大学信息技术PPT第2章-计算机组成原理课件.ppt

第2章计算机组成原理1计算机的组成计算机系统软件：是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档硬件：计算机系统中所有实际物理装置的总称向计算机硬件指出应如何一步步的进行规定的操作程序处理的对象软件设计报告、操作说明和相关技术资料2计算机硬件的组成运算器控制器中央处理器(CPU)主机计算机硬件外设内存储器总线输入/输出设备（I/O设备）外存储器寄存器组3计算机硬件的逻辑结构中央处理器中央处理器(运算器及其控制运算器及其控制)外存储器外存储器内存储器内存储器输出设备输出设备总线总线(bus)输入设备输入设备I/O接口接口I/O接口接口外存储器接口外存储器接口控制器控制器控制器控制器控制器控制器CPU控制器控制器memorystorageI/O设备通过设备通过I/O接接口口与各自的控制器与各自的控制器连接，然后由控制连接，然后由控制器与器与I/O总线相连总线相连4中央处理器(CPU)处理器处理器 能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入信息进行各种处理中央处理器中央处理器(CPU)(CPU)包含运运算算器器和和控控制制器器。承担系统软件和应用软件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。（一台计算机中有多个处理器,它们各有其不同的任务）5中央处理器(CPU)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”。6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。存储器类别与特性内存储器(简称内存或主存)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，用于存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据以及产生的结果。存储介质：半导体芯片7内存储器和外存储器外存储器(简称外存或辅存)存取速度慢、容量相对大，价格相对低不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用）非易失性，用于长期存放各类信息存储介质：磁盘、光盘、磁带等8总线总线（bus)是用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输并协调它们工作的一种部件（含传输线和控制电路）其主要组成部分是用于在各部件间运载信息的一组（或多组）公用的传输线。CPU总线（前端总线）：连接CPU和内存I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）9计算机的分类 按内部逻辑结构分为单处理机、多处理机(并行机)按字长分为16位机、32位机或64位计算机等 按计算机的性能、用途和价格分为巨型计算机（Supercomputer）大型计算机（Mainframe）小型计算机（Minicomputer）个人计算机（Personal Computer）10微处理器和嵌入式计算机微处理器 简称P或MP，通常指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单片机或嵌入式计算机是一种把微处理器、存储器、输入输出接口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电路芯片。例如：控制办公室的温度和湿度，检测病人的心率和血压，控制微波炉的温度和工作时间，播放MP3音乐。软件一般固化在芯片上，功能和用途一般就不能轻易改变了。大多满足实时信息处理、最小化存储容量、最小化功耗、适应恶劣工作环境等要求。112.2 CPU的结构与原理主要内容：CPU的内部结构指令和指令系统的基本概念指令执行过程CPU的性能12CPU与内存的关系寄存器组运算器控制器指令数据运算结果 中中 央央 处处 理理 器器控制信号控制信号内内 存存 储储 器器控制信号控制信号13CPU内部的组成寄存器组 速度很快，临时存放参加运算的数据和得到的中间（或最后）结果运算器（执行单元）ALU 对数据进行各种算术运算和逻辑运算，控制器 CPU的指挥中心，它有一个指令计数器，用来存放CPU正在执行的指令的地址，CPU将按照该地址从内存读取所要执行的指令；它还有一个指令寄存器，用来保存当前正在执行的指令，通过译码器解释该指令的含义，控制运算器的操作，记录CPU的内部状态等。