计算机组成原理课件

第1～4代计算机的对比代别年代使用的元器件使用的软件类型主要应用领域第1代20世纪40年代中期～50年代末期CPU：电子管内存：磁鼓使用机器语言和汇编语言编写程序科学和工程计算第2代20世纪50年代中、后期～60年代中期CPU：晶体管内存：磁芯使用FORTRAN等高级程序设计语言开始广泛应用于数据处理领域第3代20世纪60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI内存：SSI，MSI的半导体存储器操作系统、数据库管理系统等开始使用在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用第4代20世纪70年代中期以来CPU：LSI、VLSI内存：LSI、VLSI的半导体存储器软件开发工具和平台、分布式计算、网络软件等开始广泛使用深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机第1～4代计算机的对比代别年代使用的元器件使用的软件类1计算机硬件的逻辑结构经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算机）运算器和控制器输入设备输出设备存储器（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）计算机硬件的逻辑结构经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算机2计算机系统=硬件+软件输入硬件&软件输出计算机系统是由硬件和软件组成的，两者缺一不可！计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称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计算机系统=硬件+软件输入硬件&软件输出计算机系统是由硬件3台式PC的物理组成台式机台式PC的物理组成台式机4软件、硬件和用户的关系

硬件的能力非常有限，只是速度极高而已没有软件，硬件几乎什么任务也完成不了BasicInput/OutputSystem硬件BIOS操作系统应用软件用户应用软件系统软件数据信息处理任务处理结果硬件软件、硬件和用户的关系硬件的能力非常有限，只是速度极高而5什么是中央处理器(CPU)？一台计算机中往往有多个处理器，它们各有其不同的任务，如绘图处理器、通信处理器等。其中承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为“中央处理器”（CPU），CPU是计算机必不可少的核心组成部件。大多数计算机只有1个CPU。为了提高处理速度，计算机也可以包含2个、4个、8个甚至成百上千个CPU。使用多个CPU的计算机系统称为“多处理器系统”。什么是中央处理器(CPU)？一台计算机中往往有多个处理器，它6什么是嵌入式计算机？把运算器、控制器、存储器、输入/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“单片计算机”或“嵌入式计算机”用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置，例如数码相机、MP3播放器、手机、计算机外围设备、汽车、机顶盒等特点：功能固定、专用，软件固化在芯片上，通常不能改变大多应满足实时信息处理的要求以最低成本满足应用要求能适应恶劣工作环境什么是嵌入式计算机？把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制72.2CPU的结构与原理指令指令就是命令，它用来规定CPU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指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组成：操作码、操作数地址CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作指令系统CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，即它的机器语言同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性不同公司生产的CPU各有自己的指令系统，他们未必互相兼容。例如，现在大部分使用INTEL公司的微处理器作为CPU，而美国苹果公司生产的MACINTOSH个人计算机，其CPU使用的是IBM公司的POWERPC微处理器，它们的指令系统有很大的差别。2.2CPU的结构与原理指令8CPU的性能指标CPU的字长（位数）主频（CPU时钟频率）CPU总线（前端总线）的速度高速缓存（cache）的容量与结构CPU的指令系统CPU的逻辑结构CPU的性能指标CPU的字长（位数）92.3.1主板1、主板，又称母板，在主板通常安装有CPU插座、芯片组、存储器插槽、扩充卡插槽、显卡插槽、BIOS、CMOS存储器、辅助芯片和若干用于连接外围设备的I/O插口。2、主板上有两块特别有用的集成电路：一块是闪烁存储器（FLASHMEMORY），其中从放的是基本输入/输出系统（BIOS），它是PC机软件中最基础的部分，没有它机器就无法启动；另一个集成电路芯片是CMOS存储器，其中存放着与计算机硬件相关的一些参数（称为“配置信息”）。由于CMOS芯片是一种易失性存储器，必须使用电池供电，才能使计算机关机后，也不会丢失所有存储信息。3、主板的物理尺寸标准：现使用主板，主要是ATX和BTX规格主板。4、芯片组是PC机组成部分相互连接和通信的枢纽，它一般由2块超大规模集成电路组成：北桥芯片（存储控制）和南桥芯片（I/O控制）。2.3.1主板1、主板，又称母板，在主板通常安装有CPU插10BIOS主要包含四个部分的程序：加电自检程序（POST）

