计算机导论 计算机系统的硬件 电子工业出版社.

1、第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件本章要点与学习要求：CPUCPU的组成和技术指标的组成和技术指标 （熟悉）（熟悉）主存储器的组成和技术指标主存储器的组成和技术指标 （掌握）（掌握）辅助存储器的分类和特点辅助存储器的分类和特点 （熟悉）（熟悉）输入输出设备的分类输入输出设备的分类 （掌握）（掌握）输入输出控制方式输入输出控制方式 （掌握）（掌握）指令系统和总线指令系统和总线 （熟悉）（熟悉）计算机的系统结构计算机的系统结构 （了解）（了解）第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件教学章节教学章节中央处理器（中央处理器（CPU

2、）2.1主存储器主存储器2.2辅助存储器辅助存储器2.3输入输入/ /输出系统输出系统2.4计算机的整机结构计算机的整机结构2.5第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件教学目的：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：教学重点： 运算器；运算器； 控制器；控制器； 主存储器的组成主存储器的组成 CPU、主存储器的主要技术指标、主存储器的主要技术指标第第

3、2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件教学引入 我们知道，人身体中最重要的器官是大脑我们知道，人身体中最重要的器官是大脑和心脏，那么计算机最重要的部件是什么？和心脏，那么计算机最重要的部件是什么？ 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件运算器：进行算术运算和逻辑运算。运算器：进行算术运算和逻辑运算。 控制器：对指令进行分析译码，产生控制信号控制器：对指令进行分析译码，产生控制信号实现数据的算术与逻辑运算实现数据的算术与逻辑运算实现取指令、分析指令和执行指令操作

4、的控制实现取指令、分析指令和执行指令操作的控制实现异常处理及中断处理等。实现异常处理及中断处理等。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 简化的运算器结构图简化的运算器结构图 P46 算术逻算术逻辑单元辑单元 多路选多路选择器择器通用寄通用寄存器存器标志寄标志寄存器存器 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 程序计程序计数器数器指令寄指令寄存器存器指令译指令译码器码器时标发生器时标发生器主脉冲主脉冲振荡器振荡器地址形成地址形成器器 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 简化的控制器结构图简化的控制器结构图 P49 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件

5、计算机系统的硬件运算器的组成运算器的组成 ALU (Arithmetric Logic Unit) ：算术逻辑单元，由加法器、逻算术逻辑单元，由加法器、逻辑运算电路组成，实现算术及逻辑运算电路组成，实现算术及逻辑运算。辑运算。R1R4：4个通用寄存器，可存个通用寄存器，可存放放4个个n位数据。位数据。 M1M3：3个多路选择器，可从个多路选择器，可从多个输入端中选择一个作为输出多个输入端中选择一个作为输出。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 FR：标志寄存器，用来寄存标志寄存器，用来寄存由运算

6、结果所建立的标志。常由运算结果所建立的标志。常用的标志有用的标志有进位标志位进位标志位(CF)零标志位零标志位(ZF)符号标志位符号标志位(SF)溢出标志位溢出标志位(OF)奇偶标志位奇偶标志位(PF)这些标志可用作控制程序走向的这些标志可用作控制程序走向的条件。条件。 C7C23：微操作控制信号微操作控制信号 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 (1)传送操作：传送操作：MOV R2 R1R2 R1为 实 现 该 操 作 ， 控 制 器 将 通 过为 实

7、现 该 操 作 ， 控 制 器 将 通 过CBUS发出下列控制信号：发出下列控制信号： C15=1，使使R1中的数据通过中的数据通过 M1 到到A C20=1，使使A端输入的数据不经端输入的数据不经 任何处理从任何处理从ALU输出输出 C23=1，使使R1的各位数据直送到的各位数据直送到 数据总线数据总线DBUS的对应的对应 位数据线上位数据线上 C8=1， 将数据总线将数据总线DBUS上数据上数据 打入打入R2寄存器寄存器 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 (2)加法操作加法操作: : AD

