第1章计算机组成原理

1、信息技术基础信息技术基础第第1 1章章 计算机组成原理计算机组成原理学习目标学习目标n了解计算机组成与分类了解计算机组成与分类n了解了解CPU基本结构基本结构n掌握掌握PC机的主要部件结构机的主要部件结构n了解常用了解常用I/O设备设备1.1.1 计算机的发展与作用计算机的发展与作用1.1 计算机组成与分类计算机组成与分类划分划分时间时间硬件硬件软件软件应用应用第一代第一代1946年年1957年年电子管电子管机器语言机器语言直接管理直接管理科学计算科学计算第二代第二代1958年年 1964年年晶体管晶体管高级语言高级语言管理程序管理程序数据处理数据处理第三代第三代1965年年 1970年年小、

2、中规模小、中规模集成电路集成电路各种高级语各种高级语言言 操作系统操作系统实时控制与实时控制与辅助设计辅助设计第四代第四代1971年年至今至今大、超大规大、超大规模集成电路模集成电路面向对象语面向对象语言及交互式言及交互式操作系统操作系统计算机计算机网络网络1.1.2 计算机的组成计算机的组成n一个实用的计算机系统是由计算机硬件系统、一个实用的计算机系统是由计算机硬件系统、软件系统和通讯网络系统组成。软件系统和通讯网络系统组成。计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及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。其处理的数据和相关的文档。计算机硬件主要包括：计算机硬件主要包

3、括：CPU、内存、外存、输、内存、外存、输入设备、输出设备。入设备、输出设备。计算机硬件系统组成示意图计算机硬件系统组成示意图中央处理器外存储器内存储器输出设备系统总线输入设备控制器控制器控制器I/O 接口I/O 接口外存储器接口运算器与控制器计算机硬件系统功能逻辑关系计算机硬件系统功能逻辑关系计算机计算机硬件硬件中央处理器中央处理器（CPU）内存储器内存储器外存储器外存储器输入设备输入设备输出设备输出设备通过系统总线互通过系统总线互相连接相连接主主机机CPUCPU主存储器主存储器总线总线外围设备外围设备（外设）（外设）外存储器外存储器输入设备输入设备输出设备输出设备1.1.3 计算机分类计算

4、机分类n根据计算机中信息表示形式和处理方式划分根据计算机中信息表示形式和处理方式划分 电子数字计算机、电子模拟计算机和数字模拟混合计电子数字计算机、电子模拟计算机和数字模拟混合计算机算机n根据计算机用途划分根据计算机用途划分 通用计算机、专用计算机；通用计算机、专用计算机；n根据计算机规模划分根据计算机规模划分 巨型机、大型机、小型机和微型机；巨型机、大型机、小型机和微型机；n根据计算机结构划分根据计算机结构划分 单片机、单板机和多蕊片机；单片机、单板机和多蕊片机；n根据计算机字长划分根据计算机字长划分 4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位机；位机；1.2.1

5、 CPU的结构的结构 1.2 CPU的结构与原理的结构与原理寄寄存存器器组组运运算算器器控控 制制 器器指指 令令数数 据据运算结果运算结果中央处理器中央处理器操作命令操作命令内内 存存 储储 器器指令计数器指令计数器指令寄存器指令寄存器CPU执行过程执行过程外存储器外存储器 CPUCPU逐条执逐条执行指令，按指行指令，按指令要求完成对令要求完成对数据的运算和数据的运算和处理处理指令指令1指令指令2指令指令k程序程序数据数据1数据数据2数据数据m数据数据内存储器内存储器任务启动时，任务启动时，执行该任务的程执行该任务的程序和数据从外存序和数据从外存成批传送到内存成批传送到内存CPU从内存中从内

6、存中逐条读取该程序逐条读取该程序的指令及相关的的指令及相关的数据数据将指令的运算将指令的运算处理结果送回内处理结果送回内存保存存保存任务完成后，将任务完成后，将处理得到的全部结处理得到的全部结果成批传送到外存果成批传送到外存以长久保存以长久保存1.2.2指令与指令系统指令与指令系统 在计算机内部，执行的程序是由一连串指令组成，指令构成在计算机内部，执行的程序是由一连串指令组成，指令构成程序的基本单位。指令是能使计算机进行基本操作的命令，它程序的基本单位。指令是能使计算机进行基本操作的命令，它是一个数字化的命令信号。是一个数字化的命令信号。 每一种处理器都有一组专门设计的指令系统。在现代计算机每

7、一种处理器都有一组专门设计的指令系统。在现代计算机系统中主要有两大类：系统中主要有两大类：CISC（复杂指令计算机）和（复杂指令计算机）和RISC（精（精简指令计算机）。简指令计算机）。 计算机指令采用二进制表示，其格式为：计算机指令采用二进制表示，其格式为：操作码操作码操作数地址码操作数地址码1.3 PC机的主机机的主机1.3.1 主板、芯片组与主板、芯片组与BIOS键盘鼠标器打印机显示器话筒音箱网线I/O总线I/O接口硬盘，光驱I/O设备主板主板I/O设备I/O适配器（扩充卡）机箱插座板卡插座I/O控制器PCI 总线插槽内存主板插槽机箱机箱芯片组芯片组IDE接口CPUCPU键盘鼠标器打印机

