1、第3講 計算機組成Computer Organizations1本講內容1馮諾依曼模型2計算機硬件3微型計算機程序執行其他體系結構21 馮諾依曼模型 計算機是一個接受輸入數據，處理數據，產生輸出數據的黑盒子。輸入數據輸出數據程序馮諾依曼（美籍匈牙利數學家科學家，計算機之父）提出的馮諾依曼模型著眼于計算機的內部結構。3計算機輸入數據輸出數據程序馮諾依曼模型4計算機輸入數據輸出數據程序輸入/輸出設備存儲器算術邏輯單元控制單元馮諾依曼模型5 計算機的硬件組成包括：存儲器，算術邏輯單元 (ALU)，控制單元和輸入/輸出設備。存儲器 : 存儲數據和程序算術邏輯單元(ALU) : 進行算術邏輯運算控制單元

2、 : 控制程序的執行輸入/輸出設備 : 接收來自外界數據/向外界發送數據6 1945年6月馮諾依曼在一篇論文中第一次提出了計算機三個主要思想： 計算機由四大部件組成 程序和數據存儲 程序和數據采用二進制數表示 目前絕大多數計算機仍建立在這個思想的基礎上，稱之馮諾依曼型計算機。7 硬件通常是指一切看得見，摸得到的設備實體；軟件通常是泛指各類程序和文件，它們實際上是由一些算法以及其在計算機中的表示所構成的。 + = 計算機系統硬件 軟件 2 計算機硬件8運算器控制器主存儲器輸入設備輸出設備輔助存儲器CPU控制數據地址或指令主機外設存儲器計算機硬件組成9CPU 包括三部分：算術邏輯單元 (ALU)、

3、控制單元和寄存器。 中央處理單元（CPU）控制單元寄存器程序計數器10 算術邏輯單元 (ALU) 執行算術運算和邏輯運算。 算術運算：包括 加法、減法、乘法和除法等。 邏輯運算：包括“非”、“與”、“或”和“異或”。 控制單元負責選擇這些運算中的一種。數字電路/模擬電路11寄存器是用來臨時存放數據的高速獨立的存儲單元。CPU的運算需要多個寄存器常見的寄存器寄存器數據寄存器指令寄存器程序計數器12數據寄存器：用來存放輸入數據，運算中間結果和最終結果。指令寄存器：存放從內存中取出的指令， 以便于稍后解釋和執行它們。程序計數器：存放當前指令的地址。當前指令執行完后，程序計數器自動加1，指向下一條指令

4、的地址。13 控制單元是整個計算機的指揮中心，被稱為計算機的大腦控制通過線路的開（高電平）或關（低電平）實現控制單元的基本功能：從主存中取出指令對指令譯碼，產生相應的操作控制信號指揮并控制CPU、主存和輸入/輸出設備之間的數據流動控制單元14主存儲器是存儲單元的集合每一個存儲單元都有惟一的標識符地址數據以字（或字節）的形式在存儲器中傳入或傳出 主存儲器15地址值存儲器16每個存儲單元存放一個字（或字節）。所有在存儲器中可標識的獨立地址單元的總數稱為 地址空間。存儲地址用無符號二進制數表示。地址本身采用位模式。如果計算機有N個字的存儲空間，則存儲地址應當有log2N位。地址空間17主存儲器分為三

5、種類型：隨機存儲器 (RAM)只讀存儲器 (ROM)互補金屬氧化物存儲器(CMOS)主存儲器 RAMROMCMOS主存儲器的種類18RAM的特點：計算機中主存的主要組成部分 。用戶既可以讀，又可以寫。對所有存儲單元的讀寫時間均相同。具有易失性。若斷電或關掉計算機，全部存儲的信息將會丟失。隨機存取存儲器(RAM)19 隨機存儲器（RAM ）又分為兩大類：靜態RAM (SRAM) ：利用觸發器來存儲信息，當通電的時候信息始終存在，不需要刷新。存取速度快，但容量較小，價格較高。動態RAM (DRAM): 利用電容上的電荷存儲信息，電容上的電荷會泄漏，需要周期性的刷新。存取速度慢，但容量較大，價格較低

