《计算机基础与应用技术》 课件 第二章计算机组成原理

第二章计算机组成原理2.1计算机硬件的基本组成中央处理器2.2存储器系统2.32.4CPU、主存与外设的互连2.5常用的输入/输出设备本章内容导读计算机硬件是指计算机的物理装置的总称，看到的各种芯片、板卡、外设、电缆等都是计算机硬件。通过学习本章，读者应掌握以下内容：掌握计算机硬件的工作原理、基本组成；了解指令的格式、指令系统的基本功能；掌握CPU的基本功能、组成和性能指标。掌握计算机中层次结构的存储器系统。掌握CPU、主存储器与外设之间的互连。掌握计算机常规的硬件设备和设备接口。2.1.1冯•诺依曼计算机的结构框图计算机系统：计算机硬件+计算机软件计算机硬件：构成计算机的物理装置的总称，看到的各种芯片、板卡、外设、电缆等都是计算机硬件。计算机软件：计算机系统中的程序、数据以及开发、使用、维护程序所需的各种文档的集合。计算机硬件和计算机软件相辅相成，缺一不可。计算机硬件是计算机系统的物理基础，为软件的运行提供平台和环境。计算机硬件必须配备完善的软件，才能正常工作，充分发挥硬件的各种功能。

2.1计算机硬件的基本组成计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。存储器不仅能存放数据、也能存放指令，形式上指令与数据没有区别，但计算机应能区分它们。计算机内部以二进制形式表示指令和数据。采用“存储程序”的工作原理。早期的冯·诺依曼计算机的结构框图：2.1.1冯•诺依曼计算机的结构框图运算器：计算机中对数据进行加工处理的部件。完成数据的算术运算和逻辑运算。控制器：控制计算机各部件协调地工作。存储器：用于存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。输入设备：向计算机输入数据和程序。输出设备：用于把计算机中存储、处理或传送来的信息以人们熟悉的形式表示出来。2.1.1冯•诺依曼计算机的结构框图IntelPentium系统的模型2.1.2现代计算机系统的典型硬件组成中央处理器（CPU）：运行系统软件和应用软件任务的处理器，是计算机最核心的部件。IntelPentium系统的模型2.1.2现代计算机系统的典型硬件组成存储器：种类繁多主存储器用来存放CPU正在执行的程序和程序处理的数据。硬盘能长久存储程序和数据。IntelPentium系统的模型2.1.2现代计算机系统的典型硬件组成总线：提供计算机部件之间规范化交换数据的方式，包括一组共享的信息传输线和控制逻辑。IntelPentium系统的模型2.1.2现代计算机系统的典型硬件组成输入输出设备：外围设备或外部设备（简称外设）是计算机系统与人或其他机器之间进行信息交换的装置。IntelPentium系统的模型2.1.2现代计算机系统的典型硬件组成I/O控制器：I/O总线和外设之间传递信息，并做成标准化的部件。2.2.1指令和指令系统机器指令是指示计算机执行某种操作、完成某种功能的命令。机器指令：操作码和地址操作码：指明指令所要完成的操作，例如加法、减法、传送、移位等。地址码：指出该指令的操作数地址、结果的地址或者下一条指令的地址等。2.2中央处理器1、指令1、指令机器指令：二进制代码组成例如：“00000001111100000111000000000000”是某计算机的一条加法指令。0和1，太难理解了！！！汇编指令：为便于阅读和理解，用助记符来表示机器指令中的操作码和地址码。例如，“ADDA，B，C”是上述机器指令的符号化表示；“ADD”是操作码，表示需要执行加法运算；“A”、“B”和“C”是三个地址码，“A”表示加法结果的存放位置，“B”和“C”表示两个加数存放的位置。指令的功能可描述为（B）+（C）→A机器指令与汇编指令一一对应，都属于机器级指令，习惯上使用汇编指令来描述机器指令。2、指令系统指令系统：一台计算机能执行的所有机器指令的集合。不同的计算机都有各自的指令系统，指令系统是计算机硬件的语言系统，也叫机器语言。指令系统提供了软件和硬件之间的界面，一方面计算机硬件的功能通过指令系统展现出来，另一方面，软件通过指令系统中的指令去使用硬件功能。3、指令系统的设计风格复杂指令系统：指令系统复杂，指令数多、指令格式多、寻址方式多（寻找操作数的方法）、指令执行所需时钟周期数也不一样CISC：复杂指令集计算机精简指令系统：指令功能简单、能在一个时钟周期内执行完成。RISC：精简指令集计算机简化指令使计算机结构简单合理，从而提高机器的性能。4、主流的指令系统X86：Intel公司通用计算机系列的标准编号缩写，CISC架构，台式机、笔记本和服务器的主流市场ARM：低功耗的微处理器，RISC架构，移动设备市场RISC-V：开源指令集架构，RISC架构，满足各种应用，如服务器CPU、家用电器CPU、工控CPU、传感器中的CPU等“存储程序”的工作原理要求程序和数据存放在计算机的存储器中，执行程序时，CPU从内存中逐条取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直至程序执行结束。程序在计算机中的执行过程：2.2.2CPU的基本功能与基本组成1.寄存器：用于存放临时数据、状态信号等。寄存器分为：通用寄存器、状态寄存器、指令寄存器和程序计数器等。2.2.2CPU的基本功能与基本组成通用寄存器：临时存放参与运算的数据或运算得到的结果。指令寄存器：存放CPU正在执行的指令。程序计数器：存放CPU将要执行的下一条指令的地址。2.算术逻辑单元：是CPU的执行单元，也是CPU的核心组成部分，用来对二进制数据进行加、减法基本算术运算或者与、或、非基本逻辑运算的部件。ALU的基本逻辑结构是加法器。2.2.2CPU的基本功能与基本组成加法指令“ADDA，B，C”的功能：

