計算機(jī)的部件

第四講：計算機(jī)的部件

主講教師：寧德瓊硬件層第2部分硬件層硬件層在計算機(jī)系統(tǒng)的位置

介紹數(shù)理邏輯進(jìn)行邏輯電路的設(shè)計基礎(chǔ)，介紹二進(jìn)制與其它進(jìn)制轉(zhuǎn)換、分析門、電路的構(gòu)成計算機(jī)部件本章討論的主要問題是：

1.現(xiàn)代計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)以存儲器為核心，如何評價存儲器的性能？存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)是什么？如何理解內(nèi)存？

2.處理器的主要工作是執(zhí)行程序，處理器是如何工作的？

3.輸入/輸出設(shè)備的作用是什么？都有哪些常用輸入/輸出設(shè)備？情景問題——計算機(jī)的基本配置

你使用過的計算機(jī)的具體配置是什么？雖然計算機(jī)技術(shù)有了很大變化，但是組成計算機(jī)的基本部件仍然是處理器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。http:///CPU_Brand.htmlCPU存儲器馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)內(nèi)存儲器運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備輸入設(shè)備外存儲器程序數(shù)據(jù)存數(shù)取數(shù)輸入命令輸出命令取數(shù)存數(shù)存取命令取指令運(yùn)算命令運(yùn)算狀態(tài)數(shù)據(jù)交換計算結(jié)果計算機(jī)部件存儲器的性能指標(biāo)：（1）存儲容量：存儲器可以容納的二進(jìn)制信息總量。（2）存取速度：用存取時間（CPU發(fā)出有效存儲地址啟動一次存儲器讀/寫操作，到讀/寫操作完成所經(jīng)歷的時間）和存取周期（連續(xù)啟動兩次獨立的存儲器讀/寫操作所需的最小時間間隔）兩個參數(shù)來衡量。（3）每位價格：存儲器的價格與存儲容量的比。計算機(jī)部件——存儲器存儲器的層次結(jié)構(gòu)存儲器的層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)部件——存儲器計算機(jī)中存儲器主要功能是什么？為什么要把存儲系統(tǒng)分為Cache、主存、外存不同層次？內(nèi)存儲器計算機(jī)部件——存儲器內(nèi)存儲器也稱為內(nèi)存或主存，它直接與CPU相連，存儲容量較小，但存取速度較快，用于保存正在使用（或經(jīng)常使用）的程序和數(shù)據(jù)。000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010地址存儲單元存儲單元的信息………存儲單元是可管理的最小單位，典型的存儲單元是一個字節(jié)。存儲單元的編號稱為地址，一般從0開始連續(xù)編號。111000111000110111101000001100100000000000000001111111011111111011111111………內(nèi)存儲器計算機(jī)部件——存儲器將內(nèi)存與賓館的房間進(jìn)行類比：位——床位一個二進(jìn)制位可以存儲一個二進(jìn)制數(shù)

——一張床可以容納一個人存儲單元——房間內(nèi)存地址——房間號內(nèi)存容量——床位總數(shù)。1010101000110010內(nèi)存儲器計算機(jī)部件——存儲器000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010………向存儲器里存入信息也稱為寫入，寫入的新內(nèi)容覆蓋了原來的舊內(nèi)容；從存儲器里取出信息也稱為讀出，信息讀出后并不破壞原來存儲的內(nèi)容，因此，信息可以重復(fù)取出。存儲位不能是空的，必須存放0或1，換言之，任意時刻存儲單元的內(nèi)容都不能是空的，一定是0和1的編碼。數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的指令在邏輯上是相同的，它們存儲在相同的地方——內(nèi)存。

表示什么？000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010………內(nèi)存儲器計算機(jī)部件——存儲器可能是用于計算的數(shù)值數(shù)據(jù)，可能是表示文本字符的編碼，可能是圖像的一部分，也可能是操作數(shù)據(jù)的指令。如果沒有明確的上下文環(huán)境，我們無法正確回答這個問題。內(nèi)存儲器有兩種：隨機(jī)存儲器RAM和只讀存儲器ROM。隨機(jī)存儲器RAM又稱為易失性存儲器，RAM保存的信息在斷電后就會消失。只讀存儲器ROM又稱為非易失性存儲器，一般情況下，ROM中的信息是固化的，計算機(jī)只能從ROM中讀取信息，如BIOS。內(nèi)存儲器大部分是RAM，RAM是內(nèi)存性能的決定性因素。內(nèi)存儲器計算機(jī)部件——存儲器

