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2计算机硬件基础计算机硬件基础计算机硬件基础计算机硬件基础这是什么这是什么这是什么这是什么?1/21/20231曲阜师范大学计算机科学学院内容摘要内容摘要 本章以微型计算机为例介绍计算机本章以微型计算机为例介绍计算机硬件系统的基本结构及工作原理；介绍硬件系统的基本结构及工作原理；介绍了主板的结构、微处理器的构成、主存了主板的结构、微处理器的构成、主存储器的分类、输入输出原理；扩展槽、储器的分类、输入输出原理；扩展槽、适配卡、系统总线和端口的分类；输入适配卡、系统总线和端口的分类；输入设备、输出设备、辅助存储器的种类及设备、输出设备、辅助存储器的种类及基本工作原理。基本工作原理。1/21/20232曲阜师范大学计算机科学学院学习目标学习目标 掌握计算机系统的基本结构和基本掌握计算机系统的基本结构和基本工作原理，了解微处理器、存储系统、工作原理，了解微处理器、存储系统、主板、总线和接口的相关常识，了解各主板、总线和接口的相关常识，了解各种输入输出设备和功能。种输入输出设备和功能。1/21/20233曲阜师范大学计算机科学学院本章主要内容本章主要内容2.1计算机系统的组成与工作原理计算机系统的组成与工作原理2.2微处理器微处理器2.3存储系统存储系统2.4主板、总线与接口主板、总线与接口2.5输入输入/输出设备输出设备1/21/20234曲阜师范大学计算机科学学院本章主要内容本章主要内容2.1计算机系统的组成与工作原理计算机系统的组成与工作原理2.2微处理器微处理器2.3存储系统存储系统2.4主板、总线与接口主板、总线与接口2.5输入输入/输出设备输出设备1/21/20235曲阜师范大学计算机科学学院计算机系统的组成与工作原理计算机系统的组成与工作原理2.1计算机系统计算机系统硬件系统硬件系统软件系统软件系统主机主机I/O子系统子系统中央处理器中央处理器内存储器内存储器运算器运算器控制器控制器标准接口标准接口接口控制器接口控制器I/O接口接口外部设备外部设备操作系统操作系统语言处理程序语言处理程序服务支持程序服务支持程序数据库管理程序数据库管理程序系统软件系统软件应用软件应用软件应用软件包应用软件包用户应用软件用户应用软件在计算机系统中，对于软件和硬在计算机系统中，对于软件和硬件的功能没有一个明确的分界线。件的功能没有一个明确的分界线。软件实现的功能可以用硬件来实软件实现的功能可以用硬件来实现，称为现，称为硬化或固化硬化或固化。反之，硬。反之，硬件实现的功能也可以用软件来实件实现的功能也可以用软件来实现，成为现，成为硬件软化硬件软化。1/21/20236曲阜师范大学计算机科学学院学习完本节后，你将了解到：学习完本节后，你将了解到：计算机系统的基本结构计算机系统的基本结构计算机系统的工作原理计算机系统的工作原理计算机体系结构计算机体系结构计算机中数据的表示计算机中数据的表示计算机系统的组成与工作原理计算机系统的组成与工作原理2.11/21/20237曲阜师范大学计算机科学学院计算机系统的基本结构计算机系统的基本结构2.1.1微型计算机是大规模集成电路发展的微型计算机是大规模集成电路发展的产物，是以中央处理器为核心，配以存产物，是以中央处理器为核心，配以存储器、储器、I/O接口电路及系统总线所组成的接口电路及系统总线所组成的计算机。计算机。微型计算机以其结构简单、通用性微型计算机以其结构简单、通用性强、可靠性高、体积小、质量轻、耗电强、可靠性高、体积小、质量轻、耗电省、价格便宜等特点。省、价格便宜等特点。1/21/20238曲阜师范大学计算机科学学院冯冯诺依曼计算机的结构诺依曼计算机的结构辅助存储器辅助存储器内存储器内存储器运运算算器器控控制制器器输入设备输入设备输出设备输出设备程序程序原始数据原始数据运算运算结果结果控制信息控制信息数据数据1/21/20239曲阜师范大学计算机科学学院1、中央处理器（、中央处理器（CPU）中央处理器（中央处理器（CPUCPU）由）由运算器运算器和和控制器控制器组成组成运算器运算器：对二进制数进行运算的部件：对二进制数进行运算的部件算术运算：加、减、乘、除、求绝对值等算术运算：加、减、乘、除、求绝对值等逻辑运算：与、或、非、比较大小、移位等逻辑运算：与、或、非、比较大小、移位等字符运算：字符的连接，取子串等字符运算：字符的连接，取子串等1/21/202310曲阜师范大学计算机科学学院1、中央处理器（、中央处理器（CPU）运算器的组成：运算器的组成：算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALUALU）是是运运算算器器的的主主要要部部件件，完完成成指指令令系系统统所所规规定定的的各各种种算算术术运运算算和和逻逻辑辑运算。