（B）+（C）->A通用寄存器B：3通用寄存器C：4将3、4送至ALU的输入端，控制ALU执行加法运算，即3+4ALU的输出结果为“7”，把结果“7”送入寄存器A。3.控制器：CPU中的每一个操作步骤都有先后顺序，CPU是一个时序部件。控制信号生成部件对指令寄存器中指令操作码的分析，按序生成每条指令的控制信号。2.2.2CPU的基本功能与基本组成对指令“ADDA，B，C”操作码的分析，有序地发出C0、C1、“+”和C2控制信号：首先同时发出C0、C1控制信号，将B和C通用寄存器中的内容送至ALU输入端；接着发出“+”控制信号，控制ALU执行加法运算，并输出结果；最后发出C2控制型号，将结果送至通用寄存器A。计算机系统的性能评价主要考虑的是CPU性能，系统性能与CPU性能是有区别的。系统性能：系统响应时间，是计算机完成某一任务所需的总时间，包括硬盘访问、内存访问、I/O操作、操作系统开销和CPU执行时间等。CPU性能：CPU运行用户程序代码的时间。用户程序执行的时间与CPU相关的因素很多，列举如下的重要概念和指标。2.2.3CPU的性能指标（1）机器字长：CPU一次能处理整型数据的位数，通常是CPU中通用寄存器和ALU的宽度，即一次二进制整数运算的宽度。例如，“某计算机的字长为32位”表示了该计算机中CPU内部用于整数运算的ALU和通用寄存器的宽度为32位，即一次整数加法运算可实现两个32位二进制数的相加，结果保存为32位。（2）主频与时钟周期。主频是CPU内核工作的时钟频率，单位是Hz，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度。时钟周期是主频的倒数，表示数字脉冲信号震荡一次的时间间隔，是CPU中操作的最基本时间单位。例如，某数字脉冲信号震荡的情况，若1秒钟内震荡8次，则该脉冲信号的频率f=8Hz，数字脉冲信号震荡一次的时间间隔为1/8秒=0.125s，时钟周期T=0.125s。2.2.3CPU的性能指标（3）CPU总线速度。CPU总线的工作频率和数据线宽度决定CPU与内存之间传输数据的速度，总线速度越快，CPU的性能发挥的越充分。（4）处理器的微架构。简单地说CPU微架构就是指CPU内部结构。通过对CPU内部各运算部件的合理安排和构造，可提高指令执行效率。例如，流水线技术使得多条指令的执行在时间上重叠起来，实现指令级执行的并行，提高CPU执行指令的效率。（5）处理器芯片的集成度。摩尔定律：集成在芯片中的晶体管数量大约每18-24个月可以翻一番，其性能随着增加一倍。集成度的大幅提高也导致功耗的快速增长，导致处理器散热问题。（6）内核数量。在单个芯片上设计多个简单的处理器核，以多核并行计算来提升性能。2.2.3CPU的性能指标2.3.1存储器的分类和特性目前使用的存储介质主要有：半导体器件、磁性材料和光介质。半导体存储器：用半导体器件构成的存储器，例如，主存储器、固态硬盘、U盘。磁表面存储器：在金属或塑料基体的表面涂一层磁性材料作为记录介质的存储器，例如，磁盘存储器、磁带存储器。光盘存储器：使用激光在记录介质（磁光材料）上进行读/写的存储器。2.3存储器系统1、存储器的存储介质2、存储器的存取方式存储器的存取方式：随机存取方式、顺序存取方式和直接存取方式。随机存取方式的特点是存储器中任何一个单元的内容可以随机存取，且存取时间是一个常数，与存取单元的物理位置无关。

