第1讲 比特的概念及计算机的组成原理

1、第第2章章 计算机组成原理计算机组成原理主讲教师：刘建华主讲教师：刘建华22.1 计算机的组成与分类引言引言 信息的基本单位信息的基本单位 比特比特(bit)32.1 计算机的组成与分类什么是比特？什么是比特？n比特（比特（bit，binary digit的缩写）中文翻译为的缩写）中文翻译为“二进二进位数字位数字”、“二进位二进位” 或简称为或简称为 “位位”n比特只有比特只有 2 种取值：种取值：0，1n比特是组成数字信息的最小单位比特是组成数字信息的最小单位n数值、文字、符号、图像、声音、命令数值、文字、符号、图像、声音、命令都可以都可以使用比特来表示，其具体的表示方法就称为使用比特来表示

2、，其具体的表示方法就称为“编码编码”或或“代码代码”42.1 计算机的组成与分类例例 用用比比特特表表示示图图像像52.1 计算机的组成与分类比特在计算机中如何表示？比特在计算机中如何表示？n在计算机中表示二进位的方法：在计算机中表示二进位的方法：n电路的高电平状态或低电平状态电路的高电平状态或低电平状态(CPU)n电容的充电状态或放电状态电容的充电状态或放电状态(RAM)n两种不同的磁化状态两种不同的磁化状态(磁盘磁盘)n光盘面上的凹凸状态光盘面上的凹凸状态(光盘光盘)n62.1 计算机的组成与分类例例1：CPU内部二进位信息的表示内部二进位信息的表示nCPU内部通常使用高电平表示内部通常使

3、用高电平表示1，低电平表示，低电平表示00.0V0.5V2.8V3.3V010V+3v01 072.1 计算机的组成与分类n磁盘表面微小区域中，磁性材料粒子的两种不同的磁盘表面微小区域中，磁性材料粒子的两种不同的磁化状态分别表示磁化状态分别表示0和和1例例2：磁盘存储器中比特的表示：磁盘存储器中比特的表示磁盘磁盘表面表面磁性材料粒子磁性材料粒子82.1 计算机的组成与分类存储容量的计量单位存储容量的计量单位n 8个比特个比特1个字节（个字节（byte，用大写，用大写B表示）表示）n计算机内存储器容量的计量单位：计算机内存储器容量的计量单位：nKB: 1 KB=210字节字节=1024 B （千

4、字节）（千字节）nMB: 1 MB=220字节字节=1024 KB（兆字节）（兆字节）nGB: 1 GB=230字节字节=1024 MB（吉字节、千兆字节）（吉字节、千兆字节）nTB: 1 TB=240字节字节=1024 GB（太字节、兆兆字节）（太字节、兆兆字节）n外存储器容量经常使用外存储器容量经常使用10的幂次来计算：的幂次来计算：n1MB103 KB 1 000 KBn1GB106 KB 1 000 000 KBn1TB 109 KB = 1 000 000 000 KB92.1 计算机的组成与分类2.1 计算机的组成与分类计算机的组成与分类102.1 计算机的组成与分类2.1.1 计

5、算机的发展与作用计算机的发展与作用112.1 计算机的组成与分类什么是计算机？什么是计算机？n计算机是一种工具计算机是一种工具n不是交通运输工具不是交通运输工具n不是机械加工工具不是机械加工工具n不是不是工具工具n计算机是一种计算机是一种信息处理工具信息处理工具122.1 计算机的组成与分类对计算机的简单描述对计算机的简单描述n计算机计算机(电脑电脑)是一种能够是一种能够接收接收信息，并按照存储在信息，并按照存储在其内部的程序（程序表达了某种规则）对输入信息其内部的程序（程序表达了某种规则）对输入信息进行进行处理处理，并产生，并产生输出输出结果的高度自动化的数字电结果的高度自动化的数字电子设备

6、。子设备。处处理理输输入入输输出出输入信息输入信息 计算机计算机 输出信息输出信息132.1 计算机的组成与分类计算机有哪些特性？计算机有哪些特性？n计算机的特性：计算机的特性：（1）速度）速度快快（2）存储容量）存储容量大大（3）通用性通用性好好n不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进行处理行处理n不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算n不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能（4）计算机与计算机具有互

7、连、互通和互操作的能力）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力142.1 计算机的组成与分类计算机的发展计算机的发展世界上的第一台电子计算机n1946年年2月，世界上第一台电子计月，世界上第一台电子计算机算机 ENIAC 在美国宾夕法尼亚大学在美国宾夕法尼亚大学问世。问世。n它的出现，开创了一个计算机时它的出现，开创了一个计算机时代，引发了一场由工业化社会发展到代，引发了一场由工业化社会发展到信息化社会的新技术产业革命浪潮，信息化社会的新技术产业革命浪潮，从此揭开了人类历史发展的新纪元。从此揭开了人类历史发展的新纪元。152.1 计算机的组成与分类第第1台数字电子计算机台数字电子计算机19

