专转本计算机第2章_计算机组成原理

1、1、第2章计算机的构成原理，2、学习目标和要求，1 .把握计算机硬件的主要构成部分及其功能2 .记述CPU的构成和工作原理3 .熟悉PC的物理构成4 .常用输入设备的功能，构成和原理5 .常用输出设备的功能，构成和原理6 .外部存储器，3，2.1计算机的构成和分类一， 计算机的诞生与发展一，第一台计算机的诞生，四ENIAC :电子数字积分机和计算机(electronicnumericalintegratorandcomputer )时间： 1946年2月的地点：美国宾夕法尼亚大学用途：军事计算逻辑秒体积价格： 170平方米、30吨、140千瓦、40万美元，1943年由John Brainere

2、d领导ENIAC开始研究。 图为John Mauchly和J. Presper Eckert担任这项计划的执行者5、为计算机的诞生和发展作出了巨大贡献： (1)艾伦图灵的思想为现代计算机科学奠定了理论基础。 (2)电话诺伊曼(John Von Neumman )建立了现代计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备等构成的体系结构。 6、艾伦图灵英国数学家、哲学家、密码解读者在30年代初发表了着名论文论数字计算在决断难题中的应用。 他提出了一种虽然非常简单，但是计算能力非常强的理想的计算装置，用它计算了所有可以想象的可计算函数。 图灵机机器人理论ACM (美国计算机学会)图灵奖，7，

3、7， 1945年Von Neuuman、H.H.Goldstin、A.W.Burks发表了论文电子计算机装置逻辑结构初探，两个主要论点： *是使用二进制*记忆程序和程序控制的冯诺伊曼教授(John Von Neumman ) 和他设计的“存储过程式”计算机EDVAC (爱德华)，8，2，计算机的发展阶段，以计算机使用的基本电子部件为区分依据，计算机的发展经历了四个阶段。 基本电子部件的发展：集成电路(IC )、电子管、晶体管、中小规模集成电路芯片、大规模超大规模集成电路芯片、9、10、3、计算机信息处理的特征运算速度快：用MIS (每秒百万条指令)进行测量， 巨型机器的计算精度高，计算机能计算

4、到小数点后2亿位，记忆能力强：存储数据，程序逻辑判断能力：解决数值和非数值(信息检索，图像识别等)问题的可靠性高。 通用性高：应用领域广泛、高性能的实时通信和交换能力：网络信息表现方式直观、使用方便，11 4、计算机应用领域科学计算信息处理自动控制支持系统： CAD (计算机辅助设计)、CAM (计算机辅助制造)、CAI (计算机辅助教育)、CAT (计算机辅助测试)网络通信， 电子商务，多媒体人工智能，12，5，计算机发展趋势巨大的网络化智能多媒体化，13，2，计算机组成计算机系统由硬件和软件两部分组成。 硬件是计算机系统中的所有物理设备的总称. 软件是在计算机上运行的各种程序和相关的数据和

5、文档。 14、构成计算机硬件冯诺伊曼型计算机的五个构成要素，其基本原理是存储程序控制，还是存储程序、程序控制。 15、现在使用的计算机是根据冯诺伊曼提出的“存储过程控制”原理运行的。 另外，CPU和主存储器与总线一起构成主机外存储器和输入/输出设备，并且包括外围设备、17、计算机逻辑结构、18，1、中央处理器(CPU ) (CPU )、运算器和控制器。 负责系统软件和应用软件的执行任务的处理是任何计算机都不可或缺的核心组件.(一台计算机有多个处理器，分别具有不同的任务)，19，处理器可高速进行算术运算和逻辑运算，对输入信息进行各种处理的微处理器通常简称为P或MP，控制器、运算器、寄存器例如奔腾

6、处理器、20、并行处理和多处理器系统将使用多个cpu(2、4、8以上)实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用该技术的计算机系统称为“多处理器系统”。 多处理器系统一般用在服务器上。 存储器存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果、最终结果)。 分为内存储器、外存储器两种。 2、存储器、22、内部存储器(简称为存储器或主存储器)在逻辑上直接连接到CPU (CPU可直接访问)的访问速度快、容量相对小、价格相对高的易失性，CPU执行的程序， 用于暂时存储处理中的数据和结果数据的存储介质：大规模、超大规模集成电路芯片、23外部存储器(只是外部存储器或辅助存储器)没有直接连接到CPU (CPU无法

