計算機硬件系統(tǒng)的構(gòu)成部.ppt

1,計算機硬件系統(tǒng)的構(gòu)成部件,5.1 計算機硬件系統(tǒng)組成 5.2 中央處理器（CPU） 5.3 存 儲 系 統(tǒng) 5.4 指令系統(tǒng),2,計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成,中央處理器一般也稱為CPU，是計算機的核心，具有運算能力和控制功能。 計算機由CPU、內(nèi)存儲器、輸入輸出接口電路和系統(tǒng)總線構(gòu)成，通常稱為計算機主機 。 計算機系統(tǒng)是以計算機為主體，并配上外設(shè)和系統(tǒng)軟件之后構(gòu)成的軟硬件系統(tǒng)。 我們通常所說的“計算機”，其準確的名稱應(yīng)該是計算機系統(tǒng)。,3,計算機硬件系統(tǒng),計算機硬件系統(tǒng)是構(gòu)成計算機的物理裝置，是看得見、摸得著的一些實實在在的有形實體。 目前的計算機硬件系統(tǒng)采用的仍是計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)馮諾依曼結(jié)構(gòu)，即采用總線結(jié)構(gòu)將運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大部件連接起來。 其中，運算器和控制器構(gòu)成了計算機的核心部件中央處理器（Center Process Unit，簡稱CPU）。,各部分的功能： 運算器：算術(shù)運算或邏輯運算 控制器：取指令、譯碼、執(zhí)行指令 存儲器：保存信息 內(nèi)存：ROM(只讀存儲器) RAM(隨機存儲器，斷電后信息全部丟失) 外存：磁盤(軟盤、硬盤)、光盤、磁帶 輸入設(shè)備：輸入數(shù)據(jù)(鍵盤、鼠標、掃描儀、光筆等) 輸出設(shè)備：輸出數(shù)據(jù)(顯示器、打印機、繪圖儀等),4,中央處理器 控制器與運算器合在一起，制成一塊芯片，稱為中央處理器（機），簡稱 CPU 。,控制器：指揮計算機各部件按照指令功能的要求進行操作。它從存儲器中取指令、分析、解釋、執(zhí)行計算機指令，產(chǎn)生控制信號，控制計算機各部件協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。,5,總線（BUS） CPU對外的標準信號連接線，稱為總線。,包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。,運算器（ALU）：實現(xiàn)算數(shù)邏輯運算。,6,CPU 結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)總線,7,指令和程序,指令是對計算機進行程序控制的最小單位，一個CPU能夠執(zhí)行的所有指令的集合稱為該CPU的指令系統(tǒng)。,程序是人們?yōu)榻鉀Q某項任務(wù)而編寫的指令的有序集合。指令的不同組合方式，可以構(gòu)成完成不同任務(wù)的程序。,執(zhí)行什么操作,數(shù)據(jù)在存儲器中的存放位置,8,計算機的工作過程,計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。 在運行程序之前，首先通過輸入設(shè)備將編好的程序和原始數(shù)據(jù)輸送到計算機內(nèi)存儲器中，然后按照指令的順序，依次執(zhí)行指令。 執(zhí)行一條指令的過程是： 讀取指令：從內(nèi)存儲器中取出要執(zhí)行的指令送到 CPU 內(nèi)部的指令寄存器暫存 分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令譯碼器，譯出該指令對應(yīng)的操作 執(zhí)行指令：CPU向各個部件發(fā)出相應(yīng)控制信號，完成指令規(guī)定的操作,9,微型機主機的邏輯結(jié)構(gòu),內(nèi)存，又稱主存，是微型機主機的組成部分，存放當前正在使用或隨時要使用的程序和數(shù)據(jù)，是CPU可以直接訪問的存儲器。,微處理器是計算機硬件系統(tǒng)的核心部件，負責控制和協(xié)調(diào)整個計算機系統(tǒng)的工作,計算機后面板I/O接口,主機與外設(shè)之間不能直接進行信息交換，必須通過I/O接口才能完成信息傳送。 I/O接口所起的作用是： 數(shù)據(jù)緩沖。解決高速主機與低速外設(shè)間的矛盾 信號格式配合。