CH計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)用

會(huì)計(jì)學(xué)1CH計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)用計(jì)算機(jī)硬件的邏輯結(jié)構(gòu)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)（馮.諾依曼計(jì)算機(jī)）運(yùn)算器和控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器（注：邏輯結(jié)構(gòu)意指概念上（即功能上）的結(jié)構(gòu)）第1頁/共27頁計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件+軟件輸入硬件&軟件輸出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的，兩者缺一不可！計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有實(shí)際物理裝置的總稱計(jì)算機(jī)軟件是指在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行的各種程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)的文檔第2頁/共27頁臺(tái)式PC的物理組成臺(tái)式機(jī)第3頁/共27頁軟件、硬件和用戶的關(guān)系

硬件的能力非常有限，只是速度極高而已沒有軟件，硬件幾乎什么任務(wù)也完成不了BasicInput/OutputSystem硬件BIOS操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件用戶應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)信息處理任務(wù)處理結(jié)果硬件第4頁/共27頁什么是中央處理器(CPU)？一臺(tái)計(jì)算機(jī)中往往有多個(gè)處理器，它們各有其不同的任務(wù)，如繪圖處理器、通信處理器等。其中承擔(dān)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運(yùn)行任務(wù)的處理器稱為“中央處理器”（CPU），CPU是計(jì)算機(jī)必不可少的核心組成部件。大多數(shù)計(jì)算機(jī)只有1個(gè)CPU。為了提高處理速度，計(jì)算機(jī)也可以包含2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)甚至成百上千個(gè)CPU。使用多個(gè)CPU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。第5頁/共27頁什么是嵌入式計(jì)算機(jī)？把運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出控制、接口電路全都集成在一塊芯片上，這樣的超大規(guī)模集成電路稱為“單片計(jì)算機(jī)”或“嵌入式計(jì)算機(jī)”用途舉例：內(nèi)嵌在其他設(shè)備中作為信息處理的核心裝置，例如數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、手機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、汽車、機(jī)頂盒等特點(diǎn)：功能固定、專用，軟件固化在芯片上，通常不能改變大多應(yīng)滿足實(shí)時(shí)信息處理的要求以最低成本滿足應(yīng)用要求能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境第6頁/共27頁2.2CPU的結(jié)構(gòu)與原理指令指令就是命令，它用來規(guī)定CPU執(zhí)行什么操作。指令是構(gòu)成程序的基本單位，程序是由一連串指令組成的指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下，指令由兩個(gè)部分組成：操作碼、操作數(shù)地址CPU的任務(wù)：取指令并完成指令所規(guī)定的操作指令系統(tǒng)CPU可執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令系統(tǒng)，即它的機(jī)器語言同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性不同公司生產(chǎn)的CPU各有自己的指令系統(tǒng)，他們未必互相兼容。例如，現(xiàn)在大部分使用INTEL公司的微處理器作為CPU，而美國蘋果公司生產(chǎn)的MACINTOSH個(gè)人計(jì)算機(jī)，其CPU使用的是IBM公司的POWERPC微處理器，它們的指令系統(tǒng)有很大的差別。第7頁/共27頁CPU的性能指標(biāo)CPU的字長（位數(shù)）主頻（CPU時(shí)鐘頻率）CPU總線（前端總線）的速度高速緩存（cache）的容量與結(jié)構(gòu)CPU的指令系統(tǒng)CPU的邏輯結(jié)構(gòu)第8頁/共27頁2.3.1主板1、主板，又稱母板，在主板通常安裝有CPU插座、芯片組、存儲(chǔ)器插槽、擴(kuò)充卡插槽、顯卡插槽、BIOS、CMOS存儲(chǔ)器、輔助芯片和若干用于連接外圍設(shè)備的I/O插口。2、主板上有兩塊特別有用的集成電路：一塊是閃爍存儲(chǔ)器（FLASHMEMORY），其中從放的是基本輸入/輸出系統(tǒng)（BIOS），它是PC機(jī)軟件中最基礎(chǔ)的部分，沒有它機(jī)器就無法啟動(dòng)；另一個(gè)集成電路芯片是CMOS存儲(chǔ)器，其中存放著與計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)的一些參數(shù)（稱為“配置信息”）。由于CMOS芯片是一種易失性存儲(chǔ)器，必須使用電池供電，才能使計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后，也不會(huì)丟失所有存儲(chǔ)信息。3、主板的物理尺寸標(biāo)準(zhǔn)：現(xiàn)使用主板，主要是ATX和BTX規(guī)格主板。4、芯片組是PC機(jī)組成部分相互連接和通信的樞紐，它一般由2塊超大規(guī)模集成電路組成：北橋芯片（存儲(chǔ)控制）和南橋芯片（I/O控制）。第9頁/共27頁BIOS主要包含四個(gè)部分的程序：加電自檢程序（POST）