8、D R2 R1R2 (R1)+(R2)l C15=1，使使R1中的数据通过中的数据通过 MUX1到到Al C17=1，使使R2中的数据通过中的数据通过 MUX2到到Bl C21=1，在在ALU中实现中实现A+B, 即即 S=R1+R2，l C23=1，使求和结果使求和结果S直送到直送到 DBUSl C8=1， 将将DBUS上数据打入上数据打入R2第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件功能功能 根据指令在存储器中的存放根据指令在存储器中的存放地址，从存储器中取出指令，地址，从存储器中取出指令，进行分析，以判别取出的指令进行分析，以判别取出

9、的指令是一条什么指令。是一条什么指令。 根据判别的结果根据判别的结果 ，按一定的，按一定的时序发出执行该指令所需要的时序发出执行该指令所需要的一组操作控制信号。一组操作控制信号。执行完一条指令后，自动从执行完一条指令后，自动从存储器中取出下一条要执行的存储器中取出下一条要执行的指令。指令。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件组成组成 指令部件指令部件 程序计数器程序计数器PC 指令寄存器指令寄存器IR 指令译码器指令译码器ID 地址形成器地址形成器AGU 时序部件时序部件 微操作控制部件微操作控

10、制部件MOCU 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 (1)程序计数器程序计数器(PC) 用来存放指令地址。通常，用来存放指令地址。通常，指令按顺序执行，每执行完一指令按顺序执行，每执行完一条指令，程序计数器就自动加条指令，程序计数器就自动加1(记为记为PCPC+1)。当执行转当执行转移指令时，转移后的指令地址移指令时，转移后的指令地址将被强制置入将被强制置入PC。第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件

11、 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 (2)指令寄存器指令寄存器(IR) 用来存放从存储器取出的指用来存放从存储器取出的指令。其格式如下：令。其格式如下： 操作码操作码 地址码地址码 设设IR为为16位，其中操作码占位，其中操作码占5位，则可编码的指令种类最多位，则可编码的指令种类最多为为25 = 32种，剩下种，剩下11位为地址位为地址码，其寻址范围为码，其寻址范围为 211 = 2K。 D第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 (3)指令译码器指令译码器(ID) 用来实现对指令操作码的译用来实

12、现对指令操作码的译码，以识别本条指令所要执行码，以识别本条指令所要执行的操作是什么操作，并的操作是什么操作，并“告诉告诉”操作控制部件，以便由该部件操作控制部件，以便由该部件发出完成该操作所需要的微操发出完成该操作所需要的微操作控制信号。作控制信号。第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 (4)时序部件时序部件(TU) 在机器主频的触发下产生一在机器主频的触发下产生一定频率的时标信号，以控制一系定频率的时标信号，以控制一系列微操作的执行顺序。如将上述列微操作的执行顺序。如将上述的传送指令的传送指令(

13、MOV R2，R1)和加和加法指令法指令(ADD R2，R1)所需要的所需要的微操作安排在微操作安排在T1T4的时标中，的时标中，如下表所示：如下表所示： 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 指令操作时间表指令操作时间表时时标标MOV R2, R1ADD R2, R1微命令微命令T1C15T2C20T3C23T4C8微命令微命令C15C17C21C23C8微操作微操作R1AR2BADDM3DBUSDBUSR2微操作微操作R1AMOVM3DBUSDBUSR2第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系

14、统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 (5)微操作控制部件微操作控制部件(MOCU) 该部件综合时序部件所产生该部件综合时序部件所产生的时标信号和指令译码器所产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执行指令所需要的一系列微操作信号作信号 组合逻辑控制组合逻辑控制 微程序逻辑控制微程序逻辑控制第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 组合逻辑控制：组合逻辑控制：根据所建立根据所建立

15、的指令操作时间表，列出各的指令操作时间表，列出各微操作控制信号的逻辑表达微操作控制信号的逻辑表达式：式：C15=MOVT1+ADDT1C17=ADDT1C20=MOVT2C21=ADDT2C23=MOVT3+ADDT3C8=MOVT4+ADDT4 时时标标MOV R2, R1ADD R2, R1微操作微操作 微命令微命令 微操作微操作微命令微命令T1R1AC15R1AR2BC15C17T2MOVC20ADDC21T3M3DBUSC23M3DBUSC23T4D B U SR2C8D B U SR2C8第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件