6、。20RAM 的容量、速度： 衡量RAM容量的單位通常用字節數表示。每1024個字節稱為1K字節（210=1K），每1024K字節稱為1M字節（220=1M），每1024M字節稱為1G字節（230=1G）。 RAM的速度是重要的指標，如果 RAM的速度低于CPU的速度，則CPU訪存時需要等待。21 ROM中的內容是預先寫進去的。用戶只能讀，不能寫。 ROM 具有非易失性，斷電或關掉計算機，存儲在ROM的信息不會丟失。通常用來存儲那些關機后不能丟失的程序和數據。例如開機時運行的引導程序。只讀存儲器(ROM)22ROM 四種類型：掩模式ROM (MROM)：內容由芯片制造商寫入，寫入后任何人無法改

7、變。一次可編程(PROM )：用戶可以借助專業設備一次寫入自己的程序，一旦寫入后將無法改變。可擦除可編程ROM (EPROM)：用戶可編程，但需要用紫外線燈擦除。電可擦除可編程ROM (EEPROM)：用戶可編程，用電子脈沖擦除。23ROM 常用來存放固定不變重復使用的程序、數據或信息，如存放漢字庫、各種專用設備的控制程序等。最典型的是ROM BIOS（基本輸入輸出系統），其中部分內容是用于啟動計算機的指令，內容固定但每次開機時都要執行。24 CMOS 芯片一般用來存儲計算機系統每次開機時所需的重要信息，例如計算機貯存容量、鍵盤類型、鼠標、監視器以及磁盤驅動器的有關信息。 它與RAM的區別在于

8、，CMOS芯片通過鋰電池提供電源，即關機后其存儲的信息不會丟失。 它與ROM的區別在于，其內容隨著計算機系統配置的改變或用戶的設置而發生變化。 CMOS25主存儲器 高速緩沖存儲器 寄存器 速度輔助存儲器 容量小大快慢存儲器的層次結構 不同的存儲器具有不同的存儲容量、不同存取速度。26 為了解決存儲容量、存取速度和價格之間的矛盾，通常把各種不同存儲容量、不同存取速度的存儲器，按一定的體系結構組織起來，形成一個統一整體的存儲系統。計算-傳輸-存儲27 高速緩沖存儲器的存取速度比主存快，但比CPU內部的寄存器慢 。 高速緩沖存儲器容量較小，常置于CPU和主存之間。主存高速緩沖存儲器(Cache)2

9、8cache用來存放主存中一部分內容的副本（拷貝），即當前正在執行的程序中的活躍部分。CPU可以直接訪問cache ，以便快速地向CPU提供指令和數據。當CPU需要程序和數據時，首先檢索內部cache ，然后檢索外部cache ，再往后是RAM。只有前者中找不到所需內容時才繼續檢索后者。29 輸入/輸出子系統中的設備可以分為兩大類：非存儲設備和存儲設備。輸入/輸出存儲設備非存儲設備輸入設備輸出設備磁介質存儲設備光存儲設備其他存儲設備30非存儲設備輸入設備輸出設備鍵盤輸入設備掃描儀音頻輸入設備視頻輸入設備其他顯示器打印機其他31鍵盤輸入設備鼠標游戲桿32觸模屏掃描儀條碼閱讀器33語言輸入設備34

