计算机组成原理PPT课件课件

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1、教育信息化计算机组成原理PPT课件1第二章第二章计算机组成原理计算机组成原理教育信息化计算机组成原理PPT课件2第二章第二章计算机组成原理计算机组成原理2.1 2.1 计算机的组成与分类计算机的组成与分类 2.2 CPU2.2 CPU的结构与原理的结构与原理2.3 PC2.3 PC机的主机机的主机2.4 2.4 常用输入设备常用输入设备2.5 2.5 常用输出设备常用输出设备2.6 2.6 外存储器外存储器计算机组成原理PPT课件32.1 2.1 计算机的组成与分类计算机的组成与分类1 1、计算机的发展与作用、计算机的发展与作用2 2、计算机的组成、计算机的组成3 3、计算机的分类、计算机的分

2、类4 4、微处理器和嵌入式计算机、微处理器和嵌入式计算机计算机组成原理PPT课件42.1.1 2.1.1 计算机的发展与作用计算机的发展与作用计算机组成原理PPT课件5什么是计算机？什么是计算机？计算机是一种能按照事先计算机是一种能按照事先存储存储的程序，的程序，自动自动、高速高速进行大量进行大量数值计算数值计算和各种和各种信息处理信息处理的现代化智能电的现代化智能电子装置。子装置。计算机组成原理PPT课件6对计算机的简单描述对计算机的简单描述u计算机(电脑)是一种能够接收信息，并按照存储在其内部的程序（程序表达了某种规则）对输入信息进行处理，并产生输出结果的高度自动化的数字电子设备。处处理理

3、输输入入输输出出输入信息输入信息 计算机计算机 输出信息输出信息计算机组成原理PPT课件7计算机是计算机是通用的通用的信息处理工具信息处理工具u计算机的信息处理功能：信息的收集（信息获取）信息的储存（信息存储）信息的加工（信息处理）信息的传递（通信）信息的施用（展现与控制）计算机组成原理PPT课件8计算机的特点具有记忆和逻辑判断能力具有记忆和逻辑判断能力计算机内部自动化操作计算机内部自动化操作通用性好通用性好存储量大存储量大精确度高精确度高运 算 速 度 快运 算 速 度 快计算机组成原理PPT课件9计算机的应用F 科学计算科学计算F 数据处理数据处理F 过程控制过程控制F 人工智能人工智能F

4、 计算机辅助工程计算机辅助工程(CAD/CAM/CAI)(CAD/CAM/CAI)F 电子设计自动化电子设计自动化(EDA)(EDA)F 电子商务电子商务F 娱乐娱乐计算机组成原理PPT课件106计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果6信息欺骗和计算机犯罪增加信息欺骗和计算机犯罪增加6知识产权保护更加困难知识产权保护更加困难6个人隐私受到威胁个人隐私受到威胁6不良和有害信息肆意传播和泛滥不良和有害信息肆意传播和泛滥6大量电子垃圾污染环境、破坏生态大量电子垃圾污染环境、破坏生态6长期沉迷于计算机游戏、网络聊天等给青少年生理和长期沉迷于计算机游戏、网络

5、聊天等给青少年生理和心理带来严重危害心理带来严重危害 计算机引发的计算机引发的社会问题和某社会问题和某些潜在的危机：些潜在的危机：计算机有什么负面影响？计算机组成原理PPT课件11计算机的发展1946年研制成功第1台数字电子数字电子计算机各代计算机发展：各代计算机发展：发展：发展：普适计算模式（？）普适计算模式（？）大、超大规模集成电路大、超大规模集成电路四网络计算模式网络计算模式中、小规模集成电路中、小规模集成电路三分散计算模式分散计算模式晶体管磁芯晶体管磁芯二集中计算模式集中计算模式电子管磁鼓电子管磁鼓一应用模式应用模式使用的元器件使用的元器件代代计算机组成原理PPT课件12第第1 1台数

6、字电子计算机台数字电子计算机1946年ENIAC计算机公布 ENIAC（电子数字积分机与计算机）：研制单位：美国宾夕法尼亚大学 用 途：军事计算 运算速度：5000次/秒 体积价格：170平方米，30吨，140千瓦，40万美元计算机组成原理PPT课件13计算机的分代计算机的分代(按使用的元器件按使用的元器件)u 第一代（约第一代（约1946-19571946-1957）电子管计算机）电子管计算机 速度：几十几万次速度：几十几万次/秒秒 内存：磁鼓，千字内存：磁鼓，千字 外设：磁带外设：磁带 机器语言或汇编语言编程机器语言或汇编语言编程美国于美国于20世纪世纪50年代生产的年代生产的IBM704

7、型采用电子管的第一代型采用电子管的第一代电子计算机电子计算机第一代电子计算机中使用的磁第一代电子计算机中使用的磁鼓存储器鼓存储器u 第二代（约第二代（约1957-19641957-1964）晶体管计算机晶体管计算机 速度：几十万次速度：几十万次/秒，秒，内存：磁芯，十万字内存：磁芯，十万字 外设：磁盘外设：磁盘 高级语言编程高级语言编程电子管晶体管计算机组成原理PPT课件14计算机的分代计算机的分代(按使用的元器件按使用的元器件)u第三代（约1965-1973）中小规模集成电路(SSI,MSI)计算机 速度：几十万次几百万次/秒 内存：半导体存储器 高级语言,OS,DBMSu第四代（1974年

