.1 计算机的基本组成计算机的基本组成3.1.1 3.1.1 计算机系统的组成计算机系统的组成3.1.2 3.1.2 计算机的逻辑组成计算机的逻辑组成3.1.3 3.1.3 计算机硬件基本结构的发展计算机硬件基本结构的发展43.1.1 3.1.1 计算机系统的组成计算机系统的组成硬件硬件系统系统软件软件系统系统+计算机计算机系统系统=5计算机系统中由有形电子线路和机电物理装置组计算机系统中由有形电子线路和机电物理装置组计算机系统中由有形电子线路和机电物理装置组计算机系统中由有形电子线路和机电物理装置组成的成的成的成的物理设备物理设备物理设备物理设备的实体叫硬件。

的实体叫硬件的实体叫硬件的实体叫硬件硬件硬件这些我们能看见、感这些我们能看见、感知的东西都是硬件知的东西都是硬件67在硬件上运行的在硬件上运行的程序程序和和相关的数据相关的数据及及文档文档软件软件8软软件件系系统统系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统网络软件网络软件程序设计语言程序设计语言语言编译和解释系统语言编译和解释系统办公软件办公软件…数据库应用系统数据库应用系统…9硬件和软件的关系硬件和软件的关系•硬件是软件工作的基础硬件是软件工作的基础•软件是硬件功能的扩充和完善软件是硬件功能的扩充和完善•软件和硬件结合才成为一个完整的计算机系统软件和硬件结合才成为一个完整的计算机系统•实际上，软件和硬件的功能没有明确分界：实际上，软件和硬件的功能没有明确分界：•软件硬化或固化软件硬化或固化•硬件软化硬件软化10ENIAC (1946)掌上电脑掌上电脑计算机的外形发生计算机的外形发生巨大变化，但硬件巨大变化，但硬件的基本逻辑结构都的基本逻辑结构都建立在同一模型基建立在同一模型基础上的3.1.2 3.1.2 计算机的逻辑组成计算机的逻辑组成11冯冯··诺伊曼（诺伊曼（John Von NeumannJohn Von Neumann，，1903-19571903-1957））美籍匈牙美籍匈牙利学者，他在遍历理论、拓扑群理论等方面做出了开创性的工作，利学者，他在遍历理论、拓扑群理论等方面做出了开创性的工作，是是2020世纪最伟大的世纪最伟大的数学家数学家之一，在之一，在3030年代撰写的年代撰写的《《量子力学的数量子力学的数学基础学基础》》对对原子物理学原子物理学的发展有极其重要的价值；建立的经济增的发展有极其重要的价值；建立的经济增长横型体系，特别是长横型体系，特别是4040年代出版的著作年代出版的著作《《博弈论和经济行为博弈论和经济行为》》，，在在经济学经济学和决策科学领域竖起了一块丰碑和决策科学领域竖起了一块丰碑。

19451945年提出了年提出了““程序程序内存式内存式””计算机的设计思想计算机的设计思想, , 被誉为被誉为““计算机之父计算机之父”” 12冯冯··诺伊曼的设计思想：诺伊曼的设计思想：（（1）计算机的五大部件）计算机的五大部件 运算器、控制器、存储器、输入设备、运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备输出设备2 2）二进制（计算机数字化存储））二进制（计算机数字化存储） 计算机编码采用二进制数字化表示，计算机编码采用二进制数字化表示，也就是计算机内部的所有信息仅由也就是计算机内部的所有信息仅由0 0、、1 1来来表示13冯冯··诺伊曼的设计思想：诺伊曼的设计思想：（（3）存储程序）存储程序 把程序（解决问题的详细步骤）存储把程序（解决问题的详细步骤）存储在计算机内，使计算机执行程序时，无需在计算机内，使计算机执行程序时，无需人工干预，能自动、连续地读取、执行指人工干预，能自动、连续地读取、执行指令，并得到预期的结果令，并得到预期的结果电子计算机：也称电子计算机：也称冯冯··诺伊曼计算机诺伊曼计算机14按照冯按照冯··诺依曼的设计理论，计算机的五大基诺依曼的设计理论，计算机的五大基本组成部件：本组成部件：输入输入设备设备 存储器存储器输出输出设备设备控制器控制器运算器运算器数据流：数据流：数据流：数据流：控制流：控制流：控制流：控制流：程序程序数据数据结果结果15①①运算器运算器：：是直接执行各种操作的装置，是直接执行各种操作的装置，它在控制器和程序的控制下完成各种算术它在控制器和程序的控制下完成各种算术运算和逻辑运算和逻辑判断、逻辑比较等。