142.2.2 指令与指令系统15指令使用计算机完成某个任务必须运行相应的程序在计算机内部，程序是由一连串指令组成的，指令是构成程序的基本单位。指令采用二进制表示，它用来规定计算机执行什么操作以及操作对象所在的位置。16操作码操作数机器指令格式：机器指令格式：指令组成部分操作码 表示计算机应执行何种操作的一个二进制代码操作数地址 表示该指令所操作（处理）的数据（直接数）或数据所在存储单元的地址 17指令系统兼容由于每种类型的CPU都有自己的指令系统，因此，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。同一公司的产品通常“向下兼容”新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。不同公司生产的CPU各有自己的指令系统，它们未必互相兼容。Pentium与PowerPC不兼容与AMD或Cyrix公司的微处理器兼容18CPU的性能指标字长（位数）指的是CPU中定点运算器的宽度（即一次能同时进行二进制整数运算的位数）。主频（CPU时钟频率）指CPU中电子线路的工作频率，它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢。主频越高，执行一条指令需要的时间就越少，CPU的处理速度就越快。19CPU的性能指标CPU总线速度CPU总线的工作频率和数据线宽度决定着CPU与内存之间传输数据的速度快慢，总线速度快，CPU访问内存的时间也可相应加快高速缓存（cache）的容量与结构它是介于高速CPU和相对低速的主存之间的存储器。程序运行过程中高速缓存有利于减少CPU访问内存的次数。Cache容量越大、级数越多，命中率就越高，CPU运行速度就越快。20CPU的性能指标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数据预测功能、流水线结构和级数等都对指令执行的速度有影响。21PC机物理结构PC机的物理组成机箱、显示器、键盘、鼠标器等机箱内包含主板、硬盘、软驱、光驱、电源、风扇等主板上安装CPU、芯片组、内存条、总线插槽、I/O控制器、I/O端口、扩充卡等部件台式机22存储器插座处理器I/O接口软驱及IDE硬盘连接器电源连接器PCI总线槽CPU插座显示卡的AGP插槽芯片组1芯片组2ROMBIOSCMOS存储器PC机的主板23CPU插座内存条插座软驱、硬盘IDE连接器电源连接器PCI总线插槽华硕P4T主板实物照片芯片组I/O端口24芯片组（Chipset）Intel 865P 芯片组逻辑结构Pentium4CPU前端总线(400/533MHz)82865PMCHAGP8X/4X图形卡接口双通道82801EICH5USB2.0接口(x8)以太网接口PCI2.2插槽(6个)(3.24.3GB/s)(2.1GB/s)FlashBIOSUltraATA/100硬盘接口(x2)(100MB/s)音频Codec(133MB/s)(2.1GB/s2.7GB/s)(2.1GB/s2.7GB/s)(32b,66MHz8)(8b,66MHz4)(267MB/s)(32b,33MHz)(10或100Mb/s)SuperI/O键盘,鼠标软驱,并口串口等电话ModemDDRDDRDDRDDR千兆以太网接口(266MB/s)电源管理、时钟生成25BIOSBIOSROM芯片（只读存储器芯片）BIOS（BasicInput/OutputSystem）基本输入/输出系统，是操作系统的最底层部分的可执行程序代码。BIOS存放在只读存储器芯片（ROM）中，一般称为BIOS芯片。BIOS主要包含4部分的程序,一般情况下是不能被修改的POST(PowerOnSelfTest，加电自检)程序（检测计算机故障）系统自举（装入）程序（启动计算机）CMOS设置程序基本外围设备的驱动程序（实现常用外部设备输入输出操作的控制程序）26CMOS芯片（互补金属氧化物半导体存储器）存放用户对计算机硬件所设置的一些参数参数（称为“配置信息”），包括当前的日期和时间等。CMOS是一种半导体存储器芯片，使用电池供电，成为非易失性存储器，只要电电池供电池供电正常，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。