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1、1 1 第第2 2章章 计算机组成原理计算机组成原理 学习目标与要求学习目标与要求 1. 1. 掌握计算机硬件的主要组成部分及其功能，了解计算机的掌握计算机硬件的主要组成部分及其功能，了解计算机的 类型及它们的用途。类型及它们的用途。 2. 2. 了解微处理器的特点、功能、应用及大概的发展情况。了解微处理器的特点、功能、应用及大概的发展情况。 3. 3. 描述描述CPUCPU的结构与工作原理，理解指令的大体执行过程。的结构与工作原理，理解指令的大体执行过程。 4. 4. 熟悉熟悉PCPC机的物理组成，芯片组与其他部件的关系。机的物理组成，芯片组与其他部件的关系。 5. 5. 了解了解Cache
2、Cache存储器和主存储器的功能与关系。存储器和主存储器的功能与关系。 6. 6. 理解理解I/OI/O总线、总线、I/OI/O控制器、控制器、I/OI/O接口及接口及I/OI/O设备的功能设备的功能 与相互关系。与相互关系。 7. 7. 掌握常用输入设备的功能，了解其结构与原理。掌握常用输入设备的功能，了解其结构与原理。 8. 8. 掌握常用输出设备的功能，了解其结构与原理。掌握常用输出设备的功能，了解其结构与原理。 9. 9. 理解磁盘、光盘的类型、结构与原理。理解磁盘、光盘的类型、结构与原理。 2 2 教学要点教学要点 n n 计算机的逻辑结构与物理结构计算机的逻辑结构与物理结构 n n
3、 总线、系统总线与总线、系统总线与I/OI/O总线总线 n n CPUCPU的原理、结构与性能参数的原理、结构与性能参数 n n I/OI/O操作、操作、 I/OI/O控制与控制与I/OI/O接口接口 n n I/OI/O设备的功能、结构与工作原理设备的功能、结构与工作原理 n n 外存储器外存储器 3 3 2.1 2.1 计算机的组成与分类计算机的组成与分类 4 4 2.1.1 2.1.1 计算机的组成计算机的组成 一一. .计算机系统的组成计算机系统的组成 计算机系统由硬件和软件两部分组成计算机系统由硬件和软件两部分组成 硬件是指有形的物理设备，是计算机系统中硬件是指有形的物理设备，是计算
4、机系统中 实实 际物理装置的总称。际物理装置的总称。 软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据 及文档。及文档。 硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的 扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件 与硬件的结合，构成完整的计算机系统。与硬件的结合，构成完整的计算机系统。 5 5 二二. . 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成 1 1 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU) 2 2 主存储器主存储器 3 3 辅助存储器辅助存储器 4 4 输入输入/ /输出设备输出设备 5 5
5、系统总线与系统总线与I/OI/O端口端口 6 6 图图2-1 2-1 计算机的硬件组成示意图计算机的硬件组成示意图 n n 控制器是分散的，总线也是控制器。控制器是分散的，总线也是控制器。 运算器存储器 控制器 输入 输出 7 7 2.1.22.1.2计算机的分类计算机的分类 n n 1.1.巨型计算机巨型计算机 n n 2.2.大型计算机大型计算机 n n 3.3.小型计算机小型计算机 n n 4.4.个人计算机个人计算机 8 8 图图2-22-2巨型计算机巨型计算机 n n （日本（日本NECNEC公司的公司的NEC SX-6/64MBNEC SX-6/64MB巨型计算机，它包含巨型计算机
6、，它包含6464个个 CPUCPU，内存容量为，内存容量为512GB512GB，峰值速度达每秒，峰值速度达每秒1 1万亿次浮点运万亿次浮点运 算，用于全球气温变化趋势的预测研究。算，用于全球气温变化趋势的预测研究。) ) (a) NEC SX-6/64MB巨型计算 机外形 (b) 全球气温分布与变化 趋势图 9 9 图图2-32-3个人计算机个人计算机 n n 个人计算机：台式机，便携机与手持式计算机个人计算机：台式机，便携机与手持式计算机 1010 2.1.32.1.3微处理器和微处理器和PCPC机机 n n 微处理器又称微处理器又称PP或或MP,MP,通常指使用单片大通常指使用单片大 规模
7、集成电路制成的、具有运算和控制功规模集成电路制成的、具有运算和控制功 能的处理器。能的处理器。 n n Intel 8086Intel 8086是是1616位的微处理器位的微处理器 n n Intel 80386Intel 80386、8048680486是是3232位的微处理器位的微处理器 n n 目前目前PCPC机使用的机使用的CPUCPU是是Pentium4Pentium4 1111 微处理器和微处理器和PCPC机机 n n 单片机单片机: :处理器、存储器、处理器、存储器、I/OI/O接接 口集成在一块芯片上口集成在一块芯片上. . n n 微处理器的字长微处理器的字长: :运算器和寄
8、存器运算器和寄存器 的宽度的宽度 1212 2 .2 CPU2 .2 CPU的结构与原理的结构与原理 1313 冯冯 诺依曼计算机原理与结构诺依曼计算机原理与结构 n n 基本原理：基本原理： 程序是一个指令序列，程序是一个指令序列， 指令与数据都用二进制表示，预先存放在存储器内，指令与数据都用二进制表示，预先存放在存储器内， 计算机工作时，计算机工作时，CPUCPU从内存取出指令和数据，按指令从内存取出指令和数据，按指令 的规定，对数据进行运算处理，直到程序完成为止。的规定，对数据进行运算处理，直到程序完成为止。 n n 基本结构：基本结构：5 5个组成部分个组成部分 运算器 控制器 存储器