8、46年年ENIAC计算机公布计算机公布 ENIAC（电子数字积分机与计算机）电子数字积分机与计算机）：研制单位：美国宾夕法尼亚大学研制单位：美国宾夕法尼亚大学用用 途：途： 军事计算军事计算运算速度：运算速度：5000次次/秒秒体积价格：体积价格：170平方米，平方米，30吨，吨，140千瓦，千瓦，40万美元万美元162.1 计算机的组成与分类计算机的分代计算机的分代( (按使用的元器件按使用的元器件) )u第一代（约第一代（约1946-19571946-1957）电子管计算机）电子管计算机 速度：几十几万次速度：几十几万次/ /秒秒 内存：磁鼓，千字内存：磁鼓，千字 外设：磁带外设：磁带 机

9、器语言或汇编语言编程机器语言或汇编语言编程美国于20世纪50年代生产的IBM704型采用电子管的第一代电子计算机第一代电子计算机中使用的磁鼓存储器u第二代（约第二代（约1957-19641957-1964） 晶体管计算机晶体管计算机 速度：几十万次速度：几十万次/ /秒，秒， 内存：磁芯，十万字内存：磁芯，十万字 外设：磁盘外设：磁盘 高级语言编程高级语言编程电子管晶体管172.1 计算机的组成与分类计算机的分代计算机的分代( (按使用的元器件按使用的元器件) )第三代（约第三代（约1965-19731965-1973）中小规模集成电路）中小规模集成电路(SSI,MSI)(SSI,MSI)计算

10、机计算机 速度：几十万次几百万次速度：几十万次几百万次/ /秒秒 内存：半导体存储器内存：半导体存储器 高级语言高级语言, OS, DBMS, OS, DBMS第四代（第四代（19741974年起）大规模年起）大规模(LSI)(LSI)和和VLSIVLSI计算机计算机 速度：几百万次亿次速度：几百万次亿次/ /秒秒 内存：半导体存储器内存：半导体存储器 软件工程，分布式处理等软件工程，分布式处理等182.1 计算机的组成与分类2.1.2 计算机的组成计算机的组成192.1 计算机的组成与分类计算机系统计算机系统计算机硬件计算机硬件计算机软件计算机软件运算器运算器控制器控制器输入设备输入设备存储

11、器存储器输出设备输出设备系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统数据库管理系统数据库管理系统程序语言处理系统程序语言处理系统文字处理文字处理通信通信娱乐娱乐计算机是一个复杂系统计算机是一个复杂系统计算机硬件是计算计算机硬件是计算机系统中所有实际机系统中所有实际物理装置的总称物理装置的总称计算机软件是指在计算机中计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档数据和相关的文档202.1 计算机的组成与分类计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构 1n经典计算机的逻辑结构（经典计算机的逻辑结构（冯冯. .诺依曼计算机诺依曼计算机）运算器和控制器运算器

12、和控制器输入设备输入设备输出设备输出设备存储器存储器（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）212.1 计算机的组成与分类冯冯 诺依曼诺依曼 (John von eumann(John von eumann) ) 美籍匈牙利科学家，美籍匈牙利科学家， 现代计算机之父，率现代计算机之父，率先奠定了现代计算机先奠定了现代计算机的基本结构。的基本结构。222.1 计算机的组成与分类计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构 2n现代计算机的逻辑结构现代计算机的逻辑结构n与经典计算机结构相比的与经典计算机结构相比的3个变化：个变化：n集中控制集中控制分散控

13、制分散控制n存储器存储器内存储器外存储器内存储器外存储器n通过通过CPU通信通信通过总线进行通信通过总线进行通信中央处理器中央处理器(运算器及其控制运算器及其控制)外存储器外存储器内存储器内存储器输出设备输出设备总线总线(bus)输入设备输入设备I/O接口接口I/O接口接口外存储器接口外存储器接口控制器控制器控制器控制器控制器控制器CPU控制器控制器memorystorageI/O设备通过设备通过I/O接接口口与各自的控制器与各自的控制器连接，然后由控制连接，然后由控制器与器与I/O总线相连总线相连232.1 计算机的组成与分类(1) 输入设备输入设备n输入输入(input)的双重含义：的双重