运算和逻辑运算和逻辑判断、逻辑比较等也称为算术逻辑部件（也称为算术逻辑部件（ALUALU）②②控制器控制器：：是计算机的指挥中心，它按人是计算机的指挥中心，它按人们预先编好的程序进行工作，根据程序中们预先编好的程序进行工作，根据程序中指令的要求，有序地向各个部件发出控制指令的要求，有序地向各个部件发出控制信息，控制信息存储、各种运算、信息输信息，控制信息存储、各种运算、信息输入输出16存储器存储器内存内存外存外存③③存储器存储器 (Memory)(Memory)：：存放程序和原始数存放程序和原始数据的记忆装置据的记忆装置按功能可以分为：按功能可以分为：17内内存存外外存存U U盘盘、、硬盘硬盘、、光盘等光盘等随机存取存储器（随机存取存储器（RAMRAM）：）：可读可写，可读可写，断电后信息丢失断电后信息丢失只读存储器（只读存储器（ROMROM）：）：只读，信息不会只读，信息不会丢失丢失存放当前运行的数据和程序存放当前运行的数据和程序存放暂时不用的信息存放暂时不用的信息18CPUCPU直接访问内存储器，不能直接访问外存直接访问内存储器，不能直接访问外存 19外存外存 存取速度比内存慢、容量大、价格低，存取速度比内存慢、容量大、价格低，可以长久地存储信息，可以长久地存储信息，““永久性存储设备永久性存储设备””内存内存的的存取速度存取速度外存外存的的存取速度存取速度内存内存 存取速度快、容量小、价格高，内存存取速度快、容量小、价格高，内存的读写速度：十亿分之一秒（纳秒级）的读写速度：十亿分之一秒（纳秒级）201001101011001100001010110101000110010110位位字节字节位：位： 每一个二进制数每一个二进制数0 0或或1 1所占的数位所占的数位是信息存储的是信息存储的最小单位，最小单位，bit bit 比特比特 简称简称b b字节：字节：字节：字节：8个二进制位个二进制位是计量存储容量的是计量存储容量的基本基本 单位单位 Byte 简称简称B1B=8bit 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB存储器的相关概念存储器的相关概念211 0 1 1 0 1 1 00 1 0 1 1 0 0 0某存储器片断：某存储器片断：地址：地址：存储单元的编号存储单元的编号内容：内容：存储单元中存放的信息存储单元中存放的信息38F04H地址地址......14F04H存储存储内容内容地址：地址：存储单元的编号存储单元的编号22例如：例如：256M内存内存实际存储容量为：实际存储容量为：256MB =256 * 210 KB =256 * 1024 * 1024 B =268435456 B存储容量：存储容量：存储器所包含的存储单元总数存储器所包含的存储单元总数23④④输入设备输入设备(Input Device)是把信息送到计算机系统。

输入的信息有多种：是把信息送到计算机系统输入的信息有多种： 例如：例如：数字、文字、位置、命令、图形、声音、数字、文字、位置、命令、图形、声音、视频温度、压力等视频温度、压力等I/O设备是设备是人人和和计算机计算机交互的桥梁交互的桥梁⑤⑤输出设备输出设备(Output Device)是从计算机系统送出信息是从计算机系统送出信息例如：例如：文本、语音、音乐、图像、动画等文本、语音、音乐、图像、动画等24各物理部件由各物理部件由系统总线系统总线连接，实现信息的传递连接，实现信息的传递CPU 内存储器内存储器系统总线系统总线I/O控制器控制器外存储器外存储器输出设备输出设备输入设备输入设备I/O控制器控制器I/O控制器控制器I/O端口端口I/O端口端口外存储器接口外存储器接口主主机机外外设设3.1.3 3.1.3 计算机基本结构的发展计算机基本结构的发展以以CPU为中心，成为计算机速度提高的为中心，成为计算机速度提高的“瓶颈瓶颈”25（（1 1）主机和外设）主机和外设v主机主机 ＝＝ CPU + CPU + 内存内存v主机系统主机系统＝主机＋＝主机＋I/OI/O控制器＋系统总线控制器＋系统总线v外设外设 ＝＝ 外存储器外存储器 ＋＋ 输入输入/ /输出设备输出设备（（2 2））I/OI/O控制器控制器 实现各种外部设备与主机之间连接实现各种外部设备与主机之间连接的接口电路的接口电路26（（3）总线（）总线（Bus）） 用来连接用来连接CPUCPU、、内存、外存和各种输入输出设备内存、外存和各种输入输出设备并协调它们工作的一个控制部件，其主要组成部并协调它们工作的一个控制部件，其主要组成部分是用于在各部件间运载信息的一组（或多组）分是用于在各部件间运载信息的一组（或多组）公用的传输线，并由此而得名。

