计算机的基本结构和工作原理.ppt

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1、大学计算机基础,第一讲 4.1 计算机的基本结构,4.1.1 计算机的逻辑（功能）结构,一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的，人类通过计算机软件使用计算机。通过软件的包装，人们可以不必太多地了解机器本身的结构与原理，就可以方便灵活地使用计算机。 认识和理解计算机硬件系统的基本构成和工作原理，有利于在此基础上更好地理解软件系统中的各种概念，以及各种操作要求的必然性。从而，深刻认识计算机及其操作使用。 硬件（Hardware）系统是构成计算机的物理装置，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。硬件是整个系统运行的物理平台，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精度、可靠性等，很大程

2、度上取决于硬件的配置。,图4.1 计算机硬件系统的基本结构。,现代电子计算机的奠基人：,英国科学家艾兰图灵（Alan Mathison Turing） 图灵机（Turing Machine ，TM）：1936年提出了现代通用数字计算机的数学模型。这是一个描述计算步骤的数学模型，使用这种抽象计算机可以把复杂的计算过程还原为十分简单的操作 图灵测试（Turing Test）：1950年，如果一台机器对于质问的响应与人类做出的响应完全无法区别，则该机器就具有智能。它奠定了人工智能的理论基础。,美籍匈牙利科学家冯诺依曼（Von Neumann）,在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，可

3、以归纳为如下几点： （1）计算机硬件设备由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并对其基本功能做了规定。 （2）计算机内部采用二进制数码来表示指令和数据，每条指令由一个操作码和一个地址码组成，其中操作码表示所做的操作性质，地址码则指出被操作数在存储器中的存放地址。 （3）采用存储程序的概念，即将编制好的程序（由计算机指令组成的序列）和原始数据存入计算机的主存储器中，使计算机在工作时能够连续、自动、高速地从存储器中取出一条条指令执行。,CPU,冯诺依曼设计思想确立了现代计算机的基本结构，并第一次提出了“存储程序”的概念。,图4.2 冯诺依曼计算机结构示意图,运算器又称算术逻

4、辑部件（ALUArithmetical Logic Unit），是进行算术运算和逻辑运算的部件。 算术运算：指按照算术规则进行的运算，如加、减、乘、除、求绝对值等； 逻辑运算：泛指非算术性质的运算，如比较大小、移位、逻辑加等。 运算器在控制器的控制下，对取自内存储器的数据进行算术和逻辑运算。在计算机中，各种复杂的运算被分解为一系列算术运算和逻辑运算，由ALU执行。运算器每次执行什么操作是由当前指令的操作码来确定的。,1）运算器,2）控制器,控制器（Controller）是计算机的控制指挥中心，计算机的神经中枢。它的基本功能是从内存储器中取出指令并对指令进行分析、判断，并根据指令发出相应的各种控

5、制信号，使计算机的有关设备或电子器件有条不紊地协调工作 ，保证计算机能自动、连续地工作。 中央处理器即CPU（Control Processing Unit ）：控制器和运算器合称为CPU，是计算机的核心部件。CPU中还包括若干寄存器，用来存放运算过程中的各种数据、地址或其他信息。,寄存器的种类很多，主要的有： （1）通用寄存器 向ALU提供运算数据，或保留运算结果。一般CPU有多个通用寄存器。 （2）累加器A 这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器，有重复累加数据的功能。 （3）程序计数器PC 存放将要执行的指令的地址。 （4）指令寄存器IR 存放根据PC的内容从内存储器中取出的指令。,存储

6、器（Memory）是有记忆能力的部件，用来保存程序和数据。,3）存储器,内存储器（也称主存储器，简称内存或主存）可以和CPU直接相连，用来存放当前要执行的程序和数据，以便快速向CPU提供信息。内存储器一般采用半导体材料制造。 外存储器（也称辅助存储器，简称外存），一般需要通过特殊接口与CPU连接。外存储器用来存放当前暂不参加运行而又需要长期保留的程序和数据。存放在外存的程序必须调入内存才能运行。软盘、硬盘和光盘都属于外存储器。,将信息存入存储器谓之“写入”（Write）； 从存储器取出信息称为“读出”（Read）。,存储器的操作有写入操作和读出操作两种：,为了便于对存储器中存放的信息进行管理，

