第2章 计算机系统的硬件 - 21-22 4节

本章要点与学习要求：CPU的组成和技术指标（掌握）主存储器的组成和技术指标（掌握）辅助存储器的分类和特点（掌握）输入输出设备的分类（掌握）输入输出控制方式（了解）指令系统和总线（掌握）计算机的系统结构（了解）第2章

计算机系统的硬件教学章节中央处理器（CPU）2.1主存储器2.2辅助存储器2.3输入/输出系统2.4计算机的整机结构2.5第2章

计算机系统的硬件教学目的：学习计算机硬件装置中的中央处理器的组成及简单工作原理学习计算机存储系统中的主存储器的组成及简单工作原理教学重点：

运算器；控制器；主存储器的组成CPU、主存储器的主要技术指标2.1-2.2中央处理器、主存储器

a.CPU的结构：(CPU：CentralProcessingUnit

)

CPU由运算器与控制器两部分组成,它是计算机的核心部件。

b.微处理器：

在微型计算机中,中央处理器集成在一块超大规模集成电路芯片上,又把它叫做是微处理器,即:MPU(MicroProcessingUnit)。

c.CPU的主要功能:

①实现算术运算和逻辑运算；

②实现取指令、分析指令和执行指令操作的控制；

③实现异常处理以及中断处理.(电源故障、运算溢出和外部设备的请求服务处理等)。2.1中央处理器2.1.1运算器：

1.运算器：

实现数据的算术运算和逻辑运算的部件。

2.构成：（P46图2-1）算术逻辑单元（ALU）：主要由加法器所组成。多路选择器（M1-M3）：由与或门组成。通用寄存器组（R1-R4）：由若干位触发器所组成。标志寄存器（FR）：

由若干位触发器和相应的逻辑门电路组成，用来存放ALU运算结果的一些状态。

3.计算机内三大总线：

数据总线（DBUS）、地址总线（ABUS）和控制总线（CBUS）

数据总线（DBUS）和控制总线（CBUS）分别由若干条数据信号线和若干条控制信号线组成。a.组成：

算术逻辑单元（ALU）主要由加法器所组成。若CPU字长为16位,则该加法器至少由16个全加器组成b.全加器:

一种能够实现一位二进制数相加的逻辑部件(P37）.c.功能:

实现算术运算（加、减、乘和除）和各种逻辑运算(与,或,非和异或).1.算术逻辑单元（ALU：ArithmeticLogicUnit）

a.组成：

通用寄存器组（R1-R4）由若干位触发器所组成。若CPU字长为16位,则R1-R4寄存器分别由16个触发器组成,存放16位的二进制数.

b.工作原理：

每个寄存器都有一个打入脉冲（C7-C10），在打入脉冲的作用下（高电位1有效），可将DBUS上的数据打入某一寄存器上（寄存）。2.通用寄存器组（R1-R4）例如:

C7=1(高电位有效)R1寄存DBUS数据 然后分别输出给M1,M2两个多路选择器的输入端

a.组成： 由与或门组成

b.工作原理： 多路当中选择一路输出

c.例M1:

A=R1·C15+R2·C14+R3·C13+R4·C12

若令控制信号C15=1,其他均为0，则：

A=R1（M2同M1）

d.M3:

