《计算机组成原理》PPT课件.ppt

第二章计算机组成原理,第二章学习目标与要求,1.掌握计算机硬件的主要组成部分及其功能，了解计算机的类型及它们的用途2.了解微处理器的特点、功能、应用及大概的发展情况3.描述CPU的结构与工作原理，理解指令的大体执行过程4.熟悉PC机的物理组成，芯片组与其他部件的关系5.了解Cache存储器和主存储器的功能与关系6.理解I/O总线、I/O控制器、I/O接口及I/O设备的功能与相互关系7.掌握常用输入设备的功能、结构与原理8.掌握常用输出设备的功能、结构与原理9.理解磁盘、光盘的类型、结构与原理,第二章主要内容,2.1计算机的组成和分类计算机的逻辑结构2.2CPU的结构和原理个人计算机中的中央处理器2.3PC机的主机个人计算机的物理结构2.4常用输入设备个人计算机的输入设备2.5常用输出设备个人计算机的输出设备2.6外存储器个人计算机的外存储设备,2.1计算机的组成与分类,主要内容：计算机的逻辑结构各组成部分的基本功能计算机分类计算机主要性能指标,2.1.1计算机的组成,硬件：计算机系统中所有实际物理装置的总称软件：在计算机中运行的各种程序和相关的数据及文档程序：用来向计算机指出应如何一步步地进行规定的操作数据：程序处理的对象文档：提供给用于使用的操作说明、技术资料等它们都是软件不可缺少的组成部分,计算机系统的组成,存储程序与程序控制几个要点程序是一个指令序列指令是可以被计算机理解并执行的基本操作命令指令与数据都用二进制编码形式存储、运行和运算程序和数据预先存放在存储器内计算机工作时，CPU依次从存储器中取出一个程序中的各条指令（取指令），对指令的功能进行分析（指令译码），按指令的功能从内存取出数据（取数），对数据进行运算处理（运算）并保存运算结果，直到取到并执行了停机指令为止。至此完成程序的一次运行,冯诺依曼计算机的基本原理,冯诺依曼计算机的5个组成部分,计算机的逻辑结构,计算机硬件的组成,输入设备,输入（input）指把信息（程序，数据，信息）送入计算机的过程（名词）向计算机输入的内容输入设备用来向计算机输入信息的设备输入到计算机中的信息都使用二进制中的“0”和“1”两个符号来表示,输入设备类别,按照输入信息的类型划分数字和文字输入设备（键盘、写字板等）位置和命令输入设备（鼠标器、触摸屏等）图形输入设备（扫描仪，数码相机等）声音输入设备（话筒，MIDI演奏器等）视频输入设备（摄像机）温度、压力输入设备（温度、压力传感器）,中央处理器,CPU：CentralProcessingUnit处理器能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入信息进行各种处理微处理器简称P或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的处理器,中央处理器(CPU),包含运算器和控制器。承担系统软件和应用软件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。（一台计算机中有多个处理器，它们各有其不同的任务）,中央处理器(CPU),并行处理和多处理器系统使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。,内存储器和外存储器,存储器存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等)的部件。存储器类别与特性内存储器(简称内存或主存)存取速度快、容量相对小，价格相对高直接与CPU相连接（CPU可直接访问）易失性，用于临时存放CPU正在运行的程序、正被处理的数据以及产生的结果数据存储介质：半导体芯片,内存储器和外存储器,外存储器(简称外存或辅存)存取速度慢、容量相对大，价格相对低不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用）非易失性，用于长期存放各类信息存储介质：磁盘、光盘、磁带等,输出设备,输出（output）把信息送出计算机的过程（名词）指计算机所产生的结果。计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式输出设备完成信息输出的设备。即把计算机存储器中用“0”和“1”表示并存储的信息转换成人可直接识别的信息形式的设备输出设备类别输出文字和图形的设备：显示器打印机绘图仪输出声音的设备：音箱,系统总线,用来连接CPU、内存、外存和各种输入输出设施并协调它们工作的一个控制部件，其主要组成部分是用于在各部件间运载信息的一组（或多组）公用的传输线。,I/O端口（I/Oport）,计算机系统中的I/O设备通过I/O端口与各自的控制器连接，然后由控制器与总线相连。