8、起）大规模(LSI)和VLSI计算机 速度：几百万次亿次/秒 内存：半导体存储器 软件工程，分布式处理等计算机组成原理PPT课件15第第1 14 4代计算机的对比代计算机的对比 代 别年 代使用的元器件使用的软件类型主要应用领域第1代20世纪40年代中期50年代末期CPU：电子管内存：磁鼓使用机器语言和汇编语言编写程序科学和工程计算第2代20世纪50年代中、后期60年代中期CPU：晶体管内存：磁芯使用FORTRAN等高级程序设计语言开始广泛应用于数据处理领域第3代20世纪60年代中期70年代初期CPU：SSI，MSI内存：SSI，MSI的半导体存储器操作系统、数据库管理系统等开始使用在科学计算

9、、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用第4代20世纪70年代中期以来CPU：LSI、VLSI内存：LSI、VLSI的半导体存储器软件开发工具和平台、分布式计算、网络软件等开始广泛使用深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机计算机组成原理PPT课件162.1.2 2.1.2 计算机的组成计算机的组成计算机组成原理PPT课件17计算机系统的组成计算机系统的组成软件系统软件系统（程序、文档）（程序、文档）硬件系统硬件系统（设备）（设备）硬件：硬件：是指有形的物理设是指有形的物理设备，是计算机系统备，是计算机系统中实际物理装置的中实际物理装置的总称。总称。软件：软件：是指在硬件上运是指在硬件上运行的程

10、序和相关行的程序和相关的数据及文档。的数据及文档。计算机组成原理PPT课件18计算机系统计算机系统计算机硬件计算机硬件计算机软件计算机软件运算器运算器控制器控制器输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统数据库管理系统数据库管理系统程序语言处理系统程序语言处理系统文字处理文字处理通信通信娱乐娱乐计算机是一个复杂系统计算机是一个复杂系统u 计算机是一个复杂的系统 复杂性：硬件由数以亿计的元器件组成，软件由数以亿计的指令组成 多样性：硬件与光、机、电、声等有关，软件与数学、逻辑等有关 层次性：分层(hierarchical)结构计算机组成原理PPT

11、课件19输出设备内存（ROM/Cache）CPU运算器控制器硬件主机主机外部设备外部设备I/OI/O接口外存储器输入设备总线硬件系统硬件系统计算机组成原理PPT课件20计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构 1 1u经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算机）（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）输入设备输入设备内存储器内存储器运算器运算器控制器控制器运算命令输入命令原始数据原始数据命令命令/程序程序取数读结果存数写数据线：数据线：控制线：控制线：存取命令输出设备输出设备取指令输出命令计算机组成原理PPT课件215主机主机箱箱台式机箱台式机箱机箱

12、内部构造机箱内部构造计算机组成原理PPT课件22打印机打印机显示器显示器鼠标鼠标键盘键盘输入设备输入设备输出设备输出设备外存储器外存储器硬件系统硬件系统软软 盘盘硬硬 盘盘光盘光盘计算机组成原理PPT课件23(1)(1)输入设备输入设备u 输入(input)的双重含义：1.把信息送入计算机的过程;2.向计算机输入的内容u 输入设备(input devices)功能：用来向计算机输入信息 输入设备有多种，例如:l键 盘 输入文字、符号和命令l鼠标器输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令l扫描仪输入图片l麦克风输入声音 输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位来表示计算

13、机组成原理PPT课件24(2)(2)中央处理器中央处理器(运算控制器运算控制器)u 什么是处理器(processor)？能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件，特点是：l由数字电路组成，结构非常复杂l所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几个平方厘米)，称为“微处理器”(microprocessor)Intel 4004 chipIntel 8080 chip计算机组成原理PPT课件25什么是中央处理器什么是中央处理器(CPU)(CPU)？u计算机中通常有多个不同的处理器，各有不同的分工和任计算机中通常有多个不同的处理器，各有不同的分工和任务务u用于执行系统软件

14、和应用软件的处理器用于执行系统软件和应用软件的处理器称为称为CPUCPU，CPUCPU是计是计算机必不可少的核心组成部件算机必不可少的核心组成部件u多数个人计算机只有多数个人计算机只有1 1个个CPUCPU，但有一些计算机包含有，但有一些计算机包含有2 2个个、4 4个、个、8 8个甚至成百上千个个甚至成百上千个CPUCPUu问题：问题：除了除了CPUCPU之外，计算机中还有哪些处理器？之外，计算机中还有哪些处理器？计算机组成原理PPT课件26(3)(3)存储器存储器u功能：功能：储存以二进位形式表示的程序和数据储存以二进位形式表示的程序和数据u分类：内存储器分类：内存储器/外存储器外存储器内

15、存储器内存储器(简称内存或主存简称内存或主存)外存储器外存储器(简称外存或辅存简称外存或辅存)存取速度存取速度很快很快较慢较慢存储容量存储容量较小较小(因单位成本较高因单位成本较高)很大很大(因单位成本较低因单位成本较低)性质性质断电后信息消失断电后信息消失断电后信息保持断电后信息保持用途用途存放已经启动运行的程序和需要立存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据即处理的数据长期存放计算机系统中几乎所有的信息长期存放计算机系统中几乎所有的信息与与CPUCPU关系关系CPUCPU所处理的指令及数据直接从所处理的指令及数据直接从内存中取出内存中取出程序及相关数据必须先送入内存后才程序及相关数据必须

16、先送入内存后才能被能被CPUCPU使用使用存储单元地址存储单元地址0000H0001H0002HFFFFH存储体结构图存储体结构图存储位存储位存储单元存储单元（字节）（字节）存储体存储体计算机组成原理PPT课件27(4)(4)输出设备输出设备u 输出输出(output)(output)的双重含义：的双重含义：1.1.把信息送出计算机的过程把信息送出计算机的过程;2.;2.从计算机输出的内容从计算机输出的内容u 输出设备输出设备(output devices)(output devices)功能：从计算机输出信息功能：从计算机输出信息 输出设备有多种，例如输出设备有多种，例如:l显示器显示器输出

