硬件计算机的体系结构.ppt

第3讲、计算机的组成,浙江理工大学 刘莉,计算机组成：回顾,,,内容提要,流水线工作原理 计算机体系结构-三个子系统 计算机的大脑：处理器系统 计算机记忆系统：存储器系统 人机交互：输入输出系统 微机系统结构与常识 微机的主要硬件设备及技术指标 多媒体计算机系统,★,主题一 计算机的流水线工作原理,程序存储在外存 启动程序意味着由操作系统将程序装入内存（连续存放），通过控制器对每个指令进行取指令、分析、执行 如果是一条输入输出指令，则中断，等待输入、输出设备就绪 如果是一条加法运算指令，则通过运算器进行运算 如果是存储指令，则通过总线将数据保存到内存相应数据区 程序运行结束，控制权交给操作系统,主题二 计算机体系结构,计算机体系结构主要研究计算机的硬件组成 三个子系统：处理器子系统、存储器子系统、输入输出系统,,计算机三个子系统和总线的连接,1、计算机的大脑——中央处理器系统,计算机的核心——处理器（CPU） 中央处理器，CPU ：集成运算器和控制器 运算器 功能：完成算术和逻辑运算 组成：算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logical Unit) 及运算寄存器组 控制器 功能：取指令、译码、向各部件发出控制信号 组成：程序计数器、指令寄存器、指令译码器等,7,指令的执行步骤,,1.取指令。

即按照程序计数器中的地址（图中为“2042H”），从内存储器中取出指令（图中的指令为“075126H”），并送往指令寄存器中 2.分析指令即对指令寄存器中存放的指令（图中的指令为“075126H”）进行分析，由操作码（“07H”）确定执行什么操作，由地址码（“5126H”）确定操作数的地址 3.执行指令即根据分析的结果，由控制器发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作 4.执行指令的同时，指令计数器加1，为执行下一条指令做好准备如果遇到转移指令，则将转移地址送入指令计数器,CPU组成及工作原理,中央处理器,今天的CPU——更复杂的技术特征：流水线技术、使用大量的内部高速缓冲存储器（Cache），降低和存储器的数据交换频率、双内核技术即在一个芯片内集成两个CPU等,处理器系统小测验,CPU中的控制器的功能是______ A、进行逻辑运算 B、进行算术运算 C、控制运算的速度 D、分析指令并发出相应的控制信号,CPU的主要技术指标,主频：CPU内部元部件的工作频率(Hz) 如Pentium4/1.7G表示该CPU为奔腾Ⅳ型，主频为1.7 GHzCPU的主频越高，运算速度就越快 字长（Word）：CPU同时处理二进制的位数 Intel 80286字长16位， Intel 80486字长32位 。

目前主流微机CPU的字长为32 位（如奔腾4处理器）和64 位 外频：CPU与外围部件进行信息交换的信号频率 如CPU和存储器之间交换数据，一般使用外部信号频率进行同步典型的频率为100MHz、133MHz、200MHz、400MHz等,★,市场上主流CPU产品简介,微机市场上主流的CPU产品是Intel公司生产的微处理器系列 Intel的CPU：1978年8086~1996年80486，期间有十多个型号，都是使用数字为产品命名的 1993年后，Intel使用Pentium （奔腾，意为高速）开始给新的CPU命名：Pentium、Pentium2、Pentium 3、Pentium 4代表 CPU型号 双核：如果把Peuntium4作为奔腾4代，那么酷睿（Core Duo）双核（处理器）也就是Pentium第8代产品，之前的产品还有Pentium（Centrino，迅驰）、至强（Xeon）、安腾（Itanium）分别为第5、第6和第7代新一代处理器已经舍弃了用处理器主频命名的老方式，取而代之的是代号命名，具体的处理器代号将以一个英文字母加上4个数字来表示字母X代表处理器TDP热量设计功耗微75W以上，如Core 2 Extreme X6800处理器 Intel公司的Pentium 4以及赛扬（Celeron）系列。

