3.1 概述 3.2 处理器 3.3 存储器 3.4 输入/输出,第3 章 计算机硬件,3.1 概述,冯诺依曼体系结构 计算机的五个部分：输入、存储、运算、控制和输出,3.1 概述,计算机的三个子系统 处理器、存储器、输入输出 总线 Bus ：连接三个子系统 在各种电路和设备间传输信息,微机外形,主机箱,音 箱,键盘,鼠标,耳机和MIC,打印机,显示器,2019/10/23,计算机科学基础,5,微机的基本配置 机箱外：外部设备（输入/输出设备） 键盘，鼠标，显示器 话筒，音箱，打印机 机箱内：主机和外存储器 主板 CPU，内存，硬盘，光驱 显卡，声卡，网卡,3.1 概述,计算机逻辑结构,PC机所用的集成主板,PC机的电路,PC机大多数功能电路都安装在主板上 主板区分：芯片组 安装在主板上 协助CPU 南桥”和“北桥” “北桥”主要负责管理、控制机内的总线 “南桥”主要负责外设接口的控制,计算器的工作原理,3.2 处理器,处理器 CPU（Central Processing Unit ） 把运算器和控制器结合在一起作为一个整体 超大规模集成电路的单个芯片 可插到主板CPU插座位置上 是计算机的核心,3.2 处理器,处理器系统可以是 单一的CPU芯片 或：一个芯片上集成多个处理器 多核 Multi-core 如：Intel Core 2 Duo ( 酷睿2 双核 ) Intel Core 2 Quad ( 酷睿2 四核 ) 主要的CPU厂商 Intel、IBM、AMD、Motorola等公司,Intels Pentium III CPU 和插座,酷睿i5 750,08年发布1600MHz总线高端四核心处理器,The AMD K6-III processor,羿龙II X4 955,处理器芯片 芯片的结构，决定安装位置及与其他部件的连接方式 摩尔法则（原Intel公司董事长） 每18个月集成度提高一倍，价格下跌一半 事实上，集成度不可能无限增长。为此，集成电路设计开始从芯片平面转向立体：在一个芯片上集成多个处理器,分为5个部分 运算器 控制电路 地址电路 数据寄存器 指令代码寄存器,处理器的结构模型,图3-6 处理器的结构模型,运算器,计算机加工处理数据的部件，由大量门电路构成 算术逻辑单元 ALU Arithmetic Logic Unit 数据运算 算术运算：加、减、乘、除 逻辑运算：与、或、非、异或、比较大小等 运算器分成两部分 定点运算器 整数、纯小数和逻辑运算 浮点运算器 完成小数点位置不固定的数据运算,二进制算术运算的转换 减法 由加法和求补码实现 乘法 由移位和加法实现 除法 由加法、移位、求补码实现,1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 + 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1,0 0 左移二位 0 0 0 左移三位,运算器,寄存器,数据寄存器 Data Register 存放运算器执行运算所需的数据 数据在执行运算前已存入其中 指令代码寄存器 Instructor Code Register ( IR ) 存放处理器执行操作需要的指令代码 指令是处理器执行的一个基本操作，是二进制码 如：算术加运算、逻辑与运算 程序是一系列指令的有序集合，以完成某种任务,控制电路,控制器 Controller 是执行程序的主要部件 是整个计算机系统的指挥中心 控制器功能 对指令代码进行译码，产生并发出各种控制信号，完成一系列操作。 控制运算器执行运算的信号 控制存储器进行数据读/写的信号 其他各种控制信号,地址电路 Address,地址是内存、外设的编号 程序计数器 Program Counter 存放CPU当前所执行指令的存储器地址 当前指令执行完后自动修改（加1） 地址电路 负责产生并输出地址信号 在控制信号的作用下指定存储器或者外部设备进行相关的数据传输操作,内部总线,总线 Bus 一组导线，连接计算机系统的各个部件 信号的公共通道 内部总线 主板范围内的总线 是CPU与存储器及输入/输出控制电路(外设接口) 进行数据交换的通路 外部总线（系统总线） 连接外设和主机的总线,内部总线,按功能分为三类 数据总线 传送数据（指令代码和运算需要和产生的数据），宽度如64位 地址总线 传送CPU需要的对存储器和外设进行数据读写的地址信息 控制总线 输出控制信号（读或写）或者接收来自外部的控制信号,处理器的性能指标,时钟频率 clock rate 决定计算机执行指令的速度，单位MHz、GHz 主频 CPU内部的时钟频率 如 4.77MHz、 4GHz以上 CPU的主频越高，运算速度越快 外频 CPU与微机主板上其它部件交换信息的工作频率 典型的频率为 133MHz、200MHz、400MHz 、800MHz等,处理器的性能指标,字长 CPU一次能够处理的最大二进制数的位数 影响计算机的存取能力、运算精度 最早的CPU芯片Intel 4004 只有4位 第一台PC机的CPU芯片 Intel 8088 是8位 目前主流微机有32 位和64 位 协处理器 某些特定任务分离出来，设计专门的处理器完成 不单独工作 在CPU的协调下完成任务 如：处理浮点运算的协处理器,处理器的性能指标,内部高速缓存器(Cache) 位于CPU内部的存储器 存放将要执行的程序代码 和CPU的速度相同（CPU主频） 规模较小(4KB64KB)，但速度很快 Level 1 Cache （Level 2 Cache , Level 3 Cache） 其它 工作温度范围 电源电压范围 芯片封装材料及结构,CISC复杂指令集计算机和RISC精简指令集计算机,指令集 是CPU可以执行的指令集合 计算机要执行的任务必须由指令集中有限的指令进行组合来实现 反映了计算机的基本功能 不同CPU的指令集不同,CISC和RISC 