3计算机科学导论计算机组成.ppt

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1、本讲内容本讲内容1冯冯诺依曼模型诺依曼模型2计算机硬件计算机硬件3微型计算机微型计算机4. 程序执行程序执行5. 其他体系结构其他体系结构冯冯诺依曼模型诺依曼模型 计算机是一个接计算机是一个接受输入数据，处受输入数据，处理数据，产生输理数据，产生输出数据的黑盒子。出数据的黑盒子。输入输入数据数据输出输出数据数据程序程序 冯冯诺依曼（美籍匈牙利数学家科诺依曼（美籍匈牙利数学家科学家，计算机之父）提出的冯学家，计算机之父）提出的冯诺依曼诺依曼模型着眼于计算机的内部结构。模型着眼于计算机的内部结构。计算机计算机输输入入数数据据输输出出数数据据程序程序冯冯诺依曼模型诺依曼模型计算机计算机输输入入数数据

2、据输输出出数数据据程序程序输入输入/输出设备输出设备存储器存储器算术逻辑单元算术逻辑单元控制单元控制单元冯冯诺依曼模型诺依曼模型l 计算机的硬件组成包括：存储器，算术逻辑单计算机的硬件组成包括：存储器，算术逻辑单元（元（ALU），控制单元和输入），控制单元和输入/输出设备。输出设备。存储器存储器: 存储数据和程序存储数据和程序算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）: 进行算术逻辑运算进行算术逻辑运算控制单元控制单元: 控制程序的执行控制程序的执行输入输入/输出设备输出设备: 接收来自外界数据接收来自外界数据/向外界发送数据向外界发送数据 1945 1945年年6 6月冯月冯诺依曼在一篇论文中第一

3、次提出诺依曼在一篇论文中第一次提出了计算机三个主要思想：了计算机三个主要思想：l 计算机由四大部件组成计算机由四大部件组成l 程序和数据存储程序和数据存储l 程序和数据采用二进制数表示程序和数据采用二进制数表示 目前绝大多数计算机仍建立在这个思想的基础目前绝大多数计算机仍建立在这个思想的基础上，称之上，称之冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机。 硬件硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体；通常是指一切看得见，摸得到的设备实体； 软件软件通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是通常是泛指各类程序和文件，它们实际上是由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。由一些算法以及其在计算机中的表示所构成的。硬

4、件 软件 计算机硬件计算机硬件运算器控制器主存储器主存储器输入设备输出设备辅助存储器辅助存储器CPU控制控制数据数据地址或指令地址或指令主机主机外设外设存储器存储器计算机硬件组成计算机硬件组成CPU 包括三部分：算术逻辑单元包括三部分：算术逻辑单元 (ALU)、控制单元和寄存器。、控制单元和寄存器。控制单元控制单元寄存器寄存器程序计数器程序计数器 算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）& 执行算术运算和逻辑运算。执行算术运算和逻辑运算。 算术运算：包括算术运算：包括 加法、减法、乘法和除法等。加法、减法、乘法和除法等。 逻辑运算：包括逻辑运算：包括“非非”、“与与”、“或或”和和“异或异或” 等

5、。等。& 控制单元负责选择这些运算中的一种。控制单元负责选择这些运算中的一种。数字电路数字电路/ /模拟电路模拟电路l寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。lCPU的运算需要多个寄存器的运算需要多个寄存器l常见的寄存器常见的寄存器 寄存器寄存器数据寄存器数据寄存器指令寄存器指令寄存器程序计数器程序计数器用来存放输入数据，用来存放输入数据，运算中间结果和最运算中间结果和最终结果。终结果。存放从内存中取出的存放从内存中取出的指令，指令， 以便于稍后以便于稍后解释和执行它们。解释和执行它们。存放当前指令的存放当前指令的地址。当前指令地址。当前指令

6、执行完后，程序执行完后，程序计数器自动加计数器自动加1，指向下一条指令指向下一条指令的地址的地址。n数据寄存器：用来存放输入数据，运算中间结果数据寄存器：用来存放输入数据，运算中间结果和最终结果。和最终结果。n指令寄存器：存放从内存中取出的指令，指令寄存器：存放从内存中取出的指令， 以便于以便于稍后解释和执行它们。稍后解释和执行它们。n程序计数器：存放当前指令的地址。当前指令执程序计数器：存放当前指令的地址。当前指令执行完后，程序计数器自动加行完后，程序计数器自动加1，指向下一条指令，指向下一条指令的地址。的地址。u 控制单元是整个计算机的指挥中心，被称为计算机控制单元是整个计算机的指挥中心，

