大学计算机课程计算机系统结构与硬件组成课件

第三章第三章 计算机系统结构与硬件组成计算机系统结构与硬件组成大学计算机基础大学计算机基础第三章 计算机系统结构与硬件组成大学计算机基础第三章第三章 计算机系统计算机系统 主要内容主要内容 3.1 3.1 计算机结构计算机结构 3.2 3.2 计算机系统组成计算机系统组成 3.3 3.3 计算机的基本工作原理计算机的基本工作原理 3.4 3.4 微型计算机微型计算机第三章 计算机系统 主要内容引入：人是如何处理事务的呢？引入：人是如何处理事务的呢？接收信息接收信息完成结果完成结果计算计算控制眼睛、手控制眼睛、手记忆数据记忆数据计算机也是模仿人来处理事务的计算机也是模仿人来处理事务的 计算机是如何实现按高效运算的？计算机是如何实现按高效运算的？计算机的运行原理是什么？计算机的运行原理是什么？计算机由哪几部分组成？计算机由哪几部分组成？引入：人是如何处理事务的呢？接收信息完成结果计算计算机也是模英国科学家阿兰英国科学家阿兰.图灵图灵（1912-19541912-1954）1.图灵机图灵机计算机的理论模型计算机的理论模型 20 20世纪世纪3030年代，图灵提出了算法年代，图灵提出了算法的定义，建立了图灵机模型，奠定了的定义，建立了图灵机模型，奠定了可计算理论基础。由于图灵提出的图可计算理论基础。由于图灵提出的图灵机模型直观形象，用图灵机模型能灵机模型直观形象，用图灵机模型能够解释算法的概念，很快得到了人们够解释算法的概念，很快得到了人们的认同。的认同。这也是图灵一生中最大的贡献。这也是图灵一生中最大的贡献。图灵是现代计算机理论模型的提出者。图灵是现代计算机理论模型的提出者。3.1 计算机结构计算机结构英国科学家阿兰.图灵1.图灵机计算机的理论模型 图灵机图灵机图灵机图灵机计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型v什么是图灵机？什么是图灵机？图灵机由一条无限长的磁带、读图灵机由一条无限长的磁带、读/写头及控制写头及控制器构成。磁带分成了一个个的小方格，每个方格器构成。磁带分成了一个个的小方格，每个方格中可以记录机器字母表里的符号，如中可以记录机器字母表里的符号，如0 0或或1 1等。控等。控制器内包括控制规则表，它能够利用读制器内包括控制规则表，它能够利用读/写头对写头对磁带上的符号进行读或写，读写头可以在磁带上磁带上的符号进行读或写，读写头可以在磁带上左右移动。左右移动。图灵机计算机的理论模型什么是图灵机？图灵机图灵机图灵机图灵机计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型图灵机模型图灵机模型图灵机磁带图灵机磁带图灵机计算机的理论模型图灵机模型图灵机磁带 机器的程序是五元组Si，X，Y，L(R或N)，Sj形式的指令集，定义了机器在一个特定状态下读入一个特定字符时所采取的动作。五个元素的含义如下：Si表示机器当前的状态；X表示机器从方格中读入的内容，也即当前内容；Y表示机器用来代替X写入方格中的内容；L、R、N分别表示左移一格、右移一格和不移动；Sj表示机器下一步的状态。图灵机图灵机图灵机图灵机计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型 机器的程序是五元组Si，X，Y，L(R或N)，Sj-图灵机就是一个最简单的计算机模型，图灵机将控制处理图灵机就是一个最简单的计算机模型，图灵机将控制处理的规则用的规则用0 0 和和1 1表述，将处理的信息及处理的结果也用表述，将处理的信息及处理的结果也用0 0和和1 1表达，处理即是对表达，处理即是对0 0和和1 1的变换（可以用机械的变换（可以用机械/电子系统实现）。电子系统实现）。-用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，该过程可用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，该过程可分为如下两个简单动作：分为如下两个简单动作：在纸上写上或擦除某个符号在纸上写上或擦除某个符号把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置把注意力从纸的一个位置移动到另一个位置-而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于：而在每个阶段，人要决定下一步的动作，依赖于：此人当前所关注的纸上某个位置的符号此人当前所关注的纸上某个位置的符号此人当前思维的状态。此人当前思维的状态。-图灵机就是一个最简单的计算机模型，图灵机将控制处理的规举个例子举个例子计算二进制的计算二进制的 1011+1=1011+1=？10111011 +1 +1 1100 1100举个例子图灵机图灵机图灵机图灵机计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型图灵机模型运算过程图灵机模型运算过程b1101b当前位置当前位置第一步第一步机器状态机器状态=S0当前位置当前位置机器状态机器状态=S1图灵机计算机的理论模型图灵机模型运算过程b1101b当前图灵机图灵机图灵机图灵机计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型图灵机模型运算过程图灵机模型运算过程b1101b第二步第二步机器状态机器状态=S1当前位置当前位置图灵机计算机的理论模型图灵机模型运算过程b1101b第二图灵机图灵机图灵机图灵机计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型计算机的理论模型图灵机模型运算过程图灵机模型运算过程b1100b第二步第二步机器状态机器状态=S1当前位置当前位置当前位置当前位置机器状态机器状态=S2图灵机工作原理视频图灵机工作原理视频图灵机计算机的理论模型图灵机模型运算过程b1100b第二图灵机计算思想图灵机计算思想程序也是数据程序也是数据图灵机的功能根据输入编码的不同而变化图灵机的功能根据输入编码的不同而变化存储程序和程序控制：图灵机可以将程序先保存到存储带存储程序和程序控制：图灵机可以将程序先保存到存储带上，图灵机按照程序一步一步运行直到给出结果，结果也上，图灵机按照程序一步一步运行直到给出结果，结果也保存到存储带上。