赛扬系列与Pentium的主要区别在于CPU的Cache的大小不同，赛扬系列CPU的Cache比Pentium小，因此CPU的浮点运算速度受到很大影响，相应地价格便宜得多Cache是CPU内部的高速缓冲存储器,2、计算机记忆能力——存储器系统,实现计算机记忆功能的是存储器系统（Memory System） 存储器子系统——保存程序代码和数据的物理载体,存储器系统的层次,,,容量越来越大，每位的价格越来越便宜,访问速度越来越快,,外部存储器,外设特性，又是作为数据永久存储的设备 辅助存储器一般以磁或光的形式进行数据的存储 磁介质存储设备 硬盘（IDE硬盘、SCSI硬盘）、U盘、磁带、软盘 光存储设备 光盘（CD-ROM）,写保护,微机的辅存设备——硬盘,硬盘的主要技术参数为硬盘转速、存储容量及存取时间等（实例：希捷320G/7200.10/16M/串口硬盘，容量-320GB 硬盘；转数-7200rpm 缓存-16MB ） 台式机常用的硬盘转速有5400转/分、7200转/分对笔记本电脑，常用的硬盘有4400转/分、5400转/分高档系统如网络服务器的硬盘转速较高，可达10000～15000转/分 一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。

最早使用在微机上的硬盘容量只有10MB 磁盘存取时间是指从CPU发出读写命令后，磁头开始移动到读出或写入信息所需要的时间这两个时间都是随机的，一般使用平均值表示目前硬盘的存取时间为8～25ms,外存储器,外存储器容量越大，可存储的信息就越多，可安装的应用软件就越丰富,17,微机的辅存设备——光存储设备,光存储设备使用激光技术存储和读取数据 CD（Compact Disc，即光盘）被发明用来存放音频信息后，开始设计将CD用于存储计算机数据 只读光盘（CD-ROM）： CD-ROM的存储容量一般在650~800MB之间 可刻录光盘（CD-R，CD-Record） 可重写光盘（CD-R/W,CD-Read/Write） 通用数字光盘（DVD, Digital Versatile Disc ） 与CD比较，它在几乎不增加成本的基础上，数倍、几十倍的提升了储存容量，其速度比CD更快,,我国深圳朗科公司（Netac Technology Co.）的发明专利 “优盘” 体积小、存储容量大、方便携带，非常适合文件复制及数据交换等应用 各大计算机厂商迅速支持闪存U盘的即插即用——U盘迅速成为个人移动存储的主流产品,,,,,微机的辅存设备——优（U）盘,3.3.3 主存储器系统,主存——也叫内存，由半导体存储器组成 半导体存储器类型 RAM（随机存储器，Random Access Memory ） ROM（只读存储器，Read Only Memory ）,存储器系统——内存储器,RAM存储器 （内存）,RAM——Random Access Memory，随机存储器，计算机主存储器系统中的主要组成部分 RAM数据的存取是随机发生的，用户或者程序可以随时对RAM写入数据，也可以随时从RAM单元读取数据 特点：速度快，体积小，易失性——数据会由于系统断电而消失 RAM根据其保持数据的方式可以分为 动态RAM（Dynamic RAM，DRAM） 静态RAM（Static RAM，SRAM） DRAM的存取速度较慢但价格要便宜些,微机的主存设备——内存条,微机内存也就是主存储器，它和CPU一起被安装在计算机的主电路板上 内存芯片被做成插件形式——内存条,,,例：金士顿1GB DDR2 800,ROM存储器 （内存）,Read Only Memory，使用之前被写入的数据只能被读出，而不能被写入 断电也不会丢失数据，类型： PROM（Programming ROM） EPROM（Erasable PROM） EEPROM （Electrical EPROM） Flash Memory（EEPROM的特殊类型，如数码相机的图像存储器 ） ROM一个重要的应用——存放启动计算机所需要的BIOS程序。