10、視頻和圖像輸入設備35液晶顯示器 (LCD)陰極射線管 (CRT)顯示器輸出設備顯示器36針式打印機打印機激光打印機投影儀37存儲設備磁介質存儲設備光存儲設備 硬磁盤 軟磁盤 磁帶 存儲設備又稱為輔助存儲器。用來存放暫時不參與運行的程序和數據。CPU不能直接訪問輔助存儲器，需要時將信息先傳送到主存。輔助存儲器其他存儲設備38硬盤是由一張一張的盤片疊加而成的，硬盤實際上是磁盤組。表面結構：每個盤面都被劃分成磁道，每個磁道又被分成為若干扇區。數據存取：屬于隨機存取設備，最小存儲區域只能是一個扇區。硬盤的容量大于內存和軟盤。硬盤的存儲速度低于內存，但高于軟盤。磁介質存儲器硬磁盤39硬盤驅動器40磁道

11、：磁化區上閉合的圓環扇區：一段磁道簇：若干個扇區41圓柱面：在一個盤組中，各記錄面上相同編號（位置）的諸磁道的總稱。42硬盤的主要技術指標有：容量：磁盤存儲的信息總量。轉速：磁盤的旋轉速度。平均尋道時間：磁頭移動到指定位置的時間。平均等待時間：等待被訪問的記錄區旋轉到磁頭下方所等待的時間。傳送時間：數據從磁盤移到CPU/主存所需的時間，或反之所需的時間。數據傳輸率：接口的傳輸速度。接口標準：硬盤的接口可分為IDE和SCSI兩種。傳統微機和便攜機采用標準的IDE接口，而工作站和服務器則多采用SCSI接口。兩種接口在物理上不兼容。 硬磁盤43軟磁盤 軟盤是一種輕便、移動的存儲媒體。 軟盤片是聚酯薄

12、膜塑料圓片，封裝在護套內。44 磁帶用兩個卷軸承接起來，當磁帶運動時，可以通過讀/寫磁頭來讀寫磁帶上的數據。 磁帶是順序訪問的，用戶要找一個文件，必須從磁帶頭開始。 磁帶45利用激光技術來存儲和讀取數據 。光存儲設備有只讀光盤(CD-ROM)、可刻錄光盤 (CD-R)、可重寫光盤(CD-RW)、數字多功能光盤(DVD)。光存儲設備光存儲設備CD-ROMDVDCD-RCD-RW46CD-ROM的內容是由制造商寫入的。用戶不能刪除，也不能寫入。CD-ROM 盤所需的費用是可調節的，尤其是大批量地生產，每個盤片的費用會很便宜的。CD-ROM 驅動器被使用來讀 CD-ROM 盤。CD-ROM 驅動器有

13、不同的速度，如單倍速，多倍速等。只讀光盤(CD-ROM)47CD-ROM的制造需要先使用高能紅外激光來制作主盤。激光在主盤上形成一系列的坑和紋間表面。然后依照主盤，作成相應的模盤。最后將溶解的聚碳酸酯樹脂注入模盤中制成光盤。只讀光盤(CD-ROM)48CD-R 制造時不需要主盤和模盤。CD-R盤上的坑和紋間表面是模擬出來的。CD-R 是讓用戶自己制作的光盤。用戶只需要一次寫入信息，就可以多次讀出信息。可刻錄光盤(CD-R)49CD-RW 技術又稱之為可擦寫光盤技術。CD-RW光盤可以寫入、擦除、重寫。可重寫光盤(CD-RW)50DVD 采用與CD類似的技術。兩種盤尺寸相同。DVD 盤的存儲量遠

14、大于 CD-ROM盤（如單層DVD盤的容量為4,700 MB ，而 CD-ROM盤的容量僅為650 MB）。DVD 盤更適用于多媒體對存儲大容量數據的需要。數字多功能光盤(DVD)51 CPU與主存之間的連接主存數據總線地址總線控制總線子系統間的連接CPU 和主存之間通常通過系統總線連接。 系統總線包括三組線路 ：數據總線 、地址總線和控制總線。52系統總線數據總線 ：由雙方向的多根信號線組成， CPU可以沿這些線從主存或外設讀入數據，也可以沿這些線向主存或外設送出數據。地址總線：由單方向的多根信號線組成，用于CPU向主存、外設傳輸地址信息。控制總線：傳輸的是控制信息，包括CPU送出的控制命令