8、显示器话筒音箱网线I/O总线I/O接口硬盘，光驱I/O设备主板主板I/O设备I/O适配器（扩充卡）机箱插座板卡插座I/O控制器PCI 总线插槽内存主板插槽机箱机箱芯片组芯片组IDE接口CPUCPU1.3 PC机的主机机的主机存储器插座存储器插座 处理器处理器I/O接口接口软驱及软驱及IDE硬盘连接器硬盘连接器电源连接器电源连接器PCI总线槽总线槽CPU插座插座显示卡的显示卡的AGP插槽插槽芯片组芯片组1芯片组芯片组2ROM BIOSCMOS 存储器存储器n主板主板 芯片组芯片组 软驱、硬盘软驱、硬盘IDEIDE连接器连接器电源连接器电源连接器CPU插座插座内存条插座内存条插座PCI总线插总线插

9、槽槽 I/O端口端口n 芯片组芯片组(Chipset) 集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内，是构成主板电路的核心。元件最大限度地集成在几个芯片内，是构成主板电路的核心。一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。Pentium 4CPU总线总线(400或533MHz)82865PMCHAGP 4X双通道(4.2 GB/s)82801EICH5 USB接口接口(x4)以太网接口PCI 插槽插槽(若干若干)(3.2或4.2GB/s)RDRAMRDRAM(1GB

10、/s) Flash BIOS Ultra ATA/100硬盘接口(x2)IDE(100MB/s)6声道音频接口I/O总线总线(133 MB/s)存储器总线存储器总线nBIOS BIOS(Basic Input/Output System)它是存放在它是存放在ROM芯片中的一芯片中的一组机器语言程序，具有启动计算机、诊断计算机故障及控制低组机器语言程序，具有启动计算机、诊断计算机故障及控制低级输入输出操作的功能。级输入输出操作的功能。BIOS包含包含4个部分的程序：个部分的程序： POST(Power On Self Test，加电自检，加电自检)程序程序; 系统自举（装入）程序系统自举（装入）

11、程序; CMOS设置程序设置程序; 基本外围设备基本外围设备(键盘、显示器、硬盘键盘、显示器、硬盘)的驱动程序的驱动程序1.3.2 内存储器内存储器n又称内存，直接与又称内存，直接与CPU相连，用来临时存放等待相连，用来临时存放等待CPU运行的程序运行的程序和处理的数据。和处理的数据。n 内存由超大规模集成电路存储器芯片组成，存取速度快，但容内存由超大规模集成电路存储器芯片组成，存取速度快，但容量较小量较小(与外存储器相比与外存储器相比)。主存储器又分为。主存储器又分为RAM和和ROM。 1.3 PC机的主机机的主机 n存储器层次结构：在塔状结构中，存取速度塔尖最高，向下存储器层次结构：在塔状

12、结构中，存取速度塔尖最高，向下依次降低依次降低。典型存取时间典型存取时间1ns2ns10ns10ms100s1.3.3 I/O总线与总线与I/O接口接口nI/O操作操作 所谓所谓I/O操作，即完成将输入设备输入的信息送入主存操作，即完成将输入设备输入的信息送入主存储器的指定区域，或者将主存储器指定区域的内容送储器的指定区域，或者将主存储器指定区域的内容送出到输出设备的任务。其特点为：出到输出设备的任务。其特点为： I/O操作与操作与CPU的数据处理操作并行进行；的数据处理操作并行进行； 多个多个I/O设备必须能同时进行工作；设备必须能同时进行工作； 除了键盘、显示器、鼠标器等基本的除了键盘、显

13、示器、鼠标器等基本的I/O设备之外，不同计算设备之外，不同计算 机所配置的机所配置的I/O设备数量、品种和性能差别很大，且经常需要增设备数量、品种和性能差别很大，且经常需要增 减和更新；减和更新；I/O设备的种类繁多，性能各异，操作控制的复杂程度相差很大设备的种类繁多，性能各异，操作控制的复杂程度相差很大，与计算机主机的连接也各不相同。，与计算机主机的连接也各不相同。nI/O总线总线扫描仪扫描仪打印机打印机显示器显示器麦克风麦克风网线网线I/O总线总线I/O接口接口硬盘硬盘光驱光驱I/O设备设备CPU主板主板I/O设备设备I/O控制器控制器（扩充卡（扩充卡）机箱机箱插座插座板卡板卡插座插座I/

14、O控制器控制器PCI 插槽插槽内存内存主主板板插插槽槽机箱机箱芯片组芯片组IDE接口接口I/O设备设备机箱机箱插座插座键盘键盘鼠标器鼠标器n I/O总线总线I/O总线上有总线上有3种信号种信号:数据信号数据信号(总线总线)：是：是CPU与内存、输入与内存、输入/输出接口之间传输输出接口之间传输 数数 据的通道；据的通道；地址信号地址信号(总线总线)：用于传送内存、输入：用于传送内存、输入/输出接口地址数据，输出接口地址数据， CPU按此地址寻找数据；按此地址寻找数据；控制信号控制信号(总线总线)：传送：传送CPU发出发出/接收的控制信号；接收的控制信号；I/O总线的带宽总线的带宽(总线的数据传输速率总线的数据传输速率):单位时间内总线上可传单位时间内总线上可传送的数据量送的数据量(字节数字节数)。总线带宽。总线带宽(MB/s)=(数据线宽度数据线宽度/8)总总线工作频率线工作频率(MHz)。n I/O设备接口设备接口 I/O设备接口：计算机中用于连接设备接口：计算机中用于连接I/O设备的各种插头设备的各种插头/插座插座 以及相应的通信规程及电器特性，就称为以及相应的通信规程及电器特性，就称为I/O设备