计算机每次开机都执行相同的操作，所以BIOS程序是固定不变的，它被“固化”（Solidify）在ROM中每次计算机上电开机时，首先执行的就是BIOS程序,层次结构的主存储器系统的工作过程,启动程序后硬盘上的内容（程序）加载到内存，大量的程序代码和数据存放在主存储器中 计算机把正在执行的指令地址附近的一部分指令和数据，从主存RAM调入高速缓冲存储器Cache，供CPU在一段时间内使用，这对提高程序的整体运行速度有很大的影响 运算在CPU内部使用寄存器，高速缓冲存储器Cache介于CPU和主存之间,存储器系统结构总结,,存储器的单元和地址,存储单元模式进行存储器数据的管理 1．存储单元：地址和内容,存储器的单元和地址 Cont,存储单元 基本单元——字节(Byte)，8位(bit)二进制 存储器地址 存储空间——被标识的主存储器中所有存储单元地址的总和就是整个存储器的“空间” ，也叫做存储器容量,存储单位,存储系统小测,计算机的存储系统通常包括______ A、内存储器和外存储器 B、软盘和硬盘 C、ROM和RAM D、内存和硬盘 对于有写保护装置的优盘，如果设置写保护，就______。

A、不能存数据也不能取数据 B、既能存数据又能取数据 C、只能存入新数据而不能取数据 D、只能取数据而不能存入数据 计算机的内存主要由RAM组成，其中存储的数据在断电后______丢失 A、 不会 B、 部分 C、 完全 D、 不一定√,√,√,小测,计算机硬件系统有哪几部分构成？ CPU是计算机硬件系统的核心，它是由______组成的 A、运算器和存储器 B、控制器和乘法器 C、运算器和控制器 D、加法器和乘法器 在下列设备中，既是输入设备又是输出设备的是______ A、显示器 B、磁盘驱动器 C、键盘 D、打印机,√,√,处理器、存储器、输入输出系统,3、 人机交互——输入输出系统,计算机的第三个子系统是输入输出系统（Input and Output System，I/O） 多种类型的输入输出设备（Peripheral Equipment，外设），及连接这些设备的接口电路 输入设备——键盘和鼠标 输出设备——显示器、打印机 接口 ——高速的主机和低速的外设之间的缓冲，实现了主机和外设交换数据速度的匹配,微机输入设备,输入设备可以让我们将外部信息——如文字、数字、声音、图像、程序等——转变为数据输入到计算机中，以便加工、处理 输入设备是人们和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一 键盘、鼠标、扫描仪、光笔、压感笔、手写输入板、游戏杆、语音话筒、数码相机、数码录像机、光电阅读器等都属于输入设备 最常用的输入设备是键盘和鼠标器,微机输入设备,,微机输出设备,常用的输出设备是显示器、打印机 其他输出设备有投影仪、用于工程设计的绘图仪、语音输出设备、视频输出设备等,,微机输入设备——鼠标器和点击设备,今天的视频技术已经非常成熟，除了CRT显示器还有LCD（Liquid Crystal Display）显示器。

微机的显示系统由显示卡和显示器组成 显示器的分辨率 分辨率指屏幕上像素的数目，像素是指组成图像的最小单位，即显示器上的发光“点”如640×480的分辨率是指在水平方向上有640个像素，在垂直方向上有480个像素为控制像素的亮度和色彩，显卡上的显示存储器上需要多位二进制表示如果要显示256种颜色，则每个像素需要8位(一个字节)，当显示真彩色时，每个像素要用3个字节 显示器一般有多种供选择的分辨率，能达到较高分辨率的显示器的性能较好，显示的图像质量更高目前15寸的显示器最高分辨率一般可以达到1280×1024 显示模式和标准,微机输出设备——显示器,微机输出设备——显示器,显示器模式和标准,“蚊子说，我是针式的，章鱼说，我。