7、整个内存被划分成许多存储单元，每个存储单元都有一个编号，此编号称为地址（Address）。,位、字节 、字等,（1） 位(bit，缩写为b)：二进制的每一位(“0”或“1”)是二进制信息的最小单位。,（2） 字节(Byte,缩写为B)：一个字节由8位二进制代码组成，它们从左到右排列为： b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 其中b7 是最高位，b0是最低位。 字节是信息存储的基本单位，存储单元的地址也通常按字节编排。,（3) 字(Word)：又称计算机字，是可作为独立的信息单位进行处理的若干位的组合，其包含的二进位个数称为字长。字长一般是字节的整数倍。,存储器的容量指它能存放的二进制

8、位或字节数，常用的计量单位有KB（千字节，K为210），MB（兆字节，B为220），GB（千兆字节，G为230）等。,4）输入设备 输入设备就是将程序、命令或数据等信息输入到计算机的装置。输入设备把它们转换成计算机能够识别的形式，存放在内存中。常用的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪等。 5）输出设备 输出设备是将计算机处理后的结果（通常在内存）进行输出的设备。输出结果要转换成人们能够接受的形式，例如数据、文字、图形、表格等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。,就是计算机各部件之间传送信息的公共通道，使构成计算机的各功能部件成为一个可工作的系统，,图4.3总线与各功能部件的连接示意

9、图。,6）总线（BUS）,412 微型计算机的组成,1）CPU,1971年，Intel 公司把运算器和逻辑控制功能集成在一起，用一片芯片实现了中央处理器的功能，制成了世界上第一片微处理器（MPU Micro Processing Unit）Intel 4004。它再加上存储器组成了4位微型电子计算机MCS-4，随后，许多公司竞相研制微处理器，相继推出了8位、16位、32位微处理器。,1981年美国IBM公司推出采用Intel微处理器芯片的IBM PC（personal computer）个人计算机，随后又相继推出IBM PC XT、PC 286、386、486、Pentium和Pentium

10、Pro等一系列微型计算机。,Apple公司一直坚持开发自己的PC机系列，如Apple和Apple等8位PC机以及包括多种机型的Macintosh（简称Mac）系列，以其独特的界面风格，在16位和32位PC机市场上也占有一席之地。,DEC公司推出的Alpha 211，IBM、Motorola、Apple三家公司联合推出的Power-PC体系结构均为64为微处理器芯片,衡量CPU性能的主要技术指标有：,（1）CPU字长 指CPU内部各寄存器之间一次能够传送的数据位，即在单位时间内能一次处理的二进制数的位数。该指标反映CPU内部运算处理的速度和效率。 （2）运算速度 用每秒钟能够执行多少条指令来表示

11、。通常用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并以MIPS（Million Instructions Per Second）作为计量单位；或用每秒浮点运算次数FLOPS（ Floating Point Operation Per Second）来表示。 （3）工作频率 CPU的工作频率也称为CPU的主频，指CPU内核电路的实际运行频率，主频越高，其处理速度也越快。 （4）CPU的生产工艺技术 通常用m来描述，精度越高表示其生产工艺越先进，在同样体积的硅材料上可以集成的元件也越多，主频也越高。,2）内存储器,内存一般使用半导体材料制造，存取速度较快，容量较小，成本较高；而外存通常以磁性材料和其他材

12、料制造，容量较大，速度较慢，成本较低。,暂存中间结果,Cache,通常指内存,与CPU的通信需要经过专门的接口,内存按其功能特征可以分为：,1. 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM） 可以被随机访问，大多采用MOS型半导体集成电路芯片制成。当关机或断电时，保存在存储器中的信息将随之丢失。又分为： （1）静态随机存取存储器（SRAM）：它的体积较大，功耗大，制造成本较高，价格较贵；但是存取速度快，能与CPU芯片的工作保持同步，适合用作高速缓冲存储器。 （2）动态随机存取存储器（DRAM）：集成度高，功耗低，作成本较低，被广泛采用作为主存。,2. 只读存储器（Read

