第3章 計算機(jī)硬件35

第3章計算機(jī)硬件大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)容摘要1.計算機(jī)系統(tǒng)組成2.計算機(jī)硬件系統(tǒng)3.嵌入式系統(tǒng)與DSP2華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊3.1計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該包括硬件（Hardware）系統(tǒng)和軟件（Software）系統(tǒng)兩大部分。計算機(jī)硬件是指計算機(jī)系統(tǒng)中看得見、摸得著的物理實(shí)體，即構(gòu)成計算機(jī)系統(tǒng)各種物理部件總稱。計算機(jī)軟件是為了運(yùn)行、管理和維護(hù)計算機(jī)所編制的各種程序、數(shù)據(jù)及其它相關(guān)資料的總稱。

3華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊3.1.1計算機(jī)硬件組成硬件主要包括：微處理器、內(nèi)部存儲器、外部存儲器、輸入輸出設(shè)備、各種接口電路以及總線。微處理器（MPU），也稱為中央處理單元（CPU），是微機(jī)硬件系統(tǒng)的控制核心，由運(yùn)算器、控制器和一些寄存器組成。存儲器是計算機(jī)的記憶部件，又可分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器。

4華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊輸入輸出設(shè)備，簡稱為I/O設(shè)備，根據(jù)作用可以分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，是用戶和計算機(jī)交互的橋梁接口電路是CPU與IO設(shè)備通信的中轉(zhuǎn)站，CPU通過接口電路來控制外部設(shè)備總線（Bus）是連接計算機(jī)內(nèi)部多個功能部件的一組公共信息通路。CPU、內(nèi)存和各種接口電路之間是采用系統(tǒng)總線連接CPU、內(nèi)存、接口和總線構(gòu)成了計算機(jī)的主機(jī)，而外存和IO設(shè)備構(gòu)成了計算機(jī)的外設(shè)55華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件主要包括：1.操作系統(tǒng)（OperatingSystem，簡稱OS）：是管理計算機(jī)軟硬件資源的軟件。2.語言處理程序：包括匯編程序、各種高級語言的解釋程序、編譯程序、集成開發(fā)環(huán)境等等。3.系統(tǒng)服務(wù)程序包括系統(tǒng)診斷程序、測試程序、編輯程序、裝配鏈接程序等。4.大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）應(yīng)用軟件例如工程設(shè)計軟件、QQ、人事管理軟件、財務(wù)管理軟件等

66華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊計算機(jī)系統(tǒng)層次模型從功能上看，計算機(jī)系統(tǒng)是一個有五個層次的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。每一級都有不同的人使用不同語言工具進(jìn)行程序設(shè)計。微程序設(shè)計級一般機(jī)器級，也稱為機(jī)器語言級操作系統(tǒng)級匯編語言級高級語言級

77華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊計算機(jī)系統(tǒng)層次模型續(xù)軟件和硬件具有等價性發(fā)展趨勢：軟件硬件化軟硬件分界線逐步向高層移動

某一功能是采用硬件還是軟件實(shí)現(xiàn)，這取決于器件價格、速度、可靠性、存儲容量、系統(tǒng)開發(fā)周期等多種因素。

88華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊計算機(jī)硬件系統(tǒng)構(gòu)成計算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成運(yùn)算器主要由算術(shù)邏輯單元ALU和通用寄存器組成，主要用于完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。

控制器是整個計算機(jī)的控制中心。它的主要功能是周而復(fù)始地取指令、分析指令再根據(jù)指令功能向其它部件發(fā)出控制信號以執(zhí)行指令。

99華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊計算機(jī)硬件系統(tǒng)構(gòu)成續(xù)運(yùn)算器和控制器合起來稱為中央處理器CPU或微處理器存儲器主要用于存儲計算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)，又分為內(nèi)存和外存內(nèi)存和CPU合起來稱為主機(jī)I/O設(shè)備與外存統(tǒng)稱為外部設(shè)備，簡稱外設(shè)。

外設(shè)必須經(jīng)過接口中轉(zhuǎn)后才能和CPU通信系統(tǒng)總線將CPU、內(nèi)存、各種接口相連接，是這些部件之間的公共信息通路。1010華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊3.1.2CPUCPU，也稱為中央處理器，是計算機(jī)系統(tǒng)的指揮控制核心