外存儲器也稱為輔助存儲器（或簡稱外存、輔存），它只能和內(nèi)存儲器交換信息，在脫機(jī)狀態(tài)下不能被計算機(jī)系統(tǒng)的其他部件直接訪問。外存儲器的存儲容量大，但存取速度較慢，一般用來存放大量暫時不用的數(shù)據(jù)和程序，需要時，可以成批地和內(nèi)存儲器進(jìn)行信息交換。外存儲器計算機(jī)部件——存儲器聯(lián)機(jī)（on-line）意味著設(shè)備已經(jīng)與計算機(jī)相連，不需要人的干預(yù)就可以使用；脫機(jī)（off-line）意味著設(shè)備在被計算機(jī)使用之前需要人的干預(yù)——或許需要將這個設(shè)備接通電源，或許需要將這個設(shè)備與計算機(jī)相連接。常用的外存儲器有磁帶、硬盤、光盤、優(yōu)盤、移動硬盤等。外存儲器計算機(jī)部件——存儲器高速緩沖存儲器隨著硬件制造水平不斷提高，計算機(jī)的內(nèi)存容量越來越大，速度越來越快，但內(nèi)存的存取速度與CPU的處理速度相比仍有很大差距。高速緩沖存儲器（Cache，簡稱緩存）介于內(nèi)存和CPU之間，位置可以在CPU芯片的內(nèi)部，也可以在CPU芯片的外部。

Cache的存取速度比內(nèi)存快，但價格昂貴，能夠以接近CPU的速度向CPU提供程序指令和數(shù)據(jù)。計算機(jī)部件——存儲器高速緩沖存儲器高速緩沖存儲技術(shù)基于程序執(zhí)行的局部性原理（程序的執(zhí)行在一段時間內(nèi)總是集中在程序代碼的一個小范圍內(nèi)）。因此當(dāng)CPU讀取內(nèi)存中某一地址的指令時，計算機(jī)就自動地將與該地址相近的一段代碼從內(nèi)存?zhèn)魉偷骄彺嬷小?nèi)存CPUCache計算機(jī)部件——存儲器總線：計算機(jī)內(nèi)部傳輸指令、數(shù)據(jù)和各種控制信息的公共信息通道，是計算機(jī)系統(tǒng)的骨架。計算機(jī)的各部件通過總線連接在一起。從物理角度看，總線就是一組電導(dǎo)線，這組電導(dǎo)線直接印制在電路板上延伸到各個部件?？偩€計算機(jī)部件——CPU總線寬度運(yùn)算器又稱算術(shù)邏輯單元（ArithmeticLogicUnit,ALU），是計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件。（它主要是由算術(shù)邏輯部件和寄存器組成。）計算機(jī)所做的每一件事情都是一系列極其簡單而又極其快速的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的結(jié)果。運(yùn)算器在控制器的控制下完成對二進(jìn)制數(shù)的加、減、乘、除等基本算術(shù)運(yùn)算和與、或、非等基本邏輯運(yùn)算。運(yùn)算器主要由算術(shù)邏輯運(yùn)算部件和寄存器組成。算術(shù)邏輯運(yùn)算部件是可以執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的邏輯電路，具體執(zhí)行哪一種運(yùn)算則由控制器發(fā)來的控制信號決定。寄存器用來保存算術(shù)邏輯運(yùn)算部件正在處理的數(shù)據(jù)，運(yùn)算結(jié)果可以暫存在寄存器中，也可以送到指定的內(nèi)存單元中。計算機(jī)部件——CPU運(yùn)算器一次能處理數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)稱為字（word），一個字所包含的二進(jìn)制位數(shù)稱為字長。字長越長，計算機(jī)的處理能力就越強(qiáng)。一般來說：大型機(jī)字長在128～256之間；小型機(jī)字長在64～128之間；微型機(jī)字長在32～64之間。計算機(jī)部件——CPU程序計數(shù)器用來對程序中的指令進(jìn)行計數(shù)，使得控制器能夠依次讀取指令；指令寄存器在指令執(zhí)行期間暫存正在執(zhí)行的指令；指令譯碼器用來識別指令的功能，分析指令的操作要求，將指令翻譯成控制信號；時序控制電路用來生成時序信號，以協(xié)調(diào)在指令執(zhí)行周期內(nèi)各部件的工作；微操作控制電路用來產(chǎn)生各種控制操作命令?？刂破鞯幕緲?gòu)成計算機(jī)部件——CPU微操作命令下一條指令的地址指令寄存器操作碼地址碼時序控制電路指令譯碼器

