计算机科学导论计算机组成

1、第第3讲讲 计算机组成计算机组成Computer Organizations2本讲内容本讲内容1冯冯诺依曼模型诺依曼模型2计算机硬件计算机硬件3微型计算机微型计算机4. 程序执行程序执行5. 其他体系结构其他体系结构3冯冯诺依曼模型诺依曼模型 计算机是一个接计算机是一个接受输入数据，处受输入数据，处理数据，产生输理数据，产生输出数据的黑盒子。出数据的黑盒子。输入输入数据数据输出输出数据数据程序程序 冯冯诺依曼（美籍匈牙利数学家科诺依曼（美籍匈牙利数学家科学家，计算机之父）提出的冯学家，计算机之父）提出的冯诺依曼诺依曼模型着眼于计算机的内部结构。模型着眼于计算机的内部结构。4计算机计算机输输入入

2、数数据据输输出出数数据据程序程序冯冯诺依曼模型诺依曼模型5计算机计算机输输入入数数据据输输出出数数据据程序程序输入输入/输出设备输出设备存储器存储器算术逻辑单元算术逻辑单元控制单元控制单元冯冯诺依曼模型诺依曼模型6l 计算机的硬件组成包括：存储器，算术逻辑单计算机的硬件组成包括：存储器，算术逻辑单元（元（ALU），控制单元和输入），控制单元和输入/输出设备。输出设备。存储器存储器: 存储数据和程序存储数据和程序算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）: 进行算术逻辑运算进行算术逻辑运算控制单元控制单元: 控制程序的执行控制程序的执行输入输入/输出设备输出设备: 接收来自外界数据接收来自外界数据/向

3、外界发送数据向外界发送数据7 1945 1945年年6 6月冯月冯诺依曼在一篇论文中第一次提出诺依曼在一篇论文中第一次提出了计算机三个主要思想：了计算机三个主要思想：l 计算机由四大部件组成计算机由四大部件组成l 程序和数据存储程序和数据存储l 程序和数据采用二进制数表示程序和数据采用二进制数表示 目前绝大多数计算机仍建立在这个思想的基础目前绝大多数计算机仍建立在这个思想的基础上，称之上，称之冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机。8 硬件硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；通常是指一切看得见，摸得到的设备实体； 软件软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是通常是泛指各类程序和文件，它们实际

4、上是由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。硬件 软件 计算机硬件计算机硬件9运算器控制器主存储器主存储器输入设备输出设备辅助存储器辅助存储器CPU控制控制数据数据地址或指令地址或指令主机主机外设外设存储器存储器计算机硬件组成计算机硬件组成10CPU 包括三部分：算术逻辑单元包括三部分：算术逻辑单元 (ALU)、控制单元和寄存器。、控制单元和寄存器。控制单元控制单元寄存器寄存器程序计数器程序计数器11 算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）& 执行算术运算和逻辑运算。执行算术运算和逻辑运算。 算术运算：包括算术运算：包括 加法、减法、乘法和除法

5、等。加法、减法、乘法和除法等。 逻辑运算：包括逻辑运算：包括“非非”、“与与”、“或或”和和“异或异或” 等。等。& 控制单元负责选择这些运算中的一种。控制单元负责选择这些运算中的一种。数字电路数字电路/ /模拟电路模拟电路12l 寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。l CPU的运算需要多个寄存器的运算需要多个寄存器l 常见的寄存器常见的寄存器 寄存器寄存器数据寄存器数据寄存器指令寄存器指令寄存器程序计数器程序计数器用来存放输入数据，用来存放输入数据，运算中间结果和最运算中间结果和最终结果。终结果。存放从内存中取出的存放从内存中取

6、出的指令，指令， 以便于稍后以便于稍后解释和执行它们。解释和执行它们。存放当前指令的存放当前指令的地址。当前指令地址。当前指令执行完后，程序执行完后，程序计数器自动加计数器自动加1，指向下一条指令指向下一条指令的地址的地址。13n 数据寄存器：用来存放输入数据，运算中间结果数据寄存器：用来存放输入数据，运算中间结果和最终结果。和最终结果。n 指令寄存器：存放从内存中取出的指令，指令寄存器：存放从内存中取出的指令， 以便于以便于稍后解释和执行它们。稍后解释和执行它们。n 程序计数器：存放当前指令的地址。当前指令执程序计数器：存放当前指令的地址。当前指令执行完后，程序计数器自动加行完后，程序计数器