(PowerOnSelfTest)用于檢測(cè)計(jì)算機(jī)硬件故障系統(tǒng)自舉程序（Boot）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作，加載并進(jìn)入操作系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)CMOS設(shè)置程序設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：日期、時(shí)間、口令、配置參數(shù)等常用外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序（Driver）實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤、顯示器、軟驅(qū)和硬盤等常用外部設(shè)備輸入輸出操作的控制第10頁/共27頁關(guān)于CMOS芯片這是一個(gè)容量很小的RAM存儲(chǔ)器，由電池供電，即使計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后也不會(huì)丟失所存儲(chǔ)的信息作用：存放計(jì)算機(jī)硬件的參數(shù)（稱為“配置信息”），包括日期和時(shí)間、口令、軟盤/硬盤/光盤驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目、類型及參數(shù)、顯卡類型、cache使用狀況、啟動(dòng)機(jī)器時(shí)訪問外存的順序等，供BIOS程序使用設(shè)置和修改CMOS參數(shù)的方法：在開機(jī)啟動(dòng)BIOS工作時(shí)，按下Del鍵(或F2或F8健)，即可進(jìn)入BIOS中的CMOS設(shè)置程序第11頁/共27頁P(yáng)C機(jī)的啟動(dòng)工作過程接通電源時(shí)CPU自動(dòng)執(zhí)行BIOS中的加電自檢程序1.1按CMOS中的內(nèi)容來識(shí)別硬件的配置,測(cè)試各部件的工作狀態(tài)(發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則報(bào)錯(cuò)，系統(tǒng)將不能繼續(xù)啟動(dòng)或不能正常工作。)1.2初始化CPU、內(nèi)存、ROM、主板、CMOS、顯示卡、鍵盤、軟驅(qū)和硬盤等設(shè)備CPU自動(dòng)執(zhí)行自舉程序按照CMOS中預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)順序，搜尋外存儲(chǔ)器（軟、硬盤或光盤），將OS主引導(dǎo)程序讀出并裝入內(nèi)存。然后由引導(dǎo)程序繼續(xù)裝入操作系統(tǒng)最后，將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，整個(gè)計(jì)算機(jī)由操作系統(tǒng)所控制第12頁/共27頁(3)存儲(chǔ)器分類內(nèi)存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱內(nèi)存或主存)外存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱外存或輔存)存取速度很快較慢存儲(chǔ)容量較小(因單位成本較高)很大(因單位成本較低)性質(zhì)斷電后信息消失斷電后信息保持用途存放已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行的程序和需要立即處理的數(shù)據(jù)長期存放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中幾乎所有的信息與CPU關(guān)系CPU所處理的指令及數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存中取出程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存后才能被CPU使用第13頁/共27頁計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)cache存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器(RAM和ROM)外存儲(chǔ)器（軟盤、硬盤、光盤）后備存儲(chǔ)器（磁帶庫、光盤庫）內(nèi)存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器寄存器典型容量<1KB1MB256MB-1GB40GB-200GB10TB-100TB典型存取時(shí)間1ns2ns10ns10ms10s分析：速度越快，成本較高。為了獲得好的性能/價(jià)格比，計(jì)算機(jī)中各種存儲(chǔ)器組成一個(gè)層狀的塔式結(jié)構(gòu)，取長補(bǔ)短，協(xié)調(diào)工作工作過程：1）CPU運(yùn)行時(shí)，需要的操作數(shù)大部分來自寄存器2）如需要從(向)存儲(chǔ)器中取(存)數(shù)據(jù)時(shí)，先訪問cache，如在，取自cache3）如操作數(shù)不在cache，則訪問RAM，如在RAM中，則取自RAM4）如操作數(shù)不在RAM，則訪問硬盤，操作數(shù)從硬盤中讀出→RAM→cache第14頁/共27頁2.3.2內(nèi)存儲(chǔ)器的分類及應(yīng)用內(nèi)存由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片組成，芯片有多種類型：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器(ROM)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM

不可在線改寫內(nèi)容的ROM快擦除存儲(chǔ)器（FlashROM）（用作Cache存儲(chǔ)器）

（用作主存儲(chǔ)器）（用作BIOS存儲(chǔ)器）(圖形卡、硬盤控制器)CMOS第15頁/共27頁2.6外存儲(chǔ)器硬盤硬盤上一塊數(shù)據(jù)要用三個(gè)參數(shù)來定位：柱面號(hào)，扇區(qū)號(hào)，磁道號(hào)光盤移動(dòng)存儲(chǔ)器U盤移動(dòng)硬盤第16頁/共27頁硬盤存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)（1）容量：以GB為單位，目前硬盤單碟容量約為40～100GB（2）平均存取時(shí)間：在幾ms～幾十ms之間，由硬盤的旋轉(zhuǎn)速度、磁頭尋道時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸速率所決定（3）緩存容量：原則上越大越好，通常為2MB～8MB（4）數(shù)據(jù)傳輸速率外部傳輸速率指主機(jī)從（向）硬盤緩存讀出（寫入）數(shù)據(jù)的速度，與采用的接口類型有關(guān)內(nèi)部傳輸速率指硬盤在盤片上讀寫數(shù)據(jù)的速度，轉(zhuǎn)速越高內(nèi)部傳輸速率越快

