第3講

計算機組成

ComputerOrganizations2本講內(nèi)容1．馮·諾依曼模型2．計算機硬件3．微型計算機程序執(zhí)行其他體系構(gòu)造31馮·諾依曼模型計算機是一個承受輸入數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)的黑盒子。輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)程序馮·諾依曼〔美籍匈牙利數(shù)學(xué)家科學(xué)家，計算機之父〕提出的馮·諾依曼模型著眼于計算機的內(nèi)部構(gòu)造。4計算機輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)程序馮·諾依曼模型5計算機輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)程序輸入/輸出設(shè)備存儲器算術(shù)邏輯單元控制單元馮·諾依曼模型6計算機的硬件組成包括：存儲器，算術(shù)規(guī)律單元〔ALU〕，把握單元和輸入/輸出設(shè)備。存儲器:

存儲數(shù)據(jù)和程序算術(shù)規(guī)律單元〔ALU〕:進(jìn)展算術(shù)規(guī)律運算把握單元:把握程序的執(zhí)行輸入/輸出設(shè)備:

接收來自外界數(shù)據(jù)/向外界發(fā)送數(shù)據(jù)71945年6月馮·諾依曼在一篇論文中第一次提出了計算機三個主要思想：計算機由四大部件組成程序和數(shù)據(jù)存儲程序和數(shù)據(jù)承受二進(jìn)制數(shù)表示目前絕大多數(shù)計算機仍建立在這個思想的根底上，稱之馮·諾依曼型計算機。8硬件通常是指一切看得見，摸得到的設(shè)備實體；軟件通常是泛指各類程序和文件，它們實際上是由一些算法以及其在計算機中的表示所構(gòu)成的。+=計算機系統(tǒng)硬件軟件

