第1章計算機組成原理

1、信息技術基礎信息技術基礎第第1 1章章 計算機組成原理計算機組成原理學習目標學習目標n了解計算機組成與分類了解計算機組成與分類n了解了解CPU基本結構基本結構n掌握掌握PC機的主要部件結構機的主要部件結構n了解常用了解常用I/O設備設備1.1.1 計算機的發(fā)展與作用計算機的發(fā)展與作用1.1 計算機組成與分類計算機組成與分類劃分劃分時間時間硬件硬件軟件軟件應用應用第一代第一代1946年年1957年年電子管電子管機器語言機器語言直接管理直接管理科學計算科學計算第二代第二代1958年年 1964年年晶體管晶體管高級語言高級語言管理程序管理程序數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理第三代第三代1965年年 1970年年小、

2、中規(guī)模小、中規(guī)模集成電路集成電路各種高級語各種高級語言言 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)實時控制與實時控制與輔助設計輔助設計第四代第四代1971年年至今至今大、超大規(guī)大、超大規(guī)模集成電路模集成電路面向對象語面向對象語言及交互式言及交互式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)計算機計算機網(wǎng)絡網(wǎng)絡1.1.2 計算機的組成計算機的組成n一個實用的計算機系統(tǒng)是由計算機硬件系統(tǒng)、一個實用的計算機系統(tǒng)是由計算機硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)組成。計算機軟件是指在計算機中運行的各種程序及計算機軟件是指在計算機中運行的各種程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關的文檔。其處理的數(shù)據(jù)和相關的文檔。計算機硬件主要包括：計算機硬件主要包

3、括：CPU、內(nèi)存、外存、輸、內(nèi)存、外存、輸入設備、輸出設備。入設備、輸出設備。計算機硬件系統(tǒng)組成示意圖計算機硬件系統(tǒng)組成示意圖中央處理器外存儲器內(nèi)存儲器輸出設備系統(tǒng)總線輸入設備控制器控制器控制器I/O 接口I/O 接口外存儲器接口運算器與控制器計算機硬件系統(tǒng)功能邏輯關系計算機硬件系統(tǒng)功能邏輯關系計算機計算機硬件硬件中央處理器中央處理器（CPU）內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器外存儲器外存儲器輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備通過系統(tǒng)總線互通過系統(tǒng)總線互相連接相連接主主機機CPUCPU主存儲器主存儲器總線總線外圍設備外圍設備（外設）（外設）外存儲器外存儲器輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備1.1.3 計算機分類計算

4、機分類n根據(jù)計算機中信息表示形式和處理方式劃分根據(jù)計算機中信息表示形式和處理方式劃分 電子數(shù)字計算機、電子模擬計算機和數(shù)字模擬混合計電子數(shù)字計算機、電子模擬計算機和數(shù)字模擬混合計算機算機n根據(jù)計算機用途劃分根據(jù)計算機用途劃分 通用計算機、專用計算機；通用計算機、專用計算機；n根據(jù)計算機規(guī)模劃分根據(jù)計算機規(guī)模劃分 巨型機、大型機、小型機和微型機；巨型機、大型機、小型機和微型機；n根據(jù)計算機結構劃分根據(jù)計算機結構劃分 單片機、單板機和多蕊片機；單片機、單板機和多蕊片機；n根據(jù)計算機字長劃分根據(jù)計算機字長劃分 4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位機；位機；1.2.1

5、 CPU的結構的結構 1.2 CPU的結構與原理的結構與原理寄寄存存器器組組運運算算器器控控 制制 器器指指 令令數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)運算結果運算結果中央處理器中央處理器操作命令操作命令內(nèi)內(nèi) 存存 儲儲 器器指令計數(shù)器指令計數(shù)器指令寄存器指令寄存器CPU執(zhí)行過程執(zhí)行過程外存儲器外存儲器 CPUCPU逐條執(zhí)逐條執(zhí)行指令，按指行指令，按指令要求完成對令要求完成對數(shù)據(jù)的運算和數(shù)據(jù)的運算和處理處理指令指令1指令指令2指令指令k程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器任務啟動時，任務啟動時，執(zhí)行該任務的程執(zhí)行該任務的程序和數(shù)據(jù)從外存序和數(shù)據(jù)從外存成批傳送到內(nèi)存成批傳送到內(nèi)存CPU從內(nèi)存中從內(nèi)