例如，主存储器。顺序存取方式的特点是对存储单元读/写操作时，需按其物理位置的线性顺序访问，存取时间取决于信息存放的位置。

例如，磁带存储器。直接存取方式兼有随机访问和顺序访问的特点，首先直接选取信息所在区域，然后按顺序存取。

例如，磁盘存储器。3、断电后信息的可保存性按断电后信息是否会丢失的特性，存储器可分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器：断电后信息即消失的存储器，例如，RAM芯片构成的存储器。非易失性存储器：断电后仍能保存信息的存储器，例如，优盘、磁盘和光盘。4、在计算机中的作用多种存储器构成了存储器的层次结构：寄存器：在CPU内部，保存着最常用的数据。主存储器：保存着当前CPU正在运行的程序和处理的数据。高速缓冲存储器：用来存放当前CPU经常访问的指令和数据，高速缓冲存储器的存取速度较快，接近于CPU的工作速度。辅助存储器和后备存储器：主存储器的后援存储器，用来长期存放程序和数据。5、CPU的可访问性按CPU的可访问性，计算机中的存储器可分为内存和外存。内存与CPU高速相连，保存CPU正在执行的程序和处理的数据，容量相对较小，速度较快，高速缓冲存储器和主存储器都属于内存。外存与CPU不直接相连，外存的内容需要先调入到主存储器，才能被CPU访问。外存容量大，成本便宜，可以大量、长久存放各种程序和数据，磁盘、光盘、U盘均属于外存。主存储器：半导体集成电路芯片组成，包括RAM（RandomAccessMemory）和ROM（Read-OnlyMemory）两部分。RAM：半导体读写存储器的简称，用户程序和数据都放在RAM中，断电时信息会丢失。ROM：半导体只读存储器的简称，主要用于存放一些固定的系统程序等，断电后信息不会丢失。例如，PC机的ROM区用闪存芯片构成，存放系统的基本输入输出系统（BIOS），闪存芯片插在PC机的主板上。2.3.2主存储器内存条