运算。标志寄存器标志寄存器也也称称程程序序状状态态字字寄寄存存器器，存存放放反反映映运运算算结结果果的的各各种种特特征征，如如有有无无进进位，是否溢出等。位，是否溢出等。寄存器组寄存器组包包括括通通用用寄寄存存器器组组和和专专用用寄寄存存器器组组，前前者者为为CPUCPU内内部部的的高高速速数数据据暂暂存器，后者包括程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器等。存器，后者包括程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器等。1/21/202311曲阜师范大学计算机科学学院控控制制器器：是是指指挥挥计计算算机机的的各各个个部部件件按按照照指指令令的的功功能能要要求求协协调调工作的部件。工作的部件。控制器的组成：控制器的组成：程程序序计计数数器器（PCPC）：用用来来对对程程序序中中的的指指令令进进行行计计数数，使使控控制制器器能能依依次读取指令；次读取指令；指令寄存器（指令寄存器（IRIR）：）：在指令执行期间暂时保存正在执行的指令。在指令执行期间暂时保存正在执行的指令。指令译码器（指令译码器（IDID）：）：用来识别指令的功能，分析指令的操作要求。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求。时时序序控控制制电电路路：用用来来生生成成时时序序信信号号，以以协协调调在在指指令令执执行行周周期期内内各各部部件的工作。件的工作。微操作控制电路：用来产生各种控制操作命令。微操作控制电路：用来产生各种控制操作命令。1、中央处理器（、中央处理器（CPU）1/21/202312曲阜师范大学计算机科学学院2、存储器、存储器存储器：用来存储数据和程序的部件存储器：用来存储数据和程序的部件存储单位：存储单位：最小单位：最小单位：“位位”（bitbit）最基本的单位：最基本的单位：“字节字节”（bytebyte）存存储储容容量量：存存储储器器所所包包含含的的存存储储单单元元的的总总数数其单位为其单位为K K（1K1K2 21010B B1024B1024B）、M M、G G、T T等等1MB 1MB 2 210 10 KB 1GB KB 1GB 2 210 10 MB 1TBMB 1TB2 210 10 GB GB 1/21/202313曲阜师范大学计算机科学学院存储器的分类：存储器的分类：内内存存储储器器：又又称称为为主主存存储储器器，简简称称为为内内存存或或主主存存，用来存放现行程序的指令和数据。用来存放现行程序的指令和数据。CPUCPU可直接访问内存可直接访问内存是计算机中的工作存储器是计算机中的工作存储器包括随机存取存储器（包括随机存取存储器（RAMRAM）和只读存储器（）和只读存储器（ROMROM）等）等外外存存储储器器：又又称称为为辅辅助助存存储储器器，简简称称为为外外存存或或辅辅存，用来存放需要长期保存的信息。存，用来存放需要长期保存的信息。不能被不能被CPU直接访问，必须先调入内存直接访问，必须先调入内存外存容量大，但外存容量大，但访问速度慢访问速度慢2、存储器、存储器1/21/202314曲阜师范大学计算机科学学院3、输入、输入/输出设备输出设备 输入输入/输出设备：简称为输出设备：简称为I/OI/O设备，是外设备，是外部与计算机交换信息的渠道。部与计算机交换信息的渠道。1/21/202315曲阜师范大学计算机科学学院 输入设备输入设备的主要功能是把原始数据和的主要功能是把原始数据和处理这些数据的程序转换为计算机能够识处理这些数据的程序转换为计算机能够识别的二进制代码，通过输入接口输入到计别的二进制代码，通过输入接口输入到计算机的存储器中，供算机的存储器中，供CPUCPU调用和处理。调用和处理。常用的输入设备有：鼠标、键盘、扫常用的输入设备有：鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪、数码摄像机、条形码阅描仪、数字化仪、数码摄像机、条形码阅读器、数码相机、读器、数码相机、A/DA/D转换器等。转换器等。3、输入、输入/输出设备输出设备1/21/202316曲阜师范大学计算机科学学院 输出设备输出设备是指从计算机中输出信息的设是指从计算机中输出信息的设备。它的功能是将计算机处理的数据、计算备。