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1、第2章 计算机硬件系统,信息科学与工程学院 2012.8,第五讲 计算机硬件逻辑系统,主要教学内容,冯诺依曼的思想,计算机五大基本部件,计算机的工作过程,PC硬件系统实例,学习目标,1,掌握计算机硬件的组成与功能。,重点与难点,五大部件的功能与计算机的工作过程是本讲重点，其中计算机的工作过程也是本讲的难点。,计算机基础系,2.1 计算机硬件逻辑系统,计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实体部件（Entity Components）的集合，通常这些实体部件由电子器件、机电装置等物理部件组成。硬件是计算机工作的物质基础，它为计算机软件提供运行的场所，硬件也是软件的控制对象。直观地说，
2、计算机硬件是用户摸得着，看得见的东西，是计算机所有可见物的总称。,1.冯诺依曼模型,冯诺依曼简介,冯诺依曼是美籍匈牙利科学家。生于1903年，1957年逝世。他在计算机、数学、逻辑学、量子物理等领域都做出了重大贡献。1946年他领导的小组提出“冯诺依曼结构”设计思想。对后来计算机的设计有决定性的影响，至今仍为电子计算机设计者所遵循。,计算机基础系,于1946年6月在关于电子计算机逻辑设计的初步讨论的报告中，提出了一种全新的“存储程序”的通用电子计算机理论EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer，离散变量电子自动计算机），该理论主
3、要思想有三点： （1）计算机硬件是由五大基本部分组成，这五大部分是运算器、控制器、存储器、输入设备与输出设备。 （2）计算机中数据采用二进制表示。 （3）计算机的程序和数据存放在存储器中，由程序来控制计算机工作。 其中，“存储程序”的思想是该思想的核心部分。,1.冯诺依曼模型,2 、冯.诺依曼模型,程序+数据,输 入 设 备,存储器,输 出 设 备,运算器,控制器,取数,存数,地址,指令,请求信号,反馈信号,请求信号,反馈信号,请求信号,反馈信号,数据,程序,计算机基础系,2.1 计算机硬件逻辑系统,运算器也称算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）。运算器依照程序指
4、令的功能，通过运算完成对数据的加工和处理。运算器的工作过程是从存储器读取数据，通过运算器完成运算，再把运算结果存储到存储器。运算器能够完成的运算有算术运算（加、减、乘、除)和逻辑运算（与、或、非）两种。,累加器,（1）运算器。,计算机基础系,2.1 计算机硬件逻辑系统,控制器（Controller）是计算机的指挥中心。计算机的工作是在控制器控制下有条不紊地工作。控制器通过地址访问存储器，逐条取出选中存储单元的指令，然后分析指令，根据指令产生相应的控制信号作用于其他各个部件，控制其他部件完成指令要求的操作。这样的过程周而复始，保证计算机能自动与连续地工作。 现代计算机把运算器和控制器做在一块集成
5、电路芯片上，合称为中央处理器，简称为CPU（Central Processor Unit）。CPU是计算机的核心与关键，计算机的性能很大程度上取决于CPU的性能。,（2）控制器。,计算机基础系,控制器(CU):控制器是整个计算机的控制指挥中心，它的功能是从存储器中取出指令，确定指令的类型，并对指令进行译码，然后执行该指令。,控制器的组成:程序计数器、指令寄存器、译码器和操作控制线路,2.1 计算机硬件逻辑系统,运 算 器,控 制 器,计算机基础系,2.1 计算机硬件逻辑系统,CPU,逻辑图,实物图,计算机基础系,2.1 计算机硬件逻辑系统,存储器指的是计算机的主存储器（Main memory）
6、，我们习惯称它为内存。计算机的存储器由半导体材料做成，通过主板电路和CPU相连接。计算机在工作时，用户将需要运行的程序与需处理的数据装入主存储器中，CPU的控制器到主存中读取指令，CPU的运算器到主存读取数据，在运算过程中产生的结果，CPU会将其写入存储器。计算机的存储器由一个一个单元组成，每个单元用二进制地址来标识。通常，我们把计算机的CPU和存储器合在一起简称为计算机的主机。,（3）存储器。,计算机基础系,存储器(Memory) ：是计算机存储数据和程序的存储单元集合，每个存储单元由8位二进制位组成，可读写其中的数据。每个内存单位都有一个“编号”，称为地址。,0000H 0001H 000
7、2H 地址 FFFFH,存储体结构图,位,内存单元,1B=bit 1024B=1KB 1024kB=1MB 1024MB=1GB 1024GB=1TB,内存单元,2.1 计算机硬件逻辑系统,计算机基础系,存储器容量与地址线位数之间的关系,计算机基础系,存储器容量与地址线位数之间的关系,2存储地址空间 存储器的址 存储地址空间是指对存储器编码的空间范围。所谓编码就是对内存的每一个物理存储单元分配一个编号，通常也叫做“编址”。 编址的目的 分配编号给存储单元的目的是为了便于找到该存储单元，完成数据的读写，这就是所谓的“寻址”（平常也把地址空间称为寻址空间）。,计算机基础系,存储器容量与地址线位数之
8、间的关系,2存储地址空间 容量与编址之间的关系 主存储器的编址采用无符号二进制整数定义，如图2-6所示的存储器容量为64KB，字长为1字节的存储器的地址编址范围为0000000000000000至1111111111111111（十进制范围为065535）。 通常，如果计算机有N个字节的存储空间的话，那就需要有Log2N位的无符号二进制整数来对每一个存储单元进行编址。,计算机基础系,存储器容量与地址线位数之间的关系,2存储地址空间 容量与编址之间的关系 主存储器的编址采用无符号二进制整数定义，如图2-6所示的存储器容量为64KB，字长为1字节的存储器的地址编址范围为00000000000000
