计算机导论课件：陈勃3.1

计算机导论陈勃bo.chen@第3章计算机硬件系统内容提要指令周期中央处理器（运算器与控制器）存储器设备的连接输入\输出设备冯·诺依曼体系结构

与计算机运作机制（指令周期）五大部分：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备数据与程序以二进制码方式不加区分地存放在存储器中，存放的位置由地址值表明控制器根据存放在存储器中的指令序列来控制其他部分的运作，并能根据计算结果选择工作流程开机取指令停机

分析指令执行指令无新指令有新指令基本概念——二进制串的长度单位

二进制串的长度单位位(bit)

千比特(Kbit)兆比特(Mbit)吉比特(Gbit)太比特(Tbit)字节(Byte)千字节(KB)兆字节(MB)吉字节(GB)太字节(TB)字(WORD)双字(DWORD)n位的二进制串最多可表达2n种不同的含义（状态、数值、字符等）长二进制串常用十六进制来记录，如字节01110010记作72h相邻单位间，后者比前者长210=1024倍×2×2×8基本概念——地址、寄存器

寄存器是控制标志和正在处理的数据的暂时存放地点寄存器分为专用寄存器（指令寄存器IR、地址寄存器AR等）和通用寄存器（AX，BX等）地址是数据存放在存储器内位置的数码表示通常一个内存地址中存放8位二进制数据（1字节）0000hA0h0001h00h0002h20h…………FFFEh……FFFFh……基本概念——指令

指令格式的两部分：操作码和地址码（操作数）例

将地址2000H中的数据传输到寄存器AX的低8位(AL)中

汇编码：MOVAL,[2000h]

机器码：A000200000hA0h0001h00h0002h20h…………FFFEh……FFFFh……将某地址内的

数据传输到AL地址2000h指令按意图可分为数据传输型、数据处理型、程序控制型、输入输出型和硬件管理型精简指令集（RICS）：相对于复杂指令集（CISC）而言，只具有使用频率最高的指令和支持操作系统与高级程序设计的指令指令周期的实现

0000hA0h0001h00h0002h20h0003h02h0004h06h0005h01h0006h20h…………2000h05h2001h04h…………0000hPC0000hAR解码单元A0hIR操作控制单元0001h0001h2000h05hAL0003h0003h02h0004h0004h05h09h04h06h09h0005h0007h0005h2001h例将地址2000h和2001h中的数据相加后存于AL中MOVAL,[2000h] A00020ADDAL,[2001h] 02060120算术、逻辑部件(ALU)对二进制数进行运算的部件。它在控制器的控制下执行程序中的指令,完成各种算术运算、逻辑运算、比较运算、移位运算以及字符运算等。运算器的组成：算术逻辑部件（ALU）完成加、减、乘、除等四则运算以及与、或、非、移位等逻辑运算；寄存器用来暂存参加运算的操作数或中间结果，常用的寄存器有累加寄存器、暂存寄存器、标志寄存器和通用寄存器等。系统单元——运算器

是指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件。控制器的组成：程序计数器（PC）：用来对程序中的指令进行计数，使控制器能依次读取指令；指令寄存器（IR）：在指令执行期间暂时保存正在执行的指令。指令译码器（ID）：用来识别指令的功能，分析指令的操作要求。微操作控制电路：用来产生各种控制操作命令。时序控制电路：用来生成时序信号，以协调在指令执行周期内各部件的工作。系统单元——控制器

CPU的运作由周期性产生时钟脉冲加以控制和调节，相邻时钟脉冲之间的间隔称作CPU时钟周期CPU时钟频率（主频）——Fz（单位：Hz）每条指令所需的（平均）CPU时钟周期数

——CPI（单位：周期/条）指令执行速度（每秒执行指令数）——IPS（单位：条/s）IPS=Fz/CPIMIPS=MFz/CPI机器位数（机器字长）——CPU单次动作能接受的二进制长度CPU的时钟频率和运作效率

目的：提高中央处理器（CPU）处理指令的效率方法：指令流水线（时间并行）——将指令周期拆分成若干工序，每工序由专门的电路完成。于是，同一时间内，不同电路部件可以处理不同指令的不同工序。多处理器（空间并行）——将程序拆分成若干可并行处理（互补依赖）的部分，分别由多个处理器并行处理。并行处理技术——流水线和多处理器

用来存储数据和程序的部件。存储器按照存储目的可分为：内存储器：又称为主存储器，简称为内存或主存。用来存放正在运行的程序的指令和数据，或者固件及制造商提供的基本程序。外存储器：又称为辅助存储器，简称为外存或辅存，用来存放需要长期保存的信息。系统单元——存储器