常用的I/O端口有并行口、串行口、视频口、USB口等，它们的外形、结构和信号交换规程各不相同。,2.1.2计算机的分类,计算机的分类,1.巨型计算机（Supercomputer）巨型计算机也称超级计算机，它采用大规模并行处理的体系结构，CPU由数以百计、千计、万计的处理器组成，有极强的运算处理能力，速度达到每秒万亿次以上，大多使用在军事、科研、气象、石油勘探等领域。,NECSX-6/64MB巨型计算机外形,计算机的分类,2.大型计算机（Mainframe）运算速度快、存储容量大、通信联网功能完善、可靠性高、安全性好、有丰富的系统软件和应用软件的计算机，CPU通常有4、8、16、32个甚至更多处理器。功能：为企业或政府的数据提供集中的存储、管理和处理，作为主服务器（企业级服务器），在信息系统中起着核心作用。,计算机的分类,3.小型计算机（Minicomputer）供部门使用的计算机，以IBM公司的AS/400为代表。近些年来，小型机逐步为高性能的服务器（部门级服务器）所取代。功能：为多个用户执行任务，但它没有大型机的高性能，支持的并发用户数目比较少。小型机的典型应用是帮助中小企业（或大型企业的一个部门）完成信息处理任务，如库存管理、销售管理、文档管理等。,计算机的分类,小型机,4.个人计算机（PersonalComputer，也称个人电脑、PC机或微机）特点：以微处理器为中心的一个独立完整的计算机系统。价格便宜，使用方便，软件丰富，性能不断提高，适合办公或家庭使用。通常只用来处理一个用户的任务，可独立使用，也可与其他计算机互连。最早的代表机型：1977年：AppleMacintosh(Apple公司产品，使用Motorola公司生产的微处理器）1981年：IBM-PC(IBM公司产品，使用Intel公司生产的8086微处理器）,计算机的分类,计算机的分类,个人计算机类别,台式机：一般在办公室或家庭中使用。便携机：用于移动计算。笔记本（膝上机）：体积小、重量轻，便于外出携带，性能与台式机相当，但价格高出一倍左右。手持式计算机（掌上机）：包括商务通、快译通之类产品，它们与PC机不一定兼容，有些只有一些专用功能，缺乏通用性。,计算机的分类,工作站（一种特殊的个人计算机，称为工程工作站Workstation)具有高速运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX操作系统，特别适合于工程与产品设计使用。SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此类产品。,工作站,计算机的分类,服务器/客户机在这种系统中，巨型机、大型机和小型机均可作为系统的服务器，个人计算机和工作站则用作客户机。客户机直接面向用户，通过联网与服务器共同合作完成信息处理的任务。鉴于客户机/服务器系统的盛行，一些计算机厂家专门设计生产了称为“服务器”的一类计算机产品，它们的存储容量大，网络通信功能强、可靠性好、运行专门的网络操作系统。,计算机的分类,5.微控制器（单片机）是一种把处理器、存储器、输入输出接口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电路芯片。,2.1.3计算机主要性能指标,计算机主要性能指标,1.运算速度用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量单位：次秒：每秒执行加法运算的次数世界第一台计算机ENIAC的运算速度5000次/秒目前计算机的速度银河：130亿次秒(国产机）曙光3000：3800亿次秒(国产机，国内最快)EarthSimulator(地球仿真超级计算机)：350000亿次/秒浮点运算（NEC公司，世界最快）,计算机主要性能指标,用于说明CPU运算速度的度量单位：（1）MIPS：百万条定点指令秒（MillionInstructionsPerSecond）。例如,P4微处理器运算速度已超过100MIPS（2）MFLOPS：百万条浮点指令秒（MillionFLOatinginstructionsPerSecond）（3）TFLOPS：万亿条浮点指令秒（TrillionFLOatinginstructionsPerSecond)例如，EarthSimulator运算最高速度达到35.8TFLOPS,计算机主要性能指标,2.字长中央处理器中运算器和寄存器的宽度。即数据在运算器中做运算或存储时的二进制位数。字长决定了计算的精度。字长通常是2的整数次幂。微处理器字长演变：Intel4004:4位(1971年，世界第一个微处理器)Intel8008,8080:8位Intel8086:16位Intel80386,80486,pen