保存到存储带上。计算机系统应该有：计算机系统应该有：存储器（相当于存储带）存储器（相当于存储带）中央处理器（相当于控制器及其状态）中央处理器（相当于控制器及其状态）为了能够将数据保存到存储器并将计算结果从存储器送为了能够将数据保存到存储器并将计算结果从存储器送出来展示给用户，计算机系统还应该有输入设备和输出出来展示给用户，计算机系统还应该有输入设备和输出设备（相当于读写头）设备（相当于读写头）图灵机计算思想程序也是数据 按数据进行存储，自动完成程序所描述的处理工作，这按数据进行存储，自动完成程序所描述的处理工作，这就是图灵机最基本的功能。就是图灵机最基本的功能。图灵机不是一种具体的机器，而是一种理论模型，可用图灵机不是一种具体的机器，而是一种理论模型，可用来指导制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置，使得来指导制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置，使得这种机器能够对任何这种机器能够对任何“可计算可计算”的函数进行有效的计算，在的函数进行有效的计算，在有限步内求出函数的计算结果。图灵机模型理论是计算学科有限步内求出函数的计算结果。图灵机模型理论是计算学科最核心的理论之一，图灵机模型是算法分析和程序语言设计最核心的理论之一，图灵机模型是算法分析和程序语言设计的基础，为计算机设计指明了方向。的基础，为计算机设计指明了方向。图灵机模型的功能图灵机模型的功能 按数据进行存储，自动完成程序所描述的处理工作，这 数学家冯数学家冯诺依曼根据图灵机的设诺依曼根据图灵机的设想提出设计计算机的体系结构。想提出设计计算机的体系结构。这一结这一结构也称为构也称为冯冯 诺依曼体系结构诺依曼体系结构。2.2.冯冯 诺依曼诺依曼计算机计算机 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机主要有三个特点：主要有三个特点：计算机由五大部分组成：运算器、控制器、计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。存储器、输入设备和输出设备。指令和数据以同等地位存储在主存储器中，指令和数据以同等地位存储在主存储器中，并按地址访问、以顺序的方式执行。并按地址访问、以顺序的方式执行。程序和数据以二进制表示。程序和数据以二进制表示。EDVACEDVAC：冯冯 诺依曼诺依曼与莫尔小组合作，研制出了与莫尔小组合作，研制出了EDVACEDVAC计算机。该计计算机。该计算机根据冯算机根据冯 诺依曼提出的原理制造诺依曼提出的原理制造,改进了第一台计算机的不足。改进了第一台计算机的不足。数学家冯诺依曼根据图灵机的设想提出设计计算机的体系冯冯诺依曼计算机的特点是：诺依曼计算机的特点是：以以运算器运算器为中心，以为中心，以运算器运算器和和控制器控制器作为计算机结构的作为计算机结构的核心；指令和数据都采用二进制代码的形式来表示；采用存核心；指令和数据都采用二进制代码的形式来表示；采用存储程序控制方式，指令和数据以同等地位存储在同一个存储储程序控制方式，指令和数据以同等地位存储在同一个存储器中；指令在存储器中按其执行顺序存放。器中；指令在存储器中按其执行顺序存放。早期的冯早期的冯诺伊曼计算机结构诺伊曼计算机结构冯诺依曼计算机的特点是：早期的冯诺伊曼计算机结构运算器运算器输出设备输出设备存储器存储器控制器控制器输入设备输入设备数据数据指令指令结果结果 以存储器为中心的以存储器为中心的计算机计算机结构结构主机主机 根据冯根据冯诺依曼体系结构，现代计算机结构主要诺依曼体系结构，现代计算机结构主要以存储器以存储器为中心为中心，由运算器、控制器、存储器和输入、输出设备五大部，由运算器、控制器、存储器和输入、输出设备五大部分组成。分组成。运算器输出设备存储器控制器输入设备数据指令结果 以存储现代计算机组成框图 由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系紧密，由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系紧密，特别是在大规模集成电路制作工艺下，这两大部件通常被集特别是在大规模集成电路制作工艺下，这两大部件通常被集成在同一个集成电路芯片上，统称为中央处理器成在同一个集成电路芯片上，统称为中央处理器CPU；而将；而将输入设备与输出设备简称为输入设备与输出设备简称为I/O设备。因此，现代计算机可以设备。因此，现代计算机可以认为是由认为是由CPU、I/O设备及主存储器和辅助存储器组成。设备及主存储器和辅助存储器组成。现代计算机组成框图 由于运算器和控制器在逻辑关(1)冯诺依曼体系结构计算机是为算术和逻辑运算而诞生的，目前在数值处理方面已经到达较高的速度和精度，而非数值处理应用领域发展缓慢，需要在体系结构方面有重大的突破。(2)指令和数据存储在同一个存储器中，形成系统对存储器的过分依赖。如果储存器件的发展受阻，系统的发展也将受阻。(3)指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器PC指明要执行的指令所在的单元地址，然后取出指令执行操作任务。所以指令的执行是串行的，影响了系统执行的速度。(4)存储器和中央处理单元之间的通路太过狭窄，使得CPU与共享存储器间信息交换的速度成为影响系统性能的主要因素，单纯地增加存储器容量和CPU速度也很难解决这一问题，这种现象称为“冯诺依曼瓶颈”。冯冯诺依曼体系结构的局限性诺依曼体系结构的局限性(1)冯诺依曼体系结构计算机是为算术和逻辑运算而诞生的，目非冯非冯诺依曼化计算机的研究诺依曼化计算机的研究（1）对传统冯诺依曼机进行改造，如将传统体系结构的一个处理部件改成多处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率。