17、文字、符号和图形输出文字、符号和图形l打印机打印机打印文字、符号和图形打印文字、符号和图形l扬声器扬声器输出声音输出声音(多数多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式形式(文字、符号、图形、声音等文字、符号、图形、声音等)计算机组成原理PPT课件28(5)(5)总线总线(bus)(bus)u功能：功能：用于连接用于连接CPUCPU、内存、外存和各种、内存、外存和各种I/OI/O设备并在它们之设备并在它们之间传输信息的一组间传输信息的一组共享的共享的传输线及其控制电路传输线及其控制电路u分类：分类：CPUCPU总线（或

18、前端总线）总线（或前端总线）：用于连接：用于连接CPUCPU和内存的总线和内存的总线I/OI/O总线：连接内存和总线：连接内存和I/OI/O设备（包括外存）的总线设备（包括外存）的总线计算机组成原理PPT课件29计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构 2 2u现代计算机的逻辑结构现代计算机的逻辑结构u 与经典计算机结构相比的与经典计算机结构相比的3 3个变化：个变化：集中控制集中控制分散控制分散控制 存储器存储器内存储器外存储器内存储器外存储器 通过通过CPUCPU通信通信通过总线进行通信通过总线进行通信中央处理器中央处理器(运算器及其控制运算器及其控制)外存储器外存储器内存储器内存储器输出

19、设备输出设备总线总线(bus)输入设备输入设备I/O接口接口I/O接口接口外存储器接口外存储器接口控制器控制器控制器控制器控制器控制器CPU控制器控制器memory 存储存储I/OI/O设备通过设备通过I/OI/O接接口与各自的控制器连口与各自的控制器连接，然后由控制器与接，然后由控制器与I/OI/O总线相连总线相连计算机组成原理PPT课件302.1.3 2.1.3 计算机的分类计算机的分类计算机组成原理PPT课件31计算机的分类（计算机的分类（1 1）u 按内部逻辑结构分类按内部逻辑结构分类 8 8位位/16/16位位/32/32位位/64/64位位 单单CPU/CPU/多多CPUCPU u

20、 按性能和价格分类按性能和价格分类 巨型计算机巨型计算机 (supercomputer)(supercomputer)大型计算机大型计算机 小型计算机小型计算机 个人计算机个人计算机 (personal computer(personal computer)l 笔记本笔记本PCPCl 台式台式PCPCl 工作站工作站 (workstation)(workstation)作为服务器作为服务器(server)使用使用独立使用或作为独立使用或作为客户机客户机(client)使用使用曙光曙光4000A巨型巨型计算机计算机计算机组成原理PPT课件32计算机的分类计算机的分类NEC SX-6/64MB巨型

21、计算机外形小型机大型机小型机台式机笔记本电脑掌上计算机手持式计算机（掌上机)微型机笔记本笔记本计算机组成原理PPT课件33计算机的分类（计算机的分类（2 2）u按计算机服务的对象和作用划分：按计算机服务的对象和作用划分：类型类型服务对服务对象象应用性应用性质质主要特点主要特点分类或应用举例分类或应用举例软件特点软件特点个人个人计算计算机机服务服务器器嵌入嵌入式计式计算机算机直接为直接为用户服用户服务务通用通用性能性能/价格比高价格比高多媒体性能好多媒体性能好有通用性和可扩展性有通用性和可扩展性 工作站工作站 台式机台式机 笔记本笔记本种类多种类多,功功能丰富能丰富,用用户可自行装户可自行装卸卸

22、为其它为其它计算机计算机服务服务半通半通用用吞吐率吞吐率(throughput)(throughput)高高可用性可用性(availability)(availability)好好有可扩展性有可扩展性(scalability)(scalability)数据库数据库服务器服务器WebWeb服务器服务器打印服务器打印服务器(企业级企业级,部门部门级级)实时处理和并实时处理和并发工作能力强，发工作能力强，可靠性和安全可靠性和安全性好性好为其它为其它设备服设备服务务专用专用价格便宜价格便宜功耗低功耗低实时实时(real time)(real time)处理处理软件固化软件固化,扩展性差扩展性差 手机手

23、机 数码相机数码相机 MP3MP3播放器播放器 功能专用、单功能专用、单一、结构紧凑，一、结构紧凑，固化在芯片中，固化在芯片中，不易修改和扩不易修改和扩充充 计算机组成原理PPT课件342.1.4 2.1.4 微处理器微处理器和嵌入式计算机和嵌入式计算机计算机组成原理PPT课件35什么是微处理器？什么是微处理器？u 微处理器（微处理器（P）是使用单片大规模集成电路制成的、具有运）是使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的电子部件，例如算和控制功能的电子部件，例如:u P是各种类型计算机的核心组成部分是各种类型计算机的核心组成部分 用于执行系统软件和应用软件的用于执行系统软件和应用软件

24、的P 称为称为“CPU”目前几乎所有计算机的目前几乎所有计算机的CPUCPU使用的都是微处理器使用的都是微处理器u 除了用作除了用作CPUCPU的通用微处理器之外，的通用微处理器之外，还有许多专用的微处理器产还有许多专用的微处理器产品：绘图处理器、通信处理器等品：绘图处理器、通信处理器等Intel 4004Intel 8086Intel 奔腾奔腾4Intel 酷睿酷睿2计算机组成原理PPT课件36微处理器的发展非常迅速微处理器的发展非常迅速 处理器主要参数400480808086802868038680486奔腾高能奔腾奔腾奔腾奔腾4推出时间(年)19711974197819821985198