13、 Only Memory，ROM）两类。 只读存储器是一种只取不存的存储器。一般由计算机制造厂家将信息写入ROM中，用户是无法修改的。即使停电，ROM中的信息也不会丢失，是非易失性存储器。,（2）高速缓冲存储器（Cache）,Cache设立的依据是程序访问的局部性原理，即在一个较短时间间隔内，CPU执行的指令和处理的数据往往集中存放在存储器的局部范围内，对该局部范围的存储器地址访问频繁，而此范围外的地址访问较少。如果把在一定地址范围内被频繁访问的指令和数据从内存复制到Cache中，当CPU要访问内存中的数据时，先在Cache中进行查找，若Cache中有CPU所需的数据（称为“命中”），CPU就

14、直接从Cache中读取；否则再从内存中读取，并将与该数据相关的一部分内容复制到Cache中。这样在一个时间间隔内，CPU将不会或很少去访问速度较慢的内存，可以加快程序的运行。,3）系统主板,主板上的部件包括控制芯片组、CPU、Cache、BIOS芯片、I/O接口、内存储器插槽、总线扩展槽、键盘和鼠标接口、软盘接口、IDE（ATA）接口（用于连接硬盘和光驱）、可充电电池以及各种开关和跳线等。一体化主板上还有多媒体和通信设备接口。,图4.8是系统主板的布局结构。,4）总线与接口,计算机的各个功能部件是通过总线实现相互通信的，总线的主要特征是共享传输介质。 接口是外部设备与计算机连接的端口。,1.

15、总线分为三种： （1）数据总线DB（Data Bus） 用来传送数据，其位数一般与微处理器字长相同。数据总线具有双向功能。通过它可以实现CPU、存储器和输入输出接口之间的数据交换。 （2）地址总线AB（Address Bus）用来传送地址信息。它是单向传送的，用来把地址信息从CPU单向地传送到存储器或IO接口，指出相应的存储单元或IO设备。16位AB能直接寻址的存储空间为216，存储地址编址范围为0000HFFFFH。,（3）控制总线CB（Control Bus）用来传输控制信号。这些控制信号控制着计算机按一定的节拍，有规律地自动工作。控制总线的多少因不同性能的CPU而异。,目前微型计算机上常

16、见的总线结构有：, ISA（Industry Standara Architecture）总线 ISA是工业标准结构总线，数据传送宽度是16位，工作频率为8MHz，数据传输速率最高为8MB/s，寻址空间为1MB。它在80286至80486时代广泛应用，现在的机器中也还保留有ISA总线插槽。, PCI（Peripheral Component Interconnect）总线 外部设备互联总线PCI，也称局部总线，它在CPU与外部设备之间提供了一条独立的数据通道，使每种设备都能直接与CPU联系，各种设备都能同时工作。数据传送宽度是32/64位，, AGP（Accelerated Graphics

17、Port）总线 AGP总线是为了适应图象和视频传输的需要而推出的总线，又称加速图形端口总线。总线宽度为32位。,2 计算机与外部设备接口,必须使用外部接口的原因： CPU和I/O设备两者的信息类型和格式不一样,必须通过I/O接口来进行缓冲和协调。 CPU与I/O设备信号传输处理信号的速度往往不匹配，信号时序有很大差别，必须通过I/O接口来进行缓冲和协调。,图4.12 微处理器、总线、存储器、接口电路和外部设备的逻辑关系,I/O接口除了完成主机与外设之间的通信之外，还应具有以下功能：, 作为主机与I/O设备传递数据的缓冲。 信号转换功能。 控制和定时功能 错误或状态检测 常见的接口有 串行与并行

18、接口:串行接口在一个方向一次只能传输一位数据，传送一个字节的数据必须一位一位地依次传送。 磁盘接口:在微型计算机中使用最广泛的硬盘接口标准是IDE和SCSI USB接口 IEEE 1394接口：按串行方式通信，数据传输速度极高，适用于各种高速设备。,5）常用输入与输出设备,硬盘的主要性能指标如下：, 容量 以千兆字节为单位，计算公式为： 硬盘容量=磁头数柱面数扇区数扇区容量 存储密度 是指单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量，可用道密度和位密度来表示。 数据传输率 是指单位时间内磁盘与主机之间传送数据的二进制位数或字节数。 平均存取时间 指从发出读写命令后，磁头从原始位置移动到磁盘上