它的功能是将计算机处理的数据、计算结果等内部信息，转换成人们习惯接受的信结果等内部信息，转换成人们习惯接受的信息形式（如字符、图形、声音等），然后将息形式（如字符、图形、声音等），然后将其输出。其输出。最常用的输出设备是显示器和打印机，最常用的输出设备是显示器和打印机，还有绘图仪、各种数模转换器（还有绘图仪、各种数模转换器（D/AD/A）等。等。3、输入、输入/输出设备输出设备1/21/202317曲阜师范大学计算机科学学院4、主板、主板主机由中央处理器和内存储器组成，用来执行主机由中央处理器和内存储器组成，用来执行程序、处理数据程序、处理数据主机芯片都安装在一块电路板上，这块电路板主机芯片都安装在一块电路板上，这块电路板称为主机板（主板）。称为主机板（主板）。为了与外围设备连接，在主机板上还安装有若为了与外围设备连接，在主机板上还安装有若干个接口插槽，可以在这些插槽上插入与不同干个接口插槽，可以在这些插槽上插入与不同外围设备连接的接口卡。外围设备连接的接口卡。主板是微型计算机系统的主体和控制中心，它主板是微型计算机系统的主体和控制中心，它几乎集合了全部系统的功能，控制着各部分之几乎集合了全部系统的功能，控制着各部分之间的指令流和数据流。间的指令流和数据流。1/21/202318曲阜师范大学计算机科学学院4、主板、主板1/21/202319曲阜师范大学计算机科学学院5、总线、总线总线总线(BUS)：计算机中传输信息的公共通路计算机中传输信息的公共通路。总线宽度：一次能够在总线上同时传输信息的二总线宽度：一次能够在总线上同时传输信息的二进制位数。进制位数。内部总线内部总线：连接：连接CPU内部内部若干基本部件的总线若干基本部件的总线外部总线外部总线（系统总线）：连接系统其它各部件间（系统总线）：连接系统其它各部件间的总线的总线按照总线上传输信息的不同，总线可以分为数据按照总线上传输信息的不同，总线可以分为数据总线总线(DB)，地址总线地址总线(AB)和控制总线和控制总线(CB)三种。三种。1/21/202320曲阜师范大学计算机科学学院6、接口、接口不同的外围设备与主机相连都必须根据不不同的外围设备与主机相连都必须根据不同的电气、机械标准，采用不同的接口来同的电气、机械标准，采用不同的接口来实现。实现。串行接口串行接口：按机器字的二进制位，逐位传：按机器字的二进制位，逐位传输信息，传送速度较慢，但准确率高；输信息，传送速度较慢，但准确率高；并行接口并行接口：一次可以同时传送若干个二进：一次可以同时传送若干个二进制位的信息，传送速度比串行接口快。制位的信息，传送速度比串行接口快。1/21/202321曲阜师范大学计算机科学学院计算机系统的工作原理计算机系统的工作原理2.1.21.计算机的指令系统计算机的指令系统2.计算机的工作过程计算机的工作过程1/21/202322曲阜师范大学计算机科学学院1、计算机的指令系统、计算机的指令系统指令指令：能被计算机识别并执行的二进制代码，它：能被计算机识别并执行的二进制代码，它规定了计算机能完成的某一种操作。规定了计算机能完成的某一种操作。指令系统指令系统：一台计算机能执行的所有指令的集合。：一台计算机能执行的所有指令的集合。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且直接影响到系统软件，影响到机器的适用范而且直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。围。系列计算机系列计算机:指基本指令系统相同、基本体系结指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。系列机解决了各机种的构相同的一系列计算机。系列机解决了各机种的软件兼容问题。但新机型运行的软件在旧机型上软件兼容问题。但新机型运行的软件在旧机型上不一定总能运行。不一定总能运行。1/21/202323曲阜师范大学计算机科学学院基于使用复杂指令集基于使用复杂指令集CPUCPU的计算机被称为复的计算机被称为复杂指令集计算机（杂指令集计算机（Complex Instruction Complex Instruction Set ComputerSet Computer，简称简称CISCCISC）;基于使用精简指令集基于使用精简指令集CPUCPU的计算机被称为精的计算机被称为精简指令集计算机（简指令集计算机（Reduced Instruction Reduced Instruction Set ComputerSet Computer，简称简称RISCRISC）。）。