（2）采用多个处理器组成多机系统，形成多指令流、多数据流支持的并行算法结构。（3）从根本上改变冯诺依曼机的控制流驱动方式。设计数据流驱动工作方式的数据流计算机。此外，科学家寻求以其它物质作为信息载体和执行部件的计算机，如：量子计算机、光子计算机、DNA 计算机等。非冯诺依曼化计算机的研究（1）对传统冯诺依曼机进行改造，3.2 3.2 计算机系统组成计算机系统组成计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统=硬件系统硬件系统硬件系统硬件系统+软件系统软件系统软件系统软件系统系统软件系统软件应用软件应用软件硬硬 件件由电子线路和由电子线路和机电设备组成机电设备组成的设备实体。的设备实体。为运行、维护为运行、维护管理、应用计管理、应用计算机所编制的算机所编制的计算机程序。计算机程序。软软 件件 3.2 计算机系统组成计算机系统=硬件系统+软件系统系统操作系统操作系统软软 件件用户程序或文档用户程序或文档计算机系统层次结构计算机系统层次结构作为一个完整的作为一个完整的计算机系统，硬计算机系统，硬件和软件是按一件和软件是按一定的层次关系组定的层次关系组织起来的。织起来的。操作系统向下控操作系统向下控制硬件、向上支制硬件、向上支持软件，所有的持软件，所有的其他软件都必须其他软件都必须在操作系统的支在操作系统的支持下运行。对计持下运行。对计算机的操作转化算机的操作转化为对操作系统的为对操作系统的使用。为软件开使用。为软件开发、扩充和使用发、扩充和使用提供了条件。提供了条件。硬 件操作系统软 件用户程序或文档计算机系统层次结构作为一个3.2.1 3.2.1 计算机硬件系统计算机硬件系统硬件硬件内存内存CPUCPU外外 存：软、硬盘、光盘、闪存存：软、硬盘、光盘、闪存 外外设设主主机机运算器运算器网络设备：网卡、调制解调器等网络设备：网卡、调制解调器等输入设备：键盘、鼠标、扫描仪输入设备：键盘、鼠标、扫描仪 输出设备：显示器、打印机输出设备：显示器、打印机 随机存储器随机存储器(RAM)(RAM)只读存储器只读存储器(ROM)(ROM)控制器控制器计算机硬件系统组成计算机硬件系统组成3.2.1 计算机硬件系统硬件内存CPU外 存：软、硬外部设备外部设备CPU主主 机机外部设备CPU主 机计算机软件系统组成计算机软件系统组成 3.2.2 计算机软件系统计算机软件系统组成 3.2.2 计算机软件系统服务程序服务程序语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统系统软件系统软件应用软件应用软件用户程序用户程序应用软件包应用软件包工具软件工具软件服务程序语言处理程序操作系统系统软件应用软件用户程序应用 1.1.操作系统操作系统 操作系统是最重要的系统软件操作系统是最重要的系统软件,是计算机系统软件的核心，是计算机系统软件的核心，是对计算机硬件、软件资源进行管理、调度、控制和运行的一是对计算机硬件、软件资源进行管理、调度、控制和运行的一组程序，它也是用户与计算机之间的接口。用户通过操作系统组程序，它也是用户与计算机之间的接口。用户通过操作系统方便、顺利地操作计算机，而不必过问计算机硬件的具体细节。方便、顺利地操作计算机，而不必过问计算机硬件的具体细节。常用的操作系统有：常用的操作系统有：系统软件系统软件 1.操作系统系统软件 2.2.程序设计语言及语言处理程序程序设计语言及语言处理程序 机器语言：机器语言：用二进制代码编写，机器能直接执行。用二进制代码编写，机器能直接执行。为了应用存储程序概念，为了应用存储程序概念，CPUCPU被设计成可以识别二被设计成可以识别二进制模式编码的指令。这组指令以及编码系统称为进制模式编码的指令。这组指令以及编码系统称为机器语言。机器语言。系统软件系统软件如：机器语言指令示例：如：机器语言指令示例：0011 0101 1010 0111完成的功能是将第完成的功能是将第5 5寄存器中的值存储到指定的存储单元。寄存器中的值存储到指定的存储单元。2.程序设计语言及语言处理程序系统软件如：机器语言指令 2.2.程序设计语言及语言处理程序程序设计语言及语言处理程序 汇编语言：汇编语言：用符号表示指令代码，需要汇编程序将用符号表示指令代码，需要汇编程序将其翻译成机器指令后才能运行。其翻译成机器指令后才能运行。如如:用用ADDADD表示加、表示加、SUBSUB表示减、表示减、HLTHLT表示停机表示停机 汇编语言程序示例：计算汇编语言程序示例：计算 S=12+6S=12+6系统软件系统软件MOV S,12 把把12放入累加器放入累加器S中中ADD S,6 6与累加器与累加器S中的值相加，结果仍放入中的值相加，结果仍放入S中中HLT 结束，停机结束，停机 2.程序设计语言及语言处理程序系统软件MOV S,1 2.2.程序设计语言及语言处理程序程序设计语言及语言处理程序 高级语言：高级语言：采用接近自然语言的字符或表达式、按采用接近自然语言的字符或表达式、按照一定的语法规则编写程序，需要高级语言编译程照一定的语法规则编写程序，需要高级语言编译程序将源程序编译生成目标程序后才能运行。序将源程序编译生成目标程序后才能运行。程序设计语言分为面向过程和面向对象两类。程序设计语言分为面向过程和面向对象两类。高级语言程序示例：高级语言程序示例：计算计算 S=12+6S=12+6 系统软件系统软件S=12+6 12与与6相加结果放入相加结果放入S中中PRINT S 输出输出SEND 程序结束程序结束 2.程序设计语言及语言处理程序系统软件S=12+6 (1)1)面向过程语言面向过程语言 特点：特点：强调用计算机能够理解的逻辑来描述解决问题强调用计算机能够理解的逻辑来描述解决问题的方法和步骤，不仅要说明做什么，还要说明如何做。的方法和步骤，不仅要说明做什么，还要说明如何做。过分强调求解过程的描述，程序难以重复使用。如：过分强调求解过程的描述，程序难以重复使用。如：系统软件系统软件(1)面向过程语言系统软件 (2)(2)面向对象语言面向对象语言 特点：特点：能够直接描述客观世界的事物，将一切事物都看成能够直接描述客观世界的事物，将一切事物都看成具有属性和行为的对象。