ALU的一组输出控制门,当C23有效时,ALU的运算结果通过M3输出给DBUS进行传递3.多路选择器（M1-M3）

a.组成：

由若干位触发器组成，用来存放ALU运算结果的一些状态。如,结果是否全0,是否有进位等。

b.标志寄存器：

又称状态寄存器或状态控制器(PSW),为后续指令的执行提供’标志’。4.标志寄存器（FR）进位标志位（C）：

当运算结果的最高位有进位时，该标志位（触发器）置“1”，否则置“０”。零标志位（Z）：

当运算结果为全零时，该标志位置“1”，否则为“0”。符号标志位（S）：

当运算结果为负时,该标志器位置“1”,否则置“0”溢出标志位（V）：

当运算结果产生溢出时，该标志器位置“1”，否则置“0”。奇偶标志位（S）：

当运算结果中“1”的个数为偶数时，该标志器位置“1”，否则置“0”。

在不同的计算机中，标志寄存器所设置的标志位的数目和表示方法各有所不同，但至少都有上述五个标志。

c.标志寄存器的分类:基本操作举例:1）传送操作： 将R1寄存器中的数据传送到R2寄存器传送指令：MOVR2,R1

（R1->R2）执行该指令时，控制器将通过CUBS发出下列有效信号：

·C15=1，使R1的数据通过A组输入端进入ALU。

·C20=1，使A组输入数据不经任何处理便从ALU输出。

·C23=1，使R1的各位数据直送到数据总线DBUS的对应数据线上.·C8=1,将数据总线上的数据打入R2寄存器的对应位。至此，便将R1的内容传送到R2中

运算器的基本工作原理示例（2）加法操作：

将R1的数据相加结果送入R2寄存器加法指令：

ADDR2，R1（R1+R2->R2）执行该指令时，控制器将通过CBUS发出下列有效信号：

C15=1，使R1的数据经A组输入端进入ALU

C17=1，使R2的数据经B组输入端进入ALUC21=1，在ALU中实现ADD（A+B），结果从ALU输出

C23=1，将结果直送到DBUS的数据线上C8=1,将数据线DB15-DB0上的结果打入R2寄存器中。

到此，完成了R1+R2的加法操作。此时，R1中的被加数仍保留着，而R2的加数已被冲掉，且保存着加法结果。结论:

不难看出，运算器实质上只是提供了各种“数据的通路”。在不同控制信号序列的控制下，让数据从“原地址”出发，途经不同的“通路”，到达“目标地址”，便可完成对数据的“加工”，即实现对数据的运算。

中央处理器中的控制器是统一指挥和控制计算机各个部件按时序协调操作的中心部件。

计算机的自动计算过程就是执行一个存入存储器的一段程序的过程，而执行程序的过程就是执行一条条指令的过程，即周而复始地按一定的时序取指令、分析指令和执行指令的过程。

由此可见，控制器应具备下列功能:2.1.2控制器控制器功能:①根据指令在存储器中的存放地址,从存储器中取出指令,并对该指令进行分析，以判别取出的指令是一条什么指令。②根据判别的结果，按一定的时序发出指令所需要的一组操作控制信号，如前所述C7，C8等控制信号。由于这些控制信号所完成的操作是计算机中最简单的“微小”操作，故称为微操作(microoperation)控制信号。这些信号通过控制总线CBUS送到计算机的运算器存储器及输入输出设备等部件。③当执行完一条指令后，便自动从存储器中取出下一条要执行的指令。为了实现上述功能，控制器一般应由指令部件，时序部件和微操作控制部件等组成。

控制器的组成:1．指令部件

指令部件包括：

程序计数器（PC） 指令寄存器（IR） 指令译码器（ID）

和 地址形成器等(1)程序计数器（PC）

程序计数器（PC：ProgramCounter）由若干位触发器及逻辑门所组成，用来存放将要执行的指令在存储器中的存放地址。

通常，指令是按顺序执行的，每当按程序计数器所提供的地址从存储器取出现行指令后，程序计数器就自动加1（记PC=PC+1），指向下一条指令在存储器的存放地址。

据此，程序计数器也称为指令地址计数器，简称指令计数器。当遇到转移指令时，控制器将把转移后的指令地址通过地址形成器送入程序计数器，使程序计数器的内容被指定的地址所取代。这样按此地址从存储器中取出指令，便改变了程序的执行顺序，实现了程序的转移。

程序计数器中的指令地址是通过地址总线（ABUS）传送到存储器的，以实现按此地址从存储器中取出指令。(2)指令寄存器（IR）

指令寄存器（IR：InstructionRegister）是由若干位触发器所组成的，用来存放从存储器取出的指令。

基本指令格式如下：其中，操作码θ占4位，可有24=16种操作代码； 地址码d占12位，其编码范围为0~212-1。

从存储器中取出的指令是通过数据总线（DBUS）送入指令寄存器的。(3)指令译码器（ID）指令译码器（ID：InstructionDecoder）是由门组合线路所组成，用来实现对指令操作码译码。

对基本指令中的4位操作码进行译码，即有24=16种不同的译码信号。原理：

译码信号识别了指令所要求进行的操作，并“告诉”微操作控制部件，以便由该部件发出完成该操作所需要的控制信号２.时序部件

计算机执行一条指令是通过按一定的时间顺序执行一系列微操作实现的，如前例中完成R1+R2->R2操作，控制器必须按时间顺序依次发出C17，C15，C21，C23，C8等控制信号，这一“时间顺序”就是通常所说的“时标”。