25、91993199619951997199719981999200320002006主频(MHz)0.10824.7762016333310060200150200233333450140015003800前端总线频率(MHz)0.10824.77620163325或3350或666666100或133400,533或800，1066外部数据线数目48161632326464646464地址线数目1016202432323236363636存储空间大小640B64KB1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GB晶体管数目(万)0.230.452.913.427.5120310

26、5507509504200制造工艺(m)10621.51.51.01.00.80.80.350.60.350.350.250.250.130.130.065芯片引脚数目1640,4068132168273或296387242370478或775计算机组成原理PPT课件37什么是嵌入式计算机？什么是嵌入式计算机？u 把运算器、控制器、存储器、输入把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全都输出控制、接口电路全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为“单片计算单片计算机机”或或“嵌入式计算机嵌入式计算机”u 用途举例：内嵌在其他设备中作为

27、信息处理的核心装置，例如用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置，例如 数码相机、数码相机、MP3MP3播放器、手机、计算机外围设备、汽车、机顶盒等播放器、手机、计算机外围设备、汽车、机顶盒等u 特点：特点：功能固定、专用，软件固化在芯片上，通常不能改变功能固定、专用，软件固化在芯片上，通常不能改变 大多应满足实时信息处理的要求大多应满足实时信息处理的要求 以最低成本满足应用要求以最低成本满足应用要求 能适应恶劣工作环境能适应恶劣工作环境计算机组成原理PPT课件38附附 录录计算机组成原理PPT课件39附录附录1 1：计算机的处理速度：计算机的处理速度u巨型计算机：几万亿几十万亿次 基

28、本运算/秒u个人计算机：几千万几亿次 基本运算/秒（其中，基本运算指的是：l，等四则运算l，等逻辑运算）u与CPU主频有什么关系？原则上主频越高速度越快，但不是正比关系！计算机组成原理PPT课件40附录附录2 2：计算机存储器的容量：计算机存储器的容量u千字节(kilobyte，简写为KB)，1KB=210字节=1024 B（大写K表示1024）1kB=101kB=103 3字节字节 =1000 B=1000 B（小写（小写k k 表示表示10001000）u兆字节(megabyte，简写为MB)1MB=220字节=1024 KB 或或 10106 6字节字节 =1000 KB=1000 KB

29、 u吉字节(gigabyte，简写为GB)（千兆字节）1GB=230字节=1024 MB 或或10109 9字节字节 =1000 MB=1000 MB u太字节(terabyte，简写为TB)（兆兆字节）1TB=240字节=1 024 GB 或或10101212字节字节 =1000 GB=1000 GB 注：红色为外存储器容量的计算单位注：红色为外存储器容量的计算单位计算机组成原理PPT课件412.2 CPU2.2 CPU的逻辑结构与工作原理的逻辑结构与工作原理FCPUCPU的逻辑结构的逻辑结构 F指令与指令系统指令与指令系统FCPUCPU的性能指标的性能指标计算机组成原理PPT课件422.2

30、.2.2.1 1 CPU CPU的逻辑结构的逻辑结构计算机组成原理PPT课件43冯冯诺依曼计算机的结构与原理诺依曼计算机的结构与原理(1)(1)计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令；操作命令；(2)(2)程序程序(指令指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；(3)(3)存储器中存放的指令和数据按地址进行存取存储器中存放的指令和数据按地址进行存取 ；(4)(4)指令是由指令是由CPUCPU一条一条顺序执行的。一条一条顺序执行的。

31、输入设备输入设备内存储器内存储器运算器运算器控制器控制器运算命令输入命令原始数据原始数据命令命令/程序程序取数读结果存数写数据线：数据线：控制线：控制线：存取命令输出设备输出设备取指令输出命令计算机组成原理PPT课件44“存储程序控制存储程序控制”原理原理u将问题的解算步骤编制成为程序程序，程序连同它所处理的数据都用二进位表示二进位表示并预先存放在存储器存放在存储器中u程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止 CPU从内存中逐条从内存中逐条读取该程序的指令及读取该程序的指令及相关的数据相关的数据将指

32、令的运算处理将指令的运算处理结果送回内存保存结果送回内存保存任务完成后，将处任务完成后，将处理得到的全部结果成理得到的全部结果成批传送到外存以长久批传送到外存以长久保存保存外存储器外存储器内存储器内存储器CPU任务启动时，执行任务启动时，执行该任务的程序和数据该任务的程序和数据从外存成批传送到内从外存成批传送到内存存指令1指令2指令k指令n程序程序数据1数据2数据m数据数据CPU逐条逐条执行指令执行指令,按按指 令 要 求 完指 令 要 求 完成 对 数 据 的成 对 数 据 的运算和处理运算和处理计算机组成原理PPT课件45存储器存储器中央中央处理器处理器存储数据存储数据和指令和指令执行指令

33、执行指令处理数据处理数据指令，数据指令，数据处理结果处理结果CPUCPU的任务的任务uCPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作计算机组成原理PPT课件46寄存器组运算器控 制 器指 令数 据运算结果 中中 央央 处处 理理 器器操作信号内内 存存 储储 器器控制信号 CPUCPU组成及与内存的关系组成及与内存的关系计算机组成原理PPT课件47CPUCPU的结构和任务的结构和任务u CPUCPU主要由运算器、控制器和寄存器组主要由运算器、控制器和寄存器组3 3个部分组成个部分组成u CPUCPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作的任务：取指令并完成指令所规定的操作寄寄存存器器组