1、计算机的指令系统、计算机的指令系统1/21/202324曲阜师范大学计算机科学学院CISCCISC以以VAX-11/780VAX-11/780为代表，为代表，2020世纪世纪7070年代后的年代后的各种微机如我们用的各种微机如我们用的Intel 80 x86Intel 80 x86均是这种风均是这种风格的计算机，特点是：指令系统复杂，绝大多格的计算机，特点是：指令系统复杂，绝大多数指令需要多个机器周期方可执行完毕。数指令需要多个机器周期方可执行完毕。RISCRISC只有一个数量有限的指令集，但是这些指只有一个数量有限的指令集，但是这些指令的执行速度很快。因此，在理论上，令的执行速度很快。因此，在理论上，RISCRISC计计算机要比算机要比CISCCISC计算机快。计算机快。RISCRISC与与CISCCISC技术两者的主要区别在于设计思想技术两者的主要区别在于设计思想上的差别，上的差别，RISCRISC的设计思想是：将那些不是最的设计思想是：将那些不是最频繁使用的功能（指令）由软件来加以实现，频繁使用的功能（指令）由软件来加以实现，这样就可以优化硬件，并可使其执行得更快。这样就可以优化硬件，并可使其执行得更快。1、计算机的指令系统、计算机的指令系统1/21/202325曲阜师范大学计算机科学学院指令的格式指令的格式：一条指令由操作码和地址码组成。：一条指令由操作码和地址码组成。操作码操作码规定了该指令进行的操作种类，不同的指规定了该指令进行的操作种类，不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，组成操作码令用操作码字段的不同编码来表示，组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。地址码地址码指明操作对象的内容或所在的单元地址。指明操作对象的内容或所在的单元地址。操作码操作码地址码地址码图图2.3机器指令机器指令1、计算机的指令系统、计算机的指令系统1/21/202326曲阜师范大学计算机科学学院2、计算机的工作过程、计算机的工作过程 计算机的工作过程实际上是快速地计算机的工作过程实际上是快速地执行指令的过程。指令的执行过程分为执行指令的过程。指令的执行过程分为以下以下4 4个步骤：个步骤：取取指指令令：根根据据指指令令计计数数器器中中的的地地址址从从内内存存储储器器中中取取出出指指令令，并并将将指指令令送送入入指指令令寄存器。寄存器。分分析析指指令令：即即对对指指令令寄寄存存器器中中存存放放的的指指令令进进行行分分析析，由由操操作作码码确确定定执执行行什什么么操操作，由地址码确定操作数的地址。作，由地址码确定操作数的地址。1/21/202327曲阜师范大学计算机科学学院执执行行指指令令：根根据据指指令令分分析析结结果果，由由操操作作控控制制部部件件发发出出完完成成操操作作所所需需要要的的一一系系列列控控制制电电位位，指指挥挥计计算算机机有有关关部部件件完完成成这这一操作。一操作。指令完成指令完成：指令计数器加指令计数器加1 1，为执行下，为执行下一条指令做好准备。如果遇到转移指令，一条指令做好准备。如果遇到转移指令，则将转移地址送入指令计数器。则将转移地址送入指令计数器。2、计算机的工作过程、计算机的工作过程1/21/202328曲阜师范大学计算机科学学院指令周期指令周期是取出并执行一条指令的时间，是取出并执行一条指令的时间，指令周期常常用若干个指令周期常常用若干个CPUCPU周期数来表示。周期数来表示。CPUCPU周期周期也称为机器周期，通常用内存中也称为机器周期，通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定读取一个指令字的最短时间来规定CPUCPU周周期。一个期。一个CPUCPU周期时间又包含有若干个时周期时间又包含有若干个时钟周期。钟周期。2、计算机的工作过程、计算机的工作过程1/21/202329曲阜师范大学计算机科学学院计算机体系结构计算机体系结构2.1.3 现代计算机都遵循现代计算机都遵循冯冯诺依曼体系诺依曼体系结构结构。冯。冯诺依曼计算机在体系结构上诺依曼计算机在体系结构上的主要特点包括以下三点的主要特点包括以下三点:1.1.计算机硬件包括五个基本部分：运算器、计算机硬件包括五个基本部分：运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。存储器、控制器、输入设备和输出设备。机器以运算器为中心，所有的部件都由机器以运算器为中心，所有的部件都由控制器集中控制。