9、 输入 输出 中央处理器 主机 计算机硬件 1414 中央处理器的概念中央处理器的概念 处理器是计算机的核心部分，主要由运算器、处理器是计算机的核心部分，主要由运算器、 控制器组成。运算器用来对数据进行各种算术控制器组成。运算器用来对数据进行各种算术 和逻辑运算。也称为执行单元。控制器是计算和逻辑运算。也称为执行单元。控制器是计算 机硬件系统的指挥中心，它的作用是控制程序机硬件系统的指挥中心，它的作用是控制程序 的执行，确保各个部件协调一致，有条不紊地的执行，确保各个部件协调一致，有条不紊地 完成各种操作。完成各种操作。 一台计算机中可以包含多个处理器，其中承担一台计算机中可以包含多个处理器，
10、其中承担 系统软件和应用软件运行任务的处理器称为中系统软件和应用软件运行任务的处理器称为中 央处理器，简称央处理器，简称CPUCPU 1515 CPUCPU实物图实物图 1616 中央处理器的组成中央处理器的组成 n n 运算器运算器: :进行算数、逻辑运算进行算数、逻辑运算, ,是执行单元是执行单元 n n 控制器：控制部分控制器：控制部分 n n 寄存器：临时存放数据寄存器：临时存放数据 1717 2.2.12.2.1中央处理器的结构中央处理器的结构 指令执行过程：指令执行过程： (1)(1)CPUCPU访问存储器取得一访问存储器取得一 条指令。条指令。 (2)(2)控制器对指令中的操作控
11、制器对指令中的操作 码进行译码。码进行译码。 (3)(3)计算出所使用的操作数计算出所使用的操作数 的地址，从寄存器或存储的地址，从寄存器或存储 器中取得操作数。器中取得操作数。 (4)(4)运算器按照指令操作码运算器按照指令操作码 的规定，对操作数完成规的规定，对操作数完成规 定的运算处理。定的运算处理。 (5)(5)需要时，把运算结果保需要时，把运算结果保 存到指定的寄存器或内存存到指定的寄存器或内存 单元。单元。 (6) (6) 修改指令地址，供执行修改指令地址，供执行 下一条指令时使用。下一条指令时使用。 命令 1818 PentiumPentium处理器的结构处理器的结构 提高速度的
12、措施：提高速度的措施： s s 提高时钟频率提高时钟频率 s s 增加数据位数增加数据位数 s s 采用通用寄存器临时采用通用寄存器临时 存放中间运算结果存放中间运算结果 s s 采用多个运算器采用多个运算器 s s 增加增加cachecache存储器存储器 s s 采取流水线方式执行指采取流水线方式执行指 令令 扩充功能的措施：扩充功能的措施： s s 增加浮点运算指令增加浮点运算指令 s s 增加增加MMXMMX指令指令 s s 增加增加SIMDSIMD指令指令 1919 n n Pentium 4Pentium 4处理器的结构处理器的结构 2020 Pentium 4Pentium 4处
13、理器的封装处理器的封装 478-Pin micro PGA封装 2121 2.2.22.2.2指令与指令系统指令与指令系统 指令指令: :是用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存是用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存 储位置的一个二进制位串。储位置的一个二进制位串。 指令的格式：指令的格式： n n 操作码：是用来指出计算机应执行何种操作的一个二进制代码。操作码：是用来指出计算机应执行何种操作的一个二进制代码。 n n 操作数：指出该指令所操作的数据或数据所在的存储单元的地址。操作数：指出该指令所操作的数据或数据所在的存储单元的地址。 n n 指令系统定义指令系统定义 一台计算机所能识别
14、并执行的全部指令的集合，称为该台计算机的一台计算机所能识别并执行的全部指令的集合，称为该台计算机的 指令系统。指令系统中有数以百计的不同指令指令系统。指令系统中有数以百计的不同指令。 操作码操 作 数 2222 指令与指令系统指令与指令系统 n n 指令系统：指令系统：CPUCPU能执行的全部指令之和能执行的全部指令之和 n n 指令系统分为：指令系统分为： 数据传送指令数据传送指令 算数运算指令算数运算指令 逻辑运算指令逻辑运算指令 移位和位操作指令移位和位操作指令 控制转移指令控制转移指令 I/OI/O指令指令 2323 2.2.32.2.3指令的执行过程指令的执行过程 n n 时间 步骤
15、 2424 2.2.4 CPU2.2.4 CPU的性能的性能 影响影响CPUCPU速度的因素：速度的因素： n n CPUCPU速度与主频的关系：速度与主频的关系： CPUCPU速度速度 = = 主频主频 x IPC(x IPC(每个时钟可执行的指每个时钟可执行的指 令条数令条数) )。主频越高，处理速度越快。主频越高，处理速度越快 n n 与与cachecache的关系：的关系： cachecache的容量越大，访问的容量越大，访问 cachecache的的命中率越高，的的命中率越高， CPUCPU速度速度 越快。越快。 n n 与寄存器、运算器位数的关系与寄存器、运算器位数的关系 2525 CPUCPU的性能参数的性能参数 2626 2.3 PC2.3 PC机的组成机的组成 2727 2.3.1 2.3.1 主板、芯片组与主板、芯片组与BIOSBIOS n n 主板主板: :又称母板又称母板, ,在主板上通常安装有在主板上通常安装有CPUCPU插座、插座、CPUCPU调调 压器、主板芯片组、第压器、主板芯片组、第2 2级高速缓存（有的
