第5章 計(jì)算機(jī)部件

第5章計(jì)算機(jī)部件本章討論的主要問題是：1.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)以存儲(chǔ)器為核心，如何評(píng)價(jià)存儲(chǔ)器的性能？存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)是什么？如何理解內(nèi)存？2.處理器的主要工作是執(zhí)行程序，處理器是如何工作的？3.輸入/輸出設(shè)備的作用是什么？都有哪些常用輸入/輸出設(shè)備？情景問題——計(jì)算機(jī)的基本配置

你使用過的計(jì)算機(jī)的具體配置是什么？雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)有了很大變化，但是組成計(jì)算機(jī)的基本部件仍然是處理器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。CPU存儲(chǔ)器馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)內(nèi)存儲(chǔ)器運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備輸入設(shè)備外存儲(chǔ)器程序數(shù)據(jù)存數(shù)取數(shù)輸入命令輸出命令取數(shù)存數(shù)存取命令取指令運(yùn)算命令運(yùn)算狀態(tài)數(shù)據(jù)交換計(jì)算結(jié)果第5章計(jì)算機(jī)部件存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)：（1）存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器可以容納的二進(jìn)制信息總量。（2）存取速度：用存取時(shí)間（CPU發(fā)出有效存儲(chǔ)地址啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器讀/寫操作，到讀/寫操作完成所經(jīng)歷的時(shí)間）和存取周期（連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器讀/寫操作所需的最小時(shí)間間隔）兩個(gè)參數(shù)來衡量。（3）每位價(jià)格：存儲(chǔ)器的價(jià)格與存儲(chǔ)容量的比。第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器也稱為內(nèi)存或主存，它直接與CPU相連，存儲(chǔ)容量較小，但存取速度較快，用于保存正在使用（或經(jīng)常使用）的程序和數(shù)據(jù)。000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010地址存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元的信息………存儲(chǔ)單元是可管理的最小單位，典型的存儲(chǔ)單元是一個(gè)字節(jié)。存儲(chǔ)單元的編號(hào)稱為地址，一般從0開始連續(xù)編號(hào)。111000111000110111101000001100100000000000000001111111011111111011111111………內(nèi)存儲(chǔ)器第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器將內(nèi)存與賓館的房間進(jìn)行類比：位——床位一個(gè)二進(jìn)制位可以存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)

——一張床可以容納一個(gè)人存儲(chǔ)單元——房間內(nèi)存地址——房間號(hào)內(nèi)存容量——床位總數(shù)。1010101000110010內(nèi)存儲(chǔ)器第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010………向存儲(chǔ)器里存入信息也稱為寫入，寫入的新內(nèi)容覆蓋了原來的舊內(nèi)容；從存儲(chǔ)器里取出信息也稱為讀出，信息讀出后并不破壞原來存儲(chǔ)的內(nèi)容，因此，信息可以重復(fù)取出。存儲(chǔ)位不能是空的，必須存放0或1，換言之，任意時(shí)刻存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都不能是空的，一定是0和1的編碼。數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的指令在邏輯上是相同的，它們存儲(chǔ)在相同的地方——內(nèi)存。

表示什么？000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010………內(nèi)存儲(chǔ)器第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器可能是用于計(jì)算的數(shù)值數(shù)據(jù)，可能是表示文本字符的編碼，可能是圖像的一部分，也可能是操作數(shù)據(jù)的指令。如果沒有明確的上下文環(huán)境，我們無法正確回答這個(gè)問題。內(nèi)存儲(chǔ)器有兩種：隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM。隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM又稱為易失性存儲(chǔ)器，RAM保存的信息在斷電后就會(huì)消失。只讀存儲(chǔ)器ROM又稱為非易失性存儲(chǔ)器，一般情況下，ROM中的信息是固化的，計(jì)算機(jī)只能從ROM中讀取信息，如BIOS。內(nèi)存儲(chǔ)器大部分是RAM，RAM是內(nèi)存性能的決定性因素。內(nèi)存儲(chǔ)器第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器

