第3章 计算机硬件系统.ppt

1、第三章计算机硬件系统，计算机科学导论，学习目标，了解计算机硬件系统的组成，了解中央处理器的概念、原理、组成和发展，描述存储系统的原理、组成和发展趋势，了解总线的概念和原理，了解输入输出设备的分类、原理和发展趋势，了解计算机硬件的性能指标，比较硬件，1、2、3，学习内容，计算机硬件系统组成，计算机处理器的基本原理，计算机存储设备， 计算机输入/输出设备，计算机总线和接口，4，5，学习重点，熟悉冯诺依曼机器原理和体系结构，掌握现代计算机处理器体系结构，第1节计算硬件系统的组成，1计算机硬件系统的组成，冯诺依曼原理的基本思想：以二进制形式表示数据和指令。 指令由操作码和地址码组成。“存储程序”和“程

2、序控制”(简称“存储程序控制”)指令的执行是顺序的，也就是说，它们通常按照指令存储在存储器中的顺序执行，并且程序分支由分支指令实现。计算机由五个基本部件组成：存储器、运算单元、控制器、输入设备和输出设备。1计算机硬件系统的组成：1 .内存：内存是用来存储数据和程序的组件。2.算术单元：对信息进行算术处理的部件。主要功能是对二进制数执行算术(加法、减法、乘法和除法)和逻辑(与非)运算。3.控制器：整个计算机的控制核心。主要功能是读取和翻译指令，并向计算机的各个部分发送控制信号以执行指令。4.输入设备：将数据和程序转换成计算机可以识别和接受的信息，然后依次将它们发送到内存中。输入设备有很多种，如键

3、盘、鼠标、扫描仪、光电输入机等。5.输出设备：输出设备以人或其他机器可接受的形式发出计算机处理的结果。有许多种输出设备，如监视器、打印机、绘图仪等。1计算机硬件系统的组成，1计算机硬件系统的组成，总线：它是计算机中传输信息的公共通道，也是一组连接服务于多个组件的信息传输线路。总线的分类：(1)根据传输信息的属性：数据总线在组件之间传输数据信息；地址总线传输每个组件访问的地址信息；控制总线传输控制每个部件操作的控制信息；(2)根据信息传递的方向；(3)根据连接的对象和完成的功能，输入输出总线用于外设和主机之间的信息交换。内存总线用于在中央处理器和主存储器之间交换信息。在第二节中，中央处理器，也叫

4、中央处理器，是计算机的核心部件。从体系结构的角度来看，中央处理器包括运算单元和控制器，以及保证其高速运行所需的寄存器。2中央处理器，计算器：计算器是机器的处理部分，是中央处理器的重要组成部分。这种联系影响信息传输和处理的速度。中央处理器、运算单元和计算机其他部分之间的关系：带控制器的运算单元接收控制器发送的各种运算控制命令，执行运算，运算过程中产生的各种信息，包括运算结果特征标记和状态信息，反馈到控制器和存储器之间的关系存储器，参与运算的数据可以传输到运算单元；运算单元还可以将运算结果传送给存储器，同时运算单元提供存储器的地址。中央处理器和算术单元的功能和组成：算术单元的功能算术单元的主要功能

5、是实现对数据的算术和逻辑运算。它主要包括对数字数据的算术运算，如加、减、乘和除运算，以及改变数据符号。它还包括对各种数据的逻辑运算，如“与”、“或”和“反”。算术单元的基本结构应包括以下几个部分：(1)算术逻辑单元；可实现算术和逻辑运算功能；(2)用于存储待处理信息或处理结果信息的通用寄存器组；(3)控制数据输入部分：多路开关或数据锁存器(4)控制数据输出部分：输出移位和多路开关；(5)计算机与其他部件之间信息传输的总线，以及总线接收器和发送器；总线接收器和发送器通常由三态门组成。2个中央处理器、总线、发送器、输出移位开关、接收器、ALU、多路开关、算术单元的工作原理：算术单元法的基本思想是将