计算机中的“时标”是由时标发生器（TU）产生的，它由节拍脉冲发生器和启停线路所组成。 在主脉冲振荡器（MF）所产生的主脉冲（CLK）驱动下，时标发生器（TU）将产生时标信号T1~T4（课本P50图2-3），其先后顺序反映了“时间顺序”，构成了计算机中的“时标”。

若将一条指令所包含的一系列微操作安排在不同的"节拍"中即可实现对微操作的定时。

３．微操作控制部件

微操作控制部件（MOCU：MicroOperationControlUnit）的功能是：综合时序部件所产生的时标信号和指令译码器所产生的译码信号，发出取指令和执行指令所需要的一系列微操作信号。

通常采用两种设计方法来实现：

组合逻辑（combinationallogic）

微程序逻辑(microprogramlogic)

下面简要介绍用这两种方法构成微操作控制部件的基本原理。

(1)组合逻辑控制

采用这种控制方式，微操作信号是由组合线路产生的。

该组合线路的输入变量是指令操作码的译码信号、时标发生器产生的节拍及标志寄存器输出的状态信号，该组合线路的输出函数则是指令的微操作信号。这样，微操作控制部件的设计就归结为组合线路的设计，现以加法指令ADDR2，R1和传送指令MOVR2，R1为例，说明如何产生这两条指令的微操作信号。

a.计算机指令操作的实质:

按一定的时间顺序执行一系列微操作而完成的,即按一定的时间顺序打开或关闭数据通路中的一些门。

b.令:

1=>“执行”,0=>“不执行”

则:

可以用一个字的不同位来表示不同的微操作控制。

c.微指令:

操作码段二进制各位的值（1或0）将直接产生不同的微操作信号，称这一控制字为一条微指令(microinstruction)，存放微指令的存储器称为控制存储器（controlmemory）

这样,我们就可以用若干条微指令编制一段微程序（microprogram），并通过对微程序的执行来实现一条指令所要求的操作。

(2)微程序逻辑控制

1.构成：

微操作码段和微地址码段

2.功能:

3.令:

微操作码由30位二进制码组成，则可定义30个微命令（C1~C30）。

微操作码段的各位定义了不同的微命令。微指令格式：这样，我们就可以用若干条微指令编制一段微程序（microprogram），并通过对微程序的执行来实现一条指令所要求的微操作。微地址码段:

包含下一微指令地址及状态条件，用来指出下一条微指令在存储器中存放的地址，以便在本条微指令执行完毕后，按此地址从控制存储器中取出下一条微指令。例：实现指令MOVR2，R1的微程序

微程序逻辑控制方式的设计思想与传统的组合逻辑控制方式完全不同，它是建立在微程序设计技术的基础上。概括地说，每一条机器指令是用一段微程序来解释，而微程序由微指令组成，每一条微指令可产生一个或多个可同时执行的微操作。

按此原理来组成微操作控制部件需解决下列几个问题：如何存放微程序？如何使微程序与每一条机器指令相对应？

如何读取微指令（顺序或跳转）？

如何由微操作码来产生微操作信号？

请仔细阅读课本P52-P53内容：

MOVR2，R1MOVR2，R1组合逻辑控制的优缺点：缺点： 从原理上讲，用组合逻辑来组成微操作控制部件并不困难，但当指令的数量和种类很多时，这一工作将变得非常复杂，它不仅要求设计者非常熟悉每条指令所包含的微操作（或称指令流程），而且要熟悉数据通路及计算机的时标系统。 一旦设计完成，微操作控制部件将是一个凌乱的树形网络，要想对某一指令稍作修改或增加新的指令，都将形成牵一发而动全身的局面，修改、增补和检查都较困难。优点：微操作信号只要通过几级门电路的延时便可产生，因而速度较快。因此，这种控制方式在指令种类较少的简单计算机或速度要求较高的高速计算机中获得广泛应用。优点：