處理外設(shè)與CPU之間不同的信息格式，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換，串/并、并/串轉(zhuǎn)換 電平和驅(qū)動能力配合。使外設(shè)和主機的信號電平一致，并提高CPU信號的驅(qū)動能力 時序配合。使主機與外設(shè)協(xié)調(diào)工作 設(shè)備選擇。每臺外設(shè)都有設(shè)備地址,10,微型計算機概述,主要性能指標：字長、主頻、內(nèi)存容量、運算速度 分類： 按組成結(jié)構(gòu)分單片機、單板機、多板機 按用途分臺式、便攜式、手持式 發(fā)展方向： 高速化 P4主頻達3.40GHz 超小型化 筆記本電腦 多媒體化 多媒體處理器 網(wǎng)絡(luò)化 網(wǎng)絡(luò)計算機 隱形化 電視或影音計算機,11,計算機的總線,總線是計算機傳輸指令、數(shù)據(jù)和地址的通道，是計算機各部件聯(lián)系的紐帶。 按照傳送信息的類型，總線分為：數(shù)據(jù)總線(用于傳送數(shù)據(jù),位數(shù)等于機器字長)、地址總線(用來傳送存儲單元或輸入輸出接口的地址信號，位數(shù)決定存儲器的最大容量,如24位總線的尋址數(shù)為224=16M個地址 )、控制總線(傳送控制器的各種控制信號 )。 按照總線在計算機中的位置可以分為內(nèi)部總線和外部總線。,微機的結(jié)構(gòu)示意圖,ISA總線：工業(yè)標準總線，16位，8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率8Mb/s，尋址空間1MB，常用于80286至80486微處理器 PCI總線：外部設(shè)備互聯(lián)總線，Intel公司1991年推出，32或64位，33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率133Mb/s，常用于Pentium微處理器 AGP是Intel公司推出的新一代圖形顯示卡專用總線，AGP顯示卡同主板芯片組直接相連，大幅提高了電腦對3D圖形的顯示能力，32位，66.6MHz，其視頻信號的傳送速率可以從PCI總線的133MB/s提高到266 MB/s、 533MB/s、1.064 GB/s和2.128GB/s。,12,微型機主機的物理構(gòu)成,微型計算機的主機板,北橋芯片提供對CPU、內(nèi)存、AGP顯卡等高速部件的支持以及與PCI總線的橋接； 南橋芯片提供對鍵盤接口、鼠標接口、實時時鐘控制器、串行口、并行口、USB接口及磁盤驅(qū)動器接口的支持，以及與ISA總線的橋接。,BIOS是一組有關(guān)微機系統(tǒng)最重要的基本輸入輸出程序，固化在微機主板上的一個ROM芯片中。 BIOS功能主要有： 上電自檢。微機接通電源后，系統(tǒng)首先由POST程序來對內(nèi)部各個設(shè)備進行檢查。 系統(tǒng)初始化(含可編程接口芯片的初始化)，設(shè)置BIOS中包含的中斷服務(wù)程序的中斷矢量 啟動自舉程序。將操作系統(tǒng)中的初始引導程序裝入內(nèi)存，并由引導程序來完成操作系統(tǒng)的順利啟動。 BIOS系統(tǒng)設(shè)置程序。,13,BIOS,請問計算機硬件與操作系統(tǒng)之間是通什么連接的呢？ BIOS是什么意思？,14,BIOS的簡介,BIOS是計算機硬件與操作系統(tǒng)的接口 BIOS的全稱為Base Input Output Sytem, 叫基本的輸入輸出系統(tǒng) BIOS既屬于軟件又屬于硬件，它的主體是程序和數(shù)據(jù)，本質(zhì)是軟件；而用來存儲它的Flash ROM芯片才是硬件 那我們叫它硬件？軟件？,15,我們來回答上面的問題，如果把它分開軟件與硬件的屬性都有這樣就不好叫了，因此在在文獻中把BIOS歸為Firmware固件，這樣似乎更合理,16,BIOS的幾大版本,目前BIOS有三大版本，它們是Award BIOSAMI BIOS Phoenix BIOS等等,17,BIOS功能,1、啟動電腦時：自檢、初始化、加載操作系統(tǒng) 2、程序服務(wù)處理：為應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)提供主要與輸入輸出設(shè)備有關(guān)的服務(wù) 3、硬件中斷處理,18,存儲器 計算機用來存放程序和數(shù)據(jù)的記憶部件，是計算機各種信息（數(shù)據(jù)）存放和交流的中心。,按存儲介質(zhì)分類：半導體器件、磁性材料、光學材料,基本功能：在控制器的控制下按照指令中的地址存入或取出數(shù)據(jù)。