16、 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 C15=MOVT1+ADDT1 C17=ADDT1C20=MOVT2 C21=ADDT2C23=MOVT3+ADDT3 C8=MOVT4+ADDT4第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件主频主频：CPUCPU内部工作的时钟频率内部工作的时钟频率, ,是是CPUCPU运行运算时的工作频率。运行运算时的工作频率。外频：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。为外频。倍频倍频：CPUCPU作频率以外频的若干倍工作。作频率以外频

17、的若干倍工作。CPUCPU主频是外频的倍数称为主频是外频的倍数称为CPUCPU的倍频。这样的倍频。这样 CPUCPU工作频率倍频工作频率倍频外频外频基本字长：基本字长：CPUCPU一次一次处理处理的二进制数的位数的二进制数的位数地址总线宽度：地址总线宽度：地址总线宽度（地址总线的位数）决定了地址总线宽度（地址总线的位数）决定了CPUCPU可以可以访问的存储器的容量访问的存储器的容量，不同型号的，不同型号的CPUCPU总线宽度不同，因而使用的总线宽度不同，因而使用的内存的最大容量也不一样。内存的最大容量也不一样。 数据总线宽度：数据总线宽度：数据总线宽度决定了数据总线宽度决定了CPUCPU与内存

18、、输入输出设备与内存、输入输出设备之间一次之间一次数据传输的信息量数据传输的信息量。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件高速缓存：高速缓存：是可以进行高速是可以进行高速数据交换数据交换的存储器，它先于内存于的存储器，它先于内存于CPU CPU 交换数据。交换数据。 L1L1高速缓存：高速缓存：存取速度比一般内存快存取速度比一般内存快3 38 8倍。倍。L1L1缓存也称片内缓存，容量缓存也称片内缓存，容量一般在一般在64KB 64KB 218KB218KB之间。之间。 L2L2高速缓存高速缓存：通

19、常做在主板上，目前有些：通常做在主板上，目前有些CPUCPU将二级缓存也做到了将二级缓存也做到了CPUCPU芯片芯片内。容量一般在内。容量一般在512KB 512KB 1024KB1024KB之间，有的甚至在之间，有的甚至在1M1M以上。以上。 CPU CPU 的接口方式：的接口方式：指指CPU CPU 安装在电脑主板上时使用的插座类型，主安装在电脑主板上时使用的插座类型，主要有针脚式的要有针脚式的Socket Socket 和插卡式的和插卡式的Slot Slot 两种。两种。工作电压：工作电压：工作电压是指工作电压是指CPUCPU正常工作时所需要的电压。正常工作时所需要的电压。协处理器：协处

20、理器：含有内置协处理器的含有内置协处理器的CPUCPU可以加快特定类型的数值计算。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。某些需要进行复杂运算的软件系统需要协处理器支持。PentiumPentium以上以上的的CPUCPU都内置了协处理器。都内置了协处理器。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 2.1.3 中央处理器中央处理器(CPU)结构举例结构举例(1)80*86系列主要系列主要CPU性能一览表性能一览表序序号号CPU名称名称推出推出年代年代主频主频(MHz)数据数据线线(位位)地址地址线线(位位)主要性能主要性能1808678.64.77 16/16

21、20寻址空间寻址空间220=1MB，实地址方实地址方式（无虚存），式（无虚存），CPU由由EU和和BIU组成，可并行工作，提高组成，可并行工作，提高了了CPU效率，无效率，无cache28028682.5620 16/1624寻址空间寻址空间224=16MB，有实地有实地址方式和虚存方式，虚存空间址方式和虚存方式，虚存空间1GB，无无cache38038685.1012.53332/3232寻址空间寻址空间232=4GB，有三种存有三种存储地址空间（逻辑地址、线性储地址空间（逻辑地址、线性地址、物理地址），有地址、物理地址），有cache 48048689.42510032/3232有一个指令