14、含义：1.把信息送入计算机的过程把信息送入计算机的过程; 2.向计算机输入的内容向计算机输入的内容n输入设备输入设备(input devices)n功能：用来向计算机输入信息功能：用来向计算机输入信息n输入设备有多种，例如输入设备有多种，例如:n键键 盘盘 输入文字、符号和命令输入文字、符号和命令n鼠标器鼠标器输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令n扫描仪扫描仪输入图片输入图片n麦克风麦克风输入声音输入声音n输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位来表示的信息都使用二进位来表示2

15、42.1 计算机的组成与分类(2) 中央处理器中央处理器(运算控制器运算控制器)n什么是处理器什么是处理器(processor)？n能能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作运算和数据传送等操作的部件，特点是：的部件，特点是：n由数字电路组成，结构非常复杂由数字电路组成，结构非常复杂n所有电路都制作在大规模集成电路芯片上所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几仅几个平方厘米个平方厘米)，称为，称为“微处理器微处理器” (microprocessor)Intel 4004 chipIntel 8080 chip252.1 计算机的组

16、成与分类什么是中央处理器什么是中央处理器(CPU)？n计算机中通常有多个不同的处理器，各有不同的分计算机中通常有多个不同的处理器，各有不同的分工和任务工和任务n用于执行系统软件和应用软件的处理器用于执行系统软件和应用软件的处理器称为称为CPU，CPU是计算机必不可少的核心组成部件是计算机必不可少的核心组成部件n多数个人计算机只有多数个人计算机只有1个个CPU，但有一些计算机包，但有一些计算机包含有含有2个、个、4个、个、8个甚至成百上千个个甚至成百上千个CPUn问题：问题：n除了除了CPU之外，计算机中还有哪些处理器？之外，计算机中还有哪些处理器？262.1 计算机的组成与分类(3) 存储器存

17、储器n功能：功能：n储存以二进位形式表示的程序和数据储存以二进位形式表示的程序和数据n分类：内存储器分类：内存储器/外存储器外存储器内存储器内存储器(简称内存或主存简称内存或主存)外存储器外存储器(简称简称外存外存或辅存或辅存)存取速度存取速度很快很快较慢较慢存储容量存储容量较小较小(因单位成本较高因单位成本较高) 很大很大(因单位成本较低因单位成本较低) 性质性质断电后信息消失断电后信息消失断电后信息保持断电后信息保持用途用途存放已经启动运行的程序存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据和需要立即处理的数据长期存放计算机系统中几乎所长期存放计算机系统中几乎所有的信息有的信息与与CPU关关系

18、系CPU所处理的指令及数所处理的指令及数据直接从内存中取出据直接从内存中取出程序及相关数据必须先送入内程序及相关数据必须先送入内存后才能被存后才能被CPU使用使用011010011010101000001000000001000011001001111011111存储内容存储内容地地 址址272.1 计算机的组成与分类(4) 输出设备输出设备n输出输出(output)的双重含义：的双重含义：1.把信息送出计算机的过程把信息送出计算机的过程; 2.从计算机输出的内容从计算机输出的内容n输出设备输出设备(output devices)n功能：从计算机输出信息功能：从计算机输出信息n输出设备有多种，

19、例如输出设备有多种，例如:n显示器显示器输出文字、符号和图形输出文字、符号和图形n打印机打印机打印文字、符号和图形打印文字、符号和图形n扬声器扬声器输出声音输出声音n(多数多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式感知的形式(文字、符号、图形、声音等文字、符号、图形、声音等)282.1 计算机的组成与分类(5) 总线总线(bus)n功能：功能：n用于连接用于连接CPU、内存、外存和各种、内存、外存和各种I/O设备并在它们设备并在它们之间传输信息的一组之间传输信息的一组共享的共享的传输线及其控制电路传输线及其控制电路n分类：分

20、类：nCPU总线（或前端总线）总线（或前端总线） ：用于连接：用于连接CPU和内存的和内存的总线总线nI/O总线：连接内存和总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线设备（包括外存）的总线292.1 计算机的组成与分类2.1.3 计算机的分类计算机的分类302.1 计算机的组成与分类计算机的分类（计算机的分类（1）n按内部逻辑结构分类按内部逻辑结构分类n8位位/16位位/32位位/64位位n单单CPU/多多CPUnn按性能和价格分类按性能和价格分类n巨型计算机巨型计算机 (supercomputer)n大型计算机大型计算机n小型计算机小型计算机 n个人计算机个人计算机 (personal c