2計算機硬件9運算器把握器主存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備幫助存儲器CPU把握數(shù)據(jù)地址或指令主機外設(shè)存儲器計算機硬件組成10CPU包括三局部：算術(shù)規(guī)律單元(ALU)、把握單元和存放器。中心處理單元〔CPU〕控制單元寄存器程序計數(shù)器11算術(shù)規(guī)律單元〔ALU〕執(zhí)行算術(shù)運算和規(guī)律運算。算術(shù)運算：包括加法、減法、乘法和除法等。規(guī)律運算：包括“非”、“與”、“或”和“異或”等。把握單元負(fù)責(zé)選擇這些運算中的一種。數(shù)字電路/模擬電路12存放器是用降落時存放數(shù)據(jù)的高速獨立的存儲單元。CPU的運算需要多個存放器常見的存放器存放器數(shù)據(jù)存放器指令存放器程序計數(shù)器用來存放輸入數(shù)據(jù)，運算中間結(jié)果和最終結(jié)果。存放從內(nèi)存中取出的指令，以便于稍后解釋和執(zhí)行它們。存放當(dāng)前指令的地址。當(dāng)前指令執(zhí)行完后，程序計數(shù)器自動加1，指向下一條指令的地址。13數(shù)據(jù)存放器：用來存放輸入數(shù)據(jù)，運算中間結(jié)果和最終結(jié)果。指令存放器：存放從內(nèi)存中取出的指令，以便于稍后解釋和執(zhí)行它們。程序計數(shù)器：存放當(dāng)前指令的地址。當(dāng)前指令執(zhí)行完后，程序計數(shù)器自動加1，指向下一條指令的地址。14把握單元是整個計算機的指揮中心，被稱為計算機的大腦把握通過線路的開〔高電平〕或關(guān)〔低電平〕實現(xiàn)把握單元的根本功能：從主存中取出指令對指令譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)的操作把握信號指揮并把握CPU、主存和輸入/輸出設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流淌把握單元15主存儲器是存儲單元的集合每一個存儲單元都有惟一的標(biāo)識符——地址數(shù)據(jù)以字〔或字節(jié)〕的形式在存儲器中傳入或傳出主存儲器16地址值存儲器17每個存儲單元存放一個字〔或字節(jié)〕。全部在存儲器中可標(biāo)識的獨立地址單元的總數(shù)稱為地址空間。存儲地址用無符號二進(jìn)制數(shù)表示。地址本身承受位模式。假設(shè)計算機有N個字的存儲空間，則存儲地址應(yīng)當(dāng)有l(wèi)og2N位。地址空間18主存儲器分為三種類型：隨機存儲器(RAM)只讀存儲器(ROM)互補金屬氧化物存儲器(CMOS)主存儲器＝RAM＋ROM＋CMOS主存儲器的種類19RAM的特點：計算機中主存的主要組成局部。用戶既可以讀，又可以寫。對全部存儲單元的讀寫時間均一樣。具有易失性。假設(shè)斷電或關(guān)掉計算機，全部存儲的信息將會喪失。隨機存取存儲器〔RAM〕20隨機存儲器〔RAM〕又分為兩大類：靜態(tài)RAM〔SRAM〕：利用觸發(fā)器來存儲信息，當(dāng)通電的時候信息始終存在，不需要刷新。存取速度快，但容量較小，價格較高。動態(tài)RAM〔DRAM〕:利用電容上的電荷存儲信息，電容上的電荷會泄漏，需要周期性的刷新。存取速度慢，但容量較大，價格較低。21RAM的容量、速度：衡量RAM容量的單位通常用字節(jié)數(shù)表示。每1024個字節(jié)稱為1K字節(jié)〔210=1K〕，每1024K字節(jié)稱為1M字節(jié)〔220=1M〕，每1024M字節(jié)稱為1G字節(jié)〔230=1G〕。RAM的速度是重要的指標(biāo)，假設(shè)RAM的速度低于CPU的速度，則CPU訪存時需要等待。22ROM中的內(nèi)容是預(yù)先寫進(jìn)去的。用戶只能讀，不能寫。ROM具有非易失性，斷電或關(guān)掉計算機，存儲在ROM的信息不會喪失。通常用來存儲那些關(guān)機后不能喪失的程序和數(shù)據(jù)。例如開機時運行的引導(dǎo)程序。只讀存儲器〔ROM〕23ROM四種類型：掩模式ROM〔MROM〕：內(nèi)容由芯片制造商寫入，寫入后任何人無法轉(zhuǎn)變。一次可編程〔PROM〕：用戶可以借助專業(yè)設(shè)備一次寫入自己的程序，一旦寫入后將無法轉(zhuǎn)變?？刹脸删幊蘎OM〔EPROM〕：用戶可編程，但需要用紫外線燈擦除。電可擦除可編程ROM〔EEPROM〕：用戶可編程，用電子脈沖擦除。24ROM常用來存放固定不變重復(fù)使用的程序、數(shù)據(jù)或信息，如存放漢字庫、各種專用設(shè)備的把握程序等。最典型的是ROMBIOS〔根本輸入輸出系統(tǒng)〕，其中局部內(nèi)容是用于啟動計算機的指令，內(nèi)容固定但每次開機時都要執(zhí)行。25CMOS芯片一般用來存儲計算機系統(tǒng)每次開機時所需的重要信息，例如計算機貯存容量、鍵盤類型、鼠標(biāo)、監(jiān)視器以及磁盤驅(qū)動器的有關(guān)信息。它與RAM的區(qū)分在于，CMOS芯片通過鋰電池供給電源，即關(guān)機后其存儲的信息不會喪失。它與ROM的區(qū)分在于，其內(nèi)容隨著計算機系統(tǒng)配置的轉(zhuǎn)變或用戶的設(shè)置而發(fā)生變化。CMOS26主存儲器高速緩沖存儲器存放器速度幫助存儲器容量小大快慢存儲器的層次構(gòu)造