34、组运运算算器器中央处理器中央处理器指令计数器指令计数器指令寄存器指令寄存器控制器数数 据据程序程序指令指令1指令指令2指令指令k指令指令n数据数据1数据数据2数据数据m数据数据内存储器内存储器指指 令令 指令地址指令地址 操作数地址操作数地址存放待执行存放待执行指令的地址指令的地址已经启动运已经启动运行的程序和行的程序和数据数据存放待执行的存放待执行的指令并进行译指令并进行译码码完成规定的运完成规定的运算算暂存等待处暂存等待处理的数据理的数据操作命令操作命令计算机组成原理PPT课件48内存储器内存储器AC927BALU0 1 2 3 4 5 6 7运算器运算器(ALU)(ALU)与通用寄存器与

35、通用寄存器(GPR(GPR)u 运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件部件(ALU)，参加参加ALUALU运算的操作数通常来自通用寄存器运算的操作数通常来自通用寄存器GPR GPR，运，运算结果也送回算结果也送回GPRGPRSTORER1内存地址内存地址C例3：存数指令9例例2：加法指令：加法指令ADDR1R3R5(3寄存器内容与寄存器内容与5寄存器内容相寄存器内容相加，并把和数写入加，并把和数写入1寄存器寄存器)例1:取数指令LOADR3内存地址内存地址ALOADR5内存地址内存地址B27362793636通用寄存

36、器通用寄存器GPR计算机组成原理PPT课件492.2.2 2.2.2 指令与指令系统指令与指令系统instruction setsoftwarehardware计算机组成原理PPT课件50指令是什么？指令是什么？u 指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的u 指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组成：操作码操作码操操 作作 数数 地地 址址指出CPU应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除、取数、存数等 指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置 举例举例:10 02 06把把02存储单元和存储单元和06存储单元中的内

37、存储单元中的内容相加，和数保存在容相加，和数保存在02单元单元计算机组成原理PPT课件51指令在计算机中的执行过程指令在计算机中的执行过程n取指令取指令：CPUCPU的控制器从存储的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄器读取一条指令并放入指令寄存器。存器。n指令译码指令译码：指令寄存器中的指：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里行何种操作、操作数在哪里n执行指令执行指令3.1 3.1 取操作数取操作数3.2 3.2 进行运算进行运算n修改指令计数器修改指令计数器，决定下一条，决定下一条指令的地址指令的地址1 取指令取指令4 修改指修改指

38、令计数器令计数器3 执行指令执行指令2 指令译码指令译码指令执行周期指令执行周期问题：问题：CPU的时钟频率的时钟频率(主频主频)与指令执行速度是什么关系？与指令执行速度是什么关系？计算机组成原理PPT课件52关于指令的操作功能关于指令的操作功能u指令系统中的指令分成许多类，例如奔腾4处理器中共有七大类指令：数据传送类 算术运算类逻辑运算类 移位操作类位(位串)操作类 控制转移类输入/输出类等u每一类指令（如数据传送类、算术运算类）又按照操作数的性质（如整数还是实数）、长度（16位、32位、64位、128位等）而区分为许多不同的指令，因此CPU往往有数以百计的不同的指令计算机组成原理PPT课件

39、532.2.3 CPU2.2.3 CPU的性能指标的性能指标计算机组成原理PPT课件54计算机的性能指标计算机的性能指标n 外围设备的配置外围设备的配置n 指令系统的功能指令系统的功能n 系统软件的配置情况系统软件的配置情况n 诊断能力与容错能力诊断能力与容错能力内存容量内存容量字长字长主频主频其它其它运算速度运算速度计算机组成原理PPT课件55如何衡量如何衡量CPUCPU的性能？的性能？u 计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，它由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡等，但通常CPU是主要因素u CPU性能高低的主要指标是CPU的速度，有2种衡量方法：n 计算每秒钟可执行的指令数目

40、（单位：MIPS、MFLOPS）1.使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等）的执行速度来衡量CPU的性能 计算机组成原理PPT课件56（1 1）字长（位数）字长（位数）CPUCPU中定点运算器的宽度。即一次能同时运算或存储时的二进制中定点运算器的宽度。即一次能同时运算或存储时的二进制整数位数。整数位数。字长决定了计算的精度，字长决定了计算的精度，字长通常是字长通常是2 2的整数次幂。的整数次幂。微处理器字长演变：微处理器字长演变：Intel 4004:4Intel 4004:4位位 (1971(1971年，世界第一个微处理器年，世界第一个微处理器)Intel 8008,8080:

41、Intel 8008,8080:8 8位位Intel 8086:16Intel 8086:16位位Intel 80386,80486,pentiumIntel 80386,80486,pentium：3232位位目前目前PCPC使用的使用的CPUCPU大多是大多是3232位处理器，新一代的位处理器，新一代的PCPC机将使用机将使用6464位处理位处理器器CPUCPU的性能指标的性能指标计算机组成原理PPT课件57（2 2）主频（）主频（CPUCPU时钟频率）时钟频率）CPUCPU中电子线路的工作频率。中电子线路的工作频率。主频决定了主频决定了CPUCPU芯片内部数据传输与操作速度的快芯片内部数

42、据传输与操作速度的快慢，主频越高，慢，主频越高，CPUCPU的处理速度就越快。的处理速度就越快。（3 3）CPUCPU总线（前端总线）速度总线（前端总线）速度 总线的工作频率和数据线的宽度决定着总线的工作频率和数据线的宽度决定着CPUCPU与内存与内存间传输数据的快慢，总线速度快访存速度就越快。间传输数据的快慢，总线速度快访存速度就越快。（4 4）高速缓存（）高速缓存（cachecache）的容量与结构）的容量与结构cachecache容量越大、级数越多，其效用就越显著容量越大、级数越多，其效用就越显著 CPUCPU的性能指标的性能指标计算机组成原理PPT课件58（5 5）指令系统）指令系统