通过抽象找出同一类对象的共同属具有属性和行为的对象。通过抽象找出同一类对象的共同属性和行为，并抽象成类。通过类的继承实现代码重用，编程性和行为，并抽象成类。通过类的继承实现代码重用，编程效率高。如：效率高。如：任何一种高级语言或汇编语言编写的程序任何一种高级语言或汇编语言编写的程序(称为称为源程序源程序)，都不能由计算机直接执行，必须通过相应的都不能由计算机直接执行，必须通过相应的编译编译程序翻译成机程序翻译成机器语言程序器语言程序(称为称为目标程序目标程序)后才能执行后才能执行,或者通过解释程序边或者通过解释程序边解释边执行。不同的语言所对应的语言处理程序也是不同的。解释边执行。不同的语言所对应的语言处理程序也是不同的。系统软件系统软件 (2)面向对象语言 任何一种高级语言或汇编语言编 应用软件是指除了系统软件以外的所有软件应用软件是指除了系统软件以外的所有软件,它是用户利用它是用户利用计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算计算机及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制的计算机程序。机程序。-用于科学计算的软件包、办公自动化软件用于科学计算的软件包、办公自动化软件 -计算机辅助设计、辅助制造、辅助教学软件计算机辅助设计、辅助制造、辅助教学软件 -图形软件、工具软件图形软件、工具软件 应用软件是在系统软件支持下开发的，可以分为两种：应用软件是在系统软件支持下开发的，可以分为两种：（1 1）用户程序）用户程序 用户程序是用户为了解决自己特定的具体问题而开发的软用户程序是用户为了解决自己特定的具体问题而开发的软件，在系统软件和应用软件包的支持下开发。件，在系统软件和应用软件包的支持下开发。（2 2）应用软件包）应用软件包 应用软件包是为实现某种特殊功能或特殊计算，经过精心应用软件包是为实现某种特殊功能或特殊计算，经过精心设计的独立软件系统，可以满足同类应用许多用户需要的软件。设计的独立软件系统，可以满足同类应用许多用户需要的软件。应用软件应用软件 应用软件是指除了系统软件以外的所有软件,它是用户利用 （1 1）位（）位（bitbit）位是计算机中位是计算机中表示信息表示信息的最小单位，简写为的最小单位，简写为“b b”，只能存，只能存放二进制数放二进制数“0 0”或或“1 1”。（2 2）字节（）字节（ByteByte）字节是计算机字节是计算机存储信息存储信息的基本单位，简写为的基本单位，简写为“B B”，每个字，每个字节由节由8 8位二进制数码组成，即位二进制数码组成，即1B=8b1B=8b，还有，还有KBKB、MBMB、GBGB、TBTB等，等，上一级单位是下一级单位的上一级单位是下一级单位的10241024倍（倍（2 21010），即），即 1KB=1024B 1KB=1024B，1MB=1024KB1MB=1024KB，1GB=1024MB1GB=1024MB，1TB=1024GB1TB=1024GB （3 3）字（）字（WordWord）字是计算机进行数据处理和运算的单位，即字是计算机进行数据处理和运算的单位，即CPUCPU在单位时间在单位时间能一次处理二进制数据的位数，组成字的二进制位数称为字长，能一次处理二进制数据的位数，组成字的二进制位数称为字长，字长是字长是8 8的整数倍的整数倍，如，如1616位、位、3232位、位、6464位等。位等。计算机中常用的数据单位计算机中常用的数据单位111010 （1）位（bit）计算机中常用的数据单位111010 主要内容主要内容 指令和程序的概念指令和程序的概念 计算机的指令系统计算机的指令系统 计算机的工作过程计算机的工作过程3.3 计算机的基本工作原理 主要内容3.3 计算机的基本工作原理（1 1）指令和程序的概念指令和程序的概念 指指 令令:计算机硬件可执行的、完成某种操作的命令。计算机硬件可执行的、完成某种操作的命令。指令由操作码和地址码两部分组成指令由操作码和地址码两部分组成,其格式如下其格式如下:操作码操作码 地址码地址码操作码：操作码：指明该指令要完成操作指明该指令要完成操作:加、减、乘、除、传送等加、减、乘、除、传送等地址码地址码:指出被操作的对象所在存储单元地址指出被操作的对象所在存储单元地址,寄存器地址寄存器地址 及立即数。或指出运算的结果应送到哪个单元中。及立即数。或指出运算的结果应送到哪个单元中。程程 序：序：根据解决某一问题的步骤，编制的指令序列。根据解决某一问题的步骤，编制的指令序列。（1）指令和程序的概念操作码 地址数据传送指令：将数据在内存与数据传送指令：将数据在内存与CPUCPU之间进行传送。之间进行传送。数据处理指令：对数据进行算术、逻辑或关系运算。数据处理指令：对数据进行算术、逻辑或关系运算。如如 And OrAnd Or等等程序控制指令：控制程序中指令的执行顺序。如条件转移、程序控制指令：控制程序中指令的执行顺序。如条件转移、无条件转移、子程序调用、返回、停机等。无条件转移、子程序调用、返回、停机等。如如 If Goto If Goto 等等输入输入/输出指令输出指令:实现外部设备与主机之间的数据传输。实现外部设备与主机之间的数据传输。其它指令其它指令:对计算机硬件进行管理等。对计算机硬件进行管理等。（2）计算机的指令系统）计算机的指令系统 一台计算机所有指令的集合称为该计算机的指令系一台计算机所有指令的集合称为该计算机的指令系统，不同种类计算机指令系统所包含的指令数目与格式统，不同种类计算机指令系统所包含的指令数目与格式也不相同。也不相同。数据传送指令：将数据在内存与CPU之间进行传送。（2）计算(3)(3)计算机的工作过程计算机的工作过程 存储程序控制原理是计算机结构设计和自动连续工作的基础。存储程序控制原理是计算机结构设计和自动连续工作的基础。计算机依靠硬件和软件的配合进行工作，计算机的工作过程就是计算机依靠硬件和软件的配合进行工作，计算机的工作过程就是执行指令的过程（三个阶段）。执行指令的过程（三个阶段）。取指令：取指令：控制器据程序计数器控制器据程序计数器PCPC的内容，将要执行的指令从内存单的内容，将要执行的指令从内存单元中取出，并送到元中取出，并送到CPUCPU的指定寄存器中。