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1、Distinguish between the three components of a computer hardware.List the functionality of each component.Understand memory addressing and calculate the number of bytes for a specified purpose.After reading this chapter, the reader should be able to:OBJECTIVESDistinguish between different types of me
2、mories.Understand how each input/output device works. Continued on the next slideContinued on the next slide第1页/共85页第一页，共86页。Understand the systems used to connect different components together.Understand the addressing system for input/outputdevices.Understand the program execution and machine cycl
3、es.OBJECTIVES (continued)Distinguish between programmed I/O, interrupt-drivenI/O and direct memory access (DMA).Understand the two major architectures used to define the instruction sets of a computer: CISC and RISC. 第2页/共85页第二页，共86页。Figure 5-1Computer hardware (subsystems)第3页/共85页第三页，共86页。5.1 Centr
4、al processing Unit(CPU)5.3 Input/Output 5.2 main memoryContents5.5 Program Execution5.6 Two different Architectures5.4 Subsystem InterconnectionKey TermsSummary第4页/共85页第四页，共86页。Keytermsaddressbus(地址总线)addressspace(地址空间)arithmeticlogicunit(算术逻辑单元(dnyun)，ALU)bitpattern(位模式)cachememory(高速缓冲存储器)centralp
5、rocessingunit(中央处理单元(dnyun)，CPU)Compactdiscread-onlymemory(只读光盘存储器，CD-ROM)第5页/共85页第五页，共86页。Keytermscompactdiscrecordable(可刻录光盘，CD-R)compactdiscrewritable(可重写光盘,CD-RW)complexinstructionsetcomputer(复杂(fz)指令集计算机，CISC)controlbus(控制总线)Controlunit(控制单元)databus(数据总线)dataregister(数据寄存器)第6页/共85页第六页，共86页。Keyt
6、ermsdigitalversatiledisc(数字(shz)多功能光盘，DVD)directmemoryaccess(可重写光盘,DMA)dynamicRAM(动态RAM，DRAM)execute(执行)fetch(取指令)firewire(火线)Input/outputcontroller（输入/输出控制器)Input/outputsubsystem(输入/输出子系统)第7页/共85页第七页，共86页。Keytermsinstructionregister(指令寄存器)interruptdrivenI/O(中断控制输入输出)isolatedI/O(I/O独立寻址)machinecycle
7、(机器周期(zhuq)）magneticdisk(磁盘)mainmemory(主存)MemorymappedI/O(存储器映射寻址)第8页/共85页第八页，共86页。CENTRALCENTRALPROCESSINGPROCESSINGUNITUNIT(CPU)(CPU)5.1第9页/共85页第九页，共86页。Figure 5-2CPU第10页/共85页第十页，共86页。The arithmetic logic unit(ALU)performs arithmetic and logicoperations.ALU第11页/共85页第十一页，共86页。Registersarefaststand-
8、alonestoragelocationsthatholddatatemporarily.RegisterswData Register: R1 R2 R3wInstruction register: IwProgram Counter: PC第12页/共85页第十二页，共86页。Controllingisachievedthroughwiresthatcanbeonoroff.Control Unit第13页/共85页第十三页，共86页。MAIN MEMORYMAIN MEMORY5.2第14页/共85页第十四页，共86页。KeytermsMainmemory(主存储器主存储器)：存储单元：
9、存储单元的集合。的集合。Address(地址地址)：用来区别每一个：用来区别每一个(y)存储单元的唯一的标识符。存储单元的唯一的标识符。Addressspace(地址空间地址空间)：所有在存：所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数。储器中可标识的独立地址单元的总数。Bitpattern(位模式位模式)：由二进制数：由二进制数0和和1组成的一个组成的一个(y)序列。序列。第15页/共85页第十五页，共86页。KeytermsRandomaccessmemory(随机存取随机存取存储器，存储器，RAM)：主存的主要组成部分。：主存的主要组成部分。volatile(易失性易失性)StaticRAM
10、(静态静态(jngti)RAM)flip-flopgate(触发器门电路触发器门电路)DynamicRAM(动态动态RAM)capacitor(电容电容)第16页/共85页第十六页，共86页。KeytermsRead-onlymemory(只读存储器，ROM)programmable read-only memory(PROM):可编程只读存储器Erasableprogrammableread-onlymemory(EPROM):可擦除可编程只读存储器Electronicallyerasableprogrammableread-onlymemory(EEPROM):电可擦除可编程只读存储器第1
11、7页/共85页第十七页，共86页。KeytermsMemoryhierarchy:存储器的层次结构存储器的层次结构Cachememory:高速缓冲存储器高速缓冲存储器80-20rule：指计算机通常会花费：指计算机通常会花费80%的时间的时间(shjin)来读取来读取20%的数据的数据第18页/共85页第十八页，共86页。Figure 5-3Main memory第19页/共85页第十九页，共86页。Table 5.1 Memory unitsUnit-kilobytemegabytegigabyteterabytepetabyteexabyteExact Number of bytesExa
12、ct Number of bytes-210 bytes220 bytes230 bytes240 bytes250 bytes260 bytesApproximation-103 bytes106 bytes109 bytes1012 bytes1015 bytes1018 bytes第20页/共85页第二十页，共86页。Memory addresses are defined usingunsigned binary integers. Note:第21页/共85页第二十一页，共86页。Example 1A computer has 32 MB (megabytes) of memory.