7、自动加1，指向下一条指令，指向下一条指令的地址。的地址。14u 控制单元是整个计算机的指挥中心，被称为计算机控制单元是整个计算机的指挥中心，被称为计算机的大脑的大脑u控制通过线路的开（高电平）或关（低电平）实现控制通过线路的开（高电平）或关（低电平）实现u控制单元的基本功能：控制单元的基本功能：u从主存中取出指令从主存中取出指令u对指令译码，产生相应的操作控制信号对指令译码，产生相应的操作控制信号u指挥并控制指挥并控制CPU、主存和输入、主存和输入/输出设备之间的数输出设备之间的数据流动据流动 控制单元控制单元15n 主存储器是存储单元的集合主存储器是存储单元的集合n 每一个存储单元都有惟一的

8、标识符每一个存储单元都有惟一的标识符地址地址n 数据以字（或字节）的形式在存储器中传入或数据以字（或字节）的形式在存储器中传入或传出传出 主存储器主存储器16地址地址值值存储器存储器17n 每个存储单元存放一个字（或字节）。每个存储单元存放一个字（或字节）。n 所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称为为 地址空间地址空间。n 存储地址用无符号二进制数表示。存储地址用无符号二进制数表示。n 地址本身采用位模式。如果计算机有地址本身采用位模式。如果计算机有N个字的存个字的存储空间，则存储地址应当有储空间，则存储地址应当有log2N位。位。地址空间地址空

9、间18主存储器分为三种类型：主存储器分为三种类型： 随机存储器随机存储器 (RAM) 只读存储器只读存储器 (ROM) 互补金属氧化物存储器互补金属氧化物存储器(CMOS)主存储器主存储器 RAMROMCMOS主存储器的种类主存储器的种类19&RAM的特点：的特点： 计算机中主存的主要组成部分。计算机中主存的主要组成部分。 用户既可以读，又可以写。用户既可以读，又可以写。 对所有存储单元的读写时间均相同。对所有存储单元的读写时间均相同。 具有易失性。若断电或关掉计算机，全部存储具有易失性。若断电或关掉计算机，全部存储 的信息将会丢失。的信息将会丢失。20& 随机存储器（随机存储

10、器（RAM ）又分为两大类：）又分为两大类： 静态静态RAM（SRAM） ：利用触发器来存储信利用触发器来存储信息，当通电的时候信息始终存在，不需要刷新。息，当通电的时候信息始终存在，不需要刷新。存取速度快，但容量较小，价格较高。存取速度快，但容量较小，价格较高。 动态动态RAM（DRAM）: 利用电容上的电荷存储利用电容上的电荷存储信息，电容上的电荷会泄漏，需要周期性的刷信息，电容上的电荷会泄漏，需要周期性的刷新。存取速度慢，但容量较大，价格较低。新。存取速度慢，但容量较大，价格较低。21&RAM 的容量、速度：的容量、速度： 衡量衡量RAM容量的单位通常用字节数表示。每容量的单位通

11、常用字节数表示。每1024个字节称为个字节称为1K字节（字节（210=1K），每），每1024K字字节称为节称为1M字节（字节（220=1M），每），每1024M字节称为字节称为1G字节（字节（230=1G）。）。 磁带用两个卷轴承接起来，当磁带运动时，磁带用两个卷轴承接起来，当磁带运动时，可以通过读可以通过读/写磁头来读写磁带上的数据。写磁头来读写磁带上的数据。 磁带是顺序访问的，用户要找一个文件，必磁带是顺序访问的，用户要找一个文件，必须从磁带头开始。须从磁带头开始。 磁带磁带46利用激光技术来存储和读取数据利用激光技术来存储和读取数据 。光存储设备有只读光盘光存储设备有只读光盘(CD-R

12、OM)、可刻录光盘、可刻录光盘 (CD-R)、可重写光盘、可重写光盘(CD-RW)、数字多功能光盘、数字多功能光盘(DVD)。CD-ROM的内容是由制造商写入的。用户不能删的内容是由制造商写入的。用户不能删除，也不能写入。除，也不能写入。CD-ROM 盘所需的费用是可调节的，尤其是大批盘所需的费用是可调节的，尤其是大批量地生产，每个盘片的费用会很便宜的。量地生产，每个盘片的费用会很便宜的。CD-ROM 驱动器被使用来读驱动器被使用来读 CD-ROM 盘。盘。CD-ROM 驱动器有不同的速度，如单倍速，多倍驱动器有不同的速度，如单倍速，多倍速等。速等。CD-ROM的制造需要先使用高能红外激光来制