公用的传输线，并由此而得名根据总线上传输信根据总线上传输信息的不同，分为：息的不同，分为：数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线27 地址总线的根数影响着地址总线的根数影响着CPUCPU对内存的对内存的寻址范围寻址范围例如：例如： IntelIntel公司于公司于19811981年推出的年推出的80868086微处理器，微处理器，地址总线有地址总线有2020条，则内存的寻址范围为：条，则内存的寻址范围为：2 22020=1MB =1MB end 3.1end 3.1注意：注意：总共可以表示多少个地址？总共可以表示多少个地址？283.2.1 3.2.1 微型计算机系统的层次微型计算机系统的层次3.2.2 3.2.2 微型计算机的硬件基本组成微型计算机的硬件基本组成3.2.3 3.2.3 微型计算机系统的主要性能指标微型计算机系统的主要性能指标3.2 3.2 微型计算机系统的组成微型计算机系统的组成293.2.1 3.2.1 微型计算机系统的层次微型计算机系统的层次微机的三个层次：微机的三个层次：微处理器微处理器微型计算机微型计算机微型计算机系统微型计算机系统局部局部 全局全局 单片机单片机End 3.2.1 End 3.2.1 303.2.2 3.2.2 微型计算机的硬件基本组成微型计算机的硬件基本组成主机主机 + 外设外设31主机箱外观：主机箱外观：微机的主机箱从外部看，包括：微机的主机箱从外部看，包括：Ø指示灯指示灯Ø按钮与开关按钮与开关Ø各类各类I/O端口端口Ø电源供电插座电源供电插座Ø软驱或光驱的插入槽软驱或光驱的插入槽32背面：背面：33机箱内包含：机箱内包含：主板、硬盘、软驱、光驱、电源、主板、硬盘、软驱、光驱、电源、风扇风扇等等34电电 源源35硬盘：硬盘：36软盘软盘软盘驱动器软盘驱动器37光盘驱动器：光盘驱动器：38扩展板卡：是系统与扩展板卡：是系统与I/O设备的接口。

设备的接口End 3.2.2 End 3.2.2 393.2.3 3.2.3 微型计算机系统的微型计算机系统的主要性能指标主要性能指标（（1 1））CPUCPU指标指标（（CPUCPU字长、字长、CPUCPU时钟频率）时钟频率）（（2 2）内存容量）内存容量（（3 3）运算速度）运算速度（（MIPSMIPS、、MFLOPSMFLOPS））（（4 4）外部设备的配置及扩展能力）外部设备的配置及扩展能力（（5 5）软件配置）软件配置End 3.2End 3.2403.3 3.3 微型计算机的主机系统微型计算机的主机系统 3.3.1 3.3.1 微处理器微处理器 3.3.2 3.3.2 微机主板及其主要部件微机主板及其主要部件 3.3.3 3.3.3 存储器层次结构存储器层次结构 3.3.4 I/O3.3.4 I/O操作、操作、I/OI/O控制器与控制器与I/OI/O端口端口 3.3.5 3.3.5 微机总线微机总线413.3.1 微处理器微处理器 (Micro Processor Unit, MPU)CPU(Central Processor Unit)中央处理器中央处理器42CPU决定计算机的决定计算机的主要性能和运算速度主要性能和运算速度。

43内容提要内容提要（（1）） CPU的发展和现状的发展和现状(自学自学)（（2）） CPU运算速度的度量单位运算速度的度量单位（（3）） CPU的主要性能指标的主要性能指标44CPUCPU的性能主要体现在的性能主要体现在运算速度运算速度上uu MIPS：：百万条定点指令／秒百万条定点指令／秒（（（（Million Instructions Per SecondMillion Instructions Per Second）））） 例如例如例如例如, P4, P4微处理器运算速度已超过微处理器运算速度已超过微处理器运算速度已超过微处理器运算速度已超过100 MIPS100 MIPS指微机每秒钟能执行多少条指令指微机每秒钟能执行多少条指令（（2 2））CPUCPU运算速度的度量单位运算速度的度量单位uu MFLOPS：：百万条浮点指令／秒百万条浮点指令／秒（（（（Million Floating Instructions Per Second Million Floating Instructions Per Second ））））45P4处理器及其表面蚀刻的信息处理器及其表面蚀刻的信息2.80GHZ/1M/800什么意思？？？什么意思？？？（（3 3））CPUCPU的主要技术参数的主要技术参数46①①字长：字长：指指CPUCPU运算器位数或寄存器位数，表示运算器位数或寄存器位数，表示CPUCPU在同一在同一时时刻能刻能处处理的最大数据位数。