21、omputer)n笔记本笔记本PCn台式台式PCn工作站工作站 (workstation)作为服务器作为服务器(server)使用使用独立使用或作为独立使用或作为客户机客户机(client)使用使用曙光曙光4000A巨型巨型计算机计算机312.1 计算机的组成与分类计算机的分类（计算机的分类（2）n按计算机服务的对象和作用划分：按计算机服务的对象和作用划分：类类型型服务服务对象对象应用应用性质性质主要特点主要特点分类或应用分类或应用举例举例软件特点软件特点个人个人计算计算机机服务服务器器嵌入嵌入式计式计算机算机直接为直接为用户服用户服务务通用通用性能性能/ /价格比高价格比高多媒体性能好多媒体

22、性能好有通用性和可扩展性有通用性和可扩展性 工作站工作站 台式机台式机 笔记本笔记本种类多种类多, ,功功能丰富能丰富, ,用用户可自行装户可自行装卸卸为其它为其它计算机计算机服务服务半通半通用用吞吐率吞吐率(throughput)(throughput)高高可用性可用性(availability)(availability)好好有可扩展性有可扩展性(scalability)(scalability)数据库服务器数据库服务器WebWeb服务器服务器打印服务器打印服务器( (企业级企业级, ,部门级部门级) )实时处理和并实时处理和并发工作能力强，发工作能力强，可靠性和安全可靠性和安全性好性好为

23、其它为其它设备服设备服务务专用专用价格便宜价格便宜功耗低功耗低实时实时(real time)(real time)处理处理软件固化软件固化, , 扩展性差扩展性差 手机手机 数码相机数码相机 MP3MP3播放器播放器 功能专用、单功能专用、单一、结构紧凑，一、结构紧凑，固化在芯片中，固化在芯片中，不易修改和扩不易修改和扩充充 322.1 计算机的组成与分类2.1.4 微处理器微处理器和嵌入式计算机和嵌入式计算机332.1 计算机的组成与分类什么是微处理器？什么是微处理器？n微处理器（微处理器（P ）是使用单片大规模集成电路制成的、）是使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的电子部件，

24、例如具有运算和控制功能的电子部件，例如:nP是各种类型计算机的核心组成部分是各种类型计算机的核心组成部分n用于执行系统软件和应用软件的用于执行系统软件和应用软件的P 称为称为“CPU”n目前几乎所有计算机的目前几乎所有计算机的CPU使用的都是微处理器使用的都是微处理器n除了用作除了用作CPU的通用微处理器之外，的通用微处理器之外， 还有许多专用的微还有许多专用的微处理器产品：绘图处理器、通信处理器等处理器产品：绘图处理器、通信处理器等Intel 4004Intel 8086Intel 奔腾奔腾4Intel 酷睿酷睿2342.1 计算机的组成与分类微处理器的发展非常迅速微处理器的发展非常迅速 处

25、理器处理器主要参数主要参数400480808086802868038680486奔腾奔腾高能奔高能奔腾腾奔腾奔腾奔腾奔腾奔腾奔腾4推出时间推出时间(年年)1971197419781982198519891993199619951997199719981999200320002006主频主频 (MHz)0.10824.7762016333310060200150200233333450140015003800前端总线频前端总线频率率(MHz)0.10824.77620163325或或3350或或666666100或或133400, 533或或800，1066外部数据线外部数据线数目数目48161

26、632326464646464地址线数目地址线数目1016202432323236363636存储空间大存储空间大小小640B64KB1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GB晶体管数目晶体管数目(万万)0.230.452.913.427.51203105507509504200制造工艺制造工艺(m)10621.51.51.01.00.80.80.350.60.350.350.250.250.130.130.065芯片引脚数芯片引脚数目目1640,4068132168273或或296387242370478或或775352.1 计算机的组成与分类什么是嵌入式计算机？什么是

27、嵌入式计算机？n把运算器、控制器、存储器、输入把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路输出控制、接口电路全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为“单片计算机单片计算机”或或“嵌入式计算机嵌入式计算机” n用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置，用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置，例如例如n数码相机、数码相机、MP3播放器、手机、计算机外围设备、汽车、播放器、手机、计算机外围设备、汽车、机顶盒等机顶盒等n特点：特点：n功能固定、专用，软件固化在芯片上，通常不能改变功能固定、专用，软件固化在芯片上，通常不能改

28、变n大多应满足实时信息处理的要求大多应满足实时信息处理的要求n以最低成本满足应用要求以最低成本满足应用要求n能适应恶劣工作环境能适应恶劣工作环境2.2 CPU的逻辑结构的逻辑结构与工作原理与工作原理2.2.1 CPU的逻辑结构的逻辑结构 2.2.2 指令与指令系统指令与指令系统2.2.3 CPU的性能指标的性能指标372.1 计算机的组成与分类2.2.1 CPU的逻辑结构的逻辑结构382.1 计算机的组成与分类冯冯诺依曼计算机的结构与原理诺依曼计算机的结构与原理(1) 计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行

