第1章 计算机组成原理-1.ppt

1、1.4 计算机的工作原理1.5 微型计算机系统,第2章 主要内容,一、 计算机的逻辑组成和分类 二、 CPU的结构和原理 三、 PC机的主机 四、 常用输入设备 五、 常用输出设备 六、 外存储器,一、 计算机的组成与分类,计算机的逻辑组成,计算机系统包括两大部分： 硬件：计算机系统中所有实际物理装置的总称。 软件：在计算机中 运行的程序：用来指出计算机硬件如何一步步地进行规定的操作。 处理的数据：程序处理的对象。 相关的文档：软件设计报告、操作使用说明和相关技术资料等。,计算机系统,外设,主机,计算机硬件的逻辑组成,中央处理器,外存储器,内存储器,输出设备,输入设备,1、输入设备（Input

2、 device）,输入：把信息（程序，数据，信息）送入计算机的过程。 输入设备的作用 用来向计算机输入信息的设备。输入到计算机中的信息都使用二进制中的“0”和“1”两个符号来表示。,输入设备类别,按照输入信息的类型划分 数字和文字输入设备（键盘、写字板等） 位置和命令输入设备（鼠标器、触摸屏等） 图形输入设备（扫描仪，数码相机等） 声音输入设备（话筒，MIDI演奏器） 视频输入设备（摄像机） 温度、压力输入设备(温度、压力传感器）,2、中央处理器,处理器： 负责对输入信息进行各种处理的部件。 处理器的基本功能：能高速地进行算术运算、逻辑运算和数据传送等操作。 微处理器： 将处理器的所有组成部分

3、都制作在一块半导体芯片上的处理器。,中央处理器（简称CPU） 包含运算器和控制器。承担系统软件和应用软件的运行任务，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。 并行处理和多处理器系统 使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。,3、内存储器和外存储器,存储器：存储程序和数据（包括原始数据、中间运算结果与最终结果等）的部件。 存储器分为 内存储器（简称内存或主存） 外存储器（简称外存或辅存）,内存储器,存取速度快、容量相对小，价格相对高 直接与CPU相连接（CPU可直接访问） 易失性。临时存放CPU正在运行的程序、正被处理

4、的数据以及产生的结果数据。 存储介质：半导体芯片,外存储器,存取速度慢、容量相对大，价格相对低， 不直接与CPU相连接 非易失性。可以长期存放各类信息 存储介质：磁盘、光盘、磁带等,4、输出设备( Output device ),输出： 把信息送出计算机的过程，或指计算机所产生的结果。 输出形式：文本、语音、音乐、图像、动画等。 输出设备 完成信息输出的设备。即把计算机存储器中用“0”和“1”表示并存储的信息转换成人可直接识别的信息形式的设备。例如： 输出文字和图形：显示器，打印机，绘图仪 输出声音：音箱,输入设备和输出设备通称I/O设备。 I/O设备是 计算机与外界(人、环境或其它设备)联系

5、和沟通的桥梁， 用户或外部世界通过I/O设备与计算机系统互相通信。,5、总线与I/O接口,总线（bus） 在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一种部件，包括传输线和控制电路。 有些计算机 系统总线(或CPU总线)连接CPU和内存； I/O总线连接内存和I/O设备(包括外存)。,I/O设备与总线的连接 为了方便地更换与扩充I/O设备，一般I/O设备都 通过I/O接口与各自的控制器连接， 然后又控制器与I/O总线相连,常用I/O接口,并行口、串行口、视频口、USB口等，它们的外形、结构和信号交换规程各不相同。,小结,关于计算机的逻辑结构及主要部件的功能： 掌握计算机系

6、统的组成； 掌握计算机硬件的逻辑结构及主要部件的功能。,随堂练习1,【填空题】从逻辑上讲，计算机硬件主要由CPU、内存、外存、输入设备和输出设备组成，它们通过 互相连接。,系统总线,随堂练习2,【单选题】计算机的存储器分为内存储器和外存储器两大类，这两类存储器的本质区别在于 。 内存储器在机箱内部而外存储器在机箱外部 内存储器存取速度快而外存储器存取速度慢 内存储器存储容量小而外存储器存储容量大 内存储器能被CPU直接访问而外存储器不能被CPU直接访问。,D,随堂练习3,以下设备中，属于输入设备的有 。属于输出设备的有 。 A. 键盘 B. 鼠标 C. 显示器 D. 扫描仪 E. 打印机 F.