微程序控制器结构规范，易于实现对指令的修改、增删及控制器的调试等。缺点：

由于机器指令是通过执行一段微程序来实现的，指令的执行和存取都需要一定的时间，所以导致整体速度较慢。

微程序逻辑控制优缺点1.8086处理器2.80486处理器3.Pentium处理器2.1.380X86CPU结构举例

(课本P54)中央处理器(CPU：CentralProcessingUnit

)1.CPU的结构：

由运算器和控制器两部分组成。

在微型计算机中，CPU被集成在一块超大规模集成电路上，也称微处理器。主频：CPU内部工作的时钟频率,是CPU运行运算时的工作频率。外频：主板上提供一个基准节拍供各部件使用，主板提供的节拍称为外频。倍频：CPU作频率以外频的若干倍工作。CPU主频是外频的倍数称为CPU的倍频。这样CPU工作频率＝倍频×外频基本字长：CPU一次处理的二进制数的位数地址总线宽度：地址总线宽度（地址总线的位数）决定了CPU可以访问的存储器的容量，不同型号的CPU总线宽度不同，因而使用的内存的最大容量也不一样。数据总线宽度：数据总线宽度决定了CPU与内存、输入／输出设备之间一次数据传输的信息量。CPU的主要性能指标上一页

返回下一页高速缓存：是可以进行高速数据交换的存储器，它先于内存于CPU交换数据。

L1高速缓存：存取速度比一般内存快3～8倍。L1缓存也称片内缓存，容量一般在64KB～218KB之间。

L2高速缓存：通常做在主板上，目前有些CPU将二级缓存也做到了CPU芯片内。容量一般在512KB～1024KB之间，有的甚至在1M以上。

CPU的接口方式：指CPU安装在电脑主板上时使用的插座类型，主要有针脚式的Socket和插卡式的Slot两种。工作电压：工作电压是指CPU正常工作时所需要的电压。协处理器：含有内置协处理器的CPU可以加快特定类型的数值计算。某些需要进行复杂运算的软件系统需要协处理器支持。Pentium以上的CPU都内置了协处理器。CPU的主要性能指标（序）上一页

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PentiumII:1997年将多媒体技术摆上台面的CPU赛扬/奔3:1999年多事之秋！至强齐聚首Pentium4:2000年空前强大经久不衰的系列CPU

80386:1985年带领我们进入32位时代的CPU80486:1989年首尝RISC性能提升4倍的CPUPentium:1993年第一款与数字无关的CPUPentiumPro:1995年首款为服务器设计CPU

Itanium:2001年里程碑似的64位时代到来

PentiumM:2003年移动、网络、节能的铁骑双核处理器:2005年开创双核处理器新纪元CPU发展

4004:Intel历史上的首款微处理器8008:最早的家用电脑使用的CPU8086:1978年确立x86地位创造商业奇迹的CPU80286:1982年俗称“286”CPU上一页

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返回下一页80386芯片上一页

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返回下一页Celeron(赛扬)处理器上一页

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返回下一页Pentium4、Celeron上一页

返回下一页Itanium上一页

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返回下一页双核处理器CoreYonah65nm核心照片上一页

返回下一页CPU的安装上一页

返回下一页P3装CPU装CPU和风扇装CPU电源线

分析：计算机的硬件由五个部分组成，分别是输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。其中运算器和控制器合在一起又称为中央处理器（CPU），CPU是计算机硬件系统中最核心的部件。例1：计算机硬件系统中最核心的部件是（）。A）主存储器B）CPUC）磁盘D）输入／输出设备结论：答案应选B）上一页

返回下一页主存储器：，也称内存，存储直接与CPU交换的信息，由半导体存储器组成。辅助存储器：也称外存，存放当前不立即使用的信息，它与主存储器批量交换信息，由磁带机、磁盘机及光盘机组成。计算机存储器是存放数据和程序的设备定义分类地位要求

随机访问；工作速度快；具有一定的存储容量主存储器是能由CPU直接编程访问的存储器，它存放需要执行的程序与需要处理的数据。只能临时存放数据，不能长久保存数据。2.2主存储器上一页

返回下一页写信号，该信号将数据写入存储体地址总线，传送指令和操作数的地址码DBUS数据总线，传送读出/写入数据读信号，该信号将数据从存储体读出片选信号。该信号有效，表示存储器芯片被选中；否则，该芯片不工作主存储器的组成框图器P59上一页