由運(yùn)算器和控制器組成

計算機(jī)其它部件都受CPU控制1111華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊運(yùn)算器主要由算術(shù)邏輯單元、通用寄存器以及專用寄存器組成主要功能是在控制器的指揮下，進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算算術(shù)邏輯單元（ALU）是運(yùn)算器中實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的電路通用寄存器是運(yùn)算器中的數(shù)據(jù)暫存器專用寄存器包括：數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DR），程序狀態(tài)字（PSW）等1212華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊控制器由程序計數(shù)器、地址寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器和操作控制器組成，是整個計算機(jī)的控制核心。程序計數(shù)器（PC）地址寄存器（AR）指令寄存器（IR）指令譯碼器(ID)時序產(chǎn)生器操作控制器1313華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊控制器續(xù)功能：指揮計算機(jī)的各個部件協(xié)調(diào)一致地自動運(yùn)行。具體包括：程序控制：按照程序規(guī)定的順序執(zhí)行，指令的相互順序不能任意顛倒操作控制：產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)每條指令功能所需的操作信號時間控制：每種操作信號都有嚴(yán)格的時間先后順序和時間長短規(guī)定

1414華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊3.1.3存儲器是計算機(jī)中的記憶部件程序、數(shù)據(jù)、中間結(jié)果都以二進(jìn)制形式存在于各種存儲器中

一個存儲元只能存儲一個二進(jìn)制位，即一個“0”或者“1”，一般以bit為單位

8位存儲元組成的單位叫做一個字節(jié)（Byte）1Byte=1B=8bit1KB=1024B=210Byte1MB=1024KB=220Byte1GB=1024MB=230Byte1TB=1024GB=240Byte

1515華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊存儲器續(xù)每個存儲單元在整個存儲中的位置,都有一個編號,這個編號稱為該存儲單元的地址一個存儲器中所有存儲單元的總數(shù)量,稱為它的存儲容量1616華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊存儲器續(xù)從一個存儲單元讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)的時間稱為讀寫時間，兩次CPU對存儲器讀/寫操作之間的最小間隔稱為存取周期存儲器和CPU最主要的連接線有地址線、數(shù)據(jù)線和控制線地址線用于從CPU向存儲器發(fā)送讀寫地址數(shù)據(jù)線用于在CPU和存儲器之間傳輸數(shù)據(jù)控制線用于指明對存儲器的操作性質(zhì)

1717華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊存儲器分類按存儲介質(zhì)分類：磁介質(zhì)存儲器、半導(dǎo)體存儲器和光介質(zhì)存儲器按存取方法分類：隨機(jī)訪問存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）兩類按存儲原理分類：動態(tài)存儲器（DRAM）和靜態(tài)存儲器（SRAM）兩類根據(jù)在計算機(jī)中所處位置和作用的不同可以分為內(nèi)存、外存和緩沖存儲器等1818華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊Cache結(jié)構(gòu)圖Cache主要由Cache存儲器和Cache控制器兩部分組成若在m次內(nèi)存訪問中有n次數(shù)據(jù)在Cache中找到，則我們稱該Cache的命中率為n/m容量越大，命中率越接近11919華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊虛擬存儲器

虛擬存儲器簡稱為虛存，主要解決內(nèi)存容量不夠大的問題處于存儲器層次結(jié)構(gòu)的“主存-輔存”層次利用程序局部性原理使虛存容量達(dá)到輔存的容量，訪問速度接近主存的速度，平均位成本接近輔存的成本

由硬件和操作系統(tǒng)自動實(shí)現(xiàn)存儲信息調(diào)度和管理的以頁（512字節(jié)到幾K容量）為單位進(jìn)行調(diào)入調(diào)出

2020華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊存儲器層次結(jié)構(gòu)解決計算機(jī)存儲器容量、價格、成本之間的矛盾。主要包括高速緩沖存儲器Cache、內(nèi)部存儲器、外部存儲器三層各層之間的信息流動由輔助硬件或操作系統(tǒng)自動完成。可以提高計算機(jī)的性能價格比，在速度方面接近最高級存儲器，在容量和價格方面接近最底層存儲器