(PowerOnSelfTest)用于检测计算机硬件故障系统自举程序（Boot）启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态CMOS设置程序设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等常用外部设备的驱动程序（Driver）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BIOS主要包含四个部分的程序：加电自检程序（POST）11关于CMOS芯片这是一个容量很小的RAM存储器，由电池供电，即使计算机关机后也不会丢失所存储的信息作用：存放计算机硬件的参数（称为“配置信息”），包括日期和时间、口令、软盘/硬盘/光盘驱动器的数目、类型及参数、显卡类型、cache使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供BIOS程序使用设置和修改CMOS参数的方法：在开机启动BIOS工作时，按下Del键(或F2或F8健)，即可进入BIOS中的CMOS设置程序关于CMOS芯片这是一个容量很小的RAM存储器，由电池供电12PC机的启动工作过程接通电源时CPU自动执行BIOS中的加电自检程序1.1按CMOS中的内容来识别硬件的配置,测试各部件的工作状态(发现错误则报错，系统将不能继续启动或不能正常工作。)1.2初始化CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显示卡、键盘、软驱和硬盘等设备CPU自动执行自举程序按照CMOS中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、硬盘或光盘），将OS主引导程序读出并装入内存。然后由引导程序继续装入操作系统最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系统所控制PC机的启动工作过程接通电源时CPU自动执行BIOS中的加电13(3)存储器分类内存储器(简称内存或主存)外存储器(简称外存或辅存)存取速度很快较慢存储容量较小(因单位成本较高)很大(因单位成本较低)性质断电后信息消失断电后信息保持用途存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据长期存放计算机系统中几乎所有的信息与CPU关系CPU所处理的指令及数据直接从内存中取出程序及相关数据必须先送入内存后才能被CPU使用(3)存储器分类内存储器外存储器存取速度很快较慢存储容量较14计算机中存储器的层次结构cache存储器主存储器(RAM和ROM)外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带库、光盘库）内存储器外存储器寄存器典型容量<1KB1MB256MB-1GB40GB-200GB10TB-100TB典型存取时间1ns2ns10ns10ms10s分析：速度越快，成本较高。为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作工作过程：1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器2）如需要从(向)存储器中取(存)数据时，先访问cache，如在，取自cache3）如操作数不在cache，则访问RAM，如在RAM中，则取自RAM4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出→RAM→cache计算机中存储器的层次结构cache存储器主存储器(RAM和R152.3.2内存储器的分类及应用内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型：半导体存储器只读存储器(ROM)随机存取存储器(RAM)静态随机存取存储器SRAM动态随机存取存储器DRAM

不可在线改写内容的ROM快擦除存储器（FlashROM）（用作Cache存储器）

（用作主存储器）（用作BIOS存储器）(图形卡、硬盘控制器)CMOS2.3.2内存储器的分类及应用内存由半导体存储器芯片组成，芯162.6外存储器硬盘硬盘上一块数据要用三个参数来定位：柱面号，扇区号，磁道号光盘移动存储器U盘移动硬盘2.6外存储器硬盘17硬盘存储器的性能指标（1）容量：以GB为单位，目前硬盘单碟容量约为40～100GB（2）平均存取时间：在几ms～几十ms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（3）缓存容量：原则上越大越好，通常为2MB～8MB（4）数据传输速率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