6、存中逐條讀取該程序逐條讀取該程序的指令及相關的的指令及相關的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)將指令的運算將指令的運算處理結果送回內(nèi)處理結果送回內(nèi)存保存存保存任務完成后，將任務完成后，將處理得到的全部結處理得到的全部結果成批傳送到外存果成批傳送到外存以長久保存以長久保存1.2.2指令與指令系統(tǒng)指令與指令系統(tǒng) 在計算機內(nèi)部，執(zhí)行的程序是由一連串指令組成，指令構成在計算機內(nèi)部，執(zhí)行的程序是由一連串指令組成，指令構成程序的基本單位。指令是能使計算機進行基本操作的命令，它程序的基本單位。指令是能使計算機進行基本操作的命令，它是一個數(shù)字化的命令信號。是一個數(shù)字化的命令信號。 每一種處理器都有一組專門設計的指令系統(tǒng)。在現(xiàn)代計算機每

7、一種處理器都有一組專門設計的指令系統(tǒng)。在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中主要有兩大類：系統(tǒng)中主要有兩大類：CISC（復雜指令計算機）和（復雜指令計算機）和RISC（精（精簡指令計算機）。簡指令計算機）。 計算機指令采用二進制表示，其格式為：計算機指令采用二進制表示，其格式為：操作碼操作碼操作數(shù)地址碼操作數(shù)地址碼1.3 PC機的主機機的主機1.3.1 主板、芯片組與主板、芯片組與BIOS鍵盤鼠標器打印機顯示器話筒音箱網(wǎng)線I/O總線I/O接口硬盤，光驅I/O設備主板主板I/O設備I/O適配器（擴充卡）機箱插座板卡插座I/O控制器PCI 總線插槽內(nèi)存主板插槽機箱機箱芯片組芯片組IDE接口CPUCPU鍵盤鼠標器打印機

8、顯示器話筒音箱網(wǎng)線I/O總線I/O接口硬盤，光驅I/O設備主板主板I/O設備I/O適配器（擴充卡）機箱插座板卡插座I/O控制器PCI 總線插槽內(nèi)存主板插槽機箱機箱芯片組芯片組IDE接口CPUCPU1.3 PC機的主機機的主機存儲器插座存儲器插座 處理器處理器I/O接口接口軟驅及軟驅及IDE硬盤連接器硬盤連接器電源連接器電源連接器PCI總線槽總線槽CPU插座插座顯示卡的顯示卡的AGP插槽插槽芯片組芯片組1芯片組芯片組2ROM BIOSCMOS 存儲器存儲器n主板主板 芯片組芯片組 軟驅、硬盤軟驅、硬盤IDEIDE連接器連接器電源連接器電源連接器CPU插座插座內(nèi)存條插座內(nèi)存條插座PCI總線插總線插

9、槽槽 I/O端口端口n 芯片組芯片組(Chipset) 集中了主板上幾乎所有的控制功能，把以前復雜的控制電路和集中了主板上幾乎所有的控制功能，把以前復雜的控制電路和元件最大限度地集成在幾個芯片內(nèi)，是構成主板電路的核心。元件最大限度地集成在幾個芯片內(nèi)，是構成主板電路的核心。一定意義上講，它決定了主板的級別和檔次。一定意義上講，它決定了主板的級別和檔次。Pentium 4CPU總線總線(400或533MHz)82865PMCHAGP 4X雙通道(4.2 GB/s)82801EICH5 USB接口接口(x4)以太網(wǎng)接口PCI 插槽插槽(若干若干)(3.2或4.2GB/s)RDRAMRDRAM(1GB

10、/s) Flash BIOS Ultra ATA/100硬盤接口(x2)IDE(100MB/s)6聲道音頻接口I/O總線總線(133 MB/s)存儲器總線存儲器總線nBIOS BIOS(Basic Input/Output System)它是存放在它是存放在ROM芯片中的一芯片中的一組機器語言程序，具有啟動計算機、診斷計算機故障及控制低組機器語言程序，具有啟動計算機、診斷計算機故障及控制低級輸入輸出操作的功能。級輸入輸出操作的功能。BIOS包含包含4個部分的程序：個部分的程序： POST(Power On Self Test，加電自檢，加電自檢)程序程序; 系統(tǒng)自舉（裝入）程序系統(tǒng)自舉（裝入）