22、、数据共用的有一个指令、数据共用的8KB Cache和一个数字协处理器和一个数字协处理器(FPU)；采用；采用RISC技术及突发技术及突发式总线传输，式总线传输， 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 2.1.3 中央处理器中央处理器(CPU)结构举例结构举例(1)80*86系列主要系列主要CPU性能一览表性能一览表5Pentium(80586)93.36016632/6432采用采用CRIP(CISC-RISC PROCESSOR)技术；有技术；有3个指个指令处理部件：内部数据传输为令处理部件：内部数据传输为64位，整数处理部件位，整数处理部件(U，V两两条流水线条流水线)，微码处理部件和浮

23、，微码处理部件和浮点处理部件点处理部件(8级流水线级流水线)，8KB数据数据Cache和和8KB指令指令Cache6Pentium Pro95.120032/64有两个有两个8KB的的L1 Cache和一和一个个256KB的的L2 Cache；采用采用超级流水线和超标量技术超级流水线和超标量技术序序号号CPU名称名称推出推出年代年代主频主频(MHz)数据数据线线(位位)地址地址线线(位位)主要性能主要性能 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 2.1.3 2.1.3 中央处理器中央处理器( (CPU)CPU)结构举例结构举例(1) 80*86系列主要系列主要CPU性能一览表性能一览表7Pent

24、ium MMX97.130032/64采用了多媒体处理技术和通信采用了多媒体处理技术和通信功能新技术，具有饱和运算、功能新技术，具有饱和运算、积和运算等功能；有两个积和运算等功能；有两个16KB的的L1 Cache和一个和一个256KB的的L2 Cache8Pentium97.550032/64采用了一系列多媒体扩展技术，采用了一系列多媒体扩展技术，增强了三维图形、图像处理、增强了三维图形、图像处理、可视化计算及交互等功能，可视化计算及交互等功能，32KB，512KB的二级的二级cache9Pentium 99.273332/64基本结构同基本结构同Pentium,具有数具有数据据Cahce和

25、指令和指令Cache分开的分开的片内片内L1 Cache(32KB)，及一及一个片外个片外512KB的的L2 Cache；具具有第二代多媒体扩展指令集，有第二代多媒体扩展指令集，浮点运算速度可达浮点运算速度可达20亿次亿次/秒秒序序号号CPU名称名称推出推出年代年代主频主频(MHz)数据数据线线(位位)地址地址线线(位位)主要性能主要性能363636 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 (2) 8086 CPU的结构框图的结构框图 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 (3)Pentium CPU 的结构框图的结构框图 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计

26、算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 Pentium II:1997Pentium II:1997年将多媒体技术年将多媒体技术 摆上台面的摆上台面的CPUCPU赛扬赛扬/ /奔奔3:19993:1999年多事之秋！至强齐年多事之秋！至强齐聚首聚首Pentium 4:2000Pentium 4:2000年空前强大经久不年空前强大经久不衰的系列衰的系列CPUCPU 80386:198580386:1985年带领我们进入年带领我们进入3232位时代的位时代的CPUCPU 80486:1989 80486:1989年首尝年首尝RISCRISC性能提升性能提升4 4倍的倍的CP

27、UCPU Pentium:1993 Pentium:1993年第一款与数字无关的年第一款与数字无关的CPUCPU Pentium Pro:1995 Pentium Pro:1995年首款为服务器设计年首款为服务器设计CPUCPU Itanium :2001Itanium :2001年年 里程碑似的里程碑似的6464位时代位时代到来到来 Pentium M :2003Pentium M :2003年年 移动、网络、节能移动、网络、节能的铁骑的铁骑 双核处理器双核处理器:2005:2005年开创双核处理器新纪年开创双核处理器新纪元元 4004:Intel4004:Intel历史上的首款微处理历史上