29、的操作命令；算机理解和执行的操作命令；(2) 程序程序(指令指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；(3) 存储器中存放的指令和数据按地址进行存取存储器中存放的指令和数据按地址进行存取 ；(4) 指令是由指令是由CPU一条一条顺序执行的。一条一条顺序执行的。中央中央处理器处理器运算器和控制器运算器和控制器输入设备输入设备输出设备输出设备存储器存储器392.1 计算机的组成与分类“存储程序控制存储程序控制” 原理原理n将问题的解算步骤编制成为将问题的解算步骤编制成为程序程序，程序连同它所处理，程序连同它所处理的数据都用的数据都用二进位表示二进位

30、表示并并预先预先存放在存储器存放在存储器中中n程序运行时，程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，应的数据，按指令操作码的规定按指令操作码的规定，对数据进行运算处，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止理，直到程序执行完毕为止 402.1 计算机的组成与分类存储器存储器中央中央处理器处理器存储数据存储数据和指令和指令执行指令执行指令处理数据处理数据指令，数据指令，数据处理结果处理结果CPU的任务的任务nCPU主要由运算器（主要由运算器（ALU）、控制器和寄存器组）、控制器和寄存器组3个部分组成个部分组成nCPU的主要任务是执行指令，它按指令的规

31、定对数据进行操的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作作412.1 计算机的组成与分类指令是什么？指令是什么？n指令就是命令，它用来规定指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构执行什么操作。指令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的n指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组成：成： 操作码操作码操操 作作 数数 地地 址址指出CPU应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除、取数、存数等 指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置 举例举例: 10 02

32、06把把02存储单元和存储单元和06存储单元中的内存储单元中的内容相加，和数保存在容相加，和数保存在02单元单元422.1 计算机的组成与分类指令及其格式指令及其格式n指令的格式：指令的格式：n操作码用几位表示？操作码用几位表示？(多少种不同的操作功能多少种不同的操作功能)n操作数地址是操作数地址是2个还是个还是3个？个？nR1R3+R5 nR1R1-R3 ADDR1R3R5SUBR1R3432.1 计算机的组成与分类指令在计算机中的执行过程指令在计算机中的执行过程1.取指令取指令：CPU的控制器从的控制器从存储器读取一条指令并放存储器读取一条指令并放入指令寄存器入指令寄存器2.指令译码指令译

33、码：指令寄存器中：指令寄存器中的指令经过译码，决定该的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操指令应进行何种操作、操作数在哪里作数在哪里3.执行指令执行指令3.1 取操作数取操作数3.2 进行运算进行运算4.修改指令计数器修改指令计数器，决定下，决定下一条指令的地址一条指令的地址1 取指令取指令4 修改指修改指令计数器令计数器3 执行指令执行指令2 指令译码指令译码指令执行周期指令执行周期问题：问题：CPU的时钟频率的时钟频率(主频主频)与指令执行速度是什么关系？与指令执行速度是什么关系？442.1 计算机的组成与分类关于指令系统关于指令系统nCPU可执行的全部指令称为该可执行的全部指令称为

34、该CPU的指令系统，的指令系统，即它的机器语言即它的机器语言n指令应该简单，简单才能提高速度指令应该简单，简单才能提高速度!452.1 计算机的组成与分类关于关于CPU的兼容性的兼容性n不同公司生产不同的不同公司生产不同的CPU产品：产品：nIntel公司：公司：Pentium系列、赛扬系列系列、赛扬系列 、至强等、至强等nAMD公司：独龙、闪龙、炫龙等公司：独龙、闪龙、炫龙等nIBM公司：公司：Power5、Power6等（苹果的等（苹果的Macintosh使用）使用）nSUN公司：公司：Ultra SPARC处理器处理器nHP公司：公司： PA-RISC、Itanium 处理器处理器n同一

35、公司同一系列的同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：具有向下（前）兼容性：nA计算机（使用新型号计算机（使用新型号CPU）的程序不能在）的程序不能在B计算机（使用老型号计算机（使用老型号CPU）上运行，上运行， B计算机的程序却能在计算机的程序却能在A计算机上运行计算机上运行n不同公司的不同不同公司的不同CPU产品其指令系统不同，它们互相不兼容：产品其指令系统不同，它们互相不兼容：nA计算机的程序不能在计算机的程序不能在B计算机上直接运行，计算机上直接运行， B计算机的程序也不能在计算机的程序也不能在A计算机上直接运行计算机上直接运行互相兼容互相兼容462.1 计算机的组成与分类2.2