内存条插槽将多个DRAM芯片扩展后做在一个内存条上；内存条插在主板上的内存条插槽中。主存储器的容量是所有存储单元能存储的信息总位数：主存储器容量=地址数×每个存储单元的位数例如，6位地址能够编码的地址数为26=64个，每个存储单元存放8位二进制，所以该存储器容量为：26×8b=64字节。在PC机中，每个主存储器单元存放一个字节信息，存储容量单位用MB（220字节）、GB（230字节）或TB（240字节）表示。2.3.2主存储器常用的外存储器：硬盘、磁盘阵列、磁带、光盘、U盘和存储卡。硬盘、磁带、磁盘阵列、光盘提供了大容量的信息存储，光盘、U盘和存储卡均属于便携式存储设备。2.3.3常用的外存储器1、硬盘硬盘主要有3类：机械式硬盘、固态硬盘和混合硬盘。混合硬盘采用双硬盘的方式：一块小容量的固态硬盘+一块大容量的机械式硬盘机械式硬盘又称为硬磁盘，组成：磁盘片：用来保存信息硬磁盘驱动器：用于对磁盘片的访问操作磁盘控制器：提供主机和硬磁盘驱动器之间的接口（1）机械式硬盘1、硬盘磁道：磁表面由外向内分成许多的同心圆，每个同心圆为一个磁道扇区：每条磁道被等分成的几百个弧段，每个弧段称为一个扇区磁头：硬磁盘通常由多个盘片组成，每个盘片包含两个面，每个盘面都对应地有一个读/写磁头。定位硬磁盘上数据地址的三个参数：磁头号（盘面号）、磁道号和扇区号。（1）机械式硬盘1、硬盘硬磁盘上定位数据的三个参数：磁头号（盘面号）、磁道号和扇区号。硬磁盘格式化操作：在盘面上划分磁道和扇区，并在扇区中填写扇区号等信息的过程。硬磁盘容量=2×盘片数×每盘磁道数×每磁道扇区数×每扇区字节数（1）机械式硬盘1、硬盘硬磁盘的数据访问：寻道：移动臂控制所有磁头同步径向移动到指定的磁道号；

根据磁头号选择盘面；旋转等待：电机带动盘片高速旋转，扇区号指定的扇区旋转到被选中的磁头下方；数据读写：磁头读写该扇区中的数据；（1）机械式硬盘1、硬盘固态硬盘：一种主要由控制单元和基于固态存储单元组成的硬盘。固态硬盘的存储介质：闪烁存储器（FlashMemory，简称闪存）闪存：半导体集成电路存储器。（2）固态硬盘SSD：闪存芯片和闪存转换层。闪存芯片：相当于磁盘片，存放数据。闪存转换层：相当于磁盘控制器，负责控制如何访问这些闪存芯片，以及与外部总线的交互。1、硬盘FTL主要的功能：FTL位于操作系统与闪存之间，为操作系统提供了虚拟的磁盘，使得操作系统就像访问磁盘一样访问SSD。磨损平衡（WearLeveling）处理：实现对存储单元的均衡使用，提高固态硬盘的使用寿命。（2）固态硬盘与磁盘相比，固态硬盘特点：随机访问时间比旋转的磁盘要快；低噪音、低能耗、防震抗摔、启动速度快、尺寸小、重量轻和工作温度范围大；使用寿命有限、价格贵；出现数据损坏，想恢复数据是困难的。2、光盘存储器光盘存储器：光盘盘片和光盘驱动器组成光盘盘片：压制凹坑，以凹凸不平的坑代表“0”或“1”来记录数据光盘驱动器：实现对光盘数据的读写，读写头是用半导体激光器和光路系统组成的激光头。光盘

光驱

激光头读信息2、光盘存储器光盘分类按激光类型：使用红光的CD盘、DVD盘；使用蓝光的BD盘按读写的次数：只读型（ROM）、一次写入型（R）和可擦写型（RW）

激光类型读写次数CDDVDBDROMCD-ROMDVD-ROMBD-ROMRCD-RDVD-R、DVD+RBD-RRWCD-RWDVD-RW、DVD+RWBD-RW多种类型的光盘2、光盘存储器光盘驱动器分类按位置：内置驱动器和外接驱动器。按读写能力：只读光驱和光盘刻录机；按可处理的光盘片类型：CD类、DVD类、BD类和组合式的。光盘驱动器的接口：内置用SATA接口。外接驱动器使用USB接口多种类型的光盘驱动器

光盘片类型读写能力CDDVDBD只读光驱CD只读光驱

DVD只读光驱蓝光只读光驱光盘刻录机CD刻录机DVD刻录机蓝光刻录机3、便携式存储器移动存储器：移动硬盘、U盘和各种存储卡（1）移动硬盘硬盘为存储介质，可以随时拔插、小巧而便于携带的存储器。移动硬盘接口：有线接口：采用USB、Type-C等接口无线接口：使用WIFI连接方式