7、直接访问的、存储在其中的程序和相关数据， CPU使用前必须发送到存储器)存取速度慢，容量相对大，价格相对低的非易失性，各种信息存储介质：磁盘、光盘、USB盘、移动硬盘、磁带等24， 3、输入机器输入：将信息(原始数据或程序)转换成计算机能识别的形式并发送到计算机存储器的过程中，输入到计算机的信息都转换成二进制“0”和“1”两个符号来表示输入机器：向计算机输入信息根据输入信息的种类，数字和文字输入设备(键盘、平板电脑等)的位置、命令输入设备(鼠标、触摸面板等)的图形图像输入设备(扫描仪、数码相机等)声音输入设备(麦克风、MIDI演奏器等) 压力输入设备(温度、压力传感器)、26， 4、输出设备输

8、出：向计算机传输信息的过程，计算机输出是文本、声音、音乐、图像、动画等各种形式的输出设备，是完成信息输出的设备。 即在计算机内的存储器中变换成能直接识别以“0”和“1”表示存储的信息的信息形式的设备输出设备种类输出文字和图像的设备：显示打印机绘图仪输出声音的设备：扬声器、27 5 .系统总线、系统总线为CPU、存储器总线在一些计算机中，将连接CPU和存储器的总线称为系统总线，将连接存储器和I/O设备(包括外部存储器)的总线称为I/O总线。 系统总线中有数据信号、地址信号、控制信号三种信号，有数据线、地址线、控制线、28、6、I/O端口(I/O端口)，计算机系统的I/O设备通过I/O端口各自控制

9、常用的I/O端口有并行端口、串行端口、视频端口、USB端口等，其外形、结构和信号交换规程各不相同。29、2、按计算机的分类按内部逻辑构成将单处理器、多处理器(并行机)按字长分别设为16位机、32位机、64位机等计算机的性能、用途， 按价格分为超级计算机大型计算机小型计算机(personal computer ) 30，第一个代表型号： 1977年： apple Macintosh (使用apple制造，Motorola制造的微处理器) 1981年： I 使用Intel公司制造的8086微处理器)、31，1、电脑(也称为电脑、PC、微机)类别、台式机：一般用于办公室和家庭。 便携机：用于移动计算

10、。笔记本电脑(笔记本电脑):体积小、重量轻、移动方便、性能与台式机相似，但价格却高出约一倍。 手持式计算机(手持式):包括商务通信、即时翻译等产品，它们不一定与电脑兼容。 一部分只有专用功能，没有通用性。 32、工作站(称为特殊的电脑，工程工作站Workstation )具有高速的运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX操作系统，特别适合工程和产品设计SUN、惠普、IBM等公司都有这样的产品。 工作站、33、2、服务器/客户端在此系统中，巨型机、大型机和小型计算机作为系统的服务器，电脑和工作站作为客户端。 客户机直接面向用户，通过网络与服务器合作执行信息处理任务。 考虑到服务器/客户端系

11、统的流行，一些计算机制造商设计生产被称为“服务器”的计算机产品，其存储容量大、网络通信能力强、可靠性高、运行专用的网络操作系统。34、3、微处理器(单片机)是将处理器、存储器、输入输出接口电路等集成在单个芯片上的大规模集成电路芯片。 35，四，计算机的主要性能指标，1 .运算速度为具有并行处理能力的巨型机运算速度的测量单位：下一个/秒(1秒钟执行加法的次数)世界上第一台计算机ENIAC的运算速度5000次/秒现在计算机的速度星系iii:130亿次/秒(国产机)书2 秒(国产机)国内最快) Earth Simulator (地球模拟超级计算机):350000亿次/秒浮点运算(NEC，世界最快)，