的指定寄存器中。分析指令：分析指令：CPU CPU对取出的指令通过译码器进行分析，判断指令要完成的对取出的指令通过译码器进行分析，判断指令要完成的操作。操作。如果需要操作数，则到内存中取操作数，如果需要运如果需要操作数，则到内存中取操作数，如果需要运算，则通知运算器进行计算，计算结果再保存到内存中。算，则通知运算器进行计算，计算结果再保存到内存中。执行指令：执行指令：CPU CPU根据指令分析的结果，向各部件发出完成该操作的控制根据指令分析的结果，向各部件发出完成该操作的控制信号，相关部件进行执行指令工作，完成指令规定的操作，信号，相关部件进行执行指令工作，完成指令规定的操作，并为执行下一条指令做好准备。并为执行下一条指令做好准备。(3)计算机的工作过程 存储程序控制原理是计算机取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令 PC+1控制器控制器运算器运算器内存内存计算机根据程序计数计算机根据程序计数器的内容，将要执行器的内容，将要执行的指令从内存单元中的指令从内存单元中取出，并送到取出，并送到CPUCPU指指定的寄存器中。定的寄存器中。CPUCPU对取出的指令通对取出的指令通过译码器进行分析译过译码器进行分析译码，判断指令要完成码，判断指令要完成的操作。的操作。CPUCPU根据指令分析结果，根据指令分析结果，向各部件发出完成该操向各部件发出完成该操作的控制信号，相关部作的控制信号，相关部件进行工作，完成指令件进行工作，完成指令规定的动作，并为下一规定的动作，并为下一条指令做好准备。条指令做好准备。取指令分析指令执行指令 PC+1控制器运算器内存计算机根据程汇编语言程序汇编语言程序 对应的机器指令对应的机器指令 对应对应的操作的操作 二进制二进制 十六进制十六进制-MOV ALMOV AL,3,3 ；1011000010110000 B0H B0H 将将3 3传送到累加器传送到累加器ALAL中中 ；00000011 03H00000011 03HADD ALADD AL,2,2 ；00000100 04H 00000100 04H 计算两个数计算两个数3 3与与2 2的和，的和，；00000010 02H00000010 02HHLTHLT ；11110100 F4H11110100 F4H 暂停暂停执行执行执行执行3+23+23+23+2运算过程运算过程运算过程运算过程汇编语言程序 对应的机器指令 程程序序的的执执行行过过程程(3)(3)计算机的工作过程计算机的工作过程 程序的执行过程(3)计算机的工作过程 （1）流水线技术流水线（pipeline）技术是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种并行处理实现技术。具体就是一种将指令分解为多步，并让不同指令的各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理，以加速程序运行过程的技术。并行处理技术并行处理技术（1）流水线技术并行处理技术（2）多核技术多核处理器（Multicore Chips）是指在一枚处理器中集成两个或多个微处理器核心(内核)，于是多个微处理器核心就可以并行地执行程序代码，完全独立地完成各自的工作，以增强计算性能。并行处理技术并行处理技术目前的操作系统（包括Windows和Linux）将任务分解为进程和线程，并能够自由地安排和分派到处理器，程序运行时的最小调度单位是线程，即每个线程是CPU的分配单位。（2）多核技术并行处理技术目前的操作系统（包括Windows主要内容主要内容v 微型计算机概述微型计算机概述 v 微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统v 微型计算机主要性能指标微型计算机主要性能指标3.4 3.4 微型计算机微型计算机主要内容3.4 微型计算机u微型计算机简称微型机，其特点是将运算器、控制器及微型计算机简称微型机，其特点是将运算器、控制器及寄存器集成在一块半导体芯片上，这种芯片称为微处理寄存器集成在一块半导体芯片上，这种芯片称为微处理器器(MPU)(MPU)。u微型计算机的体系结构采用总线结构，其硬件系统还包微型计算机的体系结构采用总线结构，其硬件系统还包括主板、微处理器、存储器、以及外部设备和接口电路括主板、微处理器、存储器、以及外部设备和接口电路等，其中微处理器是微型机的核心。等，其中微处理器是微型机的核心。u19711971年年1 1月，月，IntelIntel公司的公司的M.E.HoffM.E.Hoff研制成功世界上第一研制成功世界上第一块块4 4位微处理器芯片位微处理器芯片Intel 4004Intel 4004，标志着微处理器时代从，标志着微处理器时代从此开始。此开始。微型计算机概述微型计算机概述微型计算机简称微型机，其特点是将运算器、控制器及寄存器集成在微机系统结构示意图微机系统结构示意图 微型计算机硬件系统是由中央处理器、存储器、微型计算机硬件系统是由中央处理器、存储器、I/OI/O（输入（输入/输出）设备及其接口电路和总线组成。输出）设备及其接口电路和总线组成。中中央央处处理理器器地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线内存插槽内存插槽外存接口外存接口I/OI/O接口接口其他其他I/OI/O主主存储器存储器硬盘等硬盘等各种外设各种外设键盘显示键盘显示接口电路接口电路微机系统结构示意图 微型计算机硬件系统是由中央处理器、存储器大学计算机课程计算机系统结构与硬件组成课件台式机台式机笔记本笔记本工作站工作站掌上电脑掌上电脑平板电脑平板电脑工作站工作站平板电脑 掌上掌上电脑电脑笔记本笔记本台式机台式机典型微型计算机 台式机工作站平板电脑 掌上电脑笔记本台式机典型微型计算机 1.1.主板主板2.CPU2.CPU3.3.存储器存储器4.4.输入设备输入设备5.5.输出设备输出设备6.6.总线与接口总线与接口微型计算机硬件系统微型计算机硬件系统1.主板微型计算机硬件系统1.1.