28、的首款微处理器器 8008: 8008:最早的家用电脑使用的最早的家用电脑使用的CPUCPU 8086:1978 8086:1978年确立年确立x86x86地位创造商地位创造商业奇迹的业奇迹的CPUCPU 80286:1982 80286:1982年俗称年俗称“286286”CPUCPU 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件8008 上一页上一页 返返 回回下一页

29、下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件8086和8088 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件80286 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件80386芯片 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件80486芯片 上一页上一页 返返 回回下一页

30、下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件Pentium 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件Pentium Pro 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件Pentium II 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件Celeron(赛扬)处理器 上

31、一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件Pentium III 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件Pentium 4、Celeron 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件Itanium 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机

32、系统的硬件Pentium M 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件双核处理器Core Yonah 65nm核心照片 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 P3装装CPU装装CPU和风扇和风扇装装CPU电源线电源线第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 分析：分析：计算机的硬件由五个部分组成，分别是输入设备、

33、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。例例1：计算机硬件系统中最核心的部件是（：计算机硬件系统中最核心的部件是（ ）。）。 A）主存储器）主存储器 B）CPU C）磁盘）磁盘 D）输入输出设备）输入输出设备结论：答案应选结论：答案应选 B B） 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 主存储器：，也称主存储器：，也称内存，存储直接与内存，存储直接与CPU交换的信息，由交换的信息，由半导体存储器组成。半导体

34、存储器组成。 辅助存储器：也称辅助存储器：也称外存，存放当前不立外存，存放当前不立即使用的信息，它与即使用的信息，它与主存储器批量交换信主存储器批量交换信息，由磁带机、磁盘息，由磁带机、磁盘机及光盘机组成。机及光盘机组成。 计算机存储计算机存储器是存放数器是存放数据和程序的据和程序的设备设备定义定义分类分类地位地位要求要求 随机访问；随机访问； 工作速度快；工作速度快； 具有一定的存具有一定的存储容量储容量主存储器是能主存储器是能由由CPU直接编程直接编程访问的存储器，访问的存储器，它存放需要执行它存放需要执行的程序与需要处的程序与需要处理的数据。理的数据。 只能临时存放只能临时存放数据，不能

35、长久数据，不能长久保存数据。保存数据。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件存储器分类存储器分类按速度分按速度分：内存储器、外存储器：内存储器、外存储器按存储介质分按存储介质分：半导体存储器、磁表面存储器：半导体存储器、磁表面存储器按存取方式分按存取方式分：随机存储器、顺序存储器、半顺序存储器：随机存储器、顺序存储器、半顺序存储器按读写功能分按读写功能分： 随机读写存储器随机读写存储器( (RAM:RandomRAM:Random Access Memory) Access Memory) 只读存

36、储器只读存储器( (ROMROM：Read Only Memory)Read Only Memory)按信息的可保存性分按信息的可保存性分：非永久性存储器、永久性存储器：非永久性存储器、永久性存储器按作用分按作用分：主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控：主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器制存储器 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 写信号，该信号将写信号，该信号将数据写入存储体数据写入存储体地址总线，传送地址总线，传送指令和操作数的指令和操作数的地址码地址码DBUS DBUS 数据总线，传数据总线，传送读出送读出/ /写入数据写入数据读信号，该信读信号，该信号将数据从存号将

37、数据从存储体读出储体读出片选信号。该信号有效，片选信号。该信号有效，表示存储器芯片被选中；表示存储器芯片被选中；否则，该芯片不工作否则，该芯片不工作 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件存储体（存储体（MBMB：Memory BankMemory Bank）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（“”或或“”）。）。每个存储单元有一个编号每个存储单元有一个编号,称之为称之为，简称，简称“地址地址”。 通常一个存储

38、单位由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体所包含的存储单元总数称之为。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件地址寄存器（地址寄存器（MARMAR）：）：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）应该与存储器的容量相匹配。地址寄存器的长度（即位数）应该与存储器的容量相匹配。如存储器的容量为如存储器的容量为1K