12、36，国际TOP500组织于2010年11月14日至14日，在新华网络华盛顿网站最新的世界超级计算机“天河一号”由国防科学技术大学开发，部署在国家超级计算天津中心，实际计算速度达到每秒2570兆次。 美国橡树岭国家研究所的“美洲豹”超级计算机此前位居第一，但在新排名中下降了一位。 “美洲豹”的实测计算速度达到每秒1750兆次。 第三位是中国极光公司开发的“星云”高性能计算机，实际计算速度达到每秒1270兆次。 用于说明CPU运算速度的测量单位： (1)MIPS :百万条定点指令/秒(Million Instructions Per Second )。 例如P4微处理器的运算速度超过了100 M

13、IPS (2)MFLOPS :百万条浮点指令/秒(3)tflops :兆条浮点指令/秒(trillionfloatinginstructionspersecond )， Earth Simulator运算的最高速度达到在35.8 TFLOPS，38，2 .字长中央处理器中的运算器和寄存器的宽度，即，在运算器中运算和存储数据时的二进制比特的数目。 字长决定计算的精度。 字符长度通常是2的整数次方。 微处理器字长的发展：英特尔400433364位(1971年世界上第一个微处理器)英特尔8008，808080803368位英特尔8086:位英特尔805386，80486，奔腾： 3 硬盘容量测量单位

14、： b、KB MB、GB、TB 1 B (字节、 Byte)=8位二进制(字位bit ) (电脑托管的地址代码单位) 1kb=1024 b=210 b1mb=1024kb=220 b1gb=1024 MB=230 b1tb=1024 GB=240 b，例如，存储器2 41、运算器(执行装置)由各种算术运算和逻辑运算(ALU )控制器对数据取得命令，产生用于解释命令的意思(命令解码)以控制其他部件的操作控制信号，并记录内部状态。这是指CPU的命令中心寄存器暂时存储参加运算的数据和得到的中间结果，2、CPU的组件、42、高速缓存(省略Cache、高速缓存、高速缓存):CPU中包含高速缓存。 读写和

15、CPU差不多一样快。 工作原理：当计算机执行程序时，数据和地址管理部件预测必要的数据和指令，并将这些数据和指令预先从主设备读取到Cache中。 根据需要，首先检查Cache，从那里读取，没有的话访问主存储。 Cache内的数据只是主记忆的极小一部分内容的映射。 命中率是Cache的重要指标。 一般而言，Cache容量越大，访问Cache的命中率越高。 43、3、CPU的性能CPU的性能主要以其运算速度来表现，用于测定运算速度的传统方法是看能够每秒执行几条命令。 CPU的运算速度与CPU的时钟速度、Cache容量、指令系统、运算器的逻辑结构相关。 44，(1)CPU速度和时钟速度之间的关系，CP

16、U时钟速度(MHz) CPU的内部频率，即CPU核心操作的时钟频率。 通常，某CPU是几兆赫兹，这个几兆赫兹是“CPU的时钟速度”。 CPU的时钟速度表示在CPU内产生数字脉冲信号的速度，与CPU的实际运算能力没有直接关系。 CPU的工作频率越高，CPU的处理速度越快。 CPU速度=时钟速度ipc (每个时钟周期可执行的命令数)注意：时钟速度为2G的CPU速度时钟速度为1G的CPU速度的两倍的Intel的2G时钟速度CPU的速度AMD的2G时钟速度CPU的速度45、(2)CPU速度和Cache容量的关系、Cache容量Cache存储器的有无和容量大小是影响CPU性能的另一个重要因素。 通常，Cache容量越大，访问Cache的命中率越高，CPU的速度越快。 CPU速度和寄存器、运算器位数(字长)的关系位数越多，则运算速度越快，46、4，提高奔腾处理器的处理速度的措施是，运算器由处理整数的算术逻辑部件(ALU )和处理实数的浮点运算器构成。 处理器包括几十个数据寄存器，用于临时存储中间结果。 添加了两个高速存储：命令高速缓存(cache )和数据高速缓存(cache )，您可以使用命令预提取组件将准备要执行的命令预提取到主缓存或高速缓存中