7、 硬盘 G. 数码相机 H. 绘图仪 I. 音像 J. 麦克风,ABDFGJ,CEFH I,计算机的分类,1、计算机的主要特点 在程序控制下自动运行 运算速度快 具有记忆功能和逻辑判断能力 精确度高,2、计算机的分类,（1）按处理方式分 模拟计算机数值有连续两来表示，运算过程也是连续的。 数字计算机数据表示和运算过程都是数字化的 （2）按功能分类 专用计算机 通用计算机,（3）按规模分类 超级计算机或称巨型机 大型主机 小型机 工作站 个人计算机或称微型机（Personal Computer,PC） 注意： 规模的大小主要表现在处理、存储、吞吐等能力上。 由于各类计算机都在不断发展，不同时代的

8、机器不能相比。,（4）按工作模式分 服务器高性能、大存储容量的计算机，网络用户可共享其硬件和软件资源。 工作站高性能、大存储容量的高档微机 台式机 便携式电脑,（补充）按内部逻辑结构分类 单处理机、多处理机(并行机) 注意：双核处理器指一个处理器内部包括两套用于运算、控制的核心部件，可以并行执行指令。 （补充）按字长分类 8位机、16位机、32位机、64位机 字长越长，处理能力越强 目前的通用计算机大多为32位，64位机也已出现并进入实用。8位机主要用于工业控制。,3、微处理器,微处理器（简称P或MP）， 使用单片大规模集成电路制成的，具有运算和控制功能的处理器。 是各类型计算机的核心组成部分

9、 目前各类计算机的中央处理器几乎都采用微处理器，但性能和数量有所不同。 例如，Intel公司的Pentium CPU。,4、嵌入式计算机,嵌入式计算机（单片机）： 把运算器、控制器、存储器、IO控制与接口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电路。 工作原理与通用计算机很相似，软件固化在芯片上，功能和用途较为固定； 内嵌在其它设备中，执行特定的任务，用户并不直接与其接触； 嵌入式计算机的应用非常普遍。,二、CPU的结构与原理,主要内容,CPU的内部结构与工作原理 指令、指令系统及指令的执行过程 CPU的性能指标,1 、CPU的结构,冯.诺依曼计算机的基本工作原理： “存储程序控制” 存储程序：

10、将可以由计算机执行的一个程序预先存储在计算机的存储器中。 程序控制： 由当前所执行的指令来决定计算机的各硬件部件如何动作，以完成特定的信息处理任务。,计算机的基本工作原理,指令: 可以被计算机理解并执行的基本操作命令。 程序: 一个可执行的指令序列。 指令与数据的形式：二进制编码。,指令和程序,程序在计算机中的执行过程,外存储器,指令1 指令2 指令k 指令n,数据1 数据2 数据m,内存储器,程序,数据,1.任务启动时，执行该任务的程序和数据将从外存成批传送到内存,3.逐条执行指令，按指令要求完成对数据的运算和处理,CPU,2.CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据,4.将指令的运算

11、处理结果送回内存保存,5.任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存,CPU的任务,CPU的主要任务是执行指令， 按照指令的要求完成对数据的运算和处理。,CPU的主要内部部件,运算器： 执行单元。对数据进行各种算术运算和逻辑运算。 控制器： 取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其它部件的操作控制信号，记录内部状态。 寄存器组： 临时存放参加运算的数据和得到的中间结果。,CPU内部寄存器的作用举例,将寄存器F的内容（这里为5）加至ALU的一个输入端 将寄存器D的内容（这里为3）加至ALU的另一个输入端 ALU执行加法，输出结果（这里为8） 结果被送回到另一个寄存器B暂存 注意

12、，寄存器在CPU的内部，数量不多，但是存取速度极高,CPU的组成及其与内存的关系,寄存器组,运算器,指 令,数 据,中央处理器,操作命令,内 存 储 器,指令地址,指令计数器,指令寄存器,控制器,2 、 指令与指令系统,指令的定义 ( 机器指令） 使用二进制编码表示的操作命令（称为计算机的“机器语言”）。 用机器指令编写的程序中的每一条指令都可以直接被控制器译码产生执行指令所需的控制信号。 每一种类型的CPU都有它自己独特的一组指令,指令,大多数情况下，指令由两个部分组成： 操作码 表示计算机应执行的操作二进制代码。 操作数 表示该指令所处理的数据或数据所在存储器的位置代码（寄存器代码或内存储