6、各种复杂的算术处理分解为四个运算和基本逻辑运算，而这四个运算的核心是加法运算。补码运算可以归结为加法，乘和除可以通过加减和移位的有机结合来实现，浮点运算可以通过顺序码和尾数的算术结合来实现。算术单元的工作步骤算术单元的工作应包括以下步骤：(1)首先，要弄清参与运算的数据源和运算结果的去向。可由操作员直接操作的数据通常来自操作员本身的寄存器；(2)其次，有必要阐明要执行的算术功能，对数字数据执行哪种算术运算，执行哪种算术运算，或者对逻辑数据执行哪种逻辑运算。另一个问题是操作者完成的数据操作过程是由多个时间段组成的，时序关系如下图所示；(3)最后，只有当算术单元与计算机的其他部分连接时，指令的执行

7、过程才能协同完成，也就是说，算术单元需要有一种方法来接收其他部分(如计算机的内存或输入设备)发送的数据，从而可以连续获得参与运算的数据源；算术单元还需要有一种方式将它的算术结果发送到其他组件(如内存或计算机输出设备)，以显示它的算术处理效率和使用价值。2中央处理器，运算单元的工作原理和时序图，2中央处理器，控制器：控制器的重要组成部分控制器是整个系统的指挥中心。在控制器的控制下，运算单元、存储器和输入输出设备构成了一个有机的整体。2.中央处理器，控制器的功能：控制器的基本功能是读出、识别和解释指令，并命令和协调所有功能部件执行指令。控制器的具体功能控制器的具体功能应包括以下几个部分：(1)控制

8、器的主要任务是确保机器按一定的顺序执行程序；(2)操作和控制一条指令的功能通常是通过几个操作信号的组合来实现的；(3)时间控制对各种操作实施时间控制称为时间控制。各种指令的操作信号严格受时间控制；指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。(4)数据处理，(2)中央处理器，控制器的结构组成：控制器逻辑结构的三种组织方法(1)传统的组合逻辑方法(或随机逻辑方法)是离散组件时代的产物；该方法根据逻辑代数的运算规则和最小化组合电路的原理，由逻辑门电路实现；不规则，可靠性低，成本高。(2)可编程逻辑阵列方法与前者基本相同，但过程不同；它是由大规模集成电路实现的。(3)微程序控制逻辑方法将编程思想引入控制器

9、的控制逻辑中；各种操作控制信号以编码信息字的形式存储在控制存储器(cm)中；机器指令对应微程序，执行机器指令的过程就是执行微程序的过程。中央处理器和控制器的组成：(1)指令部件程序计数器、指令寄存器、指令解码器、程序状态寄存器和地址形成部件等。(2)定时部件定时部件是用于产生每个部件所需的定时控制信号的部件。通常，定时信号由三级定时信号组成，即工作周期、工作节拍和工作时标脉冲。(3)微操作控制电路微操作是指计算机中最基本的操作；微操作控制逻辑用于产生机器所需的所有微操作信号。微操作控制逻辑的功能是将操作码解码器输出的控制电位、定时信号和各种控制条件组合起来，在一定的时间序列内产生并发出一系列微

10、操作控制信号，完成指令指定的所有操作。(4)中断控制逻辑中断控制逻辑用于控制中断处理的硬件逻辑。2中央处理器和控制器的基本结构图2中央处理器、摩尔定律和处理器发展摩尔定律源于戈登摩尔1965年关于计算机存储器发展趋势的报告。摩尔定律包括以下几点：(1)芯片技术的发展具有周期性，每个周期为18-24个月；(2)集成电路芯片上的集成电路数量每隔一个周期翻一番；(3)处理器的性能每隔一个周期翻一番，价格也同比翻一番。2中央处理器、戈登摩尔、第3节内存、第3节内存和内存是计算机系统中用来存储程序和数据的存储设备，是冯诺依曼结构计算机的重要组成部分。计算机中的所有信息，包括输入数据、运行程序、中间结果和

11、操作的最终结果，都存储在存储器中。记忆的特点：(1)记忆是计算机信息存储的核心。程序存储功能由存储器承担；(2)内存是中央处理器与外界交换数据的窗口，中央处理器执行的程序和涉及的数据直接由内存提供。中央处理器可以直接操作和写入内存；(3)外部存储器可以存储大量的程序和数据。3内存，主要内容：计算机的多级存储系统主内存缓存辅助内存，3内存，多级存储系统：统一的存储系统是由多种存储介质组成的，这些存储介质具有不同的生产和运行成本，不同的存储容量和不同的读写速度，称为多级存储系统。多级存储系统是解决内存性能和需求之间矛盾的最理想的技术途径。3.存储器，多级存储系统的特点：(1)在存储器体系结构中，各