返回下一页存储体（MB：MemoryBank）由存储单元组成，每个单元包含若干个存储元件，每个存储元件可存储一位二进制数（“０”或“１”）。每个存储单元有一个编号,称之为存储单元的地址，简称“地址”。通常一个存储单位由8个存储元件组成，可存放一个字节的数据，存储体所包含的存储单元总数称之为存储器的容量。地址寄存器（MAR）：地址寄存器由若干个触发器组成，用来存放访问存储器的地址。地址寄存器的长度（即位数）应该与寄存器的容量相匹配。如寄存器的容量为1K，这地址寄存器的长度至少为2i=1K,即i=10。各组成部分功能P60上一页

返回下一页地址译码和驱动器实现对地址寄存器所提供的地址码进行译码，经驱动器的电流放大“选中”某一存储单元。如地址寄存器所提供的地址码为“000100”，则选中存储体的第4号存储单元。数据寄存器(MDR)数据寄存器由若干为触发器组成，用来暂时存放从存储单元中读出的数据（或指令），或暂存从数据总线来的即将写入存储单元的数据。数据寄存器的宽度（W）应该与存储单元的长度相匹配。各组成部分功能(序）上一页

返回下一页读写放大电路实现信息电平的转换，即将存储元件表示“1”和“0”的电平转换为数据寄存器中触发器所需的电平；反之亦然。读/写控制电路根据计算机的控制器发来的“存储器读/写”信号发出实现存储器读写操作的控制信号。片选信号：是由若干位地址码经译码而形成的。当CS=0时，该存储器芯片工作；否则，该芯片不工作。各组成部分功能(序）上一页

返回下一页读操作过程步骤：2.发读命令；3.从存储器读出数据1.送地址；2.存储器的读/写操作P60上一页

返回下一页写操作过程步骤：2.送数据；3.将数据写入存储器1.送地址；2.存储器的读/写操作(序）上一页

返回下一页存储容量一般指存储体所包含的存储单元数量（N），通常称为“实际装机容量”存储器容量越大，所能存放程序和数据就越多，计算机解题能力就越强。存取时间和存储周期是表征存储器工作速度的两个技术指标。取数时间（TA）是指存储器从接受命令到被读出数据稳定在数据寄存器（MDR）的输出端所需之时间。存储周期（TMC）是指两次独立的存取操作之间所需的最短时间。通常，TMC要比TA时间长。存取速率单位时间内主存与外部（如CPU）之间交换信息的总位数

可靠性

用平均故障间隔时间MTBF来描述，即两次故障之间的平均时间间隔。3.主存储器的主要技术指标P61上一页

返回下一页半导体存储器的分类（按材料分）双极型TTL：高速.

单极型MOS：容量大、集成度高、制造简单、成本低、功耗小应用广泛。2.2.2半导体存储器P62上一页

返回下一页双极型TTL：高速单极型MOS：容量大、集成度高、制造简单、成本低功耗小应用广泛按材料分类按存取分类ROMTextinhere

可以读出、也可以写入；随机存取，意味着存取任一单元所需的时间相同；当断电后，存储内容立即消失，称为易失性随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）

ROM中一旦有了信息，就不能轻易改变，也不会在掉电时丢失，是只供读出的存储器。结构简单，所以位密度比可读写存储器高具有非易失性，所以可靠性高RAM上一页

返回下一页1.半导体存储器的分类这类ROM的内部信息是在制作集成电路新芯片时，用定做的掩模"写入"的，制作后用户不能再修改。固定掩模型ROMPROM可编程只读存储器E2PROM是电擦除可编程只读存储器EPROM可擦除可编程只读存储器ROM的分类这类ROM的内部信息是由用户按需要写入的，但只允许编程一次这类ROM的内部信息可多次改写。它的内容通过紫外光照射可以擦除，这种灵活性使EPROM得到广泛的应用包含了EPROM的全部功能，而在擦除与编程方面更加方便．这就使E2PROM比EPROM有更大的灵活性和更广泛的适应性上一页

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分析：根据几种只读存储器的特点得知,固定ROM的内容一经固定不可再更改，可编程ROM（PROM）允许编程1次，可擦除可再编程ROM（EPROM）允许多次反复编程。本题中所问为可编程ROM允许的编程次数，故应选择1次。例2：可编程只读存储器（PROM）允许用的编程次数是（）。

A）l次B）2次C）3次D）多次反复结论：答案应选A）上一页

返回下一页固定卡口内存颗粒颗粒空位PCB基板金手指

内存内部构造上一页

返回下一页２.存储元件1)功能：

用来存储一位的二进制信息(“1”