（5）与主机的接口：前些年使用：并行ATA（IDE）接口当前流行：串行ATA（SATA）接口硬盘存储器的性能指标（1）容量：以GB为单位，目前硬盘单碟容18光盘存储器的发展分代年代名称激光类型存储容量第1代1982CD光盘存储器红外光650MB第2代1995DVD光盘存储器红光4.7GB第3代2006BD光盘存储器蓝光25GB（注：DVD和BD的容量均为单面单层的容量）光盘存储器的发展分代年代名称激光类型存储容量第1代1982C19光盘片的类型按存储容量与读写特性分：CD盘片DVD盘片蓝光（BD）盘片只读盘片（CD-ROM）一次性可写盘片（CD-R）可擦写盘片（CD-RW）只读盘片（DVD）一次性可写盘片（DVD-R,DVD+R）可擦写盘片（DVD-RW,DVD+RW

DVD-RAM

）只读盘片（BD）一次性可写盘片（BD-R）可擦写盘片（BD-RE）蓝光盘光盘片的类型按存储容量与读写特性分：只读盘片（CD-ROM）202.3.3I/O总线与I/O接口PCI总线工作频率：33MHz数据线宽度：32位（或64位）传输速率：133MB/s（或266MB/s）用于挂接中等速度的外围设备总线带宽（MB/s）＝（数据线宽度/8）*总线工作频率（MHz）*每个总线周期的传输次数PCI-EUSB接口IEEE－1394接口：主要用于连接需要高速传输大量数据的音频和视频设备。2.3.3I/O总线与I/O接口PCI总线21常用的I/O接口及其性能参数名称数据传输方式数据传输速率标准插头/插座形式可连接的设备数目通常连接的设备串行口串行,双向50～19200b/sEIA-232或EIA-422DB25F或DB9F1鼠标器，MODEM并行口(增强式)并行,双向1.5MB/sIEEE1284DB25M1打印机，扫描仪USB(1.0)USB(1.1)串行,双向1.5Mb/s(慢速)1.5MB/s(全速)USB-IFA型，B型最多127键盘，鼠标器，数码相机，移动盘等USB(2.0)串行,双向60MB/s(高速)USB-IFA型，B型，Mini型最多127外接硬盘，数字视频设备，扫描仪等IEEE1394aIEEE1394b串行,双向50MB/s,100MB/s,200MB/sFireWire(i.Link)最多63数字视频设备IDE并行,双向66MB/s100MB/s133MB/sUltraATA/66

UltraATA/100UltraATA/133(E-IDE)1~4硬盘，光驱，软驱SATA串行,双向150MB/s300MB/sSATA1.0SATA2.07针插头/插座1硬盘显示器输出接口并行,单向200～500MB/sVGAHDB151显示器PS/2接口串行,双向低速IBM1键盘或鼠标器红外线接口(IrDA)串行,双向115,000bps或4Mbps红外线数据协会不需要1键盘，鼠标器，打印机等常用的I/O接口及其性能参数名称数据传输方式数据传输速率标22I/O设备接口串行口9针并行口VGA视频口键盘接口双绞线接口PS/2接口串行口25针同轴电缆网络接口显示器接口麦克风音箱键盘接口并行口USB接口以太网双绞线接口串行口鼠标器接口(安装在主板上的I/O设备接口)I/O设备接口串行口并行口VGA键盘接口双绞线接口PS/2接23台式PC机箱背板照片键盘接口鼠标接口串行接口电源接口打印机(并行)接口(游戏)操纵杆接口显示器接口扬声器接口麦克风接口电话线/MODEM接口台式PC机箱背板照片键盘接口鼠标接口串行接口电源接口打印机(242.4常用输入设备键盘与主机的接口PS/2接口，USB接口，无线接口（红外线或无线电波）鼠标与主机的接口RS－232串行口（D形9针），PS/2（圆形6针），USB，无线鼠标笔输入设备与主机的接口类型串行口，USB扫描仪性能指标：分辨率（dpi），色彩位数（色彩深度），