15、和主存/外設反饋給CPU的狀態信號。53系統總線數據總線 ：通常數據總線的位數取決于字的寬度。如果計算機的字長是32位，就需要32位寬度的數據總線，以便同一時刻能夠同時傳送32位的數據。地址總線：地址總線的位數取決于存儲空間的大小。如果存儲容量為2n個字，那么地址總線需要n位。控制總線：控制總線的位數取決于計算機所需要的控制命令的總數。如果計算機有2m條控制命令，那么控制總線需要m位。54輸入輸出設備不能直接與CPU和主存的總線相連。因為輸入輸出設備往往都是機電、磁性或光學設備，比CPU和主存的速度慢得多。必須要有“中介”來處理速度上的差異，這個中介被稱為設備控制器或接口。I/O設備的連接鍵盤

16、控制器監視器控制器打印機控制器磁盤控制器55設備控制器有兩種串行控制器：只有一根數據線連接到設備上。并行控制器：數根數據線連接到設備上。I/O設備的連接56串行接口并行接口57硬件 微處理器 主板（擴展槽，適配器，接口，總線） 一組內存 輔助存儲器 輸入輸出設備 電源 機箱3. 微型計算機58微處理器微處理器是微型計算機的最關鍵的部件，直接決定了計算機的性能。Intel公司的產品代表了微處理器技術的發展。59微處理器 運算器+控制器大規模集成電路芯片Microprocessor（簡稱MPU） 微處理器是微型計算機的核心，它完成計算機所有的運算和控制工作。微處理器的性能指標決定了由它構成的微型計

17、算機的性能指標。微處理器因其體積小而得名。60微處理器微型計算機？ 微處理器不是微型計算機，因為它不能獨立操作，必須與其它裝置構成完整系統。61微處理器的主要技術指標字長：字長決定了微處理器在每個時鐘周期內處理數據的能力，字長由微處理器的型號來區分。主頻：主頻就是微處理器的時鐘頻率。主頻越高，微處理器的速度就越快。時鐘頻率以MHz或GHz為單位表示。62主板 主板也稱為主機板，它是一塊印刷電路板，集中放置了微型機的主要部件，目前一些常用的接口電路也放在主板上。主板的主要部件包括： 微處理器芯片、芯片組、一組高速內存儲器、基本輸入輸出接口、總線及總線接口、擴展槽、其它一些支持電路。63硬盤接口總

18、線擴展槽CPU插座輸入輸出設備接口電源插口只讀存儲器電源主板前面板接口64 基本輸入輸出接口例如：鍵盤、打印機接口等 擴展槽 是適配器與微機總線之間的物理連接裝置，其中可插入各類適配器。 其它配套的支持電路 擴展槽配套電路鍵盤端口 總線及總線接口 CPU內存條配套芯片主板651.芯片組 主板性能好壞對總體指標產生舉足輕重的影響，關鍵在于芯片組的選用，決定主板本身性能和整個計算機系統的級別，影響到支持什么性能的CPU、硬盤圖形加速卡等。 芯片組是指主板上各種設備間的接口電路，主要有內存控制器、硬盤控制器、CACHE控制器、總線控制器等。662.總線及擴展插槽67 早期產品只有一種ISA總線，即

19、“Industry Standard Architecture”工業標準體系結構，IBM制定的總線標準。 只有16位，傳輸速率低,現在只有部分內置的調制解調器、10M網卡等還使用。68PCI（Peripheral Component Interconnect,外部設備互連）總線，具有132MB/S的數據傳輸能力和很強的帶負載能力，被世界上大多數廠商采用。69EIDE（Enhanced Integrates Drive Electronics,集成驅動器電子部件）是硬盤接口標準。AGP（Accelerated Graphics Port)插槽，安裝加速圖形卡，有專用總線和內存連接，速度達到553