是两种完全相反的设计方法 主要区别：处理器拥有指令的数量和复杂程度不同 CISC是各类计算机产品的主流 RISC多用在服务器上,CISC Complex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机 设计思想 使用数量和种类较多的指令 300条以上 把一些原来由软件实现的功能改用硬件的指令系统实现 主要特征 包含复杂指令 程序设计容易，缩短程序长度，减少程序执行时间 CPU设计(硬件)复杂 Intel公司使用CISC,RISC Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机 设计思想 只包含常用指令且指令的长度和执行时间都相同 100条以下 不常用、复杂的指令，改用子程序实现 主要特征 指令长度相同 指令简单，执行速度快，提高整个计算机的执行速度 降低CPU电路的复杂程度 程序设计复杂,采用RISC技术的Sun Ultra SPARC处理器芯片,采用CISC技术的Intel公司的 Pentium Xeon处理器芯片,CISC和RISC比较,3.3 存储器,存储器是计算机的记忆设备，用来存放数据和程序 存储器系统的组成 主存储器（主存，内存） 辅助存储器（辅存，外存 ）,存储模式,存储介质 能表示二进制数 0 和 1 的物理器件 存储器是由存储介质组成 常用的存储介质有半导体器件和磁性材料 存储单元 以字节（Byte，） 为单位 一个字节由8位（ bit）二进制位组成 存储器 由许多存储单元按顺序排列组成 有两种基本操作：写入、读出 重要特性：无限复制性,存储器地址 给每个存储单元的编号，用二进制数表示,存储模式,10根地址线能标识210(1024)个存储单元 地址也是数据，无符号整数，可加减一个值,0000 0001 0010 . . . 1101 1110 1111,0 1 2 . . . 13 14 15,00 0000 0000 00 0000 0001 00 0000 0010 . . . 11 1111 1101 11 1111 1110 11 1111 1111,0 1 2 . . . 1021 1022 1023,存储模式,存储容量 一个存储器中存储单元的总数 也叫字节数、地址空间 由主板上的地址总线决定 存储单位,地址空间计算,例1 存储器的地址编号从00HFFH，占多少字节？ 分析：计算指定范围内有多少个存储单元 FFH-00H+1 = 100H 即1111 1111 + 1 = 1 0000 0000 即 28 =256 字节 需用根地址线 例2 24根地址线的寻址范围？ 分析：计算可编号的地址范围 共有 224（24220）个存储单元 即 1 0000 0000 0000 0000 0000 0000 末地址为 FFFFFFH 即000000HFFFFFFH，共 16MB,末地址-首地址+1=存储容量（Byte）,地址空间计算,例3 一台计算机有32MB内存，需要多少位来寻址内存 中的任意一个字节？ 分析：内存地址空间是 32MB 即 225（25220）字节 故需要25位来标识每一个字节 例4 一台计算机有128MB内存，计算机字长为8 字节， 需要多少位来寻址内存中的任意一个字？ 分析：内存地址空间是 128MB 即 227（27220）字节 每个字是8 ( 23 )字节，共有224个字 故需要24位来标识每一个字,主存储器,与CPU经内部总线连接的存储器 存放当前正在执行的程序 程序所使用的数据（包括运算结果） 由半导体存储器组成，两种类型 RAM ROM 特点 速度快 体积小,主存储器,RAM 随机存取存储器 ( Random Access Memory) 特点 数据可读可写 易失性，存放临时信息 根据RAM保持数据的方式可分为 静态RAM（Static RAM，SRAM） 用触发器门电路（有两个状态0或1）保存数据 不需刷新，速度快价格贵 动态RAM（Dynamic RAM，DRAM） 用电容器，充电时状态1，放电时状态0 需定时刷新( 给电容充电)，速度慢价格便宜,PC机的内存条,将多片RAM芯片制作在一个条形电路板上 安装在主板上 DDR 双倍速率同步动态随机存储器 主要参数 存储容量 数据存取速度,DDR内存,DDR3内存,ROM 只读存储器 ( Read Only Memory) 特点 数据只能读出，不能写入（数据在使用前被写入） 断电后数据不会丢失 （存放永久信息，如：固定的程序或信息） 类型 PROM 可编程只读存储器 （写入后不能改 ） EPROM 可擦除可编程只读存储器（紫外线光设备） EEPROM 电可擦除可编程只读存储器 （用特殊的电信号）,主存储器,ROM的重要应用 存放启动计算机所需要的程序 POST Power On Self Test 上电自检程序 BIOS Basic Input Output System 基本输入输出系统 每次开机执行的操作，并且不希望被更改的 被“固化” 在ROM中,主存储器,外存：磁盘 Magnetic Disk,磁介质存储器 电磁学原理 用涂敷在圆盘表面的磁性材料的极化状态表示二进制数据 被磁化为数据1，无磁性为数据0 磁盘工作原理 磁盘结构 磁盘分类 软盘 硬盘,磁盘工作原理,磁盘控制器 读写磁头沿着盘片直线移动，盘片沿着中心高速旋转 相对运动 加快了读取速度,磁盘驱动器,磁盘结构,磁道 track 一组同心圆（宽零点几个毫米） 扇区 sector 每个磁道等分成若干区域，512B 簇 一个簇由一个或多个扇区构成 磁盘格式化 磁盘容量 = 面数磁道数扇区数每扇字节数,磁盘结构,簇：文件存储时的实际分配单元 一个簇中不能包含两个文件的内容,其它辅助存储器,磁带 光盘 固态存储器,固态存储器,闪存 Flash Memory 采用半导体材料 保持速度快的优点，克服了RAM的易失性 EEPROM 类型