主板主板主板：主板主板：主板是微型机中最大的一块集成电路板，是微型机中最大的一块集成电路板，是是各种设备的连接载体，为所有硬件提供接口或插槽各种设备的连接载体，为所有硬件提供接口或插槽 。计算机通过主板把计算机通过主板把CPUCPU和其他硬件连接成一个完整的系和其他硬件连接成一个完整的系统。不同的主板，结构和布线略有不同。统。不同的主板，结构和布线略有不同。主板主要由芯片、插槽及接口组成。主板主要由芯片、插槽及接口组成。芯片主要包括：芯片组BIOS芯片CMOS芯片插槽及接口主要有：CPU插座内存条插槽PCI及PCI-E总线插槽键盘/鼠标接口、USB接口、音频接口1.主板主板：主板是微型机中最大的一块集成电路板，是各种设芯片组是系统主板的核心，它决定了主板的结构及CPU的使用，是微机系统中与微处理器配套的辅助电路，CPU通过这些芯片组完成系统的辅助功能。计算机系统的整体性能和功能在很大程度上由主板上的芯片组来决定。现在微型计算机上的芯片组是由平台控制器芯片(Platform Controller Hub，PCH)组成，主要负责I/O接口、SATA接口和USB接口等的控制以及实时时钟控制器、高级电源管理等。CPU和PCH由直接媒体接口（Direct Media Interface，DMI）连接，DMI总线采用点对点连接方式，是一种串行总线。（1 1）芯片组芯片组芯片组是系统主板的核心，它决定了主板的结构及CPU的使用，是BIOS芯片(存放的是程序)BIOS（Basic Input Output System）是主板上一块方块状的ROM存储器芯片，里面固化了与该主板搭配的基本输入输出系统程序，存有系统的重要信息和设置系统参数的设置程序（BIOS Setup程序)。CMOS芯片（存放的是参数）CMOS芯片是微机主板上的一块可读写的RAM芯片，主要用来存储不允许丢失、但用户可以通过设置程序修改的当前系统硬件配置信息（BIOS参数）。CMOS RAM是系统参数存放的地方，而BIOS中系统设置程序是完成参数设置的手段。可以通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置。（2 2）BIOSBIOS和和CMOSCMOS芯片芯片BIOS芯片(存放的是程序)（2）BIOS和CMOS芯片 主板上的主板上的CPUCPU插座用于连接插座用于连接CPUCPU和主板，不同型号和主板，不同型号的的CPUCPU，接口也不同，接入的，接口也不同，接入的CPUCPU类型也不同。类型也不同。内存条插槽用于插入内存条，它决定了该主板所内存条插槽用于插入内存条，它决定了该主板所支持的内存条种类和容量。支持的内存条种类和容量。（3 3）CPU CPU插座和内存插槽插座和内存插槽 随着主板技术的发展，主板已经不单一的是搭载随着主板技术的发展，主板已经不单一的是搭载CPUCPU、内存、硬盘以及外设的平台，而是可以附加许、内存、硬盘以及外设的平台，而是可以附加许多原来由各种类型的卡所承担的功能。这些功能称为多原来由各种类型的卡所承担的功能。这些功能称为板载功能板载功能。目前，主板的板载功能有声卡、网卡、目前，主板的板载功能有声卡、网卡、13941394卡等。卡等。（4）主板的板载功能 主板上的CPU插座用于连接CPU和主板，不同型微机主板结构图微机主板结构图微机主板结构图CPUCPUCPUCPU（Central Processing Unit)Central Processing Unit)Central Processing Unit)Central Processing Unit)中央处理器，也称中中央处理器，也称中中央处理器，也称中中央处理器，也称中央处理单元、微处理器。央处理单元、微处理器。央处理单元、微处理器。央处理单元、微处理器。CPU CPU CPU CPU是微机中是微机中是微机中是微机中运算器运算器运算器运算器+控制器控制器控制器控制器+高速缓存高速缓存高速缓存高速缓存组成的一块组成的一块组成的一块组成的一块集成电路芯片，是组成微型计算机的核心部件，承担集成电路芯片，是组成微型计算机的核心部件，承担集成电路芯片，是组成微型计算机的核心部件，承担集成电路芯片，是组成微型计算机的核心部件，承担着的运算和控制任务。着的运算和控制任务。着的运算和控制任务。着的运算和控制任务。CPUCPUCPUCPU的性能大致反映了微机的性的性能大致反映了微机的性的性能大致反映了微机的性的性能大致反映了微机的性能和档次。能和档次。能和档次。能和档次。2.CPU2.CPU高速缓存高速缓存封装CPUCPU控制器控制器运算器运算器包含了通用寄存器、数据缓冲寄存器、包含了通用寄存器、数据缓冲寄存器、状态字寄存器等状态字寄存器等包含了指令寄存器、指令地址寄存器等包含了指令寄存器、指令地址寄存器等是独立的存储单元，只是封装在是独立的存储单元，只是封装在CPU中中CPU（Central Processing Unit)中央（1 1）主频、睿频和主频、睿频和QPIQPI带宽带宽主频是主频是CPUCPU的时钟频率，也称工作频率，用来表示的时钟频率，也称工作频率，用来表示CPUCPU的运的运算速度算速度，是决定，是决定CPUCPU性能的指标之一。性能的指标之一。主频是指在主频是指在CPUCPU内部数字脉冲信号振荡的速度，单位是赫内部数字脉冲信号振荡的速度，单位是赫兹兹HzHz（或（或MHzMHz、GHzGHz）。）。睿频也称为睿频加速，是指当启动一个运行程序后，睿频也称为睿频加速，是指当启动一个运行程序后，处理处理器器会自动加速到合适的会自动加速到合适的频率频率，使原来的运行速度提升，使原来的运行速度提升10%-10%-20%20%以保证程序流畅运行的一种技术。以保证程序流畅运行的一种技术。（酷睿（酷睿i5i5和和i7i7独有）独有）快速通道互联总线快速通道互联总线QPIQPI（Quick Path InterconnectQuick Path Interconnect）是）是CPUCPU的的内部总线内部总线，用于多核处理器内部的直接互联、内核与内，用于多核处理器内部的直接互联、内核与内存之间的连接。存之间的连接。