外存儲(chǔ)器也稱為輔助存儲(chǔ)器（或簡(jiǎn)稱外存、輔存），它只能和內(nèi)存儲(chǔ)器交換信息，在脫機(jī)狀態(tài)下不能被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的其他部件直接訪問。外存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量大，但存取速度較慢，一般用來存放大量暫時(shí)不用的數(shù)據(jù)和程序，需要時(shí)，可以成批地和內(nèi)存儲(chǔ)器進(jìn)行信息交換。外存儲(chǔ)器第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器聯(lián)機(jī)（on-line）意味著設(shè)備已經(jīng)與計(jì)算機(jī)相連，不需要人的干預(yù)就可以使用；脫機(jī)（off-line）意味著設(shè)備在被計(jì)算機(jī)使用之前需要人的干預(yù)——或許需要將這個(gè)設(shè)備接通電源，或許需要將這個(gè)設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連接。常用的外存儲(chǔ)器有磁帶、硬盤、光盤、優(yōu)盤、移動(dòng)硬盤等。外存儲(chǔ)器第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器隨著硬件制造水平不斷提高，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量越來越大，速度越來越快，但內(nèi)存的存取速度與CPU的處理速度相比仍有很大差距。高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache，簡(jiǎn)稱緩存）介于內(nèi)存和CPU之間，位置可以在CPU芯片的內(nèi)部，也可以在CPU芯片的外部。Cache的存取速度比內(nèi)存快，但價(jià)格昂貴，能夠以接近CPU的速度向CPU提供程序指令和數(shù)據(jù)。第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)技術(shù)基于程序執(zhí)行的局部性原理（程序的執(zhí)行在一段時(shí)間內(nèi)總是集中在程序代碼的一個(gè)小范圍內(nèi)）。因此當(dāng)CPU讀取內(nèi)存中某一地址的指令時(shí)，計(jì)算機(jī)就自動(dòng)地將與該地址相近的一段代碼從內(nèi)存?zhèn)魉偷骄彺嬷?。?nèi)存CPUCache第5章計(jì)算機(jī)部件——存儲(chǔ)器總線：計(jì)算機(jī)內(nèi)部傳輸指令、數(shù)據(jù)和各種控制信息的公共信息通道，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架。計(jì)算機(jī)的各部件通過總線連接在一起。從物理角度看，總線就是一組電導(dǎo)線，這組電導(dǎo)線直接印制在電路板上延伸到各個(gè)部件。總線第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU總線寬度運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元（ArithmeticLogicUnit,ALU），是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件。計(jì)算機(jī)所做的每一件事情都是一系列極其簡(jiǎn)單而又極其快速的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的結(jié)果。運(yùn)算器在控制器的控制下完成對(duì)二進(jìn)制數(shù)的加、減、乘、除等基本算術(shù)運(yùn)算和與、或、非等基本邏輯運(yùn)算。運(yùn)算器主要由算術(shù)邏輯運(yùn)算部件和寄存器組成。算術(shù)邏輯運(yùn)算部件是可以執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的邏輯電路，具體執(zhí)行哪一種運(yùn)算則由控制器發(fā)來的控制信號(hào)決定。寄存器用來保存算術(shù)邏輯運(yùn)算部件正在處理的數(shù)據(jù)，運(yùn)算結(jié)果可以暫存在寄存器中，也可以送到指定的內(nèi)存單元中。運(yùn)算器第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU運(yùn)算器一次能處理數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)稱為字（word），一個(gè)字所包含的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長(zhǎng)。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的處理能力就越強(qiáng)。一般來說：大型機(jī)字長(zhǎng)在128～256之間；小型機(jī)字長(zhǎng)在64～128之間；微型機(jī)字長(zhǎng)在32～64之間。運(yùn)算器第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU程序計(jì)數(shù)器用來對(duì)程序中的指令進(jìn)行計(jì)數(shù)，使得控制器能夠依次讀取指令；指令寄存器在指令執(zhí)行期間暫存正在執(zhí)行的指令；指令譯碼器用來識(shí)別指令的功能，分析指令的操作要求，將指令翻譯成控制信號(hào)；時(shí)序控制電路用來生成時(shí)序信號(hào)，以協(xié)調(diào)在指令執(zhí)行周期內(nèi)各部件的工作；微操作控制電路用來產(chǎn)生各種控制操作命令?？刂破鞯幕緲?gòu)成第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU微操作命令下一條指令的地址指令寄存器操作碼地址碼時(shí)序控制電路指令譯碼器

