计算机应用基础教研室 计算机信息技术概论 江苏技术师范学院 计算机应用基础教研室 第2章 计算机组成原理 计算机应用基础教研室 2 1 计算机系统的组成 计算机应用基础教研室 计算机系统 计算机硬件计算机软件 运算器 控制器 输入设备 存储器 输出设备 系统软件应用软件 操作系统 数据库管理系统 程序语言处理系统 文字处理 通信 娱乐 2 1 1 计算机系统的组成 计算机硬件是计算 机系统中所有实际 物理装置的总称 计算机软件是指在计算机中 运行的各种程序及其处理的 数据和相关的文档 计算机是一个复杂的系统 复杂性 硬件由数以亿计的元器件组成 软件由数以亿计的指令组成 多样性 硬件与光 机 电 声等有关 软件与数学 逻辑 等有关 层次性 分层 hierarchical 结构 计算机应用基础教研室 2 1 2计算机硬件系统的组成 n经典计算机的逻辑结构 冯 诺依曼计算机 运算器和控制器 输入设备输出设备 存储器 注 逻辑结构意指概念上 即功能上 的结构 计算机应用基础教研室 2 1 2计算机硬件系统的组成 现代计算机的逻辑结构 与经典计算机结构相比的3个变化 集中控制 分散控制 存储器 内存储器 外存储器 通过CPU通信 通过总线进行通信 中央处理器 运算器及其控制 外存储器 内存储器 输出设备 总线 bus 输入设备 I O接口I O接口 外存储器接口 控制器控制器控制器 CP U 控制器 memor y storag e I O设备通过I O接 口与各自的控制器 连接 然后由控制 器与I O总线相连 计算机应用基础教研室 1 中央处理器 运算控制器 n什么是处理器 n能高速执行指令 完成二进制数据的算术或逻辑 运算和数据传送等操作的部件 特点是 n由数字电路组成 结构非常复杂 n所有电路都制作在大规模集成电路芯片上 仅几 个平方厘米 称为 微处理器 microprocessor Intel 4004 chip Intel 8080 chip 计算机应用基础教研室 什么是中央处理器 CPU n计算机中通常有多个不同的处理器 各有不同 的分工和任务 n用于执行系统软件和应用软件的处理器称为 CPU CPU是计算机必不可少的核心组成部件 n多数个人计算机只有1个CPU 但有一些计算 机包含有2个 4个 8个甚至成百上千个CPU n问题 n除了CPU之外 计算机中还有哪些处理器 计算机应用基础教研室 2 存储器 n功能 n储存以二进位形式表示的程序和数据 n分类 内存储器 外存储器 内存储器 简称内存或主存 外存储器 简称外存或辅存 存取速度很快较慢 存储容量较小 因单位成本较高 很大 因单位成本较低 性质断电后信息消失断电后信息保持 用途存放已经启动运行的程序 和需要立即处理的数据 长期存放计算机系统中几乎所 有的信息 与CPU 关系 CPU所处理的指令及数 据直接从内存中取出 程序及相关数据必须先送入 内存后才能被CPU使用 01101001 10101010 00001 00000 00010 00011 00100 11110 11111 存储内容 地 址 计算机应用基础教研室 3 输入设备 n输入 input 的双重含义 1 把信息送入计算机的过程 2 向计算机输入的内容 n输入设备 input devices n功能 用来向计算机输入信息 n输入设备有多种 例如 n键 盘 输入文字 符号和命令 n鼠标器 输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令 n扫描仪 输入图片 n麦克风 输入声音 n输入设备的共性 不论信息的原始形态如何 输入到计 算机中的信息都使用二进位来表示 计算机应用基础教研室 4 输出设备 n输出 output 的双重含义 1 把信息送出计算机的过程 2 从计算机输出的内容 n输出设备 output devices n功能 从计算机输出信息 n输出设备有多种 例如 n显示器 输出文字 符号和图形 n打印机 打印文字 符号和图形 n扬声器 输出声音 n 多数 输出设备的共性 把计算机中的二进位信息转换成 人可感知的形式 文字 符号 图形 声音等 计算机应用基础教研室 5 总线 