12、层之间的信息调度直接由辅助硬件或软件完成；(2)存储架构能够充分发挥整个存储系统的最大效率，具有最佳的性能价格比；(3)工作原理：中央处理器首先访问缓存，如果不在缓存中，存储系统通过辅助硬件查找主存；如果主存储器中没有可由中央处理器访问的内容，存储系统将通过辅助硬件或软件在辅助存储器中寻找它。然后，逐步升级找到的数据。3内存，内存多级存储系统的层次结构图，3内存，多级存储系统的优点：(1)可以合理地解决速度和成本之间的矛盾，获得较高的性能价格比；(2)使用磁盘、磁带等。作为外部存储器，不仅价格便宜，而且存储容量可以做得很大，断电时存储在其中的信息不会丢失，可以长时间存储，复制和携带非常方便。内

13、存，主内存：主内存是指计算机中存储运行程序和数据的部分(或部分)，它通过地址、数据和控制总线与其它部分如中央处理器相连。3存储器，主存储器包括：(1)存储体程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令解码器(ID)、程序状态寄存器(ID) (2)信息寻址机制是读写信息的地址选择机制。包括地址寄存器和地址解码器。(3)写入信息所需的能量，即写入电路和写入驱动器；(4)读取和读出放大器所需的能量，即读取电路、读取驱动器和读出放大器；(5)存储器控制单元需要一系列明确定义的连续操作步骤，这就需要主存储器定时电路、时钟脉冲电路、读逻辑控制电路、写或重写逻辑控制电路以及动态存储器的定时刷新电路等3个存储

14、器，主存储器原理框图，3个存储器，主存储器的两种主要形式：(1)随机存取存储器(ram) (2)只读存储器(ROM)，3个存储器，(1)随机存取存储器(RAM)，它利用双稳态触发器的开关特性，只要电源保持不变，就能始终保持两种稳定状态。随机存取存储器可以随机存取存储器中的任何单元，而不管存取时间和单元的物理位置。3内存，典型内存结构图，3内存，(1)随机存取内存，半导体内存组件可分为静态(静态)内存和动态(动态)内存。静态随机存取存储器利用双稳态触发器的开关特性，只要保持供电，就能始终保持两种稳定状态之一。动态随机存取存储器依靠金属氧化物半导体电路中的栅电容来存储信息。因为电容器的电荷会泄漏，

15、除了维持电源之外，还必须设置一个刷新电路，以定期对其进行动态刷新，否则信息将会丢失。静态随机存取存储器读写速度快，成本高。与静态随机存取存储器相比，动态随机存取存储器具有更高的集成度和更低的功耗，因此成本更低，适用于大容量存储器。因此，主存储器通常使用动态随机存取存储器，而高速缓存使用静态随机存取存储器。3存储器，典型的存储器形式，3存储器，(2)只读存储器(简称只读存储器)，是一种在机器运行过程中只能读而不能写信息的存储器，由非易失性器件制成，其存储的信息可以在没有电源的情况下长时间存储。它存储的信息是以一种特殊的方式书写的。它主要用于一些经常在内存中使用的固定信息。内存和只读存储器的主要功能和分类：主要用于内存经常使用的一些固定信息。只读存储器主要用于计算机中保存一些工厂固定设置和系统硬件引导程序，通常称为基本输入输出系统。只读存储器技术也用于一些固件产品。根据物理特性，只读存储器可分为以下几类：MROM采用两次光刻掩模工艺制成，可编程只读存储器内容不变的器件可根据需要写入数据，一旦写入数据，就固定不变。EPROM是一种可重写的只读存储器，它可以多次重写其内容，因此被称为可擦除可编程只读存储器，3存储器，一个典型的只读存储器结构图，3存储器，主存储器组织：存储芯片的容量是有限的，在字数或字长方面远远不能满足实际存储器的要求，因此有必要在字方向和位方向进行扩展，以满足实际