36、.3 CPU的性能指标的性能指标472.1 计算机的组成与分类如何衡量如何衡量CPU的性能？的性能？n计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，它由许多因素决定，例如它由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显、内存、硬盘、显卡等，但通常卡等，但通常CPU是主要因素是主要因素nCPU性能高低的主要指标是性能高低的主要指标是CPU的速度的速度，有，有2种种衡量方法：衡量方法：1.计算每秒钟可执行的指令数目（单位：计算每秒钟可执行的指令数目（单位：MIPS、MFLOPS）2.使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件

37、和3D游戏等）的执行速度来衡量游戏等）的执行速度来衡量CPU的性能的性能 482.1 计算机的组成与分类影响影响CPU性能的主要因素性能的主要因素(之一之一)nCPU的字长（位数）的字长（位数）n目前目前PC使用的使用的CPU大多是大多是32位处理器，新一代的位处理器，新一代的PC机将使用机将使用64位处理器位处理器n主频（主频（CPU时钟频率）时钟频率）n主频提高，主频提高，CPU的处理速度通常也会加快的处理速度通常也会加快nCPU总线（前端总线）的速度总线（前端总线）的速度nCPU总线速度决定了总线速度决定了CPU与内存间数据传输速度的快与内存间数据传输速度的快慢慢n高速缓存（高速缓存（c

38、ache）的容量与结构）的容量与结构ncache容量越大、级数越多，其效用就越显著容量越大、级数越多，其效用就越显著 492.1 计算机的组成与分类影响影响CPU性能的主要因素性能的主要因素(之二之二)nCPU的指令系统的指令系统n指令的格式和功能会影响程序的执行速度指令的格式和功能会影响程序的执行速度nCPU的逻辑结构的逻辑结构nCPU包含的定点运算器和浮点运算器数目等包含的定点运算器和浮点运算器数目等502.1 计算机的组成与分类Pipelining and Parallel ProcessingInstructionsResults aresequenced1. 指令排队等指令排队等候进

39、入候进入CPU处处理理并行处理并行处理提高计算机速度的有效途经提高计算机速度的有效途经3. 每个每个CPU负负责完成分配给责完成分配给它的指令它的指令2. 哪一个哪一个CPU空闲，就把等空闲，就把等候的指令交给候的指令交给它执行它执行(包含包含3个内核个内核)2.3 PC机的主机机的主机2.3.1 主板、芯片组与主板、芯片组与BIOS 2.3.2 内存储器内存储器2.3.3 I/O总线和总线和I/O接口接口522.1 计算机的组成与分类台式台式PC的物理组成的物理组成台式机台式台式PC主机主机外部设备外部设备机箱、电源机箱、电源主板主板CPU内存条内存条显示卡显示卡芯片组芯片组BIOS ROM

40、CMOSPCI插槽插槽(I/O总线总线)网卡网卡输入设备输入设备外存储器外存储器键盘键盘鼠标器鼠标器麦克风麦克风摄像头摄像头输出设备输出设备U盘、移动硬盘盘、移动硬盘显示器显示器打印机打印机音箱音箱/耳机耳机声卡声卡插头和插座插头和插座(I/O接口接口)硬盘、软驱硬盘、软驱光盘驱动器光盘驱动器532.1 计算机的组成与分类1 音箱音箱 5 CPU 2 调制解调器调制解调器 6 键盘键盘3 麦克风麦克风 7 鼠标器鼠标器 4 内存条内存条 8 CD驱动器驱动器9 软驱软驱10 硬盘驱动器硬盘驱动器11 打印机打印机12 I/O接口接口13 CRT显示器显示器14 扩展卡扩展卡542.1 计算机的

41、组成与分类2.3.1 主板、芯片组与主板、芯片组与BIOS552.1 计算机的组成与分类台式台式PC机机(立式立式)的主机箱的主机箱扩展扩展空间空间562.1 计算机的组成与分类(1) 主板主板n主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件n主板安装内容：见上图主板安装内容：见上图nROM BIOS：存放最基础的软件：存放最基础的软件基本输入基本输入/输出系统输出系统(BIOS) nCMOS存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等）存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等） 存储器插座存储器插座 处理器处理器插槽插槽外部设备插口外部设备插