3、便携式存储器移动存储器：移动硬盘、U盘和各种存储卡（2）U盘是一种使用USB接口连接计算机、并使用闪存来存储数据的小型便携存储设备。特点：即插即用、体积小、重量轻、存储容量大、抗震能力强、速度较快3、便携式存储器移动存储器：移动硬盘、U盘和各种存储卡（3）存储卡用于手机、数码相机、便携式电脑、MP3和其他数码产品上的独立存储介质，一般是卡片的形态。特点：体积小巧、携带方便、使用简单，良好的兼容性，能使用于多种类型的数码产品。种类：SD卡、TF卡、CF卡、NM卡、XQD卡等读卡器：将存储卡作为移动存储设备进行读写的接口设备。2.4.1基于总线的互连结构总线是连接多个功能部件的共享的信息传输介质，提供了部件之间规范化的交换数据的方式。2.4CPU、主存与外设的互连系统总线：在PC机中，把连接CPU、存储器和I/O模块之间的总线处理器总线存储器总线I/O总线总线之间通过I/O桥连接2.4.1基于总线的互连结构主板：PC机中的矩形印刷电路板，电路板表面分布有电阻、电容、总线、芯片组、各种插座、插槽和接口。PC机的各种部件通过主板提供的插槽、插座、接口和总线相连CPU芯片：通过CPU插座连接到处理器总线上内存条：通过内存条插槽连到存储器总线上。输入输出设备控制器：有的集成在主板上，有的以插卡形式接插在I/O总线插槽上。I/O设备接口：SATA接口、USB接口、PS/2接口、网络接口等2.4.2总线标准目前，微机中常用的I/O总线标准有PCI总线、AGP总线、PCI-Express总线等PCIExpress，简称PCI-E，PC机中一种全新的I/O总线标准，全面取代PCI总线和AGP总线，实现I/O总线标准的统一。PCI-E总线的特点：采用点对点串行连接；多种规格：PCI-Ex1、PCI-Ex4、PCI-Ex8、PCI-Ex16；数据传输速率高：每个设备都有自己的专用连接；较短的PCI-E卡可以插在较长的PCI-E插槽中使用。2.4.3I/O控制器I/O控制器（适配卡）：CPU和I/O设备之间的接口，它接收从CPU发出的命令，并控制I/O设备工作。实现CPU与I/O控制器之间、I/O控制器与设备之间的数据交换。独立显卡的连接示意图：有2个接口，一头插在PCI-Ex16总线插槽中，另一头有插座，通过电缆连接显示器，2.4.4I/O设备接口I/O设备接口：用于连接I/O设备的连接器插座以及相应的通信规程及电气特性。常用I/O设备接口：PS/2接口、USB接口、DVI接口、HDMI接口、VGA接口、网线接口等。1、PS/2接口PS/2接口：早期用来连接键盘和鼠标，紫色的用于连接键盘，绿色的用于连接鼠标。2、视频输出接口显示器的接口：VGA、DVI、HDMI和DP（DisplayPort）等；VGA：采用模拟信号传输。DVI：DVI-A、DVI-D和DVI-I三种不同类型的接口，基本都是DVI-D。HDMI：全数字化视频和音频发送接口，支持电视与计算机视频格式。DP：高清数字显示接口，同时传送数字化音频和视频信号VGADVIHDMIDP3、USB接口USB：通用串行总线，是一个外部总线标准，规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口的特点：即插即用、热插拔。USB接口可以为连接的设备提供电源：+5V，100mA～500mA。借助USB集线器，一个USB接口理论上可以连接127个设备。USB接口类型：Type-A、Type-B、Micro-B、Type-C等。USB标识的符号USB3.0TypeC4、网络接口RJ45RJ45网络接口：用于将计算机网卡与局域网或通过ADSL调制解调器与互联网相连的接口。RJ45型网线插头又名水晶头。5、音频接口计算机有很多种音频接口；机箱背后粉色、绿色、蓝色插孔，是音频输入输出接口。红色的插孔：用于连接麦克风；绿色的插孔：立体声音频输出，用于连接耳机或音箱；蓝色的插孔：音频输入2.5.1常用的输入设备输入设备分两类：媒体输入设备和交互输入设备。媒体输入设备：成批输入方式，输入过程不需要用户干预。例如，扫描仪属于媒体输入设备。交互输入设备：由用户通过操作直接输入信息。例如，键盘、鼠标、触摸屏2.5常用的输入/输出设备1、键盘键盘是最常用的输入设备，通过键盘可以将英文字母、汉字、数字、标点符号等输入到计算机中，从而向计算机发出命令、输入数据等。键盘形式具有多样化，常用键盘示意图1、键盘按键名称主要功能EscEscape的缩写，退出键。用于强行中止或退出。Tab跳格键。通常在文字处理软件里（如Word）起到等距离移动的作用。CapsLockCapitalLock的缩写，字母大写锁定键。用于输入较多的大写英文字符。Shift转换键。用于转换字母大小写或上档转换，还可以配合其他键共同起作用。CtrlControl的缩写，控制键。需要与其他键或鼠标配合使用。AltAlternative的缩写，可选键。需要与其他键配合使用。Windows徽标键。Windows标志的按键，需要与其他键配合使用。Enter回车键/确认键。在文字处理软件中是换行的作用，或者表示对输入内容的确认。F1～F12功能键。它们的功能与软件有关，也可能配合其他键使用。PrtScrPrintScreen的缩写，捕捉屏幕的键。按键后，当前屏幕的显示内容就保存在剪贴板中。Insert插入键。在文档中，有两种输入方式：插入式输入和改写式输入，Insert键用于切换这两种输入方式。Delete删除键。用于删除选定的文件或内容。不同于Backspace，它是向后删除。Backspace退格键。删除当前光标位置前的字符，并将光标向前移动一个位置。Space空格键。输入一个空格，光标向后移动一个字符。2、鼠标器鼠标器：是一种手持式的定位设备，能方便地控制屏幕上的光标移动到指定的位置，并通过按键完成各种操作。鼠标价格低，操作简单，成为计算机常规的输入设备。鼠标器分类：机械鼠标器、光电鼠标器。