微程序控制電路……來自于內(nèi)存的指令地址形成電路操作數(shù)地址程序計數(shù)器＋1控制器的基本構(gòu)成計算機(jī)部件——CPU指令的執(zhí)行過程控制器（2）分析指令（1）取指令讀取運(yùn)算器（3）執(zhí)行指令執(zhí)行內(nèi)存譯碼第5章計算機(jī)部件——CPU如何啟動一個程序的執(zhí)行？程序的執(zhí)行過程計算機(jī)部件——CPU例5.3假設(shè)要把存放在地址為6A和6C的存儲單元中的數(shù)相加，結(jié)果存放在地址為6E的存儲單元中，指令編碼含義

156A把地址為6A的存儲單元中的數(shù)取出裝入寄存器5166C把地址為6C的存儲單元中的數(shù)取出裝入寄存器65056把寄存器5和6的數(shù)相加，結(jié)果存入寄存器0306E把寄存器0中的數(shù)存放到地址為6E的存儲單元中

C000停止啟動程序：將該程序裝入內(nèi)存中，并且把程序的第一條指令所在的地址放在程序計數(shù)器中，從而啟動該程序的執(zhí)行。程序的執(zhí)行過程計算機(jī)部件——CPU控制器開始一個機(jī)器周期，首先執(zhí)行取指令，把存放在地址A0的指令取出并送入指令寄存器，并預(yù)置程序計數(shù)器為下一條指令的地址。程序的執(zhí)行過程第5章計算機(jī)部件——CPU其次，控制器分析指令寄存器中的指令為傳送操作；再次，控制器執(zhí)行指令完成把地址為6A的存儲單元的數(shù)據(jù)取到寄存器5中。程序的執(zhí)行過程計算機(jī)部件——CPU機(jī)器周期操作2取指令從地址A2開始的內(nèi)存單元讀取指令送到指令寄存器，程序計數(shù)器加2分析指令控制器分析指令寄存器中的指令166C執(zhí)行指令把地址為6C的存儲單元的數(shù)據(jù)取到寄存器6中3取指令從地址A4開始的內(nèi)存單元讀取指令送到指令寄存器，程序計數(shù)器加2分析指令控制器分析指令寄存器中的指令5056執(zhí)行指令啟動算術(shù)運(yùn)算部件實現(xiàn)加法操作，把結(jié)果存放在寄存器0中4取指令從地址A6開始的內(nèi)存單元讀取指令送到指令寄存器，程序計數(shù)器加2分析指令控制器分析指令寄存器中的指令306E執(zhí)行指令將寄存器0中的內(nèi)容寫入地址是6E的內(nèi)存單元5取指令從地址A8開始的內(nèi)存單元讀取指令送到指令寄存器，程序計數(shù)器加2分析指令控制器分析指令寄存器中的指令C000為停止指令執(zhí)行指令控制器在這個機(jī)器周期的執(zhí)行步停止，程序執(zhí)行完畢計算機(jī)部件——CPU給程序計數(shù)器置初值A(chǔ)1，會如何執(zhí)行？程序的執(zhí)行過程計算機(jī)部件——CPUCPU只會忠實地執(zhí)行命令，這也是計算機(jī)病毒、木馬、黑客存在的根源?？傮w上講，輸入設(shè)備接收來自用戶的數(shù)據(jù)和程序并轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以識別的二進(jìn)制形式。由于現(xiàn)實世界信息的形式各種各樣，因此需要設(shè)計各種輸入設(shè)備把這些多樣的信息數(shù)字化。輸入設(shè)備計算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備觸摸屏鼠標(biāo)手寫輸入游戲桿輸入設(shè)備計算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備掃描儀條形碼讀入與光學(xué)符號識別數(shù)碼相機(jī)光學(xué)字符識別輸入設(shè)備計算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備總體上講，輸出設(shè)備將計算機(jī)內(nèi)部的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換成人們可以理解的形式提供給用戶。輸出設(shè)備可以分為兩類：軟拷貝和硬拷貝。軟拷貝是臨時性的，沒有實體性的東西留下來，例如在顯示器上看到的文章或電影；硬拷貝是可以觸摸和攜帶的，通常是以紙張等形式保留下來。例如用打印機(jī)把文檔打印出來。輸出設(shè)備計算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備計算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備