13、 How many bits are needed to address any single byte in memory?SolutionThe memory address space is 32 MB, or 225 (25 x 220). This means you needlog2 225 or 25 bits, to address each byte.第22页/共85页第二十二页，共86页。Example 2A computer has 128 MB of memory. Each word in this computer is 8 bytes. How many bits
14、 are needed to address any single word in memory?SolutionThe memory address space is 128 MB（ 227）. However, each word is 8 (23) bytes, which means that you have 224 words. This means you need log2 224 or 24 bits, to address each word.第23页/共85页第二十三页，共86页。Twotypesofmemory:RAMandROM.RAM(randomaccessmem
15、ory):(1)RAMcanbereadfromandwrittentobytheuser.(2)RAMisvolatile.SRAM(staticRAM):flip-flopgates,noneedforrefreshing.DRAM(dynamicRAM):capacitor.needtoberefreshedperiodically.Memory Types第24页/共85页第二十四页，共86页。ROM:(Read-onlymemory)(1)TheuserisallowedtoreadbutnotwritetoROM.(2)ROMisnonvolatile.PROM:EPROM:EEP
16、ROM:Memory Types第25页/共85页第二十五页，共86页。Figure 5-4Memory hierarchy第26页/共85页第二十六页，共86页。Figure 5-5Cache第27页/共85页第二十七页，共86页。INPUT / OUTPUTINPUT / OUTPUT5.3第28页/共85页第二十八页，共86页。KeytermsInput/outputsubsystem(输入输出输入输出子系统子系统)：使计算机与外部：使计算机与外部(wib)世界世界进行沟通的设备的集合。进行沟通的设备的集合。nonstoragedevice(非存储设备非存储设备)storagedevic
17、e(存储设备）存储设备）keyboard(键盘键盘)Monitor(监视器监视器)Printer(打印机打印机)第29页/共85页第二十九页，共86页。KeytermsMagneticstoragedevice(磁介质存磁介质存储设备）储设备）Magneticdisk(磁盘磁盘)Read/writeheader(读写磁头）读写磁头）Surfaceorganization(表面结构表面结构(jigu)：track(磁道磁道)、sector(扇扇区区)Dataaccess(数据存取数据存取)第30页/共85页第三十页，共86页。Keytermsperformance(性能性能)Rotational
18、speed(角速度角速度)：磁盘的旋：磁盘的旋转转(xunzhun)速度速度Seektime(寻道时间寻道时间)：读写磁头寻找数：读写磁头寻找数据所在的磁道的时间。据所在的磁道的时间。Transfertime(传送时间传送时间)：将数据从磁：将数据从磁盘移到盘移到CPU/内存所需要的时间内存所需要的时间第31页/共85页第三十一页，共86页。KeytermsOpticalstoragedevice(光介质存储设光介质存储设备）备）:使用激光技术来存取数据。使用激光技术来存取数据。CD-ROM(compactdiscread-onlymemory,只读光盘只读光盘)Masterdisc(主盘主盘
19、)：使用高能红外激光：使用高能红外激光在塑料涂层上刻写位模式来制造主盘。在塑料涂层上刻写位模式来制造主盘。（pit:坑坑land：纹间表面）：纹间表面）Polycarbonateresin(聚碳酸酯聚碳酸酯(jtnsunzh)数脂数脂)：Aluminum(铝铝):作为反射层材料。作为反射层材料。Reading：CD-ROM依靠来自计算机光依靠来自计算机光驱的低能激光束读信息。驱的低能激光束读信息。第32页/共85页第三十二页，共86页。KeytermsCD-R(compactdiscrecordable，可刻录光盘），可刻录光盘）Polycarbonateresin(聚碳酸酯数脂聚碳酸酯数脂)
20、：Gold(金金)：反射层材料：反射层材料Creation:刻录机产生的高能刻录机产生的高能(gonng)激光束在染料（激光束在染料（dye）层上烧制深色的点，）层上烧制深色的点，用来模拟坑，没有被激光照射的区域就是纹间表面用来模拟坑，没有被激光照射的区域就是纹间表面(land)。第33页/共85页第三十三页，共86页。KeytermsCD-RW(compactdiscrewritable,可可重写光盘重写光盘)（creation）AnalloyofSilver、indium、antimony、tellurium:银、银、锢、锑、碲的合金。锢、锑、碲的合金。（read）lowpowerlase