（5）與主機(jī)的接口：前些年使用：并行ATA（IDE）接口當(dāng)前流行：串行ATA（SATA）接口第17頁/共27頁光盤存儲(chǔ)器的發(fā)展分代年代名稱激光類型存儲(chǔ)容量第1代1982CD光盤存儲(chǔ)器紅外光650MB第2代1995DVD光盤存儲(chǔ)器紅光4.7GB第3代2006BD光盤存儲(chǔ)器藍(lán)光25GB（注：DVD和BD的容量均為單面單層的容量）第18頁/共27頁光盤片的類型按存儲(chǔ)容量與讀寫特性分：CD盤片DVD盤片藍(lán)光（BD）盤片只讀盤片（CD-ROM）一次性可寫盤片（CD-R）可擦寫盤片（CD-RW）只讀盤片（DVD）一次性可寫盤片（DVD-R,DVD+R）可擦寫盤片（DVD-RW,DVD+RW

DVD-RAM

）只讀盤片（BD）一次性可寫盤片（BD-R）可擦寫盤片（BD-RE）藍(lán)光盤第19頁/共27頁2.3.3I/O總線與I/O接口PCI總線工作頻率：33MHz數(shù)據(jù)線寬度：32位（或64位）傳輸速率：133MB/s（或266MB/s）用于掛接中等速度的外圍設(shè)備總線帶寬（MB/s）＝（數(shù)據(jù)線寬度/8）*總線工作頻率（MHz）*每個(gè)總線周期的傳輸次數(shù)PCI-EUSB接口IEEE－1394接口：主要用于連接需要高速傳輸大量數(shù)據(jù)的音頻和視頻設(shè)備。第20頁/共27頁常用的I/O接口及其性能參數(shù)名稱數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)插頭/插座形式可連接的設(shè)備數(shù)目通常連接的設(shè)備串行口串行,雙向50～19200b/sEIA-232或EIA-422DB25F或DB9F1鼠標(biāo)器，MODEM并行口(增強(qiáng)式)并行,雙向1.5MB/sIEEE1284DB25M1打印機(jī)，掃描儀USB(1.0)USB(1.1)串行,雙向1.5Mb/s(慢速)1.5MB/s(全速)USB-IFA型，B型最多127鍵盤，鼠標(biāo)器，數(shù)碼相機(jī)，移動(dòng)盤等USB(2.0)串行,雙向60MB/s(高速)USB-IFA型，B型，Mini型最多127外接硬盤，數(shù)字視頻設(shè)備，掃描儀等IEEE1394aIEEE1394b串行,雙向50MB/s,100MB/s,200MB/sFireWire(i.Link)最多63數(shù)字視頻設(shè)備IDE并行,雙向66MB/s100MB/s133MB/sUltraATA/66

UltraATA/100UltraATA/133(E-IDE)1~4硬盤，光驅(qū)，軟驅(qū)SATA串行,雙向150MB/s300MB/sSATA1.0SATA2.07針插頭/插座1硬盤顯示器輸出接口并行,單向200～500MB/sVGAHDB151顯示器PS/2接口串行,雙向低速IBM1鍵盤或鼠標(biāo)器紅外線接口(IrDA)串行,雙向115,000bps或4Mbps紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)不需要1鍵盤，鼠標(biāo)器，打印機(jī)等第21頁/共27頁I/O設(shè)備接口串行口9針并行口VGA視頻口鍵盤接口雙絞線接口PS/2接口串行口25針同軸電纜網(wǎng)絡(luò)接口顯示器接口麥克風(fēng)音箱鍵盤接口并行口USB接口以太網(wǎng)雙絞線接口串行口鼠標(biāo)器接口(安裝在主板上的I/O設(shè)備接口)第22頁/共27頁臺(tái)式PC機(jī)箱背板照片鍵盤接口鼠標(biāo)接口串行接口電源接口打印機(jī)(并行)接口(游戲)操縱桿接口顯示器接口揚(yáng)聲器接口麥克風(fēng)接口電話線/MODEM接口第23頁/共27頁2.4常用輸入設(shè)備鍵盤與主機(jī)的接口PS/2接口，USB接口，無線接口（紅外線或無線電波）鼠標(biāo)與主機(jī)的接口RS－232串行口（D形9針），PS/2（圓形6針），USB，無線鼠標(biāo)筆輸入設(shè)備與主機(jī)的接口類型串行口，USB掃描儀性能指標(biāo)：分辨率（dpi），色彩位數(shù)（色彩深度），掃描幅面，與主機(jī)的接口類型（SCSI，USB，1394接口等）數(shù)碼相機(jī)（簡(jiǎn)稱DC）是一種圖象輸入設(shè)備。性能