接口的作用：協(xié)調(diào)主機(jī)與外部設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸速度的差異。接口：計算機(jī)系統(tǒng)中兩個硬件設(shè)備之間的邏輯電路，是各組成部分之間進(jìn)行信息交換的功能部件。輸入/輸出接口外設(shè)主機(jī)I/O接口外設(shè)識別數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)地址信息數(shù)據(jù)（并）控制信息數(shù)據(jù)（并/串）計算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備

接口的作用：協(xié)調(diào)主機(jī)與外部設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸速度的差異。接口：計算機(jī)系統(tǒng)中兩個硬件設(shè)備之間的邏輯電路，是各組成部分之間進(jìn)行信息交換的功能部件。輸入/輸出接口計算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備串行接口（串口）：外設(shè)和接口之間的信息按位進(jìn)行傳送。并行接口（并口）：外設(shè)和接口之間是按字節(jié)或字進(jìn)行傳送。串口和并口：接口和主機(jī)之間都是以字節(jié)或字為單位進(jìn)行傳送。

USB接口（通用串行總線）：其目的是使所有的低速外設(shè)都可以連接到統(tǒng)一的USB接口上。輸入/輸出接口計算機(jī)部件——輸入/輸出設(shè)備微型計算機(jī)硬件系統(tǒng)主機(jī)的基本組成主板

CPU

存儲器：內(nèi)存、外存各種接口資料閱讀:

主板圖解FLASH演示：

微型計算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)演示

主板上各器件組裝演示板載功能板載功能一般附加許多原來由各種類型的卡所承擔(dān)的功能一般來說，板載功能有：聲卡、顯示卡、網(wǎng)卡、IEEE1394卡等PC99規(guī)范要求主板各接口必須采用有色識別標(biāo)識，方便識別1.

系統(tǒng)主板微機(jī)中最大的一塊集成電路板微機(jī)中各種部件的連接載體主板主要有：

CPU插座 控制芯片組 BIOS芯片

內(nèi)存條插槽、 AGP總線擴(kuò)展槽 PCI局部總線擴(kuò)展槽

其它各種接口CPU插座內(nèi)存插槽PCI插槽串行接口網(wǎng)絡(luò)接口USB接口AGP插槽2.CPU(1)CPU主要性能指標(biāo)

CPU的位數(shù)=CPU的字長=CPU中通用寄存器的位數(shù)(位寬)

字：在計算機(jī)中，作為一個整體參與運(yùn)算、處理和傳送的一串二進(jìn)制數(shù)，稱為一個“字”。

字長：組成“字”的二進(jìn)制數(shù)的“位數(shù)”，稱為“字長”。

通用寄存器的位數(shù)：等于字長例如：32位CPU=CPU的字長為32=CPU中通用寄存器為32位

CPU外頻：CPU總線頻率

CPU主頻：CPU的時鐘頻率、CPU的工作頻率生產(chǎn)工藝技術(shù)：通常用微米μm數(shù)字來描述(2)Intel當(dāng)前主要微處理器Pentium(奔騰)系列

PentiumPentiumMMX

Pentium2

Pentium3

Pentium4

PentiumM

PentiumD

當(dāng)今主流CPUCeleron(賽揚(yáng))系列

Itanium(安騰)系列

Xeon(至強(qiáng))系列

Banias(迅馳)系列

(3)早期使用過的CPU(Intel)1971年40044位1972年

80088位1978年808616位1982年8028616位1985年8038632位1989年8048632位1993年P(guān)entium32位1995年P(guān)entiumPro32位

1999年P(guān)entiumIII32位2000年P(guān)entimu432位1997年P(guān)entiumII32位1996年P(guān)entiumMMX32位(4)國產(chǎn)CPU—龍芯

標(biāo)志著我國在現(xiàn)代通用微處理器設(shè)計方面實現(xiàn)了“零”的突破，打破了我國長期依賴國外CPU產(chǎn)品的無芯的歷史。

3.存儲器程序、數(shù)據(jù)都是存儲放存儲器中內(nèi)存：ROM、RAM

速度快，容量小，價格較高，可由CPU直接訪問。

ROM：可以讀，不可以寫；掉電后數(shù)據(jù)不會丟失

RAM：可以讀，也可以寫；掉電后數(shù)據(jù)丟失外存：磁盤、光盤、優(yōu)盤速度慢，容量大，價格低，CPU不可以直接訪問。Cache①隨機(jī)存取存儲器