不同的存儲器具有不同的存儲容量、不同存取速度。為了解決存儲容量、存取速度和價格之間的沖突，通常把各種不同存儲容量、不同存取速度的存儲器，按確定的體系構(gòu)造組織起來，形成一個統(tǒng)一整體的存儲系統(tǒng)。計算------傳輸--------存儲28高速緩沖存儲器的存取速度比主存快，但比CPU內(nèi)部的存放器慢。高速緩沖存儲器容量較小，常置于CPU和主存之間。主存高速緩沖存儲器〔Cache〕cache用來存放主存中一局部內(nèi)容的副本〔拷貝〕，即當(dāng)前正在執(zhí)行的程序中的活潑局部。CPU可以直接訪問cache，以便快速地向CPU供給指令和數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU需要程序和數(shù)據(jù)時，首先檢索內(nèi)部cache，然后檢索外部cache，再往后是RAM。只有前者中找不到所需內(nèi)容時才連續(xù)檢索后者。

輸入/輸出子系統(tǒng)中的設(shè)備可以分為兩大類：非存儲設(shè)備和存儲設(shè)備。輸入/輸出存儲設(shè)備非存儲設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備磁介質(zhì)存儲設(shè)備光存儲設(shè)備其他存儲設(shè)備非存儲設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備鍵盤輸入設(shè)備掃描儀音頻輸入設(shè)備視頻輸入設(shè)備其他顯示器打印機其他鍵盤輸入設(shè)備鼠標(biāo)玩耍桿觸模屏掃描儀條碼閱讀器34語言輸入設(shè)備視頻和圖像輸入設(shè)備液晶顯示器(LCD)陰極射線管

(CRT)顯示器輸出設(shè)備顯示器針式打印機打印機激光打印機投影儀存儲設(shè)備磁介質(zhì)存儲設(shè)備光存儲設(shè)備

硬磁盤軟磁盤磁帶

…存儲設(shè)備又稱為幫助存儲器。用來存放臨時不參與運行的程序和數(shù)據(jù)。CPU不能直接訪問幫助存儲器，需要時將信息先傳送到主存。幫助存儲器其他存儲設(shè)備39硬盤是由一張一張的盤片疊加而成的，硬盤實際上是磁盤組。外表構(gòu)造：每個盤面都被劃分成磁道，每個磁道又被分成為假設(shè)干扇區(qū)。數(shù)據(jù)存?。簩儆陔S機存取設(shè)備，最小存儲區(qū)域只能是一個扇區(qū)。硬盤的容量大于內(nèi)存和軟盤。硬盤的存儲速度低于內(nèi)存，但高于軟盤。磁介質(zhì)存儲器硬磁盤40硬盤驅(qū)動器41磁道：磁化區(qū)上閉合的圓環(huán)扇區(qū)：一段磁道簇：假設(shè)干個扇區(qū)42圓柱面：在一個盤組中，各記錄面上一樣編號〔位置〕的諸磁道的總稱。43硬盤的主要技術(shù)指標(biāo)有：容量：磁盤存儲的信息總量。轉(zhuǎn)速：磁盤的旋轉(zhuǎn)速度。平均尋道時間：磁頭移動到指定位置的時間。平均等待時間：等待被訪問的記錄區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所等待的時間。傳送時間：數(shù)據(jù)從磁盤移到CPU/主存所需的時間，或反之所需的時間。數(shù)據(jù)傳輸率：接口的傳輸速度。接口標(biāo)準(zhǔn)：硬盤的接口可分為IDE和SCSI兩種。傳統(tǒng)微機和便攜機承受標(biāo)準(zhǔn)的IDE接口，而工作站和效勞器則多承受SCSI接口。兩種接口在物理上不兼容。

硬磁盤44軟磁盤軟盤是一種輕松、移動的存儲媒體。軟盤片是聚酯薄膜塑料圓片，封裝在護套內(nèi)。45磁帶用兩個卷軸承接起來，當(dāng)磁帶運動時，可以通過讀/寫磁頭來讀寫磁帶上的數(shù)據(jù)。磁帶是挨次訪問的，用戶要找一個文件，必需從磁帶頭開頭。