39、，则地址寄存器的长度，则地址寄存器的长度i应满足应满足2i=1K,即即i=10。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件地址译码和驱动器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“选中选中”某一存储单元。某一存储单元。如地址寄存器所提供的地址码为如地址寄存器所提供的地址码为“000100”，则选中存储体的第，则选中存储体的第4号存储单元号存储单元 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统

40、的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件数据寄存器数据寄存器(MDR) (MDR) 数据寄存器由若干位触发器组成，用来暂时存放从存储单元中读出的数据数据寄存器由若干位触发器组成，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。（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（数据寄存器的宽度（W）应该与存储单元的长度相匹配。）应该与存储单元的长度相匹配。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件读写放大电路

41、读写放大电路实现信息电平的转换，即将存储元件表示实现信息电平的转换，即将存储元件表示“1”和和“0”的电平转换为数据寄的电平转换为数据寄存器中触发器所需的电平；存器中触发器所需的电平； 反之亦然。反之亦然。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件读读/ /写控制电路写控制电路根据计算机的控制器发来的根据计算机的控制器发来的“存储器读存储器读/写写”信号发出实现存储器读写操作信号发出实现存储器读写操作的控制信号。的控制信号。 片选信号：是由若干位地址码经译码而形成的。当片选信号：是由若干位地址码经译码

42、而形成的。当CS=1时，该存储器芯时，该存储器芯片工作；否则，该芯片不工作。片工作；否则，该芯片不工作。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件读操作过程步骤：读操作过程步骤：3.从存储器读出数据：从存储器读出数据： MBMDRDBUS1.送地址送地址：ABUS MAR 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 2.发读命令发读命令： RD=0 (有效有效)， 由由CBUSR/W CL 条件条件：CS=0 即片选信号有效即片选信号有效第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机

43、系统的硬件计算机系统的硬件 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 写操作过程步骤：写操作过程步骤：4.写数据：写数据：MDRDBUS1.送地址：送地址：ABUS MAR3.发写命令：发写命令： WE=0 (有效有效)， 由由CBUSR/W CL 条件条件：CS=0 即片选信号有效即片选信号有效2.送数据：送数据：DBUS MDR第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件存储容量存储容量一般指存储体所包含的存储单元数量（一般指存储体所包含的存储单元数量（N），通常称为），通常称为“实际实际装机容量装机容量”存储器容量越大，所能存放程序和数据就

44、越多，计算机解题能存储器容量越大，所能存放程序和数据就越多，计算机解题能力就越强。力就越强。 存取时间和存储周期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。是表征存储器工作速度的两个技术指标。 存取时间（存取时间（TA）是指从启动一次读）是指从启动一次读/写操作到完成该操作所经写操作到完成该操作所经历的时间，具体讲历的时间，具体讲,从存储器从接受命令到被读出数据稳定在数从存储器从接受命令到被读出数据稳定在数据寄存器（据寄存器（MDR）的输出端所需之时间。）的输出端所需之时间。 存储周期（存储周期（TMC）是指连续启动两次独立的存储器操作）是指连续启动两次独立的存储器操作(如连续如连续

45、两次读操作两次读操作)所需要的最短时间。通常，所需要的最短时间。通常，TMC要比要比TA时间长。时间长。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件存取速率存取速率 单位时间内主存与外部单位时间内主存与外部 （如（如CPU） 之间交换信息的总位数，之间交换信息的总位数， 记为记为C. 可靠性可靠性 用平均故障间隔时间用平均故障间隔时间MTBFMTBF来描述，即两次故障之间的平均时来描述，即两次故障之间的平均时间间隔。间间隔。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 1MCCWT式中式中 表示每秒从主存读表

46、示每秒从主存读/写信息的最大速率，单位是字写信息的最大速率，单位是字/秒或字节秒或字节/秒，秒， 为数据寄存器的宽度，即一次并行读为数据寄存器的宽度，即一次并行读/写的位写的位数，故数，故C 表示主存数据传输带宽，即每秒并行传输的位数。表示主存数据传输带宽，即每秒并行传输的位数。1MCTW 其他指标：功耗、集成度、性价比其他指标：功耗、集成度、性价比第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件半导体存储器分类半导体存储器分类 按读写功能分按读写功能分 随机读写存储器随机读写存储器(RAM：Random Access Memory) 特点：可以