2121華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊存儲器層次結(jié)構(gòu)續(xù)2222華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊3.1.4外部設(shè)備大部分是機(jī)械、光電等低速設(shè)備，無法直接和CPU通信采用接口電路做外部設(shè)備和CPU之間的中轉(zhuǎn)站，每個接口里都有少量可供CPU讀寫的寄存器，稱之為端口（Port）CPU通過對接口中的端口讀寫數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的間接控制主要包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外部存儲器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備等2323華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊3.1.5總線

計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部多個模塊之間的一組公共傳輸通道數(shù)據(jù)、地址和控制信息都經(jīng)由總線傳送

在計算機(jī)中通常表現(xiàn)為主板上的一組并行信號線地址總線（AB），用來傳送地址信息，n根地址總線可以訪問的地址空間是2n

數(shù)據(jù)總線（DB），用于傳送數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)總線的根數(shù)決定了通過該總線一次可以傳送的信息量

控制總線（CB），用于在主控設(shè)備和被控設(shè)備之間傳送控制信號：中斷、DMA、時鐘、復(fù)位、握手信號等

2424華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊總線分類片內(nèi)總線是CPU內(nèi)部多個功能部件之間的數(shù)據(jù)傳輸通路

系統(tǒng)總線又稱為內(nèi)總線，是計算機(jī)系統(tǒng)中各接口電路板和主存之間的信息通路，如ISA、EISA、PCI等

通信總線也稱為外總線，是計算機(jī)與計算機(jī)之間或者計算機(jī)與其它通信設(shè)備之間的連接線，如：RS232、RS485、USB、CAN總線等局部總線，也稱為處理器總線，是為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率而設(shè)計的專用總線

2525華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊單總線硬件結(jié)構(gòu)圖2626華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊3.1.6接口各種外部設(shè)備是通過接口電路連接到計算機(jī)系統(tǒng)中，CPU是通過控制接口電路間接實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備控制主要功能：信息變換

速度協(xié)調(diào)

中斷處理電平轉(zhuǎn)換信號放大

2727華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊接口工作原理接口中可供CPU讀寫操作的寄存器叫做端口，這些寄存器的地址稱為端口地址

通常包括數(shù)據(jù)端口、狀態(tài)端口和控制端口

2828華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊3.2.3馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)與哈佛體系結(jié)構(gòu)區(qū)別華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊293.2.3馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成。把要執(zhí)行的指令和待處理的數(shù)據(jù)按照順序編成程序存儲到計算機(jī)內(nèi)部的存儲器中,程序和數(shù)據(jù)以二進(jìn)制代碼形式不加區(qū)別地存放，存放位置由內(nèi)存地址確定。（存儲程序原理）每條指令由操作碼和操作數(shù)兩部分構(gòu)成。內(nèi)存儲器是定長的線性組織，CPU通過內(nèi)存地址可以直接讀寫內(nèi)存。由控制器對計算機(jī)進(jìn)行集中的順序控制3030華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊馮.諾依曼型計算機(jī)馮.諾依曼開創(chuàng)了現(xiàn)代計算機(jī)理論兩個主要貢獻(xiàn)：二進(jìn)制思想與存儲程序和程序控制思想馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)，也稱為普林斯頓體系結(jié)。從ENIAC到當(dāng)前最先進(jìn)的計算機(jī)基本都采用的是馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)。3131華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)續(xù)3232華南理工大學(xué)計算機(jī)教學(xué)團(tuán)隊計算機(jī)基本工作原理通過某種程序設(shè)計語言把解決思路編制成程序通過輸入設(shè)備把程序輸入到計算機(jī)中保存起來，通常存于外部存儲器中運(yùn)行該程序時由控制器向接口電路發(fā)命令將外存中的程序調(diào)入計算機(jī)的內(nèi)存中，并將CPU中的程序計數(shù)器指向該程序的第一條指令啟動執(zhí)行后，取指、分析、執(zhí)行、寫結(jié)果每條指令執(zhí)行完成后，程序計數(shù)器指向下條指令準(zhǔn)備執(zhí)行馮．諾依曼型計算機(jī)的基本工作過程是在控制器的控制下，計算機(jī)自動地從內(nèi)存中取指令、