20、MB/S。 USB（Universal Serial Bus,通用串行總線），用于連接攝象頭、數碼相機、打印機等。USB支持熱插拔，安裝較簡單。PS/2鼠標、鍵盤插口。70串行端口 并行端口USB口鼠標鍵盤端口3.輸入輸出設備端口71I/O接口電路微處理器外部設備內部總線外部數據線接口板插在主板上與總線相連外部端口與外設相連4.適配器72 適配器是微機系統中驅動某一個外部設備的功能模塊電路的統稱。該模塊電路必須包含兩個接口，一個是與主機連接的總線接口，一個是與外部設備連接的外設接口。適配器也稱為“卡”。顯示卡總線接口外設接口主機總線外設端口適配器具有獨立的系統功能，可與系統并行工作。與主機板相

21、連與外設相連適配器73微機計算機基本配置 鍵盤顯示器鼠標打印機顯示卡并行接口卡串行接口卡主機板軟 硬 盤 適 配 器軟盤驅動器硬盤驅動器電 源總線機箱74RAM存儲芯片和內存條 過去，一般存儲芯片都是雙列直插封裝的，簡稱DIP。目前，在微機上，越來越多地使用單列直插存儲模塊SIMM和雙列直插存儲模塊DIMM，也就是通常所說的內存條。主存75SDRAM和DDR SDRAM SDRAM在同步脈沖的控制下工作，取消了內存等待時間，減少了數據傳送的延遲時間，因而加快了系統速度。 DDR SDRAM不僅能在時鐘脈沖的上升沿讀出數據而且還能在下降沿讀出數據，不需要提高時鐘頻率就能加倍提高SDRAM的速度。

22、主存76 標準的SDRAM有168線（2個小缺口），而DDR SDRAM有184線（多出的16個線占用了空間，故只有1個小缺口），DDR SDRAM目前的標準為PC-266，可以工作在2.5V的低電壓環境下。主存7778電 源硬 盤機箱79 一般微機通常使用5V或12V直流電，其耗電功率為300瓦。微機的電源系統用于將220V的交流電轉換成系統所需的直流電。電源80通用計算機通過執行程序來處理數據。程序是指令的有序集合。程序和數據都放在主存中。4. 程序執行81譯碼執行取指令循環執行指令一條指令的執行過程 指令是計算機進行操作的命令，將控制計算機完成規定動作的命令稱為指令。 CPU利用重復的機

23、器周期來執行指令。簡化的周期包括3步：機器周期82 取指令 在取指令階段，控制單元命令系統取出一條指令放在指令寄存器I中，程序計數器PC加1。 譯碼 把指令置于指令寄存器后進行譯碼，以確定這是一條什么樣的指令。 執行 譯碼完畢后，控制單元發送命令到CPU的某個部件，完成指令所確定的功能。83一條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼地址碼Load 200,R1Load 201,R2Add R1,R2,R3Store 202,R3Halt把200單元的內容送入寄存器R1把201單元的內容送入寄存器R2R1和R2的內容相加結果放在R3把R3的內容存入202單元停止所有操作程序執行的實例840700

24、71072073200201202074主存Load 200 R1 HaltLoad 201 R2Add R1 R2 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPC070執行前主存和寄存器中的內容85070071072073200201202074主存Load 200 R1 HaltLoad 201 R2Add R1 R2 R3Store 202 R3+14-10Load 200 R1取數指令R1R2R3IPC070Load 200 R1071+14第一條指令執行后86070071072073200201202074主存Load 200 R1 HaltLoad 201 R2Add R1 R2 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPCLoad 201 R2取數指令+14-10072Load 200 R1071Load 201 R2072第二條指令執行后87070071072073200201202074主存Load 200 R1 HaltLoad 201 R2Add R1 R2 R3Store 202 R3+14-10R1R2R3IPC073+14-10+4Add R1 R2 R3加法指令072073Load 201 R2Add R1 R2 R3第三條指令執行后88070071072073200201202074主存Load 200 R1 H