磁帶46利用激光技術(shù)來存儲和讀取數(shù)據(jù)。光存儲設(shè)備有只讀光盤(CD-ROM)、可刻錄光盤(CD-R)、可重寫光盤(CD-RW)、數(shù)字多功能光盤(DVD)。光存儲設(shè)備光存儲設(shè)備CD-ROMDVDCD-RCD-RWCD-ROM的內(nèi)容是由制造商寫入的。用戶不能刪除，也不能寫入。CD-ROM盤所需的費用是可調(diào)整的，尤其是大批量地生產(chǎn)，每個盤片的費用會很廉價的。CD-ROM驅(qū)動器被使用來讀CD-ROM盤。CD-ROM驅(qū)動器有不同的速度，如單倍速，多倍速等。只讀光盤〔CD-ROM〕CD-ROM的制造需要先使用高能紅外激光來制作主盤。激光在主盤上形成一系列的坑和紋間外表。然后依照主盤，作成相應(yīng)的模盤。最終將溶解的聚碳酸酯樹脂注入模盤中制成光盤。只讀光盤〔CD-ROM〕49CD-R制造時不需要主盤和模盤。CD-R盤上的坑和紋間外表是模擬出來的。CD-R是讓用戶自己制作的光盤。用戶只需要一次寫入信息，就可以屢次讀出信息。可刻錄光盤〔CD-R〕50CD-RW技術(shù)又稱之為可擦寫光盤技術(shù)。CD-RW光盤可以寫入、擦除、重寫?？芍貙懝獗P〔CD-RW〕51DVD承受與CD類似的技術(shù)。兩種盤尺寸一樣。DVD盤的存儲量遠(yuǎn)大于CD-ROM盤〔如單層DVD盤的容量為4,700MB，而CD-ROM盤的容量僅為650MB〕。DVD盤更適用于多媒體對存儲大容量數(shù)據(jù)的需要。數(shù)字多功能光盤〔DVD〕52CPU與主存之間的連接主存數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線子系統(tǒng)間的連接CPU和主存之間通常通過系統(tǒng)總線連接。系統(tǒng)總線包括三組線路：數(shù)據(jù)總線、地址總線和把握總線。53系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線：由雙方向的多根信號線組成，CPU可以沿這些線從主存或外設(shè)讀入數(shù)據(jù)，也可以沿這些線向主存或外設(shè)送出數(shù)據(jù)。通常數(shù)據(jù)總線的位數(shù)取決于字的寬度。假設(shè)計算機的字長是32位，就需要32位寬度的數(shù)據(jù)總線，以便同一時刻能夠同時傳送32位的數(shù)據(jù)。地址總線：由單方向的多根信號線組成，用于CPU向主存、外設(shè)傳輸?shù)刂沸畔?。地址總線的位數(shù)取決于存儲空間的大小。假設(shè)存儲容量為2n個字，那么地址總線需要n位。54系統(tǒng)總線把握總線：傳輸?shù)氖前盐招畔ⅲ–PU送出的把握命令和主存/外設(shè)反響給CPU的狀態(tài)信號。把握總線的位數(shù)取決于計算機所需要的把握命令的總數(shù)。假設(shè)計算機有2m條把握命令，那么把握總線需要m位。55輸入輸出設(shè)備不能直接與CPU和主存的總線相連。由于輸入輸出設(shè)備往往都是機電、磁性或光學(xué)設(shè)備，比CPU和主存的速度慢得多。必需要有“中介”來處理速度上的差異，這個中介被稱為設(shè)備把握器或接口。I/O設(shè)備的連接鍵盤控制器監(jiān)視器控制器打印機控制器磁盤控制器56設(shè)備把握器有兩種串行把握器：只有一根數(shù)據(jù)線連接到設(shè)備上。并行把握器：數(shù)根數(shù)據(jù)線連接到設(shè)備上。I/O設(shè)備的連接串行接口并行接口58硬件微處理器主板〔擴展槽，適配器，接口，總線〕一組內(nèi)存幫助存儲器輸入輸出設(shè)備電源機箱3.微型計算機59微處理器微處理器是微型計算機的最關(guān)鍵的部件，直接準(zhǔn)備了計算機的性能。Intel公司的產(chǎn)品代表了微處理器技術(shù)的進(jìn)展。微處理器運算器+把握器——大規(guī)模集成電路芯片Microprocessor〔簡稱MPU〕微處理器是微型計算機的核心，它完成計算機全部的運算和把握工作。微處理器的性能指標(biāo)準(zhǔn)備了由它構(gòu)成的微型計算機的性能指標(biāo)。微處理器因其體積小而得名。微處理器＝微型計算機？微處理器不是微型計算機，由于它不能獨立操作，必需與其它裝置構(gòu)成完整系統(tǒng)。微處理器的主要技術(shù)指標(biāo)字長：字長準(zhǔn)備了微處理器在每個時鐘周期內(nèi)處理數(shù)據(jù)的力氣，字長由微處理器的型號來區(qū)分。主頻：主頻就是微處理器的時鐘頻率。主頻越高，微處理器的速度就越快。時鐘頻率以MHz或GHz為單位表示。63主板主板也稱為主機板，它是一塊印刷電路板，集中放置了微型機的主要部件，目前一些常用的接口電路也放在主板上。主板的主要部件包括：微處理器芯片、芯片組、一組高速內(nèi)存儲器、根本輸入輸出接口、總線及總線接口、擴展槽、其它一些支持電路。64硬盤接口總線擴展槽CPU插座輸入輸出設(shè)備接口電源插口只讀存儲器電源主板前面板接口根本輸入輸出接口例如：鍵盤、打印機接口等