43、指令的类型、数目和指令的功能都会影响程序的执行速度。指令的类型、数目和指令的功能都会影响程序的执行速度。（6 6）逻辑结构）逻辑结构 CPUCPU的逻辑结构会影响指令的执行速度，甚至还会影响某些特定应用的逻辑结构会影响指令的执行速度，甚至还会影响某些特定应用。CPUCPU包含的定点运算器和浮点运算器数目包含的定点运算器和浮点运算器数目 是否流水线结构，流水线的条数和级数是否流水线结构，流水线的条数和级数 有无指令预测和数据预测功能有无指令预测和数据预测功能 是否具有数字信号处理功能是否具有数字信号处理功能 是否多核，有几个内核是否多核，有几个内核 CPUCPU的性能指标的性能指标计算机组成原理

44、PPT课件59小结：小结：Pentium4Pentium4提高速度的措施提高速度的措施u 扩展扩展CPUCPU的字长：的字长：6464位存储扩展位存储扩展u 提高提高CPUCPU的主频：已经从的主频：已经从1.5GHz1.5GHz逐步提高到逐步提高到3GHz3GHz以上，目前最高已经接近以上，目前最高已经接近4GHz4GHz；加快加快CPUCPU前端总线的数据传输速度：前端总线的数据传输速度：l CPUCPU总线宽度增加为总线宽度增加为6412864128位位l CPUCPU总线频率从总线频率从400MHz400MHz、533 MHz533 MHz提高到提高到800MHz800MHz和和106

45、6MHz1066MHzl 因此，传输速率也相应地从因此，传输速率也相应地从3.2GB/s3.2GB/s、4.3GB/s4.3GB/s提高到提高到6.4GB/s6.4GB/s和和8.6GB/s8.6GB/s 采用采用cachecache存储器存储器 增大增大cachecache容量：容量：L2 cacheL2 cache的容量从的容量从256KB256KB也已经增大为也已经增大为1MB1MB或或2MB2MB 增加增加cachecache的级数：有些处理器采用的级数：有些处理器采用L3 cacheL3 cacheu 采用超标量运算器结构和超流水线技术采用超标量运算器结构和超流水线技术u 提供和支持

46、向量运算指令（提供和支持向量运算指令（SIMDSIMD指令）指令）u 采用超线程技术，提高执行部件的工作效率采用超线程技术，提高执行部件的工作效率u 采用双采用双(多多)核处理器技术核处理器技术 计算机组成原理PPT课件602.3 PC2.3 PC机的主机机的主机F主板、芯片组与主板、芯片组与BIOS BIOS F内存储器内存储器FI/OI/O总线和总线和I/OI/O接口接口计算机组成原理PPT课件611 音箱音箱 5 CPU 2 调制解调器调制解调器 6 键盘键盘3 麦克风麦克风 7 鼠标器鼠标器 4 内存条内存条 8 CD驱动器驱动器9 软驱软驱10 硬盘驱动器硬盘驱动器11 打印机打印机

47、12 I/O接口接口13 CRT显示器显示器14 扩展卡扩展卡计算机组成原理PPT课件62 台式机台式台式PC主机主机外部设备外部设备机箱、电源机箱、电源主板主板CPU内存条内存条显示卡显示卡芯片组芯片组BIOS ROMCMOSPCI插槽插槽(I/O总线总线)网卡网卡输入设备输入设备外存储器外存储器键盘键盘鼠标器鼠标器麦克风麦克风摄像头摄像头输出设备输出设备U盘、移动硬盘盘、移动硬盘显示器显示器打印机打印机音箱音箱/耳机耳机声卡声卡插头和插座插头和插座(I/O接口接口)硬盘、软驱硬盘、软驱光盘驱动器光盘驱动器结构图结构图计算机组成原理PPT课件632.3.2.3.1 1 主板、芯片组与主板、芯

48、片组与BIOSBIOS计算机组成原理PPT课件64台式台式PCPC机机(立式立式)的主机箱的主机箱扩展扩展空间空间教育信息化计算机组成原理PPT课件65I/O插槽插槽CPU接口接口接口接口接口接口接口接口键盘键盘硬盘硬盘鼠标鼠标打印机打印机显示器显示器用户电路用户电路光驱光驱软驱软驱总总 线线控制电路控制电路串行接口串行接口并行接口并行接口键盘接口键盘接口时钟时钟RAMROM总线总线主机板主机板5微机主板示例微机主板示例计算机组成原理PPT课件66(1)(1)主板主板u 主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件u 主板安装内容：见上图主板安装内容

49、：见上图u ROM BIOSROM BIOS：存放最基础的软件：存放最基础的软件基本输入基本输入/输出系统输出系统(BIOS)(BIOS)u CMOSCMOS存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等）存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等）存储器插座存储器插座 处理器处理器插槽插槽外部设备插口外部设备插口(I/O接口接口)软驱及硬盘的软驱及硬盘的IDE连接器连接器电源连接器电源连接器 PCI总线槽总线槽 CPU插座插座显示卡的显示卡的AGP插槽插槽南桥南桥芯片芯片 ROM BIOS CMOS 存储器存储器北桥北桥芯片芯片计算机组成原理PPT课件67CPUCPU插座插座内存条插座内