13、作的制造需要先使用高能红外激光来制作主盘。激光在主盘上形成一系列的坑和纹间表面。主盘。激光在主盘上形成一系列的坑和纹间表面。然后依照主盘，作成相应的模盘。然后依照主盘，作成相应的模盘。最后将溶解的聚碳酸酯树脂注入模盘中制成光盘。最后将溶解的聚碳酸酯树脂注入模盘中制成光盘。49CD-R 制造时不需要主盘和模盘。制造时不需要主盘和模盘。CD-R盘上的坑和纹间表面是模拟出来的。盘上的坑和纹间表面是模拟出来的。CD-R 是让用户自己制作的光盘。用户只需要一是让用户自己制作的光盘。用户只需要一次写入信息，就可以多次读出信息。次写入信息，就可以多次读出信息。50CD-RW 技术又称之为可擦写光盘技术。技术

14、又称之为可擦写光盘技术。CD-RW光盘可以写入、擦除、重写。光盘可以写入、擦除、重写。51l DVD 采用与采用与CD类似的技术。两种盘尺寸相同。类似的技术。两种盘尺寸相同。l DVD 盘的存储量远大于盘的存储量远大于 CD-ROM盘（如单层盘（如单层DVD盘的容量为盘的容量为4,700 MB ，而，而 CD-ROM盘的盘的容量仅为容量仅为650 MB）。）。l DVD 盘更适用于多媒体对存储大容量数据的盘更适用于多媒体对存储大容量数据的需要。需要。52 CPU与主存之间的连接与主存之间的连接主存主存数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线CPU 和主存之间通常通过系统总线连接。和主存

15、之间通常通过系统总线连接。 系统总线系统总线包括三组线路包括三组线路 ：数据总线：数据总线 、地址总线和控制总线。、地址总线和控制总线。53系统总线系统总线2 数据总线数据总线 ：由双方向的多根信号线组成，由双方向的多根信号线组成， CPU可以沿这可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据。通常数据总线的位数取决于字的宽度。如果设送出数据。通常数据总线的位数取决于字的宽度。如果计算机的字长是计算机的字长是32位，就需要位，就需要32位宽度的数据总线，以便位宽度的数据总线，以便同一时刻能够同时传送同一时刻能够同时传送32

16、位的数据。位的数据。2 地址总线：地址总线：由单方向的多根信号线组成，用于由单方向的多根信号线组成，用于CPU向主存、向主存、外设传输地址信息。地址总线的位数取决于存储空间的大外设传输地址信息。地址总线的位数取决于存储空间的大小。如果存储容量为小。如果存储容量为2n个字，那么地址总线需要个字，那么地址总线需要n位。位。54系统总线系统总线n 控制总线：控制总线：传输的是控制信息，包括传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令送出的控制命令和主存和主存/外设反馈给外设反馈给CPU的状态信号。控制总线的位数取决的状态信号。控制总线的位数取决于计算机所需要的控制命令的总数。如果计算机有于计算机所需要

17、的控制命令的总数。如果计算机有2m条控条控制命令，那么控制总线需要制命令，那么控制总线需要m位。位。552 输入输出设备不能直接与输入输出设备不能直接与CPU和主存的总线相连。因为输和主存的总线相连。因为输入输出设备往往都是机电、磁性或光学设备，比入输出设备往往都是机电、磁性或光学设备，比CPU和主和主存的速度慢得多。必须要有存的速度慢得多。必须要有“中介中介”来处理速度上的差异，来处理速度上的差异，这个中介被称为设备控制器或接口。这个中介被称为设备控制器或接口。键盘控键盘控制器制器监视器监视器控制器控制器打印机打印机控制器控制器磁盘控磁盘控制器制器56设备控制器有两种设备控制器有两种2 串行

18、控制器：串行控制器：只有一根数据线连接到设备上。只有一根数据线连接到设备上。2 并行控制器：并行控制器：数根数据线连接到设备上。数根数据线连接到设备上。串行接口串行接口并行接口并行接口58硬件硬件 微处理器微处理器 主板（扩展槽，适配器，接口，总线）主板（扩展槽，适配器，接口，总线） 一组内存一组内存 辅助存储器辅助存储器 输入输出设备输入输出设备 电源电源 机箱机箱59处理器处理器处理器处理器是微型计算机的最关键的部件，直接是微型计算机的最关键的部件，直接决定了计算机的性能。决定了计算机的性能。Intel公司的产品代表了微处公司的产品代表了微处理器技术的发展。理器技术的发展。 微处理器是微型