擴展槽:是適配器與微機總線之間的物理連接裝置，其中可插入各類適配器。

其它配套的支持電路擴展槽配套電路鍵盤端口

總線及總線接口CPU內(nèi)存條配套芯片主板1.芯片組主板性能好壞對總體指標(biāo)產(chǎn)生舉足輕重的影響，關(guān)鍵在于芯片組的選用，準(zhǔn)備主板本身性能和整個計算機系統(tǒng)的級別，影響到支持什么性能的CPU、硬盤圖形加速卡等。芯片組是指主板上各種設(shè)備間的接口電路，主要有內(nèi)存把握器、硬盤把握器、CACHE把握器、總線把握器等。672.總線及擴展插槽早期產(chǎn)品只有一種ISA總線，即“IndustryStandardArchitecture”工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)造，IBM制定的總線標(biāo)準(zhǔn)。只有16位，傳輸速率低,現(xiàn)在只有局部內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器、10M網(wǎng)卡等還使用。69PCI〔PeripheralComponentInterconnect,外部設(shè)備互連〕總線，具有132MB/S的數(shù)據(jù)傳輸力氣和很強的帶負(fù)載力氣，被世界上大多數(shù)廠商承受。70EIDE〔EnhancedIntegratesDriveElectronics,集成驅(qū)動器電子部件〕是硬盤接口標(biāo)準(zhǔn)。AGP〔AcceleratedGraphicsPort)插槽，安裝加速圖形卡，有專用總線和內(nèi)存連接，速度到達(dá)553MB/S。USB〔UniversalSerialBus,通用串行總線〕，用于連接攝象頭、數(shù)碼相機、打印機等。USB支持熱插拔，安裝較簡潔。PS/2鼠標(biāo)、鍵盤插口。71串行端口并行端口USB口鼠標(biāo)鍵盤端口3.輸入輸出設(shè)備端口I/O接口電路微處理器外部設(shè)備內(nèi)部總線外部數(shù)據(jù)線接口板插在主板上與總線相連外部端口與外設(shè)相連4.適配器適配器是微機系統(tǒng)中驅(qū)動某一個外部設(shè)備的功能模塊電路的統(tǒng)稱。該模塊電路必需包含兩個接口，一個是與主機連接的總線接口，一個是與外部設(shè)備連接的外設(shè)接口。適配器也稱為“卡”。顯示卡總線接口外設(shè)接口主機總線外設(shè)端口適配器具有獨立的系統(tǒng)功能，可與系統(tǒng)并行工作。與主機板相連與外設(shè)相連適配器微機計算機根本配置

