第3章 计算机硬件35

第3章计算机硬件大学计算机基础内容摘要1.计算机系统组成2.计算机硬件系统3.嵌入式系统与DSP2华南理工大学计算机教学团队3.1计算机硬件系统计算机系统应该包括硬件（Hardware）系统和软件（Software）系统两大部分。计算机硬件是指计算机系统中看得见、摸得着的物理实体，即构成计算机系统各种物理部件总称。计算机软件是为了运行、管理和维护计算机所编制的各种程序、数据及其它相关资料的总称。

3华南理工大学计算机教学团队3.1.1计算机硬件组成硬件主要包括：微处理器、内部存储器、外部存储器、输入输出设备、各种接口电路以及总线。微处理器（MPU），也称为中央处理单元（CPU），是微机硬件系统的控制核心，由运算器、控制器和一些寄存器组成。存储器是计算机的记忆部件，又可分为内部存储器和外部存储器。

4华南理工大学计算机教学团队输入输出设备，简称为I/O设备，根据作用可以分为输入设备和输出设备，是用户和计算机交互的桥梁接口电路是CPU与IO设备通信的中转站，CPU通过接口电路来控制外部设备总线（Bus）是连接计算机内部多个功能部件的一组公共信息通路。CPU、内存和各种接口电路之间是采用系统总线连接CPU、内存、接口和总线构成了计算机的主机，而外存和IO设备构成了计算机的外设55华南理工大学计算机教学团队系统软件和应用软件系统软件主要包括：1.操作系统（OperatingSystem，简称OS）：是管理计算机软硬件资源的软件。2.语言处理程序：包括汇编程序、各种高级语言的解释程序、编译程序、集成开发环境等等。3.系统服务程序包括系统诊断程序、测试程序、编辑程序、装配链接程序等。4.大型数据库管理系统（DBMS）应用软件例如工程设计软件、QQ、人事管理软件、财务管理软件等

66华南理工大学计算机教学团队计算机系统层次模型从功能上看，计算机系统是一个有五个层次的结构系统。每一级都有不同的人使用不同语言工具进行程序设计。微程序设计级一般机器级，也称为机器语言级操作系统级汇编语言级高级语言级

77华南理工大学计算机教学团队计算机系统层次模型续软件和硬件具有等价性发展趋势：软件硬件化软硬件分界线逐步向高层移动

某一功能是采用硬件还是软件实现，这取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、系统开发周期等多种因素。

88华南理工大学计算机教学团队计算机硬件系统构成计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成运算器主要由算术逻辑单元ALU和通用寄存器组成，主要用于完成算术运算和逻辑运算。

控制器是整个计算机的控制中心。它的主要功能是周而复始地取指令、分析指令再根据指令功能向其它部件发出控制信号以执行指令。

99华南理工大学计算机教学团队计算机硬件系统构成续运算器和控制器合起来称为中央处理器CPU或微处理器存储器主要用于存储计算机的程序和数据，又分为内存和外存内存和CPU合起来称为主机I/O设备与外存统称为外部设备，简称外设。

外设必须经过接口中转后才能和CPU通信系统总线将CPU、内存、各种接口相连接，是这些部件之间的公共信息通路。1010华南理工大学计算机教学团队3.1.2CPUCPU，也称为中央处理器，是计算机系统的指挥控制核心

由运算器和控制器组成

计算机其它部件都受CPU控制1111华南理工大学计算机教学团队运算器主要由算术逻辑单元、通用寄存器以及专用寄存器组成主要功能是在控制器的指挥下，进行算术运算和逻辑运算算术逻辑单元（ALU）是运算器中实现算术运算和逻辑运算的电路通用寄存器是运算器中的数据暂存器专用寄存器包括：数据缓冲寄存器（DR），程序状态字（PSW）等1212华南理工大学计算机教学团队控制器由程序计数器、地址寄存器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，是整个计算机的控制核心。程序计数器（PC）地址寄存器（AR）指令寄存器（IR）指令译码器(ID)时序产生器操作控制器1313华南理工大学计算机教学团队控制器续功能：指挥计算机的各个部件协调一致地自动运行。具体包括：程序控制：按照程序规定的顺序执行，指令的相互顺序不能任意颠倒操作控制：产生实现每条指令功能所需的操作信号时间控制：每种操作信号都有严格的时间先后顺序和时间长短规定

1414华南理工大学计算机教学团队3.1.3存储器是计算机中的记忆部件程序、数据、中间结果都以二进制形式存在于各种存储器中

一个存储元只能存储一个二进制位，即一个“0”或者“1”，一般以bit为单位

8位存储元组成的单位叫做一个字节（Byte）1Byte=1B=8bit1KB=1024B=210Byte1MB=1024KB=220Byte1GB=1024MB=230Byte1TB=1024GB=240Byte