存储器按照数据存取特性可分为：存储器按照物理实现方式可分为：系统单元——存储器

可读写只读循序寻址磁带随机寻址易失：SRAM、DRAM不易失：磁盘、SSD、闪存*、CMOS*、MRAMCD、ROM电子存储磁存储光存储机械寻址磁盘、磁带CD电子寻址SRAM、DRAM、SSD、闪存、CMOS、ROMMRAMRAM（RandomAccessMemory）——随机寻址，可读写，一般用作内存储器

DRAM（dynamicRAM）

存储单元：单个半导体晶体管+电容，利用电容存储

优点：存储密度大、成本低

缺点：需不断刷新信号、耗电大、易失信息

SRAM（staticRAM）

存储单元：多个半导体晶体管

优点：无需不断刷新信号、耗电低、存取速度快

缺点：存储密度小、成本高、易失信息

MRAM（magneticRAM）

存储单元：磁化元件

优点：存储密度大、存取速度快于SRAM、不易失信息

CMOS

存储单元：多个半导体晶体管

优缺点：类似SRAM，但CMOS由电池供电，不易失信息系统单元——存储器

ROM（ReadOnlyMemory）——随机寻址，只读，一般用作内存储器

PROM（ProgrammableROM）

特点：写入后信息不可删除、修改，只可读取

EPROM（ErasablePROM）

特点：写入后信息可用紫外线删除，然后重新写入EEPROM（ElectricallyEPROM）

特点：写入后信息可用电脉冲删除，然后重新写入闪存（FlashMemory）EEPROM的一个变种，但由于可以按块删除与重新写入，故被认为是可读写设备，存取速度慢于RAM和ROM，可用作内存或外存。常见的闪存形式：U盘、SD卡、CF卡等系统单元——存储器

目的：避免由于内存的存取速度与CPU的处理速度不匹配而降低处理指令的效率。方法：处理器每次访问内存时，将访问位置附近的数据传送到高速缓冲存储器（Cache）中，之后若需访问这部分数据，则可以直接从Cache中快速取得。高速缓冲存储技术

磁盘（Disk）——磁存储，机械寻址，随机寻址，可读写，一般用作外存储器外存储器

软盘（FloppyDisk）单片软盘只含保存数据的磁化介质和柔软外壳，需配合驱动器使用常见样式： 5.25英寸——1.2MB 3.5英寸——1.44MB

大容量软盘不同于地址描述法，磁盘中数据存放位置的描述还可以使用：

“面（磁头）-磁道（柱面）-扇区”的描述方式外存储器

硬盘（HardDisk）

金属外壳封装保存数据的磁化介质和存取数据的机械装置及电路，通过多种接口与主板相连。常见样式：

普通内置硬盘

盒式硬盘

硬盘组 USB移动硬盘目的：提高磁盘的存取效率和存储能力方法：磁盘缓冲——在内存中建立磁盘数据的缓冲区，原理类似于用Cache实现内存数据的缓冲磁盘阵列——将数据的不同部分存放于多个磁盘，存取时并行操作多个磁盘以提高存取速度和可靠性文件压缩——将所需存储的信息进行压缩转化，以更少的磁盘空间来存储磁盘缓冲、磁盘阵列和文件压缩技术

光盘——刻有细小凹槽（表示0）的反光碟片，机械寻址，随机寻址，一般用作外存储器外存储器

CD-ROM

红外线读写（下同），只读，容量650MB

CD-R

可写入一次，之后只读，容量650MB

CD-RW

可删除后再次写入，容量650MB

DVD-ROM

红光读写（下同），只读，容量4.7GB

DVD-R

可写入一次，之后只读，容量4.7GB

DVD-RW

可删除后再次写入，容量2.6–5.2GB

BD、BD-R、BD-RE（蓝光光盘）

蓝光读写，容量25-128GB磁带

存储元件——磁化介质

访问限制——可读写

寻址方式——机械、循序

用途——外存储器外存储器

SSD（固态硬盘）

存储元件——同Flash或DRAM

访问限制——可读写

寻址方式——电子寻址、随机寻址

用途——外存储器

优点——较普通硬盘（磁盘）访问速度快、稳定性好（抗震抗磁）、噪声小

缺点——较普通硬盘（磁盘）存储密度小、发热量大、价格昂贵存储设备技术指标——容量与访问速度

通用寄存器堆指令和数据缓冲栈脱机外部存储器（磁带、光盘等）联机外部存储器（磁盘等）主存储器（DRAM）Cache（SRAM）存储容量越来越大访问速度越