,19,存儲器的性能指標 存儲容量: 存儲器容量的基本單位，字節(jié) Byte 8 位。,1 KB 1024 Bytes 1 MB 1024 KB 1 GB 1024 MB 1 TB 1024 GB K（千）、M（兆）、 G（千兆，吉）、T（兆兆，太拉）,20,存儲周期（速度）: 對內(nèi)存進行一次讀寫操作，到可進行下一次讀寫操作的全部耗時。,存儲器價格: C/S（總價/容量）,* 三個指標相互制約,21,通用寄存器堆,指令和數(shù)據(jù)緩沖棧,Cache （靜態(tài)隨機存儲器SRAM）,主存儲器（動態(tài)隨機存儲器DRAM）,聯(lián)機外部存儲器（磁盤存儲器等）,脫機外部存儲器（磁帶、光盤、優(yōu)盤）,第1層,第2層,第3層,第4層,第5層,第6層,存儲容量越來越大，每位的價格越來越便宜,訪問速度越來越快,CPU內(nèi)部,存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),22,存儲器的主要性能特性,* Ms（毫秒），s（微秒），ns（毫微秒） 1s=1000ms，1ms=1000 s,23,存儲器分類 主存（內(nèi)存）： 由中央處理器直接訪問的存儲器，常由兩種半導體芯片 隨機存取存儲器 RAM 和只讀存儲器 ROM 組成。,輔存（外存）： 用來存放大量的暫時不參加運算或處理的信息，可成批的與內(nèi)存交換信息。,24,25,硬盤,磁盤片,磁頭,馬達,磁頭驅(qū)動,輔助電路,26,軟盤,寫保護,27,磁帶,28,光盤驅(qū)動器,29,優(yōu)盤,30,機器指令 是指示計算機如何工作的工作步驟，由一串二進制碼組成，分為操作碼、地址碼、結(jié)果存放地址。,例： 0110000010000001 0110：表示加法操作 000010：源操作數(shù)地址在2號寄存器中。 000001：目的操作數(shù)的地址在1號寄存器中。,指令的含義：將2 號寄存器中的數(shù)據(jù)與1號寄存器中的數(shù)據(jù)相加，其結(jié)果存放在號寄存器中。,31,指令系統(tǒng) 一臺計算機中，所有機器指令的集合，稱為指令系統(tǒng)。,* 指令系統(tǒng)是軟件設(shè)計者的最底層設(shè)計語言；是硬件設(shè)計者的依據(jù)。,32,CISC 與 RISC 從微處理器的指令系統(tǒng)來看，有 2 種分支走向，一個是 CISC，一個是 RISC。,CISC（即復雜指令系統(tǒng)計算機）：最初，人們?yōu)榱烁杂?、方便地編寫程序，希望指令的類型更多、功能更完善，而使指令系統(tǒng)變得越來越復雜，長短也不一。這就是 CISC 形成的由來。,33,于是，人們提出了 RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機） 方案。該方案只保留了為數(shù)不多的簡單指令并統(tǒng)一了指令中所包含的基本操作數(shù)目，也就是使指令長短基本一致，以便于使用流水線，,20 世紀 70 年代中期，人們發(fā)現(xiàn) CISC 中只有20 的指令被頻繁使用，其余的 80 則難得一用，這部分指令正是使程序執(zhí)行時間變長的癥結(jié)所在。,34,微處理器執(zhí)行一條指令往往要分若干步完成，這相當于加工一個零件需要若干工序。CISC 的 指令長短參差不齊，無法使用流水線，而 RISC 的指令長短一樣，包括的工序(操作)數(shù)也一樣，可以放在流水線上執(zhí)行。如果有一條 4 工位的流水線，便可把 4 條指令同時放在流水線的不同工位上順序地前進。每一時鐘周期 (相當于流水線的加工節(jié)奏) ，便可同時完成 4 個工位的操作，這就使處理器的速度提高了 3 倍。,35,盡管 RISC 的性價比比 CISC 好得多，但由于CISC 長期積累起來的軟件資源很難一下子移植到 RISC 上，所以，長期以來形成了工作站領(lǐng)域使用 RISC 微處理器，如 SPARC、MIPSx000，PC 機領(lǐng)域使用 CISC 微處理器這種兩者并存的局面。在此期間，CISC 也不斷汲取 RISC 技術(shù)以提高自己的競爭力，如從奔騰開始也采用流水線技術(shù)。,36,程序 為解決某個問題而設(shè)計的一個有序指令的集合。,例： 0110000010000001 (加法) 0110000010000001 (加法) 0100000001000010 (減法) 0100000001000010 (減法),37,存儲程序和程序控制原理 將事先編制