42、口(I/O接口接口)软驱及硬盘的软驱及硬盘的IDE连接器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插槽插槽南桥南桥芯片芯片 ROM BIOS CMOS 存储器存储器北桥北桥芯片芯片572.1 计算机的组成与分类CPUCPU插座插座内存条插座内存条插座软驱、硬盘软驱、硬盘IDEIDE连接器连接器电源连接器电源连接器PCIPCI总线插槽总线插槽 芯片组芯片组 I/O I/O端口端口例：华硕例：华硕P4T主板照片主板照片582.1 计算机的组成与分类(2) 芯片组的作用芯片组的作用yALU寄存器组寄存器组CPU总线接口总线接口R6CPU(前端前端)总线总线I

43、/O 总线总线主板扩展槽主板扩展槽PCI接口接口南桥芯片南桥芯片I/O 总线总线寄寄存存器器组组运运算算器器中央处理器中央处理器指令计数器指令计数器指令寄存器指令寄存器控制器磁盘控制器磁盘控制器以太网卡以太网卡USB控制器和接口控制器和接口鼠标器鼠标器键盘键盘网线网线disk声卡声卡视频卡视频卡光驱光驱主存储器主存储器0A北桥芯片北桥芯片y存储器总线存储器总线显卡592.1 计算机的组成与分类芯片组举例芯片组举例n芯片组的作用：芯片组的作用：n是是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽机各组成部分相互连接和通信的枢纽n北桥芯片：北桥芯片：1. 存储器控制功能；存储器控制功能；2. 连接连接CPU

44、、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽n南桥芯片：南桥芯片：1. 多种多种I/O设备的控制功能；设备的控制功能；2. I/O总线总线(PCI总线总线) 功能；功能；3. 提供了各种提供了各种I/O接口接口Pentium 4CPU前端总线前端总线北桥北桥82865PMCH图形卡接口图形卡接口双通道双通道南桥南桥82801E ICH5USB 2.0接口接口(x8)以太网接口以太网接口PCI 插槽插槽(6个个)ROM BIOS硬盘接口硬盘接口(x2)音频音频CodecSuper I/O键盘键盘,鼠标鼠标,软驱软驱,并口并口,串口等串口等电话电话ModemDDR 2电源管理、时钟

45、生成电源管理、时钟生成DDR 2存储器存储器CPU602.1 计算机的组成与分类关于芯片组的一些说明关于芯片组的一些说明n芯片组与芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU，就有什么样的芯片组与之配套，就有什么样的芯片组与之配套 n由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能功能 n芯片组产品：芯片组产品：nIntel芯片芯片(如如865、915、945、955、975系列等）系列等）nVIA（威盛

46、，中国台湾）（威盛，中国台湾）nnVIDIA（美国）（美国）nATI（加拿大）（加拿大）nAMD（美国）（美国）612.1 计算机的组成与分类(3) BIOSn什么是什么是BIOS （Basic Input/Output System） ？n中文名为中文名为“基本输入基本输入/输出系统输出系统”，它是存放在主板它是存放在主板上上只读存储器只读存储器（ROM）芯片中的芯片中的一组机器语言程序一组机器语言程序n功能：功能：n诊断计算机故障诊断计算机故障n启动计算机工作启动计算机工作n控制基本的输入输出操作控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等屏幕显示等)nB

47、IOS 芯片芯片n保存保存BIOS的只读存储器的只读存储器(ROM)芯片芯片622.1 计算机的组成与分类BIOS 芯片中包含的程序芯片中包含的程序n加电自检程序加电自检程序程序程序（POST） (Power On Self Test)用于用于检测计算机硬件故障检测计算机硬件故障n系统自举程序系统自举程序（Boot） 启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态nCMOS设置程序设置程序 设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等n常用外部设备的驱动程序常用外部设备的驱动程序（Driver） 实现对键盘、显示器、

48、软驱和硬盘等常用外部设备输实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制入输出操作的控制632.1 计算机的组成与分类PC机的启动工作过程机的启动工作过程1.接通电源时接通电源时CPU自动执行自动执行BIOS中的中的POST程序程序1.1 按按CMOS中的内容来识别硬件的配置中的内容来识别硬件的配置, 测试各部件的工作测试各部件的工作状态状态 (发现错误则报错发现错误则报错)1.2 初始化初始化CPU、内存、内存、ROM、主板、主板、CMOS、显示卡、键、显示卡、键盘、软驱和硬盘等设备盘、软驱和硬盘等设备2.CPU自动执行自动执行自举程序自举程序 按照按照CMOS中预先设定的启