27计算机存储器体系结构cache存储器主存储器(RAM和ROM)外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带）内存储器外存储器寄存器典型容量1KB几个MB几个GB100GB-1TB10TB-100TB典型存取时间1ns2ns10ns10ms10s28半导体存储器芯片的类别半导体存储器只读存储器ROM随机存取存储器RAM静态随机存储器SRAM（高速）动态随机存储器DRAM（低速）不可在线改写内容的ROM快擦除存储器（FlashROM）（用于Cache）（用于主存储器）（BIOS存储器）29DDR SDRAM DDR SDRAM 内存条模块内存条模块SDRAM SDRAM 内存条模块内存条模块内存储器30将输入设备输入的信息送入主存储器的指定区域，或者将主存储器指定区域的内容送出到输出设备特点：多数I/O设备在操作过程中包含机械动作，其工作速度比CPU慢得多。为了提高系统的效率，I/O操作与CPU的数据处理操作往往是并行并行进行的多个I/O设备必须能同时同时进行工作除了键盘、显示器、鼠标器等基本的I/O设备之外，不同计算机所配置的I/O设备数量、品种和性能差别很大，且经常需要增减和更新I/O设备的种类繁多，性能各异，操作控制的复杂程度相差很大，与计算机主机的连接也各不相同I/O操作31I/O控制器有些设备（键盘、鼠标、打印机等）的I/O控制器比较简单，已经集成在主板上的芯片内有些设备（音频、视频设备等）的I/O控制器比较复杂，就做成扩充卡（适配卡或控制卡），插在主板的PCI扩充槽内。32I/O总线总线（总线（busbus）计算机各部件之间传输信息的一组公用的信号线。计算机各部件之间传输信息的一组公用的信号线。I/OI/O总线上的信号类别总线上的信号类别 数据信号、数据信号、地址信号、地址信号、控制信号控制信号 I/O I/O总线上线路类别总线上线路类别 数据线数据线 、地址线、地址线、控制线控制线总线控制器总线控制器 位于主板的芯片组中，协调与管理位于主板的芯片组中，协调与管理I/OI/O总线操作总线操作I/OI/O总线的带宽（总线的数据传输速率）总线的带宽（总线的数据传输速率）单位时间内总线上可传送的数据量单位时间内总线上可传送的数据量(字节数字节数)33I/O接口I/O设备与主机之间必须通过连接器（接插件或插头/插座）实现互连。主机上用于连接I/O设备的各种插头/插座，统称为I/O接口。34I/O接口分类从数据传输方式来分串行（一次只传输1位）：COM1,COM2并行（8位或者16位、32位一起进行传输）：LTP1从数据传输速率来分高速 低速35I/O接口分类从是否能连接多个设备来分总线式（可连接多个设备，被多个设备共享，例如，USB接口）独占式（只能连接1个设备）从是否符合标准来分标准接口（通用接口,例如 USB）专用接口（专用接口 例如 VIDEO 视频口)36视频口麦克风音箱键盘接口并行口USB网络接口串行口鼠标接口串行口串行口9针针并行口并行口视频口视频口键盘接口键盘接口网络接口网络接口PS/2接口接口键盘键盘/鼠鼠标标串行口串行口25针针37名 称数据传输方式数据传输速率标 准 插头/插座形式可连接的设备数目通常连接的设备串行口 串行,双向5019200B/sRS-232E或RS-422 DB25F或DB9F1鼠标器，MODEM并行口(增强式)并行,双向1.5MB/sIEEE 1284 DB25M1打印机，扫描仪USB（1.1）串行,双向0.1875MB/s或1.5MB/sUSB A最多127鼠标器，数码相机，移动盘，扫描仪等USB（2.0）串行,双向60MB/sUSB A最多127外接硬盘，数字视频设备等高速设备FireWire(i.Link)串行,双向12.5,25,50MB/s最高400MB/sIEEE 1394 最多63数字视频设备SCSI并行,双向5,10,20,40,80或160MB/sSCSI-2SCSI-3Ultra SCSI C50F最多7或15硬盘，扫描仪，光驱，磁带机显示器输出接口并行,单向200500MB/sVGAHDB151显示器PS/2接口串行,单向低速IBM1键盘或鼠标器键盘接口串行,单向低速1键盘红外线接口(IrDA)串行,双向115000b/s或4Mb/s红外线数据协会 不需要1键盘，鼠标器，打印机等38USB接口Universal Serial Bus通用串行总线式串行总线式接口特点：高速、可连接多个设备、串行传输传输速率USB的1.1版：1.5 Mb/s和12 Mb/sUSB2.0版：高达480Mb/s（60MB/s）使用4线连接器，体积小，符合即插即用规范（Plug&Play,即PnP）使用“USB集线器”扩展机器的USB接口，最多连接127个设备可通过USB接口由主机向外设提供电源（5V，100500 mA）支持热拔插39IEEE-1394IEEE-1394接口简称1394，又称i.Link或FireWire 串行接口 主要用于连接需要高速传输大量数据的音频和视频设备。