微程序控制電路……來自于內(nèi)存的指令地址形成電路操作數(shù)地址程序計(jì)數(shù)器＋1控制器的基本構(gòu)成第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU指令的執(zhí)行過程控制器（2）分析指令（1）取指令讀取運(yùn)算器（3）執(zhí)行指令執(zhí)行內(nèi)存譯碼第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU如何啟動(dòng)一個(gè)程序的執(zhí)行？程序的執(zhí)行過程第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU例5.3假設(shè)要把存放在地址為6A和6C的存儲(chǔ)單元中的數(shù)相加，結(jié)果存放在地址為6E的存儲(chǔ)單元中，指令編碼含義156A把地址為6A的存儲(chǔ)單元中的數(shù)取出裝入寄存器5166C把地址為6C的存儲(chǔ)單元中的數(shù)取出裝入寄存器65056把寄存器5和6的數(shù)相加，結(jié)果存入寄存器0306E把寄存器0中的數(shù)存放到地址為6E的存儲(chǔ)單元中C000停止啟動(dòng)程序：將該程序裝入內(nèi)存中，并且把程序的第一條指令所在的地址放在程序計(jì)數(shù)器中，從而啟動(dòng)該程序的執(zhí)行。程序的執(zhí)行過程第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU控制器開始一個(gè)機(jī)器周期，首先執(zhí)行取指令，把存放在地址A0的指令取出并送入指令寄存器，并預(yù)置程序計(jì)數(shù)器為下一條指令的地址。程序的執(zhí)行過程第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU其次，控制器分析指令寄存器中的指令為傳送操作；再次，控制器執(zhí)行指令完成把地址為6A的存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)取到寄存器5中。程序的執(zhí)行過程第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU然后，控制器開始下一個(gè)機(jī)器周期，直到執(zhí)行停機(jī)指令。程序的執(zhí)行過程第5章計(jì)算機(jī)部件——CPU給程序計(jì)數(shù)器置初值A(chǔ)1，會(huì)如何執(zhí)行？程序的執(zhí)行過程第5章計(jì)算機(jī)部件——CPUCPU只會(huì)忠實(shí)地執(zhí)行命令，這也是計(jì)算機(jī)病毒、木馬、黑客存在的根源?？傮w上講，輸入設(shè)備接收來自用戶的數(shù)據(jù)和程序并轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的二進(jìn)制形式。由于現(xiàn)實(shí)世界信息的形式各種各樣，因此需要設(shè)計(jì)各種輸入設(shè)備把這些多樣的信息數(shù)字化。輸入設(shè)備第5章計(jì)算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備觸摸屏鼠標(biāo)手寫輸入游戲桿輸入設(shè)備第5章計(jì)算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備掃描儀條形碼讀入與光學(xué)符號(hào)識(shí)別數(shù)碼相機(jī)光學(xué)字符識(shí)別輸入設(shè)備第5章計(jì)算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備總體上講，輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)內(nèi)部的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換成人們可以理解的形式提供給用戶。輸出設(shè)備可以分為兩類：軟拷貝和硬拷貝。軟拷貝是臨時(shí)性的，沒有實(shí)體性的東西留下來，例如在顯示器上看到的文章或電影；硬拷貝是可以觸摸和攜帶的，通常是以紙張等形式保留下來。例如用打印機(jī)把文檔打印出來。輸出設(shè)備第5章計(jì)算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備第5章計(jì)算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備

接口的作用：協(xié)調(diào)主機(jī)與外部設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸速度的差異。接口：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中兩個(gè)硬件設(shè)備之間的邏輯電路，是各組成部分之間進(jìn)行信息交換的功能部件。輸入/輸出接口外設(shè)主機(jī)I/O接口外設(shè)識(shí)別數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)地址信息數(shù)據(jù)（并）控制信息數(shù)據(jù)（并/串）第5章計(jì)算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備

接口的作用：協(xié)調(diào)主機(jī)與外部設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸速度的差異。接口：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中兩個(gè)硬件設(shè)備之間的邏輯電路，是各組成部分之間進(jìn)行信息交換的功能部件。輸入/輸出接口第5章計(jì)算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備串行接口（串口）：外設(shè)和接口之間的信息按位進(jìn)行傳送。并行接口（并口）：外設(shè)和接口之間是按字節(jié)或字進(jìn)行傳送。串口