47、读出、也可以写入；特点：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；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。当断电后，存储内容立即消失，称为易失性。 只读存储器只读存储器(ROM：Read Only Memory) 特点：特点：ROM中一旦有了信息，就不能轻易改变，也不会在掉电时中一旦有了信息，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；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；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。具有非易失性，所以可靠性高。 上一页上一页

48、 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件半导体存储器分类半导体存储器分类 按制造工艺分按制造工艺分 双极型双极型(TTL：Transistor-Transistor Logic) 特点：特点：速度高速度高 单极型单极型(MOS：Metal Oxide Semiconductor) 特点：集成度高、制造简单、成本低、功耗小特点：集成度高、制造简单、成本低、功耗小 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件随机读写存储器（随机

49、读写存储器（RAM）分类分类 双极型双极型RAM特点：存取速度高，主要用做高速缓冲存储器特点：存取速度高，主要用做高速缓冲存储器(Cache) MOS型型RAM特点：集成度高、制造简单、成本低、功耗小，特点：集成度高、制造简单、成本低、功耗小， 主要用于大容量存主要用于大容量存 储器，在微机中用做内存储器，在微机中用做内存 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件只只读写存储器（读写存储器（ROM）分类分类 固定掩膜型固定掩膜型ROM特点：特点：这类这类ROM的内部信息是在制作集成电路新芯片时，用定做

50、的内部信息是在制作集成电路新芯片时，用定做的掩模的掩模写入写入的，制作后用户不能再修改。的，制作后用户不能再修改。 可编程可编程ROM (PROM：Programmable ROM)特点：特点：这类这类ROM的内部信息是由用户按需要写入的，但只允许编的内部信息是由用户按需要写入的，但只允许编程一次程一次 可擦除可编程可擦除可编程ROM (EPROM：Erasable PROM)特点：特点：这类这类ROM的内部信息可多次改写。它的内容通过紫外光照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，这种灵活性使射可以擦除，这种灵活性使EPROM得到广泛的应用得到广泛的应用 电可擦除可编程电可擦除

51、可编程ROM(EEPROM：Electric EROM)特点：特点：包含了包含了 EPROM的全部功能，而在擦除与编程方面更加方便的全部功能，而在擦除与编程方面更加方便这就使这就使E2PROM比比EPROM有更大的灵活性和更广泛的适应性有更大的灵活性和更广泛的适应性 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 分析：分析：根据几种只读存储器的特点得知根据几种只读存储器的特点得知,固定固定ROM的内容一经固定不可再更改，的内容一经固定不可再更改，可编程可编程ROM（PROM）允许编程）允许编程1次，可擦除

52、可再编程次，可擦除可再编程ROM（EPROM）允许多）允许多次反复编程。本题中所问为可编程次反复编程。本题中所问为可编程ROM允许的编程次数，故应选择允许的编程次数，故应选择1次。次。例例2：可编程只读存储器（：可编程只读存储器（PROM）允许用的编程次数是（）允许用的编程次数是（ ）。）。 A）l次次 B）2次次 C）3次次 D）多次反复）多次反复结论：答案应选结论：答案应选 A A） 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件按存储信息的原理，可分为三类：按存储信息的原理，可分为三类：用用触发器触发

53、器作为存储元件。作为存储元件。 如：双极型如：双极型SRAM(Static RAM) MOS型型SRAM电容器电容器作为存储元件作为存储元件, 电容器充电时为电容器充电时为1, 放电时为放电时为0。 如：如：MOS型型DRAM(Dynamic RAM)晶体管晶体管作为存储元件作为存储元件, 电子管导通时为电子管导通时为0, 止时为止时为1。 如：如：ROM第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件MOS型型DRAM存储元件存储元件当电容当电容C上有电荷时，表示其存储的信息为上有电荷时，表示其存储的信息为1；当电容当电容C上无电荷时，表示其存