49、动顺序，搜寻外存储器（软、中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、硬盘或光盘）硬盘或光盘）3.从外存储器读出引导程序，然后由引导程序读出操作从外存储器读出引导程序，然后由引导程序读出操作系统并装入内存系统并装入内存4.最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系统所控制统所控制642.1 计算机的组成与分类关于关于CMOS 芯片芯片n这是一个容量很小的这是一个容量很小的RAM存储器，由电池供电存储器，由电池供电，即使计，即使计算机关机后也不会丢失所存储的信息算机关机后也不会丢失所存储的信息n作用：作用：n存放计算机硬件的参数（称为存放计算机硬件的

50、参数（称为“配置信息配置信息”），包括日期），包括日期和时间、口令、和时间、口令、软盘软盘/硬盘硬盘/光盘驱动器的数目、类型及参数、光盘驱动器的数目、类型及参数、显卡类型、显卡类型、cache使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供供BIOS程序使用程序使用n设置和修改设置和修改CMOS参数的方法：参数的方法：n在开机启动在开机启动BIOS工作时，按下工作时，按下Del键键(或或F2或或F8健健)，即可进，即可进入入BIOS中的中的CMOS设置程序设置程序652.1 计算机的组成与分类2.3.2 内存储器内存储器662.1 计算机的组成与分类计算机中存储器

51、的层次结构计算机中存储器的层次结构cache存储器存储器主存储器主存储器(RAM和和ROM)外存储器（软盘、硬盘、光盘）外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带库、光盘库）后备存储器（磁带库、光盘库）内存储器内存储器外存储器外存储器寄存器寄存器典型容量典型容量 优盘优盘 ！优盘：优盘：512MB1GB （100元）元）1232.1 计算机的组成与分类如何增大磁盘片的容量？如何增大磁盘片的容量？n提高盘片上的信息记录密度！提高盘片上的信息记录密度！n增加磁道数目增加磁道数目提高磁道密度提高磁道密度n增加扇区数目增加扇区数目提高位密度提高位密度 低密度存储示意图低密度存储示意图 高密度存储示意

52、图高密度存储示意图位密度位密度道密度道密度位密度位密度道密度道密度硬盘硬盘存储器存储器1242.1 计算机的组成与分类2.6.2 硬盘存储器硬盘存储器1252.1 计算机的组成与分类硬盘存储器硬盘存储器概述概述n作用：作用： 长期保存各类信息长期保存各类信息n特点：特点： 可读可写可读可写 容量很大容量很大 成本极低（成本极低（110GB/100元）元） 技术持续很快，容量将更大，成本会更低技术持续很快，容量将更大，成本会更低1262.1 计算机的组成与分类 硬盘存储器的结构硬盘存储器的结构移动臂移动臂控制电路控制电路主轴主轴硬盘片硬盘片磁头磁头接口接口1272.1 计算机的组成与分类信息的平

53、均存取时间信息的平均存取时间n磁盘上的信息以扇区为单位进行读写，平均存取时间为：磁盘上的信息以扇区为单位进行读写，平均存取时间为：T = 寻道时间寻道时间+旋转等待时间旋转等待时间+数据传输时间数据传输时间n寻道时间寻道时间磁头寻找到指定磁道所需时间磁头寻找到指定磁道所需时间(大约大约5ms)n旋转等待时间旋转等待时间指定扇区旋转到磁头下方所需要的时间指定扇区旋转到磁头下方所需要的时间(大大约约46ms) (转速：转速： 4200/5400/7200/10000rpm)n数据传输时间数据传输时间(大约大约0.01ms/扇区扇区)磁头磁头磁道磁道旋转轴旋转轴碟片碟片1282.1 计算机的组成与分

54、类硬盘存储器的性能指标硬盘存储器的性能指标（1）容量：以）容量：以GB为单位，目前硬盘单碟容量约为为单位，目前硬盘单碟容量约为80540GB（2）平均存取时间：在几）平均存取时间：在几ms几十几十ms之间，由硬盘的旋转速度、磁头之间，由硬盘的旋转速度、磁头寻道时间和数据传输速率所决定寻道时间和数据传输速率所决定（3）缓存容量：原则上越大越好，通常为）缓存容量：原则上越大越好，通常为2MB8MB（4）数据传输速率）数据传输速率n外部传输速率指主机从（向）硬盘缓存读出（写入）数据的速度，外部传输速率指主机从（向）硬盘缓存读出（写入）数据的速度，与采用的接口类型有关与采用的接口类型有关n内部传输速率指硬盘在盘片上读写数据的速度，转速越高内部传内部传输速率指硬盘在盘片上读写数据的速度，转速越高内部传输速率越快输速率越快 （5）与主机的接口：）与主机的接口：n前些年使用：并行前些年使用：并行ATA（IDE）接口）接口n当前流行：当前流行： 串行串行ATA（SATA）接口）接口1292.1 计算机的组成与分