数据传输速度特别快（高达400 MB/s），连接器共有6线，采用级联方式连接外部设备，在一个接口上最多可以连接63个设备，设备间以菊花链方式进行转接。402.4 常用输入设备主要内容:键盘、鼠标、笔输入设备、扫描仪、数码相机412.4.1 键盘（Keyboard）42键盘键的组成与分布：小键盘光标控制键功能键打字键盘432.4.2 鼠标器（Mouse）44鼠标器作用：一种指示设备（pointing device）,能方便地控制屏幕上的鼠标箭头准确地定位在指定的位置处，并通过按钮完成各种操作或发出命令。组成：左键、右键、滚轮等普通鼠标指点杆触摸板轨迹球操纵杆45鼠标器滚轮按键传动球机械式鼠标内部结构鼠标工作原理：利用自身的移动，把移动距离及方向的信息变成脉冲送给计算机，再由计算机把脉冲转换成鼠标光标的坐标数据，从而达到指示位置的目的。分类（根据鼠标测量位移部件的类型）：机械式光机式光电式46鼠标器性能参数分辨率：鼠标器最主要的技术指标，用dpi（dot per inch）表示，指鼠标每移动一英寸距离光标在屏幕上所通过的像素的数目。目前多为：300 400 dpi 现可达：600-800dpi轨 迹 速 度：反 映 鼠 标 的 移 动 灵 敏 度，以 达 到 600mm/sec 以上为佳分类（按结构）机械式鼠标：结构简单，价格便宜，但准确性和灵敏度较差光机式鼠标：结合使用了机械及光电原理，精度较高，价格较便宜，需要在平整表面（如鼠标垫）上操作光电式鼠标：速度快，精度较高，分辨率达800dpi，不需鼠标垫47鼠标器连接到主机的接口：PS/2 接口（6针 圆形）USB 接口无线鼠标无线鼠标（红外线，无线电射频）无线鼠标（红外线，无线电射频）482.4.4 扫描仪49扫描仪作用 将图片（照片）或文字输入计算机的一种输入设备。50扫描仪分类（按结构）手持式扫描仪 操作人员手执扫描仪在被扫描的图件上移动。其扫描头较窄，只适用于扫描较小的图件。平板式扫描仪 主要扫描反射式稿件，它的适用范围较广。其扫描速度、精度、质量比较好。胶片专用和滚筒式 高分辨率的专业扫描仪，在光源、色彩捕捉等方面均具有较高的技术性能，多用于专业印刷排版领域。51扫描仪性能指标分辨率（dpi）反映了扫描仪扫描图像的清晰程度，用每英寸生成的像素数目（dpi）来表示。例如，1600*3200 dpi。色彩位数（色彩深度）反映了扫描仪对图像色彩的辨析能力，色彩位数越多，扫描仪所能反映的色彩就越丰富，扫描的图象效果也越真实。例如，24 bit，32 bit，36 bit，42 bit，48 bit。扫描幅面 指被扫描图件容许的最大尺寸。例如，A4,A3。52扫描仪与主机的接口USBIEEE 1394(Firewrie)532.4.5 数码相机（数字相机）54数码相机作用 图像输入设备。不需要胶卷和暗房，能直接将数字形式的照片输入电脑进行处理，或通过打印机打印出来，或与电视机连接进行观看。55数码相机主要性能指标CCD像素个数 决定照片图像能达到的最高分辨率。例如，照片分辨率达 1600 1200 时，共有 192000 个像素（200万像素），这种数码相机能满足一般应用要求存储器的容量 保存CCD成像并转换后得到的数字图像,存储在数码相机的存储器中。存储器大多采用快擦除存储器。56数码相机与主机的接口数字接口USB（连接计算机）模拟视频信号输出（连接接电视机）成像芯片目前多采用CCD器件200-300万像素以下多采用CMOS成像芯片572.5 常用输出设备主要内容:显示器、打印机、绘图仪、582.5.1 显示器59监视器（俗称显示器）常见类型 阴极射线管显示器（简称：CRT）液晶显示器（简称：LCD）CRT显示器显示器液晶显示器液晶显示器LCD60显示器主要性能指标 显示屏的尺寸 对角线的长度。例如，15吋，17吋，21吋 屏幕横向与纵向的比例，一般为43;16:9显示器的分辨率 整屏可显示的像素的个数，分辨率越高,图像越清晰 一般用“水平像素个数*垂直像素个数”表示 例如,1024*1024,1024*768,800*600,640*48061显示控制器又称显示卡，显示适配卡622.5.2 打印机63打印机作用 一种主要输出设备，能把程序、数据、字符、图形打印在纸上。