RandomAccessMemory，RAMCPU可對它們直接讀寫可以讀，不可以寫；掉電后數(shù)據(jù)不會丟失目前主要是采用動態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM，制作成內(nèi)存條形式出現(xiàn)

(1)內(nèi)存儲器筆記本電腦內(nèi)存條

臺式機(jī)內(nèi)存條FLASH演示：

存儲器寫操作演示

存儲器讀操作演示②只讀存儲器

ReadonlyMemory，ROMCPU對它們只可以讀，不可以寫，斷電時信息不會丟失。

ROM中一般存放計算機(jī)系統(tǒng)管理程序。(2)高速緩沖存儲器Cache

CPU速度快、內(nèi)存速度慢，為了協(xié)調(diào)兩者的速度設(shè)置CacheCache一般采用靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器SRAM構(gòu)成，速度約是DRAM的10倍。

CPUCacheRAMFLASH演示：

Cache工作演示重要概念：磁道扇區(qū)柱面柱面扇區(qū)磁道硬盤片是由涂有磁性材料的鋁合金構(gòu)成讀寫硬盤時，磁性圓盤高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的托力使磁頭懸浮在盤面上而不接觸盤面硬盤容量視具體類型而定硬盤片讀寫磁頭②硬盤資料:硬盤圖解外存儲器特點：容量大、成本低廉、便于攜帶，保存時間長。類型：只讀型光盤CD-ROM

一次性可寫入光盤CD-R需要光盤刻錄機(jī)完成數(shù)據(jù)的寫入可重復(fù)刻錄的光盤CD-RW衡量光盤驅(qū)動器傳輸數(shù)據(jù)速率的指標(biāo)叫做倍速

一倍速率=150kb/s

40倍速光驅(qū)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到40×150kb/s=6Mb/s。

③光介質(zhì)存儲器

資料:

光驅(qū)與光盤

CD-R刻錄機(jī)④移動存儲產(chǎn)品

(a)

移動硬盤

通常由筆記本硬盤和帶有數(shù)據(jù)接口電路的外殼組成

數(shù)據(jù)接口電路有三種：

USB1.1 速度可達(dá)每秒12MBUSB2.0 速度可達(dá)每秒480MBIEEE1394 速度可達(dá)每秒450MB(b)Flash存儲設(shè)備用FlashMemory芯片構(gòu)成的存儲介質(zhì)廣泛用于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、PDA等采用USB的接口可擦寫100萬次以上

USB有兩個規(guī)范：①USB1.1可達(dá)12Mbps。②USB2.0可達(dá)480MbpsUSB2.0可以向下與USB1.1兼容資料:優(yōu)盤總線：微處理器與各部件和外圍設(shè)備共用的連接線路總線與接口處理器存儲子系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)總線分類地址總線:傳輸?shù)刂沸畔?shù)據(jù)總線:傳輸數(shù)據(jù)信息控制總線:傳輸控制信息內(nèi)部總線：連接CPU的各個組成部件（芯片內(nèi)部）系統(tǒng)總線：連接計算機(jī)中各大部件外部總線：連接計算機(jī)和外部設(shè)備連接對象傳輸對象并行總線:通信速度快、實時性好串行總線:簡易、方便、靈活通信方式

總線微處理器地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線內(nèi)存插槽外存接口I/O接口其他I/O主存儲器硬盤等各種外設(shè)鍵盤顯示接口電路微處理器、總線、存儲器、接口電路和外設(shè)邏輯關(guān)系

PCI總線

CPU與外部設(shè)備之間一條獨立的數(shù)據(jù)通道

讓每種設(shè)備都能直接與CPU取得聯(lián)系

PCI總線的數(shù)據(jù)傳送寬度為32位，可擴(kuò)展到64位

工作頻率為33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)133Mb/s顯卡：顯示器通過顯卡與計算機(jī)主機(jī)連接DVI-I輸出VGA輸出TV輸出。(1)聲卡又稱音頻卡，通常集成在主板上。主要功能：①錄制與播放即可以錄音和播放。②編輯與合成處理對進(jìn)行多種特效處理，

例如：加入回聲、倒放、淡入淡出、單聲道放音和左、右聲道交叉放音等。③MIDI接口