50、存条插座软驱、硬盘软驱、硬盘IDEIDE连接器连接器电源连接器电源连接器PCIPCI总线插槽总线插槽 芯片组芯片组 I/OI/O端口端口例：华硕例：华硕P4TP4T主板照片主板照片计算机组成原理PPT课件68 集中了主板上几乎所有的控制功能，把以前复杂的控制电路和元件最大限度地集成在几个芯片内，是构成主板电路的核心主板电路的核心。是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽 一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。一定意义上讲，它决定了主板的级别和档次。(2)(2)芯片组的作用芯片组的作用计算机组成原理PPT课件69芯片组举例芯片组举例u 北桥芯片：北桥芯片：1.1.存储器控制功能；存储器控制功能；

51、2.2.连接连接CPUCPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽u 南桥芯片：南桥芯片：1.1.多种多种I/OI/O设备的控制功能；设备的控制功能；2.I/O2.I/O总线总线(PCI(PCI总线总线)功能；功能；3.3.提供了各种提供了各种I/OI/O接口接口Pentium 4CPU前端总线前端总线北桥北桥82865PMCH图形卡接口图形卡接口双通道双通道南桥南桥82801E ICH5USB 2.0接口接口(x8)以太网接口以太网接口PCI 插槽插槽(6个个)ROM BIOS硬盘接口硬盘接口(x2)音频音频CodecSuper I/O键盘键盘,鼠标鼠标,软驱软驱,并并

52、口口,串口等串口等电话电话ModemDDR 2电源管理、时钟生成电源管理、时钟生成DDR 2存储器存储器CPU计算机组成原理PPT课件70关于芯片组的一些说明关于芯片组的一些说明u 芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU，就有什么样的芯片组与之配套 u 由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能 u 芯片组产品：Intel芯片(如865、915、945、955、975系列等）VIA（威盛，中国台湾）nVIDIA（美国）ATI（加拿大）AMD（美国）计算机组成原理PPT课件71(3)BIOS(3)BIOSu什么是BIOS（

53、Basic Input/Output System）？中文名为“基本输入/输出系统”，它是存放在主板上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序u功能：诊断计算机故障启动计算机工作控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等)uBIOS 芯片保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片计算机组成原理PPT课件72BIOS BIOS 芯片中包含的程序芯片中包含的程序u加电自检程序程序（POST）(Power On Self Test)用于检测计算机硬件故障u系统自举程序（Boot）启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态uCMOS设置程序 设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等u常

54、用外部设备的驱动程序（Driver）实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制计算机组成原理PPT课件73PCPC机的启动工作过程机的启动工作过程n接通电源时接通电源时CPU自动执行自动执行BIOS中的中的POST程序程序1.1 按按CMOS中的内容来识别硬件的配置中的内容来识别硬件的配置,测试各部件的工作状态测试各部件的工作状态(发发现错误则报错现错误则报错)1.2 初始化初始化CPU、内存、内存、ROM、主板、主板、CMOS、显示卡、键盘、软驱、显示卡、键盘、软驱和硬盘等设备和硬盘等设备nCPU自动执行自举程序自动执行自举程序 按照按照CMOS中预先设定的启动顺序，搜寻

55、外存储器（软、硬盘或中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、硬盘或光盘）光盘）n从外存储器读出引导程序，然后由引导程序读出操作系统并装入内存从外存储器读出引导程序，然后由引导程序读出操作系统并装入内存n最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系统所控制最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系统所控制计算机组成原理PPT课件74CMOS CMOS 芯片芯片u 特点特点 CMOS是一种半导体是一种半导体RAM存储器芯片，为非易失性存储器。由电池供电，即存储器芯片，为非易失性存储器。由电池供电，即使计算机关机后也不会丢失所存储的信息以及时钟停走。使计算机关机后也不会丢失所存储的信息以及时钟

56、停走。u 作用：作用：存放计算机硬件的参数（称为存放计算机硬件的参数（称为“配置信息配置信息”），包括日期和时间、口令），包括日期和时间、口令、软盘软盘/硬盘硬盘/光盘驱动器的数目、类型及参数、光盘驱动器的数目、类型及参数、显卡类型、显卡类型、cache使用状使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供况、启动机器时访问外存的顺序等，供BIOS程序使用程序使用u 设置和修改设置和修改CMOSCMOS参数的方法：参数的方法：在开机启动在开机启动BIOS工作时，按下工作时，按下Del键键(或或F2或或F8健健)，即可进入，即可进入BIOS中的中的CMOS设置程序设置程序计算机组成原理PPT课件75：l

57、PCPC机组装好之后第一次加电机组装好之后第一次加电l系统增加、减少或更换硬件或系统增加、减少或更换硬件或I/OI/O设备设备lCMOSCMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改容丢失或被错误修改l用户希望更改或设置系统的口令用户希望更改或设置系统的口令l系统因某种需要而调整某些设置参数系统因某种需要而调整某些设置参数CMOS CMOS 芯片芯片计算机组成原理PPT课件762.3.2 2.3.2 内存储器内存储器计算机组成原理PPT课件77复习：内存与外存的关系及比较复习：内存与外存的关系及比较u 内存储器内存储器(简称内存或主存

58、简称内存或主存)存取速度快存取速度快 成本高、容量相对较小成本高、容量相对较小 直接与直接与CPUCPU连接，连接，CPU(CPU(指令指令)可以对内存可以对内存中的指令及数据进行读、写操作中的指令及数据进行读、写操作 属于挥发性存储器属于挥发性存储器(volatile)(volatile)，用于，用于临时存放正在运行的程序和数据临时存放正在运行的程序和数据内存储器内存储器外存储器外存储器CPU指令指令1指令指令2指令指令k指令指令n程序程序数据数据1数据数据2数据数据m数据数据任务启动时，执行任务启动时，执行该任务的程序和数据该任务的程序和数据将从外存成批传送到将从外存成批传送到内存内存CP