分类针式打印机 激光打印机喷墨打印机64打印精度(dpi 每英寸像素点数)300-1000 dpi打印速度（ppm 每分钟打印页数）例如，12 ppm色彩数目黑白、彩色与主机接口并行口，USB打印机的主要性能指标652.6 外存储器主要内容：硬盘存储器光盘存储器662.6.1 硬盘存储器67硬盘存储器硬盘驱动器内部结构移动臂控制电路主轴磁盘盘片磁头68硬盘存储器硬盘信息记录模式（同软盘）与存储容量信息记录模式同软盘：一个硬盘驱动器中包含多张盘片 每个盘片有两个记录面（两个磁头）每个记录面有若干磁道 每个磁道有若干扇区 每个扇区存储512字节的二进制数据 柱面cylinder：所有记录面中半径相同的所有磁道柱面磁道存贮容量=磁头数(记录面)*柱面数(磁道)*扇区数(区)*512字节69信息的平均存取时间磁盘上的信息以扇区为单位进行读写，平均存取时间为：T=寻道时间+旋转等待时间+数据传输时间寻道时间磁头寻找到指定磁道所需时间(大约5ms)旋转等待时间指定扇区旋转到磁头下方所需要的时间(大约46ms)(转速：4200/5400/7200/10000rpm)数据传输时间(大约0.01ms/扇区)磁磁头磁道磁道旋旋转轴碟片碟片70硬盘存储器的性能指标（1）容量：以GB为单位，目前硬盘单碟容量约为40100GB（2）平均存取时间：在几ms几十ms之间，由硬盘的旋转速度、磁头寻道时间和数据传输速率所决定（3）缓存容量：原则上越大越好，通常为2MB8MB（4）数据传输速率外部传输速率指主机从（向）硬盘缓存读出（写入）数据的速度，与采用的接口类型有关内部传输速率指硬盘在盘片上读写数据的速度，转速越高内部传输速率越快71硬盘存储器（5）与主机的接口：IDE接口（Integrated Drive Electronics）(ATA)前些年使用：并行ATA接口（UATA）：100MB/S,133MB/S当前流行：串行ATA接口(SATA)：150MB/S-300MB/S72使用硬盘应注意什么?正在对硬盘读写时不能关掉电源 保持使用环境的清洁卫生，注意防尘；控制环境温度，防止高温、潮湿和磁场的影响防止硬盘受震动，工作时不要移动机器及时对硬盘内容进行整理，包括目录的整理、文件的清理、磁盘碎片整理等防止计算机病毒对硬盘的破坏，对硬盘定期进行病毒检测73移动存储器移动硬盘存储容量：10GB60GB，采用USB或IEE1394接口、可以随时插拔、小巧而便于携带的硬盘存储器。其容量大，兼容性好，即插即用，速度快，体积小，安全可靠。移动硬盘74移动存储器闪存盘 也称为“优盘”，采用Flash存储器（闪存）技术，体积小，重量轻，容量可以按需要而定具有写保护功能，数据保存安全可靠，使用寿命可长达10年之久。利用通用的USB接口，可以与几乎所有计算机连接。还可以模拟光盘和硬盘启动操作系统。闪存盘752.6.3 光盘存储器76光盘存储器的发展分代年代名称激光类型存储容量第1代1982CD光盘存储器红外光 650MB第2代1995DVD光盘存储器红光4.7GB第3代2006BD光盘存储器蓝光25GB（注：（注：DVD和和BD的容量均为单面单层的容量）的容量均为单面单层的容量）77光盘的信息记录原理光盘上的光盘上的螺旋形光道螺旋形光道凹坑的边缘凹坑的边缘用来表示用来表示“1”，而，而凹坑和非凹凹坑和非凹坑的平坦部坑的平坦部分表示分表示“0”78光盘驱动器的类型按信息读写能力分只读光驱可写光驱（光盘刻录机）按可处理盘片类型进一步分成：CD只读光驱CD刻录机DVD只读光驱DVD刻录机DVD只读/CD刻录机组合而成的“康宝”BD（Blue-rayDisc）只读光驱BD刻录机（使用（使用405 nm蓝色激光）蓝色激光）25GB/50GB（使用（使用650 nm红色激光）红色激光）4.7/8.5/9.4/17GB（使用（使用780 nm红外激光）红外激光）0.7GB79光盘片的类型按存储容量与读写特性分：CD盘片DVD盘片蓝光盘片只读盘片（只读盘片（CD-ROM）一次性可写盘片（一次性可写盘片（CD-R）可擦写盘片（可擦写盘片（CD-RW）只读盘片（只读盘片（DVD）一次性可写盘片（一次性可写盘片（DVD-R,DVD+R）可擦写盘片（可擦写盘片（DVD-RW,DVD+RWDVD-RAM）只读盘片（只读盘片（BD）一次性可写盘片（一次性可写盘片（BD-R）可擦写盘片（可擦写盘片（BD-RW）蓝光盘蓝光盘80