bus n功能 n用于连接CPU 内存 外存和各种I O设备并在它们之 间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路 n分类 nCPU总线 或前端总线 用于连接CPU和内存的 总线 nI O总线 连接内存和I O设备 包括外存 的总线 计算机应用基础教研室 2 2 微电子技术与集成电路 计算机应用基础教研室 2 2 1 微电子技术的发展与集成电路 晶体管 1948 中 小规模 集成电路 1950 s 微电子技术是以集成电路为核心的电子技术 它是在电子元器件小型化 微型化的过程中 发展起来的 大规模 超大规模 集成电路 1970 s 电子管 1904 计算机应用基础教研室 n集成电路 Integrated Circuit 简称IC 以半导体单晶片作为基片 采用平面工艺 将晶体管 电阻 电容等元器件及其连线所 构成的电路制作在基片上所构成的一个微型 化的电路或系统 n集成电路的优点 n体积小 重量轻 n功耗小 成本低 n速度快 可靠性高 超大规模集成电路 小规模集成电路 什么是集成电路 计算机应用基础教研室 集成电路的分类 n按用途分 n通用集成电路 n专用集成电路 ASIC n按电路的功能分 n数字集成电路 n模拟集成电路 n按晶体管结构 电路和工艺分 n双极型 Bipolar 电路 n金属氧化物半导体 MOS 电路 n n按集成度 芯片中包含的元器件 数目 分 集成电路规模元器件数目 小规模集成电 路 SSI 100 中规模集成电 路 MSI 100 3000 大规模集成电 路 LSI 3000 10万 超大规模集成 电路 VLSI 10万 100万 极大规模集成 电路 ULSI 100万 计算机应用基础教研室 IC集成度提高的规律 Moore定律 单块集成电路的集成度平均每18 个月翻一番 Gordon E Moore 1965年 1970197519801985199019952000 1 000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000 100 000 000 4004 8008 8080 8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium II Pentium III Pentium 4 晶体管数 例 Intel微处理器集成度的发展 n安腾 Itanium 2 2002 221M晶体管 n安腾双核 Itanium 2 Dual Core 2006 1 7B 晶体管 计算机应用基础教研室 2 2 2 集成电路 1 集成电路的制造 集成电路的制造工序繁多 从原料熔炼开始到最终 产品包装大约需要400多道工序 工艺复杂且技术难 度非常高 有一系列的关键技术 许多工序必须在 恒温 恒湿 超洁净的无尘厂房内完成 目前兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶圆的集 成电路工厂需投资人民币10亿元以上 计算机应用基础教研室 集成电路的制造流程 硅抛光片 单晶 硅锭 单晶硅锭经切 割 研磨和抛 光后制成镜面 一样光滑的圆 形薄片 称为 硅抛光片 晶圆晶圆 硅平面工艺硅平面工艺 硅平面工艺包括氧化 光刻 掺杂和互连等工序 最终 在硅片上制成包含多层电路 及电子元件的集成电路 通 常每一硅抛光片上可制作成 百上千个独立的集成电路 这种整整齐齐排满了集成电 路的硅片称作 晶圆 芯片芯片 检测 分类检测 分类 集成电路集成电路 封装封装 对晶圆上的每个 电路进行检测 然后将晶圆切开 成小片 把合格 的电路分类 再 封装成一个个独 立的集成电路 成品测试成品测试 成品成品 进行成品测试 按其性能参 数分为不同等 级 贴上规格 型号及出厂日 期等标签 成 品即可出厂 计算机应用基础教研室 集成电路的封装 集成电路封装目的 电功能 散热功能 机械与化学保护功能 常见的封装方式 n 单列直插式 SIP n 双列直插式 DIP n 阵列式 PGA n 塑料有引线芯片载体 PLCC n 扁平贴片式 P PQFP n n 