21、r：低能激光：低能激光束束（erase）amedium-powerlaser:中中等等(zhngdng)能量的激光束能量的激光束第34页/共85页第三十四页，共86页。KeytermsDVD(digitalversatiledisc,数字数字(shz)多功能光盘多功能光盘)Thepitsaresmaller:坑更小坑更小Thetracksareclosertoeachother:磁道间更紧密磁道间更紧密Thebeamisredlaserinsteadofinfrared:用红激光代替红外激光用红激光代替红外激光第35页/共85页第三十五页，共86页。Input/Output devices c
22、an bedividedintotwobroadcategories:nonstorageandstoragedevices.Nonstorage devices allow theCPU/memory to communicatewiththeoutsideworldbuttheycannotstoreinformation.Nonstorage devices第36页/共85页第三十六页，共86页。Storagedevices,althoughclassified as I/O devices, canstorelargeamountsofinformationtoberetrieveda
23、talatertime.We categorize them as eithermagneticoroptical.Storage devices第37页/共85页第三十七页，共86页。MagneticStorageDevices第38页/共85页第三十八页，共86页。Magnetic Storage Devices第39页/共85页第三十九页，共86页。Figure 5-6Physical layout of a magnetic disk第40页/共85页第四十页，共86页。Figure 5-7Surface organization of a disk第41页/共85页第四十一页，共86
24、页。Figure 5-8Mechanical configuration of a tape磁带(cdi)卷轴收带卷轴(jun zhu)第42页/共85页第四十二页，共86页。Figure 5-9Surface organization of a tape第43页/共85页第四十三页，共86页。CD-ROMCD-RCD-RWDVDOptical Storage Devices第44页/共85页第四十四页，共86页。第45页/共85页第四十五页，共86页。Table 5.2 CD-ROM speedsSpeedSpeed-1x2x4x6x8x12x16x24x32x40xData RateDat
25、a Rate-153,600 bytes per second307,200 bytes per second614,400 bytes per second921,600 bytes per second1,228,800 bytes per second1,843,200 bytes per second 2,457,600 bytes per second3,688,400 bytes per second 4,915,200 bytes per second6,144,000 bytes per secondApproximationApproximation-150 KB/s300
26、KB/s600 KB/s900 KB/s1.2 MB/s1.8 MB/s2.4 MB/s3.6 MB/s4.8 MB/s6 MB/s第46页/共85页第四十六页，共86页。Table 5.3 DVD capacitiesTable 5.3 DVD capacitiesFeatureFeature-single-sided, single-layersingle-sided, dual-layerdouble-sided, single-layerdouble-sided, dual-layerCapacityCapacity-4.7 GB8.5 GB9.4 GB17 GB第47页/共85页第四
27、十七页，共86页。SUBSYSTEMSUBSYSTEMINTERCONNECTIONINTERCONNECTION5.4第48页/共85页第四十八页，共86页。Keytermsbus(总线）总线）:系统中各个部件信息交换的系统中各个部件信息交换的公共通道公共通道(tngdo)Databus(数据总线数据总线)：addressbus(地址总线）地址总线）Controlbus(控制总线控制总线)第49页/共85页第四十九页，共86页。KeytermsI/Ocontroller/interface(I/O控制器或接口控制器或接口)：将：将I/O设备连接到总线上。设备连接到总线上。Serialcont
28、roller:串行控制器，只有一根线连接到设备上。串行控制器，只有一根线连接到设备上。Parallelcontroller:并行控制器，有数根线连接到设备上。并行控制器，有数根线连接到设备上。SCSI(smallcomputersysteminterface):小型小型(xioxng)计算机系统接口，计算机系统接口，是一个是一个8、16或或32的并行接口。的并行接口。FireWire(火线火线)：IEEE标准标准1394规定的串行接口。规定的串行接口。USB(Universalserialbuscontroller)：通用串行总线控制器。：通用串行总线控制器。第50页/共85页第五十页，共86