1515华南理工大学计算机教学团队存储器续每个存储单元在整个存储中的位置,都有一个编号,这个编号称为该存储单元的地址一个存储器中所有存储单元的总数量,称为它的存储容量1616华南理工大学计算机教学团队存储器续从一个存储单元读出或写入数据的时间称为读写时间，两次CPU对存储器读/写操作之间的最小间隔称为存取周期存储器和CPU最主要的连接线有地址线、数据线和控制线地址线用于从CPU向存储器发送读写地址数据线用于在CPU和存储器之间传输数据控制线用于指明对存储器的操作性质

1717华南理工大学计算机教学团队存储器分类按存储介质分类：磁介质存储器、半导体存储器和光介质存储器按存取方法分类：随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两类按存储原理分类：动态存储器（DRAM）和静态存储器（SRAM）两类根据在计算机中所处位置和作用的不同可以分为内存、外存和缓冲存储器等1818华南理工大学计算机教学团队Cache结构图Cache主要由Cache存储器和Cache控制器两部分组成若在m次内存访问中有n次数据在Cache中找到，则我们称该Cache的命中率为n/m容量越大，命中率越接近11919华南理工大学计算机教学团队虚拟存储器

虚拟存储器简称为虚存，主要解决内存容量不够大的问题处于存储器层次结构的“主存-辅存”层次利用程序局部性原理使虚存容量达到辅存的容量，访问速度接近主存的速度，平均位成本接近辅存的成本

由硬件和操作系统自动实现存储信息调度和管理的以页（512字节到几K容量）为单位进行调入调出

2020华南理工大学计算机教学团队存储器层次结构解决计算机存储器容量、价格、成本之间的矛盾。主要包括高速缓冲存储器Cache、内部存储器、外部存储器三层各层之间的信息流动由辅助硬件或操作系统自动完成。可以提高计算机的性能价格比，在速度方面接近最高级存储器，在容量和价格方面接近最底层存储器

2121华南理工大学计算机教学团队存储器层次结构续2222华南理工大学计算机教学团队3.1.4外部设备大部分是机械、光电等低速设备，无法直接和CPU通信采用接口电路做外部设备和CPU之间的中转站，每个接口里都有少量可供CPU读写的寄存器，称之为端口（Port）CPU通过对接口中的端口读写数据实现对外部设备的间接控制主要包括输入设备、输出设备、外部存储器、网络通信设备、工业控制设备等2323华南理工大学计算机教学团队3.1.5总线

计算机系统内部多个模块之间的一组公共传输通道数据、地址和控制信息都经由总线传送

在计算机中通常表现为主板上的一组并行信号线地址总线（AB），用来传送地址信息，n根地址总线可以访问的地址空间是2n

数据总线（DB），用于传送数据信息，数据总线的根数决定了通过该总线一次可以传送的信息量

控制总线（CB），用于在主控设备和被控设备之间传送控制信号：中断、DMA、时钟、复位、握手信号等

2424华南理工大学计算机教学团队总线分类片内总线是CPU内部多个功能部件之间的数据传输通路

系统总线又称为内总线，是计算机系统中各接口电路板和主存之间的信息通路，如ISA、EISA、PCI等

通信总线也称为外总线，是计算机与计算机之间或者计算机与其它通信设备之间的连接线，如：RS232、RS485、USB、CAN总线等局部总线，也称为处理器总线，是为了提高系统数据传输率而设计的专用总线

2525华南理工大学计算机教学团队单总线硬件结构图2626华南理工大学计算机教学团队3.1.6接口各种外部设备是通过接口电路连接到计算机系统中，CPU是通过控制接口电路间接实现对外部设备控制主要功能：信息变换

速度协调

中断处理电平转换信号放大

2727华南理工大学计算机教学团队接口工作原理接口中可供CPU读写操作的寄存器叫做端口，这些寄存器的地址称为端口地址

通常包括数据端口、状态端口和控制端口

2828华南理工大学计算机教学团队3.2.3冯.诺依曼体系结构与哈佛体系结构区别华南理工大学计算机教学团队293.2.3冯.诺依曼体系结构计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。把要执行的指令和待处理的数据按照顺序编成程序存储到计算机内部的存储器中,程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放，存放位置由内存地址确定。（存储程序原理）每条指令由操作码和操作数两部分构成。内存储器是定长的线性组织，CPU通过内存地址可以直接读写内存。由控制器对计算机进行集中的顺序控制3030华南理工大学计算机教学团队冯.诺依曼型计算机冯.诺依曼开创了现代计算机理论两个主要贡献：二进制思想与存储程序和程序控制思想冯.诺依曼体系结构，也称为普林斯顿体系结。从ENIAC到当前最先进的计算机基本都采用的是冯.诺依曼体系结构。3131华南理工大学计算机教学团队冯.诺依曼体系结构续3232华南理工大学计算机教学团队计算机基本工作原理通过某种程序设计语言把解决思路编制成程序通过输入设备把程序输入到计算机中保存起来，通常存于外部存储器中运行该程序时由控制器向接口电路发命令将外存中的程序调入计算机的内存中，并将CPU中的程序计数器指向该程序的第一条指令启动执行后，取指、分析、执行、写结果每条指令执行完成后，程序计数器指向下条指令准备执行冯．诺依曼型计算机的基本工作过程是在控制器的控制下，计算机自动地从内存中取指令、