第1章計算機(jī)組成原理

1、信息技術(shù)基礎(chǔ)信息技術(shù)基礎(chǔ)第第1 1章章 計算機(jī)組成原理計算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)n了解計算機(jī)組成與分類了解計算機(jī)組成與分類n了解了解CPU基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)n掌握掌握PC機(jī)的主要部件結(jié)構(gòu)機(jī)的主要部件結(jié)構(gòu)n了解常用了解常用I/O設(shè)備設(shè)備1.1.1 計算機(jī)的發(fā)展與作用計算機(jī)的發(fā)展與作用1.1 計算機(jī)組成與分類計算機(jī)組成與分類劃分劃分時間時間硬件硬件軟件軟件應(yīng)用應(yīng)用第一代第一代1946年年1957年年電子管電子管機(jī)器語言機(jī)器語言直接管理直接管理科學(xué)計算科學(xué)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(shè)計輔助設(shè)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?qū)ο笳Z面向?qū)ο笳Z言及交互式言及交互式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)計算機(jī)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)1.1.2 計算機(jī)的組成計算機(jī)的組成n一個實用的計算機(jī)系統(tǒng)是由計算機(jī)硬件系統(tǒng)、一個實用的計算機(jī)系統(tǒng)是由計算機(jī)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。軟件系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。計算機(jī)軟件是指在計算機(jī)中運行的各種程序及計算機(jī)軟件是指在計算機(jī)中運行的各種程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)的文檔。其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)的文檔。計算機(jī)硬件主要包括：計算機(jī)硬件主要包

3、括：CPU、內(nèi)存、外存、輸、內(nèi)存、外存、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。入設(shè)備、輸出設(shè)備。計算機(jī)硬件系統(tǒng)組成示意圖計算機(jī)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(shè)備系統(tǒng)總線輸入設(shè)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(jī)硬件系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系計算機(jī)硬件系統(tǒng)功能邏輯關(guān)系計算機(jī)計算機(jī)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(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)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(jī)機(jī)CPUCPU主存儲器主存儲器總線總線外圍設(shè)備外圍設(shè)備（外設(shè)）（外設(shè)）外存儲器外存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備1.1.3 計算機(jī)分類計算

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

5、 CPU的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 1.2 CPU的結(jié)構(gòu)與原理的結(jié)構(gòu)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(jié)果運算結(jié)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(wù)啟動時，任務(wù)啟動時，執(zhí)行該任務(wù)的程執(zhí)行該任務(wù)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(guān)的的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)將指令的運算將指令的運算處理結(jié)果送回內(nèi)處理結(jié)果送回內(nèi)存保存存保存任務(wù)完成后，將任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)處理得到的全部結(jié)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(jī)內(nèi)部，執(zhí)行的程序是由一連串指令組成，指令構(gòu)成在計算機(jī)內(nèi)部，執(zhí)行的程序是由一連串指令組成，指令構(gòu)成程序的基本單位。指令是能使計算機(jī)進(jìn)行基本操作的命令，它程序的基本單位。指令是能使計算機(jī)進(jìn)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(shè)計的指令系統(tǒng)。在現(xiàn)代計算機(jī)每

7、一種處理器都有一組專門設(shè)計的指令系統(tǒng)。在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中主要有兩大類：系統(tǒng)中主要有兩大類：CISC（復(fù)雜指令計算機(jī)）和（復(fù)雜指令計算機(jī)）和RISC（精（精簡指令計算機(jī)）。簡指令計算機(jī)）。 計算機(jī)指令采用二進(jìn)制表示，其格式為：計算機(jī)指令采用二進(jìn)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(jī)的主機(jī)機(jī)的主機(jī)1.3.1 主板、芯片組與主板、芯片組與BIOS鍵盤鼠標(biāo)器打印機(jī)顯示器話筒音箱網(wǎng)線I/O總線I/O接口硬盤，光驅(qū)I/O設(shè)備主板主板I/O設(shè)備I/O適配器（擴(kuò)充卡）機(jī)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(jī)箱機(jī)箱芯片組芯片組IDE接口CPUCPU鍵盤鼠標(biāo)器打印機(jī)

8、顯示器話筒音箱網(wǎng)線I/O總線I/O接口硬盤，光驅(qū)I/O設(shè)備主板主板I/O設(shè)備I/O適配器（擴(kuò)充卡）機(jī)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(jī)箱機(jī)箱芯片組芯片組IDE接口CPUCPU1.3 PC機(jī)的主機(jī)機(jī)的主機(jī)存儲器插座存儲器插座 處理器處理器I/O接口接口軟驅(qū)及軟驅(qū)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(qū)、硬盤軟驅(qū)、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(fù)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(fù)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(gòu)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(gòu)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(jī)器語言程序，具有啟動計算機(jī)、診斷計算機(jī)故障及控制低組機(jī)器語言程序，具有啟動計算機(jī)、診斷計算機(jī)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(shè)置程序設(shè)置程序; 基本外圍設(shè)備基本外圍設(shè)備(鍵盤、顯示器、硬盤鍵盤、顯示器、硬盤)的驅(qū)動程序的驅(qū)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(jī)的主機(jī)機(jī)的主機(jī) n存儲器層次結(jié)構(gòu)：在塔狀結(jié)構(gòu)中，存取速度塔尖最高，向下存儲器層次結(jié)構(gòu)：在塔狀

12、結(jié)構(gòu)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(shè)備輸入的信息送入主存操作，即完成將輸入設(shè)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(shè)備的任務(wù)。其特點為：出到輸出設(shè)備的任務(wù)。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(jìn)行；的數(shù)據(jù)處理操作并行進(jìn)行； 多個多個I/O設(shè)備必須能同時進(jìn)行工作；設(shè)備必須能同時進(jìn)行工作； 除了鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)器等基本的除了鍵盤、顯

13、示器、鼠標(biāo)器等基本的I/O設(shè)備之外，不同計算設(shè)備之外，不同計算 機(jī)所配置的機(jī)所配置的I/O設(shè)備數(shù)量、品種和性能差別很大，且經(jīng)常需要增設(shè)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(shè)備的種類繁多，性能各異，操作控制的復(fù)雜程度相差很大設(shè)備的種類繁多，性能各異，操作控制的復(fù)雜程度相差很大，與計算機(jī)主機(jī)的連接也各不相同。，與計算機(jī)主機(jī)的連接也各不相同。nI/O總線總線掃描儀掃描儀打印機(jī)打印機(jī)顯示器顯示器麥克風(fēng)麥克風(fēng)網(wǎng)線網(wǎng)線I/O總線總線I/O接口接口硬盤硬盤光驅(qū)光驅(qū)I/O設(shè)備設(shè)備CPU主板主板I/O設(shè)備設(shè)備I/O控制器控制器（擴(kuò)充卡（擴(kuò)充卡）機(jī)箱機(jī)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(jī)箱機(jī)箱芯片組芯片組IDE接口接口I/O設(shè)備設(shè)備機(jī)箱機(jī)箱插座插座鍵盤鍵盤鼠標(biāo)器鼠標(biāo)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(shè)備接口設(shè)備接口 I/O設(shè)備接口：計算機(jī)中用于連接設(shè)備接口：計算機(jī)中用于連接I/O設(shè)備的各種插頭設(shè)備的各種插頭/插座插座 以及相應(yīng)的通信規(guī)程及電器特性，就稱為以及相應(yīng)的通信規(guī)程及電器特性，就稱為I/O設(shè)備