19、计算机的核心，它完成计算机所微处理器是微型计算机的核心，它完成计算机所有的运算和控制工作。微处理器的性能指标决定了由有的运算和控制工作。微处理器的性能指标决定了由它构成的微型计算机的性能指标。微处理器因其体积它构成的微型计算机的性能指标。微处理器因其体积小而得名。小而得名。微处理器微型计算机？微处理器微型计算机？ 微处理器不是微型计算机，因为它不能独立操作，必须与其它装置构成完整系统。微处理器的主要技术指标微处理器的主要技术指标字长：字长：字长决定了微处理器在每个时钟周期内处理字长决定了微处理器在每个时钟周期内处理数据的能力，字长由微处理器的型号来区分。数据的能力，字长由微处理器的型号来区分。

20、主频：主频：主频就是微处理器的时钟频率。主频越高，主频就是微处理器的时钟频率。主频越高，微处理器的速度就越快。时钟频率以微处理器的速度就越快。时钟频率以MHz或或GHz为为单位表示。单位表示。63主板主板 主板也称为主机板，它是一块印刷电路板，集主板也称为主机板，它是一块印刷电路板，集中放置了微型机的主要部件，目前一些常用的接口中放置了微型机的主要部件，目前一些常用的接口电路也放在主板上。电路也放在主板上。主板的主要部件包括：主板的主要部件包括： 微处理器芯片、芯片组、一组高速内存储器、微处理器芯片、芯片组、一组高速内存储器、基本输入输出接口、总线及总线接口、扩展槽、其基本输入输出接口、总线及

21、总线接口、扩展槽、其它一些支持电路。它一些支持电路。64硬盘接口硬盘接口总线扩展槽总线扩展槽CPU插座插座输入输出设备接口输入输出设备接口电源插口电源插口只读存储器电源只读存储器电源前面板接口前面板接口n 基本输入输出接口基本输入输出接口例如：键盘、打印机接口等n 扩展槽:是适配器与微机总线之间的物理连接装置，其中可插入各类适配器。n 其它配套的支持电路其它配套的支持电路 扩展槽扩展槽配套电路配套电路键盘端口键盘端口n 总线及总线接口总线及总线接口 CPU内存条内存条配套芯片配套芯片主板主板1. 芯片组芯片组 主板性能好坏对总体指标产生举足轻重的影响，主板性能好坏对总体指标产生举足轻重的影响，

22、关键在于芯片组的选用，决定主板本身性能和整个关键在于芯片组的选用，决定主板本身性能和整个计算机系统的级别，影响到支持什么性能的计算机系统的级别，影响到支持什么性能的CPU、硬盘图形加速卡等。硬盘图形加速卡等。 芯片组是指主板上各种设备间的接口电路，主芯片组是指主板上各种设备间的接口电路，主要有内存控制器、硬盘控制器、要有内存控制器、硬盘控制器、CACHE控制器、控制器、总线控制器等。总线控制器等。67 早期产品只有一种早期产品只有一种ISA总线，即总线，即 “Industry Standard Architecture”工业标准体系结构，工业标准体系结构，IBM制定的总线标准。制定的总线标准。

23、 只有只有16位，传位，传输速率低输速率低,现在只现在只有部分内置的调有部分内置的调制解调器、制解调器、10M网卡等还使用。网卡等还使用。69PCI（Peripheral Component Interconnect,外部外部设备互连）总线，具有设备互连）总线，具有132MB/S的数据传输能力和的数据传输能力和很强的带负载能力，被世界上大多数厂商采用。很强的带负载能力，被世界上大多数厂商采用。70EIDE（Enhanced Integrates Drive Electronics,集集成驱动器电子部件）是硬盘接口标准。成驱动器电子部件）是硬盘接口标准。AGP（Accelerated Graph

24、ics Port)插槽，安装加插槽，安装加速图形卡，有专用总线和内存连接，速度达到速图形卡，有专用总线和内存连接，速度达到553MB/S。 USB（Universal Serial Bus,通用串行总线），用通用串行总线），用于连接摄象头、数码相机、打印机等。于连接摄象头、数码相机、打印机等。USB支持热插支持热插拔，安装较简单。拔，安装较简单。PS/2鼠标、键盘插口。鼠标、键盘插口。71串行端口串行端口 并行端口并行端口USB口口鼠标鼠标键盘端口键盘端口3. 输入输出设备端口输入输出设备端口I/O接口接口电路电路外部外部设备设备内部总线内部总线外部数据线外部数据线接口板插在主板上插在主板上与