29、页。KeytermsIsolatedI/O(I/O独立寻址独立寻址)：用来读：用来读/写写主存的指令与用来读主存的指令与用来读/写输入输出设备的指写输入输出设备的指令是完全不同的。令是完全不同的。Memory-mappedI/O(I/O存储器映射存储器映射寻址寻址):CPU将输入将输入/输出控制器中的每一个输出控制器中的每一个(y)寄存器都看成是主存中的字。寄存器都看成是主存中的字。第51页/共85页第五十一页，共86页。Figure 5-14Connecting CPU and memory using three buses第52页/共85页第五十二页，共86页。Figure 5-15Co
30、nnecting I/O devices to the buses第53页/共85页第五十三页，共86页。Controllers or interface:can be aserialorparalleldevice.A serial controller has only onewireconnectiontothedevice.A parallel controller has severalconnectionstothedevicesothatseveralbitscanbetransferredatatime.Controllers第54页/共85页第五十四页，共86页。Figure
31、 5-16SCSI controller第55页/共85页第五十五页，共86页。Figure 5-17FireWire controller第56页/共85页第五十六页，共86页。Figure 5-18USB controller第57页/共85页第五十七页，共86页。Figure 5-19Isolated I/O addressing第58页/共85页第五十八页，共86页。Figure 5-20Memory-mapped I/O addressing第59页/共85页第五十九页，共86页。PROGRAMPROGRAMEXECUTIONEXECUTION5.5第60页/共85页第六十页，共86
32、页。KeytermsProgramexecution(程序执行程序执行)Machinecycle(机器周期机器周期)fetch（取指令）：控制单元命令系统将下一条要执行的指令复制到（取指令）：控制单元命令系统将下一条要执行的指令复制到CPU的指令寄的指令寄存器中。被复制指令的地址保存在存器中。被复制指令的地址保存在PC(程序计数器程序计数器)中。复制完成后，中。复制完成后，PC自动加自动加1指指向向(zhxin)内存中的下一指令。内存中的下一指令。decode(译码译码):由控制单元进行译码，产生系统可以执行的二进制代码。由控制单元进行译码，产生系统可以执行的二进制代码。execute(执行执
33、行)：控制单元发送工作命令到：控制单元发送工作命令到CPU的某个部件，进行具体的操作。的某个部件，进行具体的操作。第61页/共85页第六十一页，共86页。Keyterms使使I/O设备与设备与CPU/内存同步内存同步(synchronization)的方式有三种：的方式有三种：ProgrammedI/O(程序控制输入输出程序控制输入输出)：CPU等待等待I/O设备。设备。Interrupt-DrivenI/O（中断控制输（中断控制输入输出）：当入输出）：当I/O设备准备好时，它通知设备准备好时，它通知(tngzh)（中断）（中断）CPU。DirectmemoryAccess(直接存储器直接存储
34、器存取存取,DMA):需要使用需要使用DMA控制器。控制器。第62页/共85页第六十二页，共86页。Figure 5-21Steps of a cycle第63页/共85页第六十三页，共86页。Figure 5-22Contents of memory and register before execution第64页/共85页第六十四页，共86页。Figure 5-23.aContents of memory and registers after each cycle第65页/共85页第六十五页，共86页。Figure 5-23.bContents of memory and regist
35、ers after each cycle第66页/共85页第六十六页，共86页。Figure 5-23.cContents of memory and registers after each cycle第67页/共85页第六十七页，共86页。Figure 5-23.dContents of memory and registers after each cycle第68页/共85页第六十八页，共86页。Figure 5-24Programmed I/O第69页/共85页第六十九页，共86页。Figure 5-25Interrupt-driven I/O第70页/共85页第七十页，共86页。F
36、igure 5-26DMA connection to the general bus第71页/共85页第七十一页，共86页。Figure 5-27DMA input/output第72页/共85页第七十二页，共86页。TWO DIFFERENTTWO DIFFERENTARCHITECTURESARCHITECTURES5.6第73页/共85页第七十三页，共86页。KeytermsCISC(complexinstructionsetcomputer)：复杂：复杂(fz)指令集计算指令集计算机。机。RISC(reducedinstructionsetcomputer)：精简指令集计算机。：精简