9、00至1111111111111111（十进制范围为065535）。 通常，如果计算机有N个字节的存储空间的话，那就需要有Log2N位的无符号二进制整数来对每一个存储单元进行编址。,计算机基础系,存储器容量与地址线位数之间的关系,例如，一台计算机有32MB主存（内存），地址线是多少根，编址范围是？,对于早期386与486的微机，其地址总线为32位，因此地址空间可达232B，即4GB。目前，主流计算机的地址总线有所增加，如“奔腾”为36位地址，酷睿为44位地址，AMD64为52位地址，因此，它们的最大内存地址空间分别为236B、244B与252B，即64GB、16TB与4PB。通常配置4GB内存
10、。,计算机基础系,内存储器（主存储器）： 速度快，容量小，直接与CPU进行信息交换，存放存放计算机当前工作所需的程序和数据 。 外存储器（辅助存储器）： 速度慢，容量大，不能直接与CPU进行信息交换，须将外存内容调入内存；存放暂不用的数据和程序。,主板上的CMOS,主板上的Cache,DDR400,可擦洗,在主板上,2.1 计算机硬件逻辑系统,计算机基础系,控 制 器,运 算 器,内存储器,主 机,CPU,2.1 计算机硬件逻辑系统,计算机基础系,2.1 计算机硬件逻辑系统,（4）输入设备。 输入设备（Input Device）是用来向计算机输入程序和数据的部件，计算机运行的程序与处理的数据都
11、是通过输入设备输入的。大家通过第一章的学习已经知道，计算机内每种数据都是用二进制编码来表示的，因此，输入设备的功能是把我们能够识别的数据转化为计算机能处理的数据。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、麦克风与游戏杆等。,计算机基础系,2.1 计算机硬件逻辑系统,（5）输出设备。 计算机输出设备（Output Device）与输入设备的功能相反，是用来输出计算机处理结果的部件。由于输出设备的输出是面向用户，这就要求输出设备能以人们所能接受与识别的信息输出，如文字信息、声音信息与图形信息等。常用的输出设备有显示器、打印机、音箱与绘图仪等。,计算机基础系,鼠 标,常用的输入和输出设备,摄像头,压感笔,
12、扫描仪,计算机基础系,其它输出设备,音箱,常用的输入和输出设备,计算机基础系,具有输入和输出双重功能,触摸屏,耳麦,磁 盘,常用的输入和输出设备,计算机基础系,程序+数据,输 入 设 备,存储器,输 出 设 备,运算器,控制器,取数,存数,地址,指令,请求信号,反馈信号,请求信号,反馈信号,请求信号,反馈信号,数据,程序,2.1.2计算机硬件系统工作图,计算机基础系,1.取指令 2.分析指令 3.执行指令 即：不停的进行,计算机工作过程,计算机基础系,工作原理,取指令:按照程序计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。,分析指令:对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码
13、进行译码，将指 令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。,执行指令:由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令 所要求的操作。,下一条指令准备:一条指令执行完成，指令计数器加1 或将转移地址码送入程序计 数器，然后回到。,计算机基础系,地址和数据用十六进制表示,计算机基本程序执行过程,计算机基础系,2.2 计算机的硬件系统,从组成部件上看，计算机硬件系统可分为中央处理单元、主存储器与输入/输出设备三大子系统。图2-4给出了组成单个计算机的子系统。,计算机基础系,2.2 计算机的硬件系统,高速缓冲存储器 高速缓冲存储器也称为Cache，一般由高速SRAM
14、构成，它是根据程序的局部性原理，在主存和CPU的寄存器之间设置一个高速的容量相对比较小的存储器，如图所示。（交待缓存所处的位置）,计算机基础系,2.2 计算机的硬件系统,1）显卡 显卡的全称是显示接口卡（Video card，Graphics card），又称为显示适配器（Video adapter），是个人计算机最基本的组成部分之一。显卡的用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和个人计算机主板的重要元件。显卡作为计算机主机里的一个重要组成部分，承担输出显示图形的任务，对于从事专业图形设计的人来说显卡非常重要。目前，计算机中
15、的显卡可分为核心显卡、独立显卡与集成显卡3类。,计算机基础系,2.2 计算机的硬件系统,核心显卡是Intel新一代图形处理核心，占住目前显卡的主流市场。核心显卡和以往的显卡设计不同，Intel凭借其在处理器制造上的先进工艺以及新的架构设计，将图形核心与处理核心整合在同一块基板上，构成一颗完整的处理器。这种设计上的整合大大缩减了处理核心、图形核心、内存及内存控制器间的数据周转时间，有效提升处理效能并大幅降低芯片组整体功耗，有助于缩小了核心组件的尺寸，为笔记本、一体机等产品的设计提供了更大选择空间。核心显卡可预设固定大小的内存作为显存使用，也可采用系统动态分配显存方式，显存最大可达1.6GB。,计
16、算机基础系,2.2 计算机的硬件系统,独立显卡是指将显示芯片、显存及其相关电路单独做在一块电路板上，自成一体而作为一块独立的板卡存在，通过PCI-Ex16图形接口和CPU连接，具有独立的显存，功耗较高。,计算机基础系,2.2 计算机的硬件系统,集成显卡是将显示芯片及其相关电路都做在主板上，与主板融为一体；集成显卡的显示芯片有单独的，但大部分都集成在主板的北桥芯片中；集成显卡由系统动态分配内存作为显存使用，显存最高可达768MB，虽然有些主板集成的显卡也在主板上单独安装了显存，但其容量较小。集成显卡的显示效果与处理性能相对较弱，过去主要占住计算机的低端市场，目前已基本淘退。,2.6 总线Bus,数据总线（Data Bus，简称为DB）用来传输数据信息； 地址总线（Address Bus