球栅阵列封装球栅阵列封装 BGA BGA n 小外形封装 SOP 计算机应用基础教研室 FC PGA2 封装方式 Pentium 4 处理器 集成电路插座集成电路插座 集成电路的封装形式 计算机应用基础教研室 2 集成电路的特点 体积小 重量轻 功耗小 成本低 速度快 可靠性高 成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸 晶体管 的尺寸越小 其极限工作频率越高 门电路的开关速度 就越快 相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多 所以从集成电路问世以来 人们就一直在缩小晶体管 电阻 电容 连接线的尺寸上下功夫 计算机应用基础教研室 3 IC卡简介 几乎每个人每天都与IC卡打交道 例如我们的 身份证 手机SIM卡 交通卡 饭卡等等 什么 是IC卡 它有哪些类型和用途 计算机应用基础教研室 什么是 IC卡 nIC卡 chip card smart card 又称为集成电路卡 它是把集 成电路芯片密封在塑料卡基片内 使其成为能存储信息 处 理和传递数据的载体 n特点 n存储信息量大 n保密性能强 n可以防止伪造和窃用 n抗干扰能力强 n可靠性高 n应用举例 n作为电子证件 记录持卡人的信息 用作身份识别 如身份证 考勤卡 医疗卡 住房卡等 n作为电子钱包 如电话卡 公交卡 加油卡等 计算机应用基础教研室 IC卡的类型 按芯片分类 n存储器卡 封装的集成电路为存储器 信息可长期保存 也 可通过读卡器改写 结构简单 使用方便 用于安全性要求 不高的场合 如电话卡 水电费卡 公交卡 医疗卡等 带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路 nCPU卡 封装的集成电路为中央处理器 CPU 和存储器 还配有操作系统 Chip Operating System 处理能力强 保密性更好 常用作证件和信用卡使用 手机中使用的 SIM卡就是一种特殊的CPU卡 计算机应用基础教研室 IC卡的类型 按使用方式分类 n接触式IC卡 如电话IC卡 n表面有方型镀金接口 共8个或6个镀金触点 使用时必须将IC卡插入读卡机 通过金属触点 传输数据 n用于信息量大 读写操作比较复杂的场合 但易 磨损 怕脏 寿命短 n非接触式IC卡 射频卡 感应卡 n采用电磁感应方式无线传输数据 解决了无源 卡中无电源 和免接触问题 n操作方便 快捷 采用全密封胶固化 防水 防污 使用寿命长 n用于读写信息较简单的场合 如身份验证等 接触式IC卡 接触式IC卡的结构 非接触式IC卡 计算机应用基础教研室 2 3 微型计算机的硬件组成 计算机应用基础教研室 冯 诺依曼计算机的结构与原理 计算机的结构 由五部分构成 采用二进制形式表示数据和指令 冯 诺依曼计算机的基本原理 存储程序与程序控制 1 计算机的工作由程序控制 程序是一个指令序列 指令是能被 计算机理解和执行的操作命令 2 程序 指令 和数据均以二进制编码表示 均存放在存储器中 3 存储器中存放的指令和数据按地址进行存取 4 指令是由CPU一条一条顺序执行的 计算机应用基础教研室 计算机应用基础教研室 存储器 中央 处理器 存储数据 和指令 执行指令 处理数据 指令 数据 处理结果 2 3 1 微处理器 nCPU的主要任务是执行指令 它按指令的规 定对数据进行操作 计算机应用基础教研室 微处理器的组成及执行过程 nCPU主要由运算器 控制器和寄存器组3个部分组成 nCPU的任务 取指令并完成指令所规定的操作 寄 存 器 组 运 算 器 中央处理器 指令计数器 指令寄存器 控制器 数 据 程序 指令1 指令2 指令k 指令n 数据1 数据2 数据m 数据 内存储器 指 令 指令地址 操作数地址 存放待执行 指令的地址 已经启动运行 的程序和数据 存放待执行的 指令并进行译 码 完成规定的运 算 暂存等待处 理的数据 操作命令 计算机应用基础教研室 如何衡量CPU的性能 n计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢 它