19、所要求读写的记录位置，并准备写入或读出数据所需要的时间。 cache容量 高速缓冲存储器能有效地提高硬盘的数据传输性能，理论上cache的速度越快越好，容量越大越好。目前多为1MB或2MB的。,42 计算机的工作原理,冯诺依曼机工作原理：存储程序和程序控制 存储程序 指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。 程序控制 指计算机运行时能自动地逐一取出程序中一条条指令，加以分析并执行规定的操作。,计算机是依靠硬件和软件的配合进行工作的，计算机工作过程就是指令、程序的执行过程。,421指令和指令系统,1）指令 能够被计算机识别并执行

20、的命令称为指令，指令规定了计算机能完成的某一种操作。 指令由二进制代码组成，可像数据一样存放在计算机的存储器中。一条指令一般包含操作码和操作数两部分。,操作码指明该指令要完成的操作，例如，加法、减法、乘法、除法、取数、存数等。 操作数表示操作对象的内容或所在的存储单元地址。操作数的个数可以是1个、多个或0个（例如停机指令不需要操作数的信息）。,2）指令系统,指令系统：指一台计算机所能执行的全部指令的集合，或称该计算机的机器语言指令系统。 按其功能都可将指令系统分为以下几种类型：,（1）数据传送指令 实现数据在内存与CPU之间的传送。 （2）数据处理指令 实现对数据进行算术运算和逻辑运算。 （3

21、）程序控制指令 实现改变程序执行顺序的功能。 （4）输入输出指令 实现CPU与外部设备之间的数据交换。 （5）其他指令 实现对计算机硬件的管理。,3）（汇编语言）程序,为解决某一个问题而设计的指令序列称为程序。 当人们需要用计算机来解决某个问题时，首先要将问题分解为若干个基本操作，并把每一种基本操作转换成相应的指令，按一定的顺序进行编排。当计算机执行这一指令序列时，就完成了预定的任务。 一台计算机的指令种类是有限的，但是通过人们的精心设计，可以编写出完成各种不同类型问题的程序。,422 指令的执行过程,计算机执行一条指令的过程可以分为几个基本的步骤： （1）取指令 根据程序计数器中的地址，从内

22、存储器中取出指令，并送到指令寄存器中。 （2）分析指令 对指令寄存器中的指令进行分析，由译码器对指令中的操作码部分进行译码，得知该条指令要完成什么样的操作，并转换成相应的控制电位信号；由操作数部分得到操作数。 （3）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号，执行该指令所要求的操作。 （4）取下一条指令，一条指令执行完成后，将下一条要执行的指令地址送入程序计数器。这有两种情况，若按指令的顺序执行，则将程序计数器加1；若发生转移，则将转移地址码送入程序计数器。,图4.23 程序执行过程,以 8086 CPU中的一条加法指令 ADD AX,NUM 为例来分析其执行过程,设该指令存

23、放在地址为0200H 的存储单元中。指令中各部分的含义是： ADD 加法的操作码。 AX 一个通用的寄存器，也称为累加器。AX 既提供操作对象，也用来存放运算结果。 NUM 一个变量或变量的地址，该变量的值是加法运算的另一个操作对象。 所以，该指令执行的操作可以表示成：AX (AX)+(NUM),第1步，根据程序计数器PC中的地址0200H从内存储器中取出指令，并送入指令寄存器,第2步，对指令寄存器中的指令进行分析，由译码器译码得知该指令需做加法操作，其中一个操作数在累加器AX中（假设为12），另一个操作数的地址为NUM。,第3步，由地址NUM从内存储器中取出操作数23，送往运算器。,第4步，累加器AX中的操作数12送往运算器,进行加法运算。 第5步，加法运算的结果35，送入累加器中。,第6步，程序计数器PC的值调整为下一条要执行的指令地址。,如果取指令、分析指令和执行指令这三个步骤由不同的功能部件来完成，而且使三个功能部件并行工作，计算机执行程序的速度将大大提高。,当第1条指令被取出进入指令分析部件时，取指令部件可从内存储器中取出第2条指令；而当第1条指令进入指令执行部件时，分析指令部件将对第2条指令进行分析，取指令部件又将取出第3条指令。,