02_Computer_concepts_02.ppt

计算机基本原理 常宝宝北京大学信息技术学院chbb 计算机系统的基本组成 硬件是物质基础 软件是灵魂 二者缺一不可 计算机硬件的基本组成 显示器 打印机 键盘 鼠标 冯诺依曼计算机 控制器和运算器 控制器是计算机的大脑 指挥和协调计算机的运算器 存储器 输入装置和输出装置合作完成计算任务 运算器也是计算机的核心部件 是对信息进行加工和处理的部件 它在控制器的控制下完成各种算术和逻辑运算 例如加 减 乘 除 与 或 非 运算器和控制器通常合称中央处理器 CPU 在微型计算机中 运算器和控制器也经常被集成在一块电路芯片中 称作微处理器 输入 输出设备 输入设备的功能是把程序和数据转换成相应的电信号 让计算机能够接收和处理 典型的输入设备包括 键盘 鼠标 扫描仪 磁盘等 输出设备的功能是把计算机内部处理结果和数据输出 典型的输出设备包括 显示器 打印机 绘图仪 磁盘等 存储器 存储器 是计算机中用来存储数据的部件 存储器由一系列存储单元组成 每一个存储单元有一个唯一的地址 所有的存储单元形成一个线形的存储空间 每个存储单元可以用来保存一个二进制数 1 计算机的其他部件可以向存储单元写入数据 2 存储在存储单元中的数也可以被计算机的其它部件读出参与运算 3 如果向同一个存储单元写入另外一个数 那么之前的内容将被覆盖掉 不再存在 存储器图示 地址 存储单元 存储的数据 冯 诺依曼和存储程序原理 在现代计算机中 存储器不仅可以用来存储数据 也可以用来存储程序 指令 美国数学家冯 诺依曼最早 1946 提出把程序同数据一样存储在存储器中 让中央处理器自己负责从存储器中读取指令然后执行指令 这就是所谓的存储程序原理 据考证是埃克特Eckert1943提出的 而冯 诺依曼是1944年才加入研究小组的 计算机的总线结构 总线数据 地址和控制信号传输的通道 外部设备 计算机的各个部件如何连接在一起 计算机字长 总线一次传输所能传输的二进制数据的位数 64位还是32位 中央处理器的内部结构 内部总线 运算器和控制器通过内部总线连接在一起 控制器的组成部分 控制器的主要功能是读入指令 解释指令 发出控制信号指挥计算机完成指令的执行 指令寄存器 寄放正在执行的指令的寄存装置 程序计数器 一个可以自动累加的寄存装置 其中存放的是下一条要读取的指令在存储器中的位置 当指令被读出后 程序计数器的内容会自动累加 指向下下条指令 指令译码器 对指令寄存器中的指令进行分析解释 并按照指令的要求驱动控制电路产生各种控制信号指挥计算机各个部件完成指令所要求完成的任务 取指令 执行指令 取下一条指令 执行下一条指令 运算器的组成部件 通用寄存器 是CPU内部寄存数据的单元 在CPU指挥下 数据可以存放在其中 也可以被读出 其功能同存储单元类似 之所以称为通用 是因为寄存器中寄放什么数据是由指令决定的 可以寄放不同性质的数据 与此不同 指令寄存器只能寄放指令 故而是一种专用寄存器 算术逻辑单元 ALU 是CPU中完成算术运算和逻辑运算的装置 数据经内部总线输入算逻单元 运算结果被输送到内部总线 CPU字长 算逻单元一次运算所能处理的二进制位数 或者通用寄存器的位数 可不同于总线字长 计算机指令 指令是要求计算机执行某种操作的命令 指令的基本格式操作码用来表明指令要求完成的操作 例如加 减 移位和传送等等地址码用来给出参加运算的操作数和运算结果的位置 可以是寄存器和内存地址等等 计算机指令举例 ADDA 5 把寄存器A的内容和5号存储单元的内容相加 结果放在寄存器A中MOVB 10 把10号存储单元的内容传送到寄存器B中IN 12 5从5号设备读入一个数据 存放到12号存储单元OUT 12 6把12号存储单元的内容发送到6号设备 指令系统和程序 指令系统 CPU支持的所有机器指令的集合构成该CPU的指令系统 程序 由程序员编写的能在计算机上执行的 完成某个任务的指令序列 CPU逐条顺序执行程序员编写的指令序列也就完成了程序所能完成的特定任务 程序在执行时 放在存储器中 一段简单的程序 假定键盘是1号设备 显示器是2号设备 下面的程序完成从键盘读入两个数 把它们相加后 把结果发送到显示器IN 5 1IN 6 1MOVA 5 ADDA 6 MOV 7 AOUT 7 2 指令执行过程 总线 取指令 1 控制器根据程序计数器中的地址到存储器中指定的单元读取一条指令 2 指令通过总线到达指令寄存器 3 程序计数器的内容 1 指向下一条要执行的指令 MOVA 0 MOVA 0 MOVA 0 指令执行过程 5 5 执行指令 1 译码器对指令寄存器中的指令译码 2 0号存储单元的内容经总线传送到寄存器A中 指令执行过程 取下一条指令ADDA 1 执行指令ADDA 1 15 影响CPU性能的指标 系统时钟定时产生时钟脉冲信号 为各种操作建立同步信号 系统每秒所发出的时钟脉冲的个数 被称为时钟频率 时钟频率的单位是赫兹 时钟频率也称为主频 时钟频率是CPU性能好坏的一个重要表征指标 一般而言 时钟频率越高 CPU速度就越快 例如 Pentium主频60MHz 2GHzCPU字长 CPU字长越长