控制器集中控制。2.2.采用二进制形式表示指令和数据采用二进制形式表示指令和数据1/21/202330曲阜师范大学计算机科学学院3.3.采用采用存储程序存储程序工作方式。此为冯工作方式。此为冯诺依诺依曼思想的曼思想的核心内容核心内容。所谓存储程序原理，就是把程序和处理问所谓存储程序原理，就是把程序和处理问题所需的数据都以二进制编码形式预先按题所需的数据都以二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机存储器里。计算机一定顺序存放到计算机存储器里。计算机在运行程序时就能自动、连续地从存储器在运行程序时就能自动、连续地从存储器中依次取出指令且执行，直到完成预定的中依次取出指令且执行，直到完成预定的任务。任务。这是计算机能高速自动运行的基础。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机体系结构计算机体系结构2.1.31/21/202331曲阜师范大学计算机科学学院常用的计算机体系结构的评测方法常用的计算机体系结构的评测方法:(1)(1)指令指令执执行速度行速度-MIPS:它它表表示示每每秒秒百百万万条条指指令令数数，即即一一秒秒钟钟内内计计算算机机能能执执行行多多少百万条指令。少百万条指令。(2)(2)MFLOPS:它它表表示示每每秒秒百百万万次次浮浮点点操操作作次次数数，即即一一秒秒钟钟内内计计算算机机能能进行多少百万次浮点操作。进行多少百万次浮点操作。(3)基准程序基准程序(4)综合基准测试程序综合基准测试程序计算机体系结构计算机体系结构2.1.31/21/202332曲阜师范大学计算机科学学院(5)响应时间响应时间从事件开始到结束所用的时间从事件开始到结束所用的时间(6)(6)吞吐量吞吐量计算机在单位时间内所能完成的工作量。计算机在单位时间内所能完成的工作量。(7)(7)时钟频率时钟频率(主频主频)计算机体系结构计算机体系结构2.1.31/21/202333曲阜师范大学计算机科学学院计算机中数据的表示计算机中数据的表示2.1.41.进制及进制间的转换进制及进制间的转换2.码制码制3.常用字符编码常用字符编码1/21/202334曲阜师范大学计算机科学学院1、进制及进制间的转换、进制及进制间的转换（1 1）数制数制：按进位的原则进行计数称为进位计数制，：按进位的原则进行计数称为进位计数制，简称数制。简称数制。（2 2）位权位权：数码在不同位置上的权值。：数码在不同位置上的权值。（3 3）位权表示法数制的特点：位权表示法数制的特点：数字的总个数等于基数。数字的总个数等于基数。最大的数字比基数小最大的数字比基数小1 1。每个数字都要乘以基数的幂次，该幂次由每个每个数字都要乘以基数的幂次，该幂次由每个数字所在的位置决定。数字所在的位置决定。（4 4）任何一个）任何一个N N进制数进制数A A可表示为：可表示为：A AA An n A An n1 1 A A1 1 A A0 0.A.A1 1 A A2 2 A Am m nA Ai iNNi ii=-m1/21/202335曲阜师范大学计算机科学学院二进制二进制二二进进制制：使使用用数数字字0 0和和1 1等等符符号号来来表表示示数数值值且且采采用用“逢二进一逢二进一”的进位计数制。的进位计数制。二进制数制的特点：二进制数制的特点：仅使用仅使用0 0和和1 1两个数字。两个数字。最大的数字为最大的数字为1 1，最小的数字为，最小的数字为0 0。每每个个数数字字都都要要乘乘以以基基数数2 2的的幂幂次次，该该幂幂次次由由每每个个数字所在的位置决定。数字所在的位置决定。二进制加法和乘法运算规则：二进制加法和乘法运算规则：0 00 00 00 00 00 0 0 01 11 10 10 10 01 10 01 11 01 00 01 11 11 11 11 11 11/21/202336曲阜师范大学计算机科学学院八进制与十六进制八进制与十六进制八八进进制制：使使用用数数字字0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7等等符符号号来来表示数值的，且采用表示数值的，且采用“逢八进一逢八进一”的进位计数制。的进位计数制。十十六六进进制制：使使用用数数字字0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7、8 8、9 9和和A A、B B、C C、D D、E E、F F等等符符号号来来表表示示数数值值，其其中中A A、B B、C C、D D、E E、F F分分别别表表示示数数字字1010、1111、1212、1313、1414、1515。