13、器单元地址）,指令的格式,计算机工作时，周而复始执行如下过程： 取指令：CPU依次从存储器中取出一个程序中的各条指令； 指令译码：对指令的功能进行分析； 取数：按指令的功能从内存取出数据； 运算：对数据进行运算处理； 存数：保存运算结果； 为取下条指令做好准备。 直到取到并执行了停机指令为止。至此完成程序的一次运行。,指令执行过程,指令的种类,根据指令功能 数据传送指令 算术运算指令 逻辑运算指令 移位指令 位（位串）操作指令 输入/输出指令 转移指令 等,指令系统定义 一个CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统或指令组。 指令系统中有数以百计的不同的指令。 机器语言程序 用指令系统中

14、的指令编写的可执行程序。,指令系统,指令系统的兼容,“兼容”：不同厂家、不同型号的计算机使用了相同的指令系统。 每种类型的CPU都有自己的指令系统，某一类计算机的可执行程序代码未必能在其他计算机上运行，这个问题称之为计算机的“兼容性”问题。 例如: Intel公司Pentium微处理器兼容AMD等公司微处理器(后者的内部设计与Pentium相同，指令系统完全一致） Motorola公司的PowerPC微处理器（美国苹果公司生产的Macintosh中用作CPU）不兼容Intel公司Pentium处理器。,指令系统的向下（前）兼容,同一公司的微处理器产品，新型号通常“向下（前）兼容”旧型号。新型号

15、的处理器的指令系统在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。 例如： Intel公司的微处理器产品的发展过程为： 8088（8086）802868038680486Pentium Pentium MMXPentiumII PentiumIII Pentium4 每种新型号的处理器通常在老型号处理器基础上逐步扩充处理器指令系统，使新的处理器仍可以继续正确执行 老处理器中的所有指令。,3、 CPU的性能指标,计算机的性能在很大程度上是有CPU决定的。 CPU的性能主要表现在程序执行速度的快慢。,影响CPU速度的的因素,字长（位数） CPU中定点运算器的宽度，它决定了： 一次能同时进行二进制整数运算的位

16、数 CPU可访问的存储器最大空间 通常是2的整数次幂。 目前个人计算机使用的CPU都是32位，新一代的PC机将是64位。,CPU主频：CPU的内部频率(MHz） 决定了CPU内部数据传输和指令执行的每一步所占用的时间。 主频越高， 执行一条指令的时间就越少，CPU的处理速度就越快。 注意： 主频2G的CPU速度主频1G的CPU速度的2倍 Intel的2G主频CPU的速度AMD的2G主频CPU的速度,CPU总线频率，也称CPU外部频率 决定了CPU和外部部件交换数据的工作频率， 总线频率越高，CPU的处理速度就越快。 高速缓存(Cache)的容量与结构 决定了CPU访问cache时的命中率， C

17、ache容量越大，越有利于CPU发挥工作效率，表现为CPU的处理速度越快。 指令系统 指令的类型和数目、指令的功能等都会影响程序的执行速度。,逻辑结构 CPU包含的定点运算器和浮点运算器数目 是否具有数字信号处理功能 有无指令预测和数据预测功能 流水线结构和技术,运算速度的度量单位,度量单位：次秒 单位时间内整机完成基本运算的次数。 例如： ENIAC: 5000 次/秒（1946年） 曙光4000： 8060亿次秒 （国产机，国内最快) Earth Simulator： 350000 亿次/秒 （浮点运算） （NEC公司产品,世界最快）,常用运算速度的度量方法,单位时间内整机完成基本运算的次

18、数 MIPS百万条定点指令秒。例： P4微处理器运算速度已超过100 MIPS MFLOPS 百万条浮点指令秒 TFLOPS 万亿条浮点指令秒。例： Earth Simulator运算最高速度达到35.8 TFLOPS 用CPU的主频(Hz)作为度量单位。CPU的运算速度与其主频密切相关。,小结,关于CPU 掌握计算机的基本工作原理 掌握CPU的任务及主要组成部件的作用 熟悉影响CPU速度的主要因素 关于指令和指令系统 掌握指令的含义、格式及各部分的作用 掌握指令的执行过程 了解指令系统的含义及指令系统的兼容性,随堂练习1,判断计算机的性能与CPU的速度密切相关，因此一台使用2GHz主频CPU的PC机比另一台使用1GHz主频CPU