理的最大数据位数 微处理器字长演变：微处理器字长演变：•Intel 4004: Intel 4004: 4 4位位(1971(1971年，世界第一个微处理器年，世界第一个微处理器) )•Intel 8008,8080:Intel 8008,8080: 8 8位位•Intel 8086: Intel 8086: 1616位位•Intel 80386,80486,PentiumIntel 80386,80486,Pentium：：3232位位•AMD AMD AthlonAthlon 64 64：：6464位位• 决定了计算的精度决定了计算的精度• 通常是通常是2 2的整数次幂的整数次幂47②②主频主频：：CPUCPU运算时的工作频率，决定着运算时的工作频率，决定着CPUCPU内部的数据传输和指令执行的频率，单内部的数据传输和指令执行的频率，单位位HzHz Ø如：如：AMD A10-5800K CPU主频为：主频为：3.8GHzØ表示在表示在CPUCPU内数字脉冲信号震荡的速度内数字脉冲信号震荡的速度Ø与与CPUCPU实际的运算能力并没有直接关系实际的运算能力并没有直接关系。

因此主频仅是因此主频仅是CPUCPU性能表现的一个方面，而性能表现的一个方面，而不代表不代表CPUCPU的整体性能的整体性能Ø主频相同的主频相同的CPUCPU，其性能不一定都一样其性能不一定都一样48③③外频：外频：Ø主板为主板为CPU提供的基准时钟频率；提供的基准时钟频率；Ø是系统总线的工作频率，具体是指是系统总线的工作频率，具体是指CPU到芯到芯片组之间的总线工作频率片组之间的总线工作频率如：如：AMD A10-5800K 外频外频:100MHz49④④倍频：倍频： 处理器的工作频率很高，主板的反应速度处理器的工作频率很高，主板的反应速度相应较慢，为了让处理器和主板相匹配，必须相应较慢，为了让处理器和主板相匹配，必须让处理器的速度和主板之间形成一个相对稳定让处理器的速度和主板之间形成一个相对稳定的倍数主频主频 = 倍频倍频 × 外频外频如：如：AMD A10-5800K 倍频为：倍频为：38倍倍 50⑤⑤ 缓存容量缓存容量一级缓存一级缓存二级缓存二级缓存例如：例如：AMD Athlon64 FX-60 一级缓存一级缓存　　L1 128K 二级缓存二级缓存　　L2 2048 KAMD A10-5800K 二级缓存：二级缓存：4MB 51⑥⑥ CPUCPU的生产工艺技术的生产工艺技术 在硅材料上生产在硅材料上生产CPUCPU时内部各元器件间的连时内部各元器件间的连接线宽度，单位通常是微米接线宽度，单位通常是微米( (μμm)m)和和纳纳米米(nm)(nm)。

例如：例如：0.065μm（（65nm）、）、 0.045μm AMD A10-5800K 制作工艺为：制作工艺为：32纳米纳米 52⑦⑦总线频率：总线频率：数据传输的速度数据传输的速度补充：补充： 目前目前PCPC机上所能达到的前端总线频率机上所能达到的前端总线频率有有266MHz266MHz、、333MHz333MHz、、400MHz400MHz、、533MHz533MHz、、800MHz800MHz、、1066MHz1066MHz 前端总线频率越大，代表着前端总线频率越大，代表着CPUCPU与北桥与北桥芯片之间的数据传输能力芯片之间的数据传输能力越大，更能充分越大，更能充分发挥出发挥出CPUCPU的功能53⑧⑧处理器接口处理器接口/ /针脚数针脚数 目前目前CPUCPU都采用针脚式接口与主板相连，而都采用针脚式接口与主板相连，而不同的接口的不同的接口的CPUCPU在针脚数上各不相同在针脚数上各不相同CPU接口类型的命名，习惯用针脚数来表示接口类型的命名，习惯用针脚数来表示。

举例：举例：Pentium 4——Socket 478接口；接口；Athlon XP——Socket 462接口还有，无针脚的触点式接口，如还有，无针脚的触点式接口，如INTEL的的LGA775 (数字代表有多少个触点数字代表有多少个触点) 54小结：小结：• •字长：字长：指指CPUCPU运算器位数或寄存器位数运算器位数或寄存器位数 • •主频：主频：CPUCPU内核电路的实际工作频率内核电路的实际工作频率• •外频：外频：计算机系统的基本时钟计算机系统的基本时钟•倍频：倍频：主频与外频之间的比例系数主频与外频之间的比例系数•缓存容量：缓存容量：减少减少CPUCPU访问内存的次数，加快程序访问内存的次数，加快程序运行速度运行速度• •生产工艺技术：生产工艺技术：线宽值越小，则生产工艺越先线宽值越小，则生产工艺越先进，器件集成度越高，功耗越小进，器件集成度越高，功耗越小55P4处理器及其表面蚀刻的信息处理器及其表面蚀刻的信息2.80GHZ/1M/800主频主频 二级缓存二级缓存前端总线频率前端总线频率实例实例156实例实例2End 3.3.1 End 3.3.1 57课后作业课后作业1.1.复习本节课内容复习本节课内容2.2.预习预习3.33.3剩余部分和剩余部分和3.43.43.3.完成课后相应复习题完成课后相应复习题58。