十六进制的计数方法为十六进制的计数方法为“逢十六进一逢十六进一”。1/21/202337曲阜师范大学计算机科学学院十进制整数转换为非十进制整数十进制整数转换为非十进制整数 除除基基取取余余法法：“除除基基取取余余，先先余余为为低低（位位），后后余余为为高高（位）（位）”。例例2-12-1 （5555）1010（110111110111）2 2余数余数25512271213126023121101/21/202338曲阜师范大学计算机科学学院十进制小数转换为非十进制小数十进制小数转换为非十进制小数乘乘基基取取整整法法:“:“乘乘基基取取整整，先先整整为为高高(位位),),后后整整为为低低(位位)”)”例例2-2 2-2（0.6250.625）1010（0.1010.101）2 2 0.625整数整数2 1.251 0.252 0.5021.011/21/202339曲阜师范大学计算机科学学院十进制数转换为非十进制数十进制数转换为非十进制数十十进进制制小小数数并并不不是是都都能能够够用用有有限限位位的的其其他他进进制制数数精精确确地地表表示示,这这时时应应根根据据精精度度要要求求转转换换到到一一定定的的位位数数为为止止，作作为为其其近近似似值。值。如如果果一一个个十十进进制制数数既既有有整整数数部部分分，又又有有小小数数部部分分，则则应应将将整整数数部部分分和和小小数数部部分分分别进行转换。分别进行转换。1/21/202340曲阜师范大学计算机科学学院非非十进制数转换为十进制数十进制数转换为十进制数位位权权法法：把把各各非非十十进进制制数数按按权权展展开开，然然后后 求和。求和。例例2-3 2-3（1011010110）2 2 12124 402023 312122 212121 102020 0 16160 04 42 20 0（2222）1010 例例2-4 2-4（10101.101110101.1011）2 2 12124 402023 312122 202021 112120 0 1212-1-1+02+02 2 212123 3 16160 04 40 01 10.50.50 00.125 0.125（21.62521.625）1010 例例2-5 2-5（12071207）8 81818 3 32828 2 208 08 1 17878 0 0 5125121281280 07 7（647647）1010 例例2-62-6（1B2E1B2E）1616116 116 3 3B16B16 2 2216216 1 1E16 E16 0 0 14096140961125611256216216141141 （69586958）10101/21/202341曲阜师范大学计算机科学学院二进制与八进制之间的转换二进制与八进制之间的转换二二进进制制数数转转换换为为八八进进制制数数：以以小小数数点点为为界界，将将整整数数部部分分自自右右向向左左和和小小数数部部分分自自左左向向右右分分别别按按每每三三位位为为一一组组（不不足足三三位位用用0 0补补足足），然然后后将将各各个个三三位位二二进进制制数转换为对应的一位八进制数。数转换为对应的一位八进制数。八八进进制制数数转转换换为为二二进进制制数数：把把每每一一位位八八进进制制数数转转换换为对应的三位二进制数。为对应的三位二进制数。例例2-7 2-7（10111001010.1011011）2（010111001010.101101100）2（2712.554）8 例例2-8 2-8（456.174456.174）8 8（100 101 110.001 111 100100 101 110.001 111 100）2 2 （100101110.0011111100101110.0011111）2 21/21/202342曲阜师范大学计算机科学学院二进制与十六进制之间的转换二进制与十六进制之间的转换二二进进制制数数转转换换为为十十六六进进制制数数：以以小小数数点点为为界界，将将整整数数部部分分自自右右向向左左和和小小数数部部分分自自左左向向右右分分别别按按每每四四位位为为一一组组，不不足足四四位位用用0 0补补足，然后将各个四位二进制数转换为对应的一位十六进制数。足，然后将各个四位二进制数转换为对应的一位十六进制数。十十六六进进制制数数转转换换为为二二进进制制数数：把把每每一一位位十十六六进进制制数数转转换换为为对对应的四位二进制数。应的四位二进制数。