25、总线相连与总线相连外部端口外部端口与外设相连与外设相连4.4.适配器适配器 适配器是微机系统中驱动某一个外部设备的功能适配器是微机系统中驱动某一个外部设备的功能模块电路的统称。该模块电路必须包含两个接口，一模块电路的统称。该模块电路必须包含两个接口，一个是与主机连接的总线接口，一个是与外部设备连接个是与主机连接的总线接口，一个是与外部设备连接的外设接口。适配器也称为的外设接口。适配器也称为“卡卡”。显示卡总线接口外设接口主机总线主机总线外设端口外设端口适配器具有独立的系统功能，可与系统并行工作。适配器具有独立的系统功能，可与系统并行工作。与主机板相连与外设相连适配器微机计算机基本配置微机计算机

26、基本配置 键盘显示器鼠标打印机显示卡并行接口卡串行接口卡主机板软 硬 盘 适 配 器软盘驱动器 硬盘驱动器电电 源源总线机箱机箱75RAM存储芯片和内存条存储芯片和内存条 过去，一般存储芯片都是双列直插封装的，过去，一般存储芯片都是双列直插封装的，简称简称DIP。目前，在微机上，越来越多地使用。目前，在微机上，越来越多地使用单列直插存储模块单列直插存储模块SIMM和双列直插存储模块和双列直插存储模块DIMM，也就是通常所说的内存条。，也就是通常所说的内存条。主存主存76SDRAM和和DDR SDRAM SDRAM在同步脉冲的控制下工作，取消了在同步脉冲的控制下工作，取消了内存等待时间，减少了数

27、据传送的延迟时间，因内存等待时间，减少了数据传送的延迟时间，因而加快了系统速度。而加快了系统速度。 DDR SDRAM不仅能在时钟脉冲的上升沿读不仅能在时钟脉冲的上升沿读出数据而且还能在下降沿读出数据，不需要提高出数据而且还能在下降沿读出数据，不需要提高时钟频率就能加倍提高时钟频率就能加倍提高SDRAM的速度。的速度。主存主存77 标准的标准的SDRAM有有168线（线（2个小缺口），而个小缺口），而DDR SDRAM有有184线（多出的线（多出的16个线占用了空个线占用了空间，故只有间，故只有1个小缺口），个小缺口），DDR SDRAM目前的目前的标准为标准为PC-266，可以工作在，可以工

28、作在2.5V的低电压环境下。的低电压环境下。主存主存7879电 源硬 盘机箱机箱80电源电源通用计算机通过执行程序来处理数据。通用计算机通过执行程序来处理数据。程序是指令的有序集合。程序是指令的有序集合。程序和数据都放在主存中。程序和数据都放在主存中。执行执行 指令是计算机进行操作的命令，将控制计算机指令是计算机进行操作的命令，将控制计算机完成规定动作的命令称为指令。完成规定动作的命令称为指令。 CPU利用重复的机器周期来执行指令。简化的周利用重复的机器周期来执行指令。简化的周期包括期包括3步：步：机器周期机器周期83 取指令取指令 在取指令阶段，控制单元命令系统取出一条指在取指令阶段，控制单

29、元命令系统取出一条指令放在指令寄存器令放在指令寄存器I中，程序计数器中，程序计数器PC加加1。 译码译码 把指令置于指令寄存器后进行译码，以确定这把指令置于指令寄存器后进行译码，以确定这是一条什么样的指令。是一条什么样的指令。 执行执行 译码完毕后，控制单元发送命令到译码完毕后，控制单元发送命令到CPU的某个的某个部件，完成指令所确定的功能。部件，完成指令所确定的功能。84一条指令由操作码和地址码两部分组成。一条指令由操作码和地址码两部分组成。把把200单元的内容送入寄存器单元的内容送入寄存器R1把把201单元的内容送入寄存器单元的内容送入寄存器R2R1和和R2的内容相加结果放在的内容相加结果

30、放在R3把把R3的内容存入的内容存入202单元单元停止所有操作停止所有操作1程序执行的实例程序执行的实例85070071072073200201202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPC070执行前主存和寄存器中的内容执行前主存和寄存器中的内容86070071072073200201202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R

31、2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3+14-10Load 200 R1Load 200 R1取数指令取数指令R1R2R3IPC070Load 200 R1Load 200 R1071+14第一条指令执行后第一条指令执行后070071072073200201202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPCLoa

32、d 201 R2Load 201 R2取数指令取数指令+14-10072Load 200 R1Load 200 R1071Load 201 R2Load 201 R2072第二条指令执行后第二条指令执行后070071072073200201202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3Store 202 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPC073+14-10+4Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3加法指令加法指令072073Load 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1 R2 R3第三条指令执行后第三条指令执行后070071072073200201202074主存主存Load 200 R1Load 200 R1 Halt HaltLoad 201 R2Load 201 R2Add R1 R2 R3Add R1