鍵盤 顯示器鼠標(biāo)打印機顯示卡并行接口卡串行接口卡主機板軟硬盤適配器軟盤驅(qū)動器硬盤驅(qū)動器電源總線機箱

75RAM存儲芯片和內(nèi)存條過去，一般存儲芯片都是雙列直插封裝的，簡稱DIP。目前，在微機上，越來越多地使用單列直插存儲模塊SIMM和雙列直插存儲模塊DIMM，也就是通常所說的內(nèi)存條。主存76SDRAM和DDRSDRAMSDRAM在同步脈沖的把握下工作，取消了內(nèi)存等待時間，削減了數(shù)據(jù)傳送的延遲時間，因而加快了系統(tǒng)速度。DDRSDRAM不僅能在時鐘脈沖的上升沿讀出數(shù)據(jù)而且還能在下降沿讀出數(shù)據(jù)，不需要提高時鐘頻率就能加倍提高SDRAM的速度。主存77標(biāo)準(zhǔn)的SDRAM有168線〔2個小缺口〕，而DDRSDRAM有184線〔多出的16個線占用了空間，故只有1個小缺口〕，DDRSDRAM目前的標(biāo)準(zhǔn)為PC-266，可以工作在2.5V的低電壓環(huán)境下。主存7879電源硬盤機箱80一般微機通常使用5V或12V直流電，其耗電功率為300瓦。微機的電源系統(tǒng)用于將220V的溝通電轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的直流電。電源81通用計算機通過執(zhí)行程序來處理數(shù)據(jù)。程序是指令的有序集合。程序和數(shù)據(jù)都放在主存中。4.程序執(zhí)行譯碼執(zhí)行取指令循環(huán)執(zhí)行指令一條指令的執(zhí)行過程指令是計算機進(jìn)展操作的命令，將把握計算機完成規(guī)定動作的命令稱為指令。CPU利用重復(fù)的機器周期來執(zhí)行指令。簡化的周期包括3步：機器周期83①取指令在取指令階段，把握單元命令系統(tǒng)取出一條指令放在指令存放器I中，程序計數(shù)器PC加1。②譯碼把指令置于指令存放器后進(jìn)展譯碼，以確定這是一條什么樣的指令。③執(zhí)行譯碼完畢后，把握單元發(fā)送命令到CPU的某個部件，完成指令所確定的功能。84一條指令由操作碼和地址碼兩局部組成。操作碼地址碼Load200,R1Load201,R2AddR1,R2,R3Store202,R3Halt把200單元的內(nèi)容送入寄存器R1把201單元的內(nèi)容送入寄存器R2R1和R2的內(nèi)容相加結(jié)果放在R3把R3的內(nèi)容存入202單元停止所有操作程序執(zhí)行的實例85070071072073200201202074主存Load200R1Halt…Load201R2AddR1R2R3Store202R3+14-10……R1R2R3IPC070執(zhí)行前主存和存放器中的內(nèi)容86070071072073200201202074主存Load200R1Halt…Load201R2AddR1R2R3Store202R3+14-10……Load200R1取數(shù)指令R1R2R3IPC070Load200R1071+14第一條指令執(zhí)行后070071072073200201202074主存Load200R1Halt…Load201R2AddR1R2R3Store202R3+14-10……R1R2R3IPCLoad201R2取數(shù)指令+14-10072Load200R1071Load201R2072其次條指令執(zhí)行后070071072073200201202074主存Load200R1Halt…Load201R2AddR1R2R3Store202R3+14-10……R1R2R3IPC073+14-10+4AddR1R2R3加法指令072073Load201R2AddR1R2R3第三條指令執(zhí)行后070071072073200201202074主存Load200R1Halt…Load201R2AddR1R2R3Store202