例例2-9 2-9（10111001010.101101110111001010.1011011）2 2（0101 1100 1010.1011 01100101 1100 1010.1011 0110）2 2 （5CA.B65CA.B6）1616 例例2-10 2-10（1A9F.1BD 1A9F.1BD）1616（0001 1010 1001 1111.0001 1011 11010001 1010 1001 1111.0001 1011 1101）2 2 （1101010011111.0001101111011101010011111.000110111101）2 21/21/202343曲阜师范大学计算机科学学院2、码制、码制原原码码表表示示法法：用用符符号号位位和和数数值值表表示示带带符符号号数数，正正数数的的符符号号位位用用“0”0”表表示示，负负数数的的符符号号位位用用“1”1”表示，数值部分用二进制形式表示。表示，数值部分用二进制形式表示。反反码码表表示示法法：正正数数的的反反码码与与原原码码相相同同，负负数数的反码为对该数的原码除符号位外各位取反。的反码为对该数的原码除符号位外各位取反。补补码码表表示示法法：正正数数的的补补码码与与原原码码相相同同，负负数数的补码是在其反码末位加的补码是在其反码末位加1 1。数数的的原原码码表表示示适适合合于于进进行行乘乘除除运运算算；补补码码用用于进行加减运算于进行加减运算1/21/202344曲阜师范大学计算机科学学院3、常用字符编码、常用字符编码ASCII：单字节字符编码方案单字节字符编码方案;ANSI编码：用两个字节表示一个字符编码：用两个字节表示一个字符;w本地化编码格式：如本地化编码格式：如GB2312-80，BIG5，JIS等等w不同不同ANSI编码之间互不兼容编码之间互不兼容UNICODE：一般为四字节：一般为四字节w国际化编码格式，为各种语言中的每一个字国际化编码格式，为各种语言中的每一个字符设定了统一并且唯一的数字编号符设定了统一并且唯一的数字编号1/21/202345曲阜师范大学计算机科学学院本章主要内容本章主要内容2.1计算机系统的组成与工作原理计算机系统的组成与工作原理2.2微处理器微处理器2.3存储系统存储系统2.4主板、总线与接口主板、总线与接口2.5输入输入/输出设备输出设备1/21/202346曲阜师范大学计算机科学学院微处理器微处理器2.2学习完本节后，你将了解到：学习完本节后，你将了解到：什么是微处理器什么是微处理器微处理器的分类微处理器的分类微处理器的组成微处理器的组成衡量衡量CPU性能的技术指标性能的技术指标1/21/202347曲阜师范大学计算机科学学院中央处理器中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件对处理过程进行控制的部件。微处理器微处理器是指具有中央处理器功能的大规模集是指具有中央处理器功能的大规模集成电路器件。成电路器件。根据微处理器的应用领域，微处理器大致可以根据微处理器的应用领域，微处理器大致可以分为三类：分为三类：w通用高性能微处理器通用高性能微处理器w嵌入式微处理器和数字信号处理器嵌入式微处理器和数字信号处理器w微控制器微控制器微处理器微处理器2.21/21/202348曲阜师范大学计算机科学学院通用处理器通用处理器追求高性能，它们用于运行通用软追求高性能，它们用于运行通用软件，配备完备、复杂的操作系统；件，配备完备、复杂的操作系统；嵌入式微处理器嵌入式微处理器强调处理特定应用问题的高性强调处理特定应用问题的高性能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，主要用于蜂窝电话、配备轻量级操作系统，主要用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电；播放机等消费类家电；微控制器微控制器价位相对较低，在微处理器市场上需价位相对较低，在微处理器市场上需求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。领域的自控设备。微处理器微处理器2.21/21/202349曲阜师范大学计算机科学学院Intel奔腾II CPU Intel奔腾III CPU Intel奔腾CPUINTEL酷睿2双核心CPU微处理器微处理器2.21/21/202350曲阜师范大学计算机科学学院微处理器的组成微处理器的组成运算器运算器控制器控制器高速缓冲存储器高速缓冲存储器1/21/202351曲阜师范大学计算机科学学院运算器的工作过程运算器的工作过程（1 1）从）从RAMRAM（随机存取器）中取出数据，放到运算器的随机存取器）中取出数据，放到运算器的寄存器中；寄存器中；（2 2）控制器发出控制信号，决定进行何种运算（算术）控制器发出控制信号，决定进行何种运算（算术运算或逻辑运算）；运算或逻辑运算）；（3 3）运算器执行相应操作，将结果放到累加器中；）运算器执行相应操作，将结果放到累加器中；（4 4）将最终运算结果放回）将最终运算结果放回RAMRAM，以备输出，如下图所示。