59、U从内存中逐条从内存中逐条读取该程序的指令及读取该程序的指令及相关的数据相关的数据将指令的运算处理将指令的运算处理结果送回内存保存结果送回内存保存任务完成后，将处任务完成后，将处理得到的全部结果成理得到的全部结果成批传送到外存以长久批传送到外存以长久保存保存 逐 条 执 行 逐 条 执 行指 令，按 指指 令，按 指令 要 求 完 成令 要 求 完 成对 数 据 的 运对 数 据 的 运算和处理算和处理u外存储器外存储器(简称外存或辅存简称外存或辅存)存取速度慢存取速度慢成本低、容量很大成本低、容量很大不与不与CPUCPU直接连接，计算机运行程序时，外直接连接，计算机运行程序时，外存中的程序及

60、相关数据必须先传送到内存存中的程序及相关数据必须先传送到内存，然后才能被，然后才能被CPUCPU使用。使用。属于不挥发性存储器属于不挥发性存储器(Nonvolatile)(Nonvolatile)，用，用于长久存放系统中几乎所有的信息于长久存放系统中几乎所有的信息计算机组成原理PPT课件78计算机中存储器的层次结构计算机中存储器的层次结构cache存储器存储器主存储器主存储器(RAM和和ROM)外存储器（软盘、硬盘、光盘）外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带库、光盘库）后备存储器（磁带库、光盘库）内存储器内存储器外存储器外存储器寄存器寄存器典型容量典型容量1KB1MB256MB-1GB

61、40GB-200GB10TB-100TB典型存取时间典型存取时间1 ns2 ns10 ns10 ms10 s 分析：速度越快，成本较高。分析：速度越快，成本较高。为了获得好的为了获得好的性能性能/价格比价格比，计算机中各，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作 工作过程：工作过程：1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器运行时，需要的操作数大部分来自寄存器2）如需要从）如需要从(向向)存储器中取存储器中取(存存)数据时，先访问数据时，先访问cache，如在，取自，如在，取自cache3）如操作数不在）如操作数不在ca

62、che，则访问，则访问RAM，如在，如在RAM中，则取自中，则取自RAM4）如操作数不在）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出RAM cache计算机组成原理PPT课件79内存储器的分类及应用内存储器的分类及应用u 内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型：半导体半导体存储器存储器只只 读读存储器存储器(ROM)随机存取随机存取存储器存储器(RAM)静态随机存取存储器静态随机存取存储器SRAM动态随机存取存储器动态随机存取存储器DRAM 不可在线改写内容的不可在线改写内容的ROM快擦除存储器（快擦除存储器（Flash ROM）（用作（用作Cach

63、e存储器存储器）（用作（用作主存储器）主存储器）每个存储单元每个存储单元(cell)由由6个晶体管组成个晶体管组成 只要加上电源，信息就能一直保持只要加上电源，信息就能一直保持 对电器干扰相对不很敏感对电器干扰相对不很敏感 比比DRAM更快，也更贵更快，也更贵 每个存储单元由每个存储单元由1个电容和个电容和1个晶体管组成个晶体管组成.每每10-100 ms必须刷新一次必须刷新一次 对电器干扰比较敏感对电器干扰比较敏感 比比SRAM慢，但便宜慢，但便宜（用作（用作BIOS存储器）存储器）(图形卡、硬盘控制器图形卡、硬盘控制器)计算机组成原理PPT课件80主存储器主存储器(RAM)(RAM)特点：

64、特点：、编址、编址以字节为单位进行以字节为单位进行连续编址连续编址，每个存，每个存储单元为储单元为1 1个字节（个字节（8 8个二进位）个二进位）、地址、地址：每个存储单元的编号。：每个存储单元的编号。、存储容量：、存储容量：主存储器中所包含的存储单元主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：的总数（单位：MBMB或或GBGB）0110100110101010存存储储内内容容00001000000001000011001001111011111存储存储单元单元地址地址主存是主存是CPUCPU可直接访问的存储器，用于存放供可直接访问的存储器，用于存放供CPUCPU处理的指令和数据处理的指令和数据、

65、存取时间：从、存取时间：从CPU送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到并送到CPU（或者是把（或者是把CPU数据写入主存）所需要的时间（单位：数据写入主存）所需要的时间（单位：ns，1 ns=10-9 s）计算机组成原理PPT课件81PCPC机主存储器的物理结构机主存储器的物理结构u 主存储器由若干内存条组成u 内存条的组成：把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成u 内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用u 目前流行的是DDR和DDR2内存条：均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面 DDR条有184个引脚，DDR2有240个引脚

66、 PC机主板中一般都配备有2个或4个DIMM插槽 计算机组成原理PPT课件82什么是什么是cache(cache(高速缓存高速缓存)？u cachecache是一种小容量高速缓冲存储器，它是一种小容量高速缓冲存储器，它由由SRAMSRAM组成组成u cachecache直接制作在直接制作在CPUCPU芯片内，速度几乎芯片内，速度几乎与与CPUCPU一样快一样快u 程序运行时，程序运行时，CPUCPU使用的一部分数据使用的一部分数据/指指令会预先成批拷贝在令会预先成批拷贝在cachecache中，中，cachecache的的内容是主存储器中部分内容的映象内容是主存储器中部分内容的映象u 当当CPUCPU需要从内存读需要从内存读(写写)数据或指令时，数据或指令时，先检查先检查cachecache中有没有，若有，就直接从中有没有，若有，就直接从cachecache中读取，而不用访问主存储器中读取，而不用访问主存储器01234567891011121314154934101010主存中的部分信息拷主存中的部分信息拷贝在贝在cache存储器中存储器中Cache存储器存储器主存储器主存储器关于关于