QPIQPI总带宽总带宽=每秒传输次数每秒传输次数（QPIQPI频率）频率）每次传输的有效数据每次传输的有效数据22CPUCPU的主要性能指标的主要性能指标（1）主频、睿频和QPI带宽CPU的主要性能指标（2 2）字长字长（CPUCPU的位数）的位数）CPU CPU的字长是指的字长是指CPUCPU通用寄存器的位数，也就是计算机一次通用寄存器的位数，也就是计算机一次能直接处理的能直接处理的最大最大二进制数据的位数二进制数据的位数，即，即字长字长=CPU=CPU位数位数。例如：例如：3232位机的字长为位机的字长为3232，其一个通用寄存器一次最多可以保存，其一个通用寄存器一次最多可以保存3232位位的数据的数据/地址。地址。（3 3）高速缓冲存储器高速缓冲存储器（高速缓存，（高速缓存，CacheCache）高速缓冲存储器是位于高速缓冲存储器是位于CPUCPU和内存之间的高速存储器，其和内存之间的高速存储器，其结构和大小对结构和大小对CPUCPU速度的影响很大。速度的影响很大。（4 4）制造工艺制造工艺 CPU CPU的制造工艺是指硅材料上生产的制造工艺是指硅材料上生产CPUCPU时内部各元器件的连时内部各元器件的连接线宽度，一般用微米（接线宽度，一般用微米（mm）和纳米（）和纳米（nmnm）来表示）来表示，宽度越，宽度越小晶体管集成度越高，工艺越先进。小晶体管集成度越高，工艺越先进。CPU的主要性能指标的主要性能指标（2）字长（CPU的位数）CPU的主要性能指标（1）Intel系列1971年，Intel公司推出全球第一个微处理器4004；1981 年，IBM采用Intel生产的8088微处理器推出全球第一台IBM PC机。1993年，Intel公 司 推 出 著 名 的 奔 腾（Pentium）系列，主要面向中高端用户。1998年，Intel公司推出主打低端市场的赛扬（Celeron）系列，价格低廉但性能相对较低；2005年,Intel公司推出酷睿（Core）CPU，专注于研制通过在一个CPU中集成多个核心的技术以提升CPU性能。2010年，Intel公司推出具有革命性微架构的智能处理器Core i系列，主要有Core i3、Core i5和Core i7。CPUCPU产品产品（1）Intel系列CPU产品（2 2）AMDAMD系列系列 AMD AMD 公司创办于公司创办于1969 1969 年，是唯一能与年，是唯一能与IntelIntel竞争的竞争的CPUCPU生产厂家。生产厂家。AMD AMD公司的产品：公司的产品：闪龙（闪龙（SempronSempron）速龙（速龙（AthlonAthlon）羿龙（羿龙（PhenomPhenom）炫龙（炫龙（TurionTurion）CPUCPUCPUCPU产品产品产品产品（2）AMD系列CPU产品（3 3）国产）国产CPUCPU龙芯龙芯 龙芯（龙芯（LoongsonLoongson）是中国科学研究院计算所自主开发的通用）是中国科学研究院计算所自主开发的通用CPUCPU。龙芯龙芯1 1号号(32(32位处理器位处理器)主频主频266MHz 2002266MHz 2002年完成年完成 龙芯龙芯2 2号号(64(64位处理器位处理器)主频主频300MHz-500MHz 2003300MHz-500MHz 2003年完成年完成CPUCPU产品产品20092009年研制开发年研制开发“龙芯龙芯3 3号号”3A3A处理器，是处理器，是第一个具有完全自主知识产权的四核第一个具有完全自主知识产权的四核CPUCPU。龙芯龙芯3B3B处理器于处理器于20112011年研制成功，为年研制成功，为8 8核处核处理器，具有理器，具有9 9级级超流水线超流水线结构。龙芯处理器结构。龙芯处理器主要应用于高性能计算机，为我国大型计算主要应用于高性能计算机，为我国大型计算机所使用。机所使用。（3）国产CPU龙芯CPU产品2009年研制开发“龙芯3号3.3.存储器存储器 存储系统是计算机的重要组成部分存储系统是计算机的重要组成部分,用来存储计算机工用来存储计算机工作时使用的各类信息（程序和数据）。正是因为有了作时使用的各类信息（程序和数据）。正是因为有了存储器，计算机才有信息记忆的功能。存储器，计算机才有信息记忆的功能。微机的存储器分为：微机的存储器分为：主存储器（内存储器）主存储器（内存储器）高速缓冲存储器（高速缓存、高速缓冲存储器（高速缓存、CacheCache）辅助存储器（外存储器）辅助存储器（外存储器）3.存储器 存储系统是计算机的重要组成部分,用来存储计算机（1 1）主存储器（内存）主存储器（内存）主主存存储储器器又又称称内内存存储储器器（内内存存），是是微微机机中中存存放放数数据据和和各各种种程程序序的的装装置置。速速度度快快、容容量量小小，价价格格较较高高，可可由由CPUCPU直直接接访访问问，直直接接为为CPUCPU提提供供数数据据和和指指令令，并并存存入入由由运运算算器器送送来来的的数数据据。内内存存以内存条的形式插在主板的内存插槽上。以内存条的形式插在主板的内存插槽上。内存的特点和分类内存的特点和分类（1 1）只读存储器（）只读存储器（ROMROMRead Only MemoryRead Only Memory）ROMROM：存存放放内内容容只只能能读读不不能能写写（用用特特殊殊方方法法写写入入），ROMROM中中的的数据断电后仍然保存。数据断电后仍然保存。（2 2）随机存取存储器（）随机存取存储器（RAM RAM Random Access MemoryRandom Access Memory）RAMRAM：存存放放用用户户数数据据和和程程序序，RAMRAM中中的的内内容容可可随随时时读读写写，RAMRAM中中的数据断电后内容丢失。的数据断电后内容丢失。人们常说的内存大小指的是人们常说的内存大小指的是RAMRAM的容量！的容量！（1）主存储器（内存）主存储器又称内存储器（内存），是微机中内存条与内存插槽内存条与内存插槽计算机中的内存将多个内存芯片集成在一小条印计算机中的内存将多个内存芯片集成在一小条印刷电路板上构成内存组，称为内存条。刷电路板上构成内存组，称为内存条。内存插槽：主板上用于插入和固定内存条的插槽。内存插槽：主板上用于插入和固定内存条的插槽。金手指：内存条上与内存插槽之间的连接部件，金手指：内存条上与内存插槽之间的连接部件，所有的信号都是通过金手指进行传送的。