以备输出，如下图所示。1/21/202352曲阜师范大学计算机科学学院控制器的工作过程控制器的工作过程1)1)控制器从主存中按顺序取出程序中的一条指控制器从主存中按顺序取出程序中的一条指令，并放到指令寄存器中；令，并放到指令寄存器中；2)2)指令计数器加指令计数器加1 1，记录下一条指令的地址；，记录下一条指令的地址；3)3)解释该指令并形成数据地址，取出所需的数解释该指令并形成数据地址，取出所需的数据；据；4)4)向其他功能部件发出执行该指令所需的各种向其他功能部件发出执行该指令所需的各种时序控制信号；时序控制信号；5)5)再从主存中取出下一条指令执行，如此循环，再从主存中取出下一条指令执行，如此循环，直到程序完成。直到程序完成。1/21/202353曲阜师范大学计算机科学学院高速缓冲存储器高速缓冲存储器CACHE引入引入cache的原因的原因:随着随着CPUCPU主频的不断提高，主频的不断提高，CPUCPU对对RAMRAM的存取速的存取速度快了，而度快了，而RAMRAM的响应速度相对而言就慢了，的响应速度相对而言就慢了，所以所以CPUCPU大部分时间都是在等待从大部分时间都是在等待从RAMRAM中传送数中传送数据，这样大大浪费了据，这样大大浪费了CPUCPU资源，为协调二者之资源，为协调二者之间的速度差，引入了间的速度差，引入了CacheCache技术。技术。1/21/202354曲阜师范大学计算机科学学院CacheCache通常采用与通常采用与CPUCPU速度相接近的速度相接近的RAMRAMCacheCache实现的方法实现的方法是：是：当用户启动一个任务时，计算机预测当用户启动一个任务时，计算机预测CPUCPU可能可能需要执行哪些程序或要处理哪些数据，并将当需要执行哪些程序或要处理哪些数据，并将当前要执行的程序和要处理的数据复制到前要执行的程序和要处理的数据复制到CacheCache；CPUCPU在读写时，首先访问在读写时，首先访问CacheCache，如果如果CacheCache中中有数据，有数据，CPUCPU就从就从CacheCache中取而不再到中取而不再到RAMRAM中去中去取。取。CacheCache越大，处理的速度越快，因此，越大，处理的速度越快，因此，CacheCache就就像内存与像内存与CPUCPU之间的适配器。之间的适配器。高速缓冲存储器高速缓冲存储器CACHE1/21/202355曲阜师范大学计算机科学学院衡量衡量CPU性能的主要技术指标性能的主要技术指标(1)(1)主频主频主频是主频是CPUCPU的时钟频率（的时钟频率（CPU Clock SpeedCPU Clock Speed）。）。一般说来，主频越高，一般说来，主频越高，CPUCPU的速度越快。的速度越快。由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPUCPU的性能都一样。的性能都一样。(2)(2)外频外频外频即系统总线的工作频率。外频即系统总线的工作频率。倍频则是指倍频则是指CPUCPU外频与主频相差的倍数。外频与主频相差的倍数。三者关系是：主频三者关系是：主频=外频外频倍频。倍频。1/21/202356曲阜师范大学计算机科学学院衡量衡量CPU性能的主要技术指标性能的主要技术指标(3)CPU字长字长一般说来，一般说来，CPU在同一时间内处理的一组二进在同一时间内处理的一组二进制数称为一个计算机的制数称为一个计算机的“字字”这组二进制数的位数就是这组二进制数的位数就是“字长字长”。在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据在其他指标相同时，字长越大计算机处理数据的速度就越快。的速度就越快。(4)CPU的生产工艺的生产工艺现在现在CPU的生产工艺通常以纳米（的生产工艺通常以纳米（nm）来描来描述，指的是生产工艺中器件的最小线宽，其数述，指的是生产工艺中器件的最小线宽，其数值越小说明生产技术越先进。值越小说明生产技术越先进。1/21/202357曲阜师范大学计算机科学学院本章主要内容本章主要内容2.1计算机系统的组成与工作原理