7、被称为计算机的大脑的大脑u控制通过线路的开（高电平）或关（低电平）实现控制通过线路的开（高电平）或关（低电平）实现u控制单元的基本功能：控制单元的基本功能：u从主存中取出指令从主存中取出指令u对指令译码，产生相应的操作控制信号对指令译码，产生相应的操作控制信号u指挥并控制指挥并控制CPU、主存和输入、主存和输入/输出设备之间的数输出设备之间的数据流动据流动 控制单元控制单元n主存储器是存储单元的集合主存储器是存储单元的集合n每一个存储单元都有惟一的标识符每一个存储单元都有惟一的标识符地址地址n数据以字（或字节）的形式在存储器中传入或数据以字（或字节）的形式在存储器中传入或传出传出 主存储器主存

8、储器地址地址值值存储器存储器n每个存储单元存放一个字（或字节）。每个存储单元存放一个字（或字节）。n所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称为为 地址空间地址空间。n存储地址用无符号二进制数表示。存储地址用无符号二进制数表示。n地址本身采用位模式。如果计算机有地址本身采用位模式。如果计算机有N个字的存个字的存储空间，则存储地址应当有储空间，则存储地址应当有log2N位。位。地址空间地址空间主存储器分为三种类型：主存储器分为三种类型：随机存储器随机存储器 (RAM)只读存储器只读存储器 (ROM)互补金属氧化物存储器互补金属氧化物存储器(CMOS)主存

9、储器主存储器 RAMROMCMOS主存储器的种类主存储器的种类&RAM的特点：的特点： 计算机中主存的主要组成部分。计算机中主存的主要组成部分。 用户既可以读，又可以写。用户既可以读，又可以写。 对所有存储单元的读写时间均相同。对所有存储单元的读写时间均相同。 具有易失性。若断电或关掉计算机，全部存储具有易失性。若断电或关掉计算机，全部存储 的信息将会丢失。的信息将会丢失。& 随机存储器（随机存储器（RAM ）又分为两大类：）又分为两大类： 静态静态RAM（SRAM） ：利用触发器来存储信利用触发器来存储信息，当通电的时候信息始终存在，不需要刷新。息，当通电的时候信息始终存在，不需要刷新。存取

10、速度快，但容量较小，价格较高。存取速度快，但容量较小，价格较高。 动态动态RAM（DRAM）: 利用电容上的电荷存储利用电容上的电荷存储信息，电容上的电荷会泄漏，需要周期性的刷信息，电容上的电荷会泄漏，需要周期性的刷新。存取速度慢，但容量较大，价格较低。新。存取速度慢，但容量较大，价格较低。&RAM 的容量、速度：的容量、速度： 衡量衡量RAM容量的单位通常用字节数表示。每容量的单位通常用字节数表示。每1024个字节称为个字节称为1K字节（字节（210=1K），每），每1024K字字节称为节称为1M字节（字节（220=1M），每），每1024M字节称为字节称为1G字节（字节（230=1G）。）

11、。 磁带用两个卷轴承接起来，当磁带运动时，磁带用两个卷轴承接起来，当磁带运动时，可以通过读可以通过读/写磁头来读写磁带上的数据。写磁头来读写磁带上的数据。 磁带是顺序访问的，用户要找一个文件，必磁带是顺序访问的，用户要找一个文件，必须从磁带头开始。须从磁带头开始。 磁带磁带利用激光技术来存储和读取数据利用激光技术来存储和读取数据 。光存储设备有只读光盘光存储设备有只读光盘(CD-ROM)、可刻录光盘、可刻录光盘 (CD-R)、可重写光盘、可重写光盘(CD-RW)、数字多功能光盘、数字多功能光盘(DVD)。CD-ROM的内容是由制造商写入的。用户不能删除，的内容是由制造商写入的。用户不能删除，也