机械式鼠标：精度不高，机械结构容易磨损，目前几乎不使用。

光电鼠标：具有高精度、高可靠性、使用寿命长等优点。工作原理：当移动鼠标时，借助机电或光学原理，鼠标移动的距离和方向（X方向或Y方向的距离）将分别变换成脉冲信号输入计算机，鼠标驱动程序把接收到的脉冲信号再转换成鼠标在水平方向和垂直方向的位移量，从而控制屏幕上鼠标箭头的运动。接口：有线接口为USB接口，无线鼠标主要通过蓝牙与计算机相连接3、触摸屏触摸屏：一种绝对定位设备，用户可以直接用手触碰屏幕上的定位点，就可向计算机输入坐标信息，使用的是定位点的绝对坐标。触摸屏原理：在显示器上覆盖了一层透明的触摸面板，其对压力有高敏感度，当触头施压于其上时会产生电流信号，以确定出压力源位置，并可对其动态追踪。

触摸屏可看成是输入输出设备的统一。触摸屏特点：具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流。触摸屏的应用：

公共信息的查询，如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询，城市街头的信息查询。应用于企业办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学等，

在平板电脑、智能手机等数码产品中也普及使用触摸屏。4、扫描仪扫描仪：是利用光电技术和数字处理技术，以扫描方式捕获照片、文本页面、图纸、胶片、美术图画等的影像，再将影像转换为计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字格式，是功能很强的一种输入设备

配合光学字符识别软件能将扫描的文稿转换成计算机的文本形式。工作原理：扫描仪工作时发出的强光照射在稿件上，没有被吸收的光线将被反射到光学感应器上。光学感应器将检测到的光信号转换成电信号，电信号通过模拟/数字（A/D