54、储的信息为上无电荷时，表示其存储的信息为0。读出时，地址选择线为高电位，读出时，地址选择线为高电位，T管导通，电容管导通，电容C上的电压经上的电压经T从数据线从数据线上读出。上读出。写入时，写入信息置于数据线上，且地址选择线为高电位，写入时，写入信息置于数据线上，且地址选择线为高电位，T管导通。管导通。此时，数据线上的信息经此时，数据线上的信息经T对电容对电容C充电充电(若写入信息为若写入信息为1)或放电或放电(或写入信或写入信息为息为0)，使写入信息以电荷方式存储在电容，使写入信息以电荷方式存储在电容C上。上。特殊问题特殊问题DRAM 是一种破坏性读出，故读出是一种破坏性读出，故读出“1”后

55、要后要“重写重写”。DRAM 上存储的信息会随时间泄漏，故每隔一定时间需上存储的信息会随时间泄漏，故每隔一定时间需“刷新刷新”。 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 由由存储元件存储元件组成组成存储单元存储单元，再由存储单元组成，再由存储单元组成存储体存储体的常用方法有两种：的常用方法有两种：(1) 一维阵列结构，或称字选法一维阵列结构，或称字选法；(2) 二维阵列结构，或称重合法二维阵列结构，或称重合法。第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统

56、的硬件工作原理：工作原理： (1)存储元件怎样构成存储单元？存储元件怎样构成存储单元？ (2)给定地址码怎样选中某一单元？给定地址码怎样选中某一单元？ (3)被选中的某一单元中的数据如何读出？被选中的某一单元中的数据如何读出？16164 4位字选法存储体位字选法存储体第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件图图2-14 16 1位的重合法存储矩阵结构位的重合法存储矩阵结构第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统

57、的硬件计算机系统的硬件(2) 完成地址分配：完成地址分配：(1) 确定芯片的数量：确定芯片的数量：8244184KKN例例2-1：试用：试用Inter 2114芯片组成一个容量为芯片组成一个容量为4K 8位的位的存储器存储器.第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件(3) 实现总线连接实现总线连接例例2-1：试用：试用Inter 2114芯片组成一个容量为芯片组成一个容量为4K 8位的位的存储器存储器第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件目前内存条分类：目前内存条分类：l 单面单列

58、存储模块单面单列存储模块SIMM（Single Inline Memory Module）,分分30线线(数据线数据线8条条)和和72线线(数据线数据线32位位)两种。两种。l 双面单列存储模块双面单列存储模块(Dual Inline Memory Module) ，它有它有168条引线条引线(数据线数据线64位位)。 主存芯片较主存芯片较CPU芯片小，通常封装在一块条形电路板上，如芯片小，通常封装在一块条形电路板上，如图图2-17所示，称为内存条。所示，称为内存条。第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件固定卡口内存颗粒颗粒空位PCB

59、基板金手指 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件 运算器的组成及工作原理；运算器的组成及工作原理； 控制器的组成及工作原理；控制器的组成及工作原理； CPUCPU的主要性能指标的主要性能指标 P103 1、3、9、10 返返 回回 上一页上一页第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件教学目的教学目的 本小节主要介绍计辅助储器的组成及简单工作原理。本小节主要介绍计辅助储器的组成及简单工作原理。教学重点教学重点 磁表面存储器的存储原理；磁表面存储

60、器的存储原理； 光盘存储器光盘存储器 PC存储卡存储卡 计算机的存储体系计算机的存储体系 上一页上一页 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件教学引入 当计算机关机后，存储在内存的信息消失当计算机关机后，存储在内存的信息消失了，那么如何让计算机永久保存数据？了，那么如何让计算机永久保存数据？ 返返 回回下一页下一页 第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件第第2 2章章 计算机系统的硬件计算机系统的硬件分类：分类：磁带存储器、磁盘存储器及光盘存储器。磁带存储器、磁盘存储器及光盘存储器。特点：特点： 存放当