12、不能写入。也不能写入。CD-ROM 盘所需的费用是可调节的，尤其是大批盘所需的费用是可调节的，尤其是大批量地生产，每个盘片的费用会很便宜的。量地生产，每个盘片的费用会很便宜的。CD-ROM 驱动器被使用来读驱动器被使用来读 CD-ROM 盘。盘。CD-ROM 驱动器有不同的速度，如单倍速，多倍驱动器有不同的速度，如单倍速，多倍速等。速等。CD-ROM的制造需要先使用高能红外激光来制作主的制造需要先使用高能红外激光来制作主盘。激光在主盘上形成一系列的坑和纹间表面。盘。激光在主盘上形成一系列的坑和纹间表面。然后依照主盘，作成相应的模盘。然后依照主盘，作成相应的模盘。最后将溶解的聚碳酸酯树脂注入模盘

13、中制成光盘。最后将溶解的聚碳酸酯树脂注入模盘中制成光盘。CD-R 制造时不需要主盘和模盘。制造时不需要主盘和模盘。CD-R盘上的坑和纹间表面是模拟出来的。盘上的坑和纹间表面是模拟出来的。CD-R 是让用户自己制作的光盘。用户只需要一是让用户自己制作的光盘。用户只需要一次写入信息，就可以多次读出信息。次写入信息，就可以多次读出信息。CD-RW 技术又称之为可擦写光盘技术。技术又称之为可擦写光盘技术。CD-RW光盘可以写入、擦除、重写。光盘可以写入、擦除、重写。lDVD 采用与采用与CD类似的技术。两种盘尺寸相同。类似的技术。两种盘尺寸相同。lDVD 盘的存储量远大于盘的存储量远大于 CD-ROM

14、盘（如单层盘（如单层DVD盘的容量为盘的容量为4,700 MB ，而，而 CD-ROM盘的盘的容量仅为容量仅为650 MB）。）。lDVD 盘更适用于多媒体对存储大容量数据的盘更适用于多媒体对存储大容量数据的需要。需要。 CPU与主存之间的连接与主存之间的连接主存主存数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线CPU 和主存之间通常通过系统总线连接。和主存之间通常通过系统总线连接。 系统总线系统总线包括三组线路包括三组线路 ：数据总线：数据总线 、地址总线和控制总线。、地址总线和控制总线。系统总线系统总线2数据总线数据总线 ：由双方向的多根信号线组成，由双方向的多根信号线组成， CPU可以

15、沿这可以沿这些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外些线从主存或外设读入数据，也可以沿这些线向主存或外设送出数据。通常数据总线的位数取决于字的宽度。如果设送出数据。通常数据总线的位数取决于字的宽度。如果计算机的字长是计算机的字长是32位，就需要位，就需要32位宽度的数据总线，以便位宽度的数据总线，以便同一时刻能够同时传送同一时刻能够同时传送32位的数据。位的数据。2地址总线：地址总线：由单方向的多根信号线组成，用于由单方向的多根信号线组成，用于CPU向主存、向主存、外设传输地址信息。地址总线的位数取决于存储空间的大外设传输地址信息。地址总线的位数取决于存储空间的大小。如果存储容量为小

16、。如果存储容量为2n个字，那么地址总线需要个字，那么地址总线需要n位。位。系统总线系统总线n控制总线：控制总线：传输的是控制信息，包括传输的是控制信息，包括CPU送出的控制命令送出的控制命令和主存和主存/外设反馈给外设反馈给CPU的状态信号。控制总线的位数取决的状态信号。控制总线的位数取决于计算机所需要的控制命令的总数。如果计算机有于计算机所需要的控制命令的总数。如果计算机有2m条控条控制命令，那么控制总线需要制命令，那么控制总线需要m位。位。2输入输出设备不能直接与输入输出设备不能直接与CPU和主存的总线相连。因为输和主存的总线相连。因为输入输出设备往往都是机电、磁性或光学设备，比入输出设备往往都是机电、磁性或光学设备，比CPU和主和主存的速度慢得多。必须要有存的速度慢得多。必须要有“中介中介”来处理速度上的差异，来处理速度上的差异，这个中介被称为设备控制器或接口。这个中介被称为设备控制器或接口。键盘控键盘控制器制器监视器监视器控制器控制器打印机打印机控制器控制器磁盘控磁盘控制器制器设备控制器有两种设备控制器有两种2串行控制器：串行控制器：只有一根数据线连接到设备上。只有一根数据线连