11、程序; CMOS設置程序設置程序; 基本外圍設備基本外圍設備(鍵盤、顯示器、硬盤鍵盤、顯示器、硬盤)的驅動程序的驅動程序1.3.2 內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器n又稱內(nèi)存，直接與又稱內(nèi)存，直接與CPU相連，用來臨時存放等待相連，用來臨時存放等待CPU運行的程序運行的程序和處理的數(shù)據(jù)。和處理的數(shù)據(jù)。n 內(nèi)存由超大規(guī)模集成電路存儲器芯片組成，存取速度快，但容內(nèi)存由超大規(guī)模集成電路存儲器芯片組成，存取速度快，但容量較小量較小(與外存儲器相比與外存儲器相比)。主存儲器又分為。主存儲器又分為RAM和和ROM。 1.3 PC機的主機機的主機 n存儲器層次結構：在塔狀結構中，存取速度塔尖最高，向下存儲器層次結構：在塔狀

12、結構中，存取速度塔尖最高，向下依次降低依次降低。典型存取時間典型存取時間1ns2ns10ns10ms100s1.3.3 I/O總線與總線與I/O接口接口nI/O操作操作 所謂所謂I/O操作，即完成將輸入設備輸入的信息送入主存操作，即完成將輸入設備輸入的信息送入主存儲器的指定區(qū)域，或者將主存儲器指定區(qū)域的內(nèi)容送儲器的指定區(qū)域，或者將主存儲器指定區(qū)域的內(nèi)容送出到輸出設備的任務。其特點為：出到輸出設備的任務。其特點為： I/O操作與操作與CPU的數(shù)據(jù)處理操作并行進行；的數(shù)據(jù)處理操作并行進行； 多個多個I/O設備必須能同時進行工作；設備必須能同時進行工作； 除了鍵盤、顯示器、鼠標器等基本的除了鍵盤、顯

13、示器、鼠標器等基本的I/O設備之外，不同計算設備之外，不同計算 機所配置的機所配置的I/O設備數(shù)量、品種和性能差別很大，且經(jīng)常需要增設備數(shù)量、品種和性能差別很大，且經(jīng)常需要增 減和更新；減和更新；I/O設備的種類繁多，性能各異，操作控制的復雜程度相差很大設備的種類繁多，性能各異，操作控制的復雜程度相差很大，與計算機主機的連接也各不相同。，與計算機主機的連接也各不相同。nI/O總線總線掃描儀掃描儀打印機打印機顯示器顯示器麥克風麥克風網(wǎng)線網(wǎng)線I/O總線總線I/O接口接口硬盤硬盤光驅光驅I/O設備設備CPU主板主板I/O設備設備I/O控制器控制器（擴充卡（擴充卡）機箱機箱插座插座板卡板卡插座插座I/

14、O控制器控制器PCI 插槽插槽內(nèi)存內(nèi)存主主板板插插槽槽機箱機箱芯片組芯片組IDE接口接口I/O設備設備機箱機箱插座插座鍵盤鍵盤鼠標器鼠標器n I/O總線總線I/O總線上有總線上有3種信號種信號:數(shù)據(jù)信號數(shù)據(jù)信號(總線總線)：是：是CPU與內(nèi)存、輸入與內(nèi)存、輸入/輸出接口之間傳輸輸出接口之間傳輸 數(shù)數(shù) 據(jù)的通道；據(jù)的通道；地址信號地址信號(總線總線)：用于傳送內(nèi)存、輸入：用于傳送內(nèi)存、輸入/輸出接口地址數(shù)據(jù)，輸出接口地址數(shù)據(jù)， CPU按此地址尋找數(shù)據(jù)；按此地址尋找數(shù)據(jù)；控制信號控制信號(總線總線)：傳送：傳送CPU發(fā)出發(fā)出/接收的控制信號；接收的控制信號；I/O總線的帶寬總線的帶寬(總線的數(shù)據(jù)傳輸速率總線的數(shù)據(jù)傳輸速率):單位時間內(nèi)總線上可傳單位時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量送的數(shù)據(jù)量(字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù))?？偩€帶寬?？偩€帶寬(MB/s)=(數(shù)據(jù)線寬度數(shù)據(jù)線寬度/8)總總線工作頻率線工作頻率(MHz)。n I/O設備接口設備接口 I/O設備接口：計算機中用于連接設備接口：計算機中用于連接I/O設備的各種插頭設備的各種插頭/插座插座 以及相應的通信規(guī)程及電器特性，就稱為以及相應的通信規(guī)程及電器特性，就稱為I/O設備