37、指令集计算机。第74页/共85页第七十四页，共86页。指指令令(instruction)控控制制计计算算机机执执行行特特定定的的算算术术、逻逻辑辑或或控控制制运运算算(ynsun)的命令。的命令。一一条条指指令令可可以以分分两两部部分分：操操作作码码(opcode)和地址码和地址码(operands).0110000010000001ADDREG2REG1CPU可可 以以 执执 行行 的的 全全 部部 指指 令令 称称 为为Instructionset(指令集指令集).Two different architecture第75页/共85页第七十五页，共86页。操作码操作范例INP将给定值放到指
38、定内存INP 7 M1MMR将指定内存中的值取到寄存器MMR M1 REG1MAR将累加器中值取到指定寄存器MAR REG1ADD两个寄存器中值相加，结果放在累加器中ADD REG1 REG2JMP跳转到指定内存中的指令JMP P2HLT停止程序执行HLT一个简单的微机(wi j)指令集（部分）Two different architecture第76页/共85页第七十六页，共86页。ThestrategybehindCISC(complex instructionsetcomputer) architecture is to have alarge set of instructions,
39、includingthecomplexones.The strategy behind RISC(reducedinstruction set computer)architectureistohavea small set of instructions that dominimumnumberofsimpleoperations.CISC and RISC第77页/共85页第七十七页，共86页。计算机有三个子系统：SummaryCPU、主存和I/O子系统CPU包括(boku)算术逻辑单元(dnyun) (ALU)、寄存器组(register)、控制单元(dnyun)算术逻辑(lu j)单元
40、的作用负责算术(arithmetic)和逻辑(logic)运算第78页/共85页第七十八页，共86页。寄存器的作用(zuyng)Summary独立的存储设备，可暂时(znsh)保留数据。寄存器可以保存数据、指令，也可以作为程序计数器(program counter)控制(kngzh)单元的作用监控计算机中的操作第79页/共85页第七十九页，共86页。RAM充当计算机中的主存。SRAM使用 触 发 器 门 来 保 存 数 据 (shj)，DRAM使用电容。SummaryROM的内容来自厂家；用户(yngh)只能读取它的内容，而不能写入。计算机需要(xyo)高速存储器作为寄存器，中速存储器作为高速
41、缓冲寄存器，低速存储器作为主存。存储地址是用无符号二进制整数表示的主存(main memory)是存储单元的集合第80页/共85页第八十页，共86页。I/O子系统是使计算机和外部世界(shji)进行沟通的设备的集合；分为非存储设备和存储设备Summary键盘、监视器、打印机是非(shfi)存储设备的例子磁盘(c pn)是一种存储设备，每一张盘片都由磁道和扇区组成磁带是由磁道组成的存储设备。数据存取是顺序的。第81页/共85页第八十一页，共86页。CD-ROM是一种光存储设备(opticaldevice)，数据由厂家事先(shxin)装盘，而且不能被擦除SummaryCD-R是一种光存储设备，用
42、户(yngh)可将数据写入盘中且数据不能被擦除CD-RW是 一 种 光 存 储 设 备 ， 用 户(yngh)将数据写入盘中，且数据可以被擦除并重写多次DVD是高容量的光存储设备第82页/共85页第八十二页，共86页。数 据 总 线 (databus)、 地 址 总 线(address bus)和 控 制 (kngzh)总 线(controlbus)连接中央处理器和主存储器Summary控制器(controller)负责处理中央处理器与存储器和低速I/O设备间的I/O操作。SCSI、火线(huxin)、USB都是常用的控制器。第83页/共85页第八十三页，共86页。在程序中运行指令(zhlng
43、)，CPU首先获取指令(zhlng)，接着译码，最后执行Summary有三种使CPU和输入输出设备同步的方法 ： 程 序 控 制 输 入 输 出 、 中 断(zhngdun)控制输入输出、DMACPU体系结构的两种设计(shj)分别是CISC和RISC有两种方法可以处理输入输出设备的寻址：I/O独立寻址和I/O存储器映射寻址第84页/共85页第八十四页，共86页。感谢您的欣赏(xnshng)！第85页/共85页第八十五页，共86页。内容(nirng)总结Distinguish between the three components of a computer。Address(地址(dzh)：用来区别每一个存储单元的唯一的标识符。80-20 rule：指计算机通常会花费80%的时间来读取20%的数据。Creation:刻录机产生的高能激光束在染料（dye）层上烧制深色的点，用来模拟坑，没有被激光照射的区域就是纹间表面(land)第八十六页，共86页。