所有的信号都是通过金手指进行传送的。金手指金手指内存插槽内存插槽内存条与内存插槽计算机中的内存将多个内存芯片集成在一小条印刷（2 2）高速缓冲存储器）高速缓冲存储器 CacheCache高速缓冲存储器是位于高速缓冲存储器是位于CPUCPU与主存间的一种容量小、速度快、与主存间的一种容量小、速度快、造价高的存储器，目前多集成于造价高的存储器，目前多集成于CPUCPU内核中，内核中，可由可由CPUCPU直接访问。直接访问。目前目前CPUCPU中的中的Cache Cache 分为两级或三级，即：分为两级或三级，即：L1 CacheL1 Cache（一级缓存）（一级缓存）和和L2 CacheL2 Cache（二级缓存），或（二级缓存），或L3 CacheL3 Cache（三级缓存）。（三级缓存）。作用作用：解决：解决CPUCPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾。运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾。工作原理：工作原理：缓存中的数据是内存中的一小部分，是短时间内缓存中的数据是内存中的一小部分，是短时间内CPUCPU即将访即将访问的。当问的。当CPUCPU要读取一个数据时，首先从缓存中查找，若找到，要读取一个数据时，首先从缓存中查找，若找到，就立即读取并送给就立即读取并送给CPUCPU处理。若未找到，处理。若未找到，CPUCPU就再从内存中读取就再从内存中读取并处理，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中，以便以后并处理，同时把这个数据所在的数据块调入缓存中，以便以后对整块数据的读取都从缓存中进行，不必再调用内存。对整块数据的读取都从缓存中进行，不必再调用内存。CPUCacheRAM外存外存（2）高速缓冲存储器 Cache高速缓冲存储器是位于CPU与大学计算机课程计算机系统结构与硬件组成课件柱面扇区磁道特点：特点：工作速度较快、存储容量大，已超过工作速度较快、存储容量大，已超过1TB1TB，一般配置的硬盘容量为几百，一般配置的硬盘容量为几百GBGB。硬盘驱动器硬盘驱动器:常用字母常用字母C C:、D D:来标识。来标识。柱面：柱面：磁盘上同一编号的磁道构成柱面磁盘上同一编号的磁道构成柱面扇区：扇区：磁盘上分为若干个扇区，数据是按扇区存放的磁盘上分为若干个扇区，数据是按扇区存放的。机械硬盘：硬盘存储器的基本组成是硬盘盘片和硬盘驱动机械硬盘：硬盘存储器的基本组成是硬盘盘片和硬盘驱动机械硬盘：硬盘存储器的基本组成是硬盘盘片和硬盘驱动机械硬盘：硬盘存储器的基本组成是硬盘盘片和硬盘驱动器，硬盘盘片由涂有磁性材料的铝合金构成。器，硬盘盘片由涂有磁性材料的铝合金构成。器，硬盘盘片由涂有磁性材料的铝合金构成。器，硬盘盘片由涂有磁性材料的铝合金构成。1）硬盘（3 3）辅助存储器（外存）辅助存储器（外存）（硬盘、光盘、移动盘硬盘、光盘、移动盘）外存特点：外存特点：容量大，速度慢，价格低；不能由容量大，速度慢，价格低；不能由CPUCPU直接访问，数直接访问，数据必须调入内存后才能被处理；存放暂时不用的数据和程序。据必须调入内存后才能被处理；存放暂时不用的数据和程序。柱面扇区磁道特点：工作速度较快、存储容量大，已超过1TB，一 硬盘接口的作用是在硬盘和主机之间传输数据。现在主流硬盘接口产品为速度较快的SATA（Serial ATA）。SATA接口是一种串行接口，结构简单，支持热插拔，数据传输率和可靠性都比较高。固态硬盘固态硬盘 固态硬盘采用Flash芯片作为存储介质，通常称为SSD（Solid-State Disk）。固态硬盘与传统机械硬盘相比具有读写速度快、质量轻、能耗低、防震抗摔等特点，但其价格较为昂贵。硬盘接口 硬盘接口的作用是在硬盘和主机之间传输数据。固态硬 特点特点存储密度高、容量大、成存储密度高、容量大、成本低本低便于携带便于携带信息保存时间长。信息保存时间长。2 2 2 2）光盘）光盘）光盘）光盘 在光盘表面烧出小坑来记录数在光盘表面烧出小坑来记录数据，计算机数据采用据，计算机数据采用 0 0、1 1 方式记方式记录，有坑的就是录，有坑的就是1 1，没有的地方代，没有的地方代表表0 0。光头发出的激光打到这些小。光头发出的激光打到这些小坑的时候反射会不一样，以此来读坑的时候反射会不一样，以此来读取数据。取数据。光盘存储器的基本组成是光盘盘片和光盘驱动器。光盘存储器的基本组成是光盘盘片和光盘驱动器。特点 2）光盘 在光盘表面烧出小坑来记录数据，计算3 3 3 3）移动存储设备）移动存储设备）移动存储设备）移动存储设备Flash存储设备存储设备 闪存芯片为存储介质闪存芯片为存储介质采用采用USB的接口的接口可擦写可擦写100万次以上万次以上 移动硬盘移动硬盘由笔记本硬盘改装而成，便携由笔记本硬盘改装而成，便携 采用采用USB、IEEE1394接口接口3）移动存储设备Flash存储设备 移动硬盘微机存储系统的层次结构微机存储系统的层次结构内存辅存CPU内核CPU芯片微机存储系统的层次结构内存辅存CPU内核CPU芯片 将数据、程序等转换成计算机能接受的二进制码，将数据、程序等转换成计算机能接受的二进制码，并将它们送入内存。并将它们送入内存。常用输入设备：键盘、鼠标、扫描常用输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、光笔、数字化仪、触摸屏等。仪、光笔、数字化仪、触摸屏等。4.4.输入设备输入设备5.输出设备输出设备 将数据、程序等转换成人们能接受的编码输出出来，常将数据、程序等转换成人们能接受的编码输出出来，常见的有：见的有：显示器、打印机、绘图仪、投影仪、音箱等。显示器、打印机、绘图仪、投影仪、音箱等。将数据、程序等转换成计算机能接受的二进制码，并将它设备与各部件之间的连接设备与各部件之间的连接设备与各部件之间的连接设备与各部件之间的连接总 线CPU及其及其他芯片他芯片内存内存外存储器外存储器接口接口外部设备接口外部设备接口/接口卡接口卡6.6.总线与接口总线与接口 总