第1講 計算機組成原理

第2章計算機組成原理

主講教師：劉建華

引言信息的基本單位

——比特(bit)

計算機的組成與分類

22.1

什么是比特?

比特（bit,binarydigit的縮寫）中文翻譯為“二進

位數(shù)字”、“二進位”或簡稱為“位”

■比特只有2種取值：0,1

■比特是組成數(shù)字信息的最小單位

■數(shù)值、文字、符號、圖像、聲音、命令……都可以

使用比特來表示，其具體的表示方法就稱為“編碼”

或“代碼”

計算機的組成與分類

32.1

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像

42.17T耳機的組成與分類

比特在計算機中如何表示?

■在計算機中表示二進位的方法：

■電路的高電平狀態(tài)或低電平狀態(tài)(CPU)

電容的充電狀態(tài)或放電狀態(tài)(RAM)

■兩種不同的磁化狀態(tài)(磁盤)

光盤面上的凹凸?fàn)顟B(tài)(光盤)

計算機的組成與分類

52.1

例1：CPU內(nèi)部二進位信息的表示

CPU內(nèi)部通常使用高電平表示1,低電平表示o

例2：磁盤存儲器中比特的表示

■磁盤表面微小區(qū)域中，磁性材料粒子的兩種不同的

磁化狀態(tài)分別表示。和1

磁性材料粒子

計算機的組成與分類

72.1

存儲容量的計量單位

■8個比特=1個字節(jié)（byte,用大寫B(tài)表示）

■計算機內(nèi)存儲器容量的計量單位：

KB:1KB=21°字節(jié)=1024B（千字節(jié)）

MB:1MB=22。字節(jié)=1024KB（兆字節(jié)）

GB:1GB=23。字節(jié)=1024MB（吉字節(jié)、千兆字節(jié)）

TB:1TB=24。字節(jié)=1024GB（太字節(jié)、兆兆字節(jié)）

■外存儲器容量經(jīng)常使用10的哥次來計算：

1MB=1O3KB=1000KB

1GB=1O6KB=1000000KB

1TB=109KB=1000000000KB

計算機的組成與分類

82.1

2.1計算機的組成與分類

計算機的組成與分類

92.1

2.1.1計算機的發(fā)展與作用

計算機的組成與分類

102.1

什么是計算機?

計算機是一種工具

■不是交通運輸工具

■不是機械加工工具

不是???工具

計算機是一種信息處理工具

2.1計算機的組成與分類

11

對計算機的簡單描述

計算機（電腦）是一種能夠接收信息，并按照存儲在

其內(nèi)部的程序（程序表達了某種規(guī)則）對輸入信息

進行處理，并產(chǎn)生輸出結(jié)果的高度自動化的數(shù)字電

子設(shè)備。

輸入信息計算機輸出信息

122.1計算機的組成與分類

計算機有哪些特性？

■計算機的特性：

(1)速度快

(2)存儲容量大

(3)通用性好

.不僅能處理數(shù)字和文字，而且能對圖像、聲音等多種形式的信息進

行處理

?不僅能進行數(shù)學(xué)運算，而且能進行邏輯運算

-不僅能進行運算，而且具有信息的獲取、存儲、傳輸、展現(xiàn)等功能

(4)計算機與計算機具有互連、互通和互操作的能力

計算機的組成與分類

132.1

計算機的發(fā)展

世界上的第一臺電子計算機

1946年2月，世界上第一臺電子計

算機ENIAC在美國賓夕法尼亞大學(xué)

問世。

它的出現(xiàn)，開創(chuàng)了一個計算機時

代，引發(fā)了一場由工業(yè)化社會發(fā)展到

信息化社會的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命浪潮，

從此揭開了人類歷史發(fā)展的新紀(jì)元。

142.1計算機的組成與分類

第1臺數(shù)字電子計算機

1946年ENIAC計算機公布

ENIAC（電子數(shù)字積分機與計算機）：

研制單位：美國賓夕法尼亞大學(xué)

?用途：軍事計算

?運算速度：5000次/秒

體積價格：170平方米，30噸，140千瓦，40萬美元

152.1計算機的組成與分類

計算機的分代（按使用的元器件）

?第一代（約1946-1957）電子管計算機

?速度：幾十~幾萬次/秒

?內(nèi)存：磁鼓，千字

美國于20世紀(jì)50年代生產(chǎn)的

?外設(shè)：磁帶IBM704型采用電子管的第一代

電子計算機

第?代電子計算機中使用的磁?機器語言或匯編語言編程

鼓存儲器

?第二代（約1957-1964）晶體管計算機

?速度：幾十萬次/秒，

?內(nèi)存：磁芯，十萬字

?外設(shè)：磁盤

?高級語言編程電子管晶體管

162.1計算機的組成與分類

計算機的分代（按使用的元器件）

?第三代（約1965-1973）中小規(guī)模集成電路（SSI,MSI）計算機

速度：幾十萬次?幾百萬次/秒

內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲器

高級語言，OS,DBMS

?第四代（1974年起）大規(guī)模（LSD和VLSI計算機

速度：幾百萬次~億次/秒

內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲器

軟件工程，分布式處理等

172.1計算機的組成與分類

2.1.2計算機的組成

計算機的組成與分類

182.1

計算機是一個復(fù)雜系統(tǒng)

計算機的組成與分類

192.1

計算機硬件的邏輯結(jié)構(gòu)1

經(jīng)典計算機的邏輯結(jié)構(gòu)（馮?諾依曼計算機）

存儲器

（注：邏輯結(jié)構(gòu)意指概念上（即功能上）的結(jié)構(gòu)）

計算機的組成與分類

202.1

馮?諾依曼

(Johnvoneumann)

美籍匈牙利科學(xué)家，

現(xiàn)代計算機之父，率

先奠定了現(xiàn)代計算機

的基本結(jié)構(gòu)。

計算機的組成與分類

212.1

計算機硬件的邏輯結(jié)構(gòu)2

現(xiàn)代計算機的邏輯結(jié)構(gòu)

一中央處理器

'tr（運算器及其控制）

總線(bus)

控制器

%夕;存儲器接口

與經(jīng)典計算機結(jié)構(gòu)相比的3個變化:

集中控制一分散控制

存儲器一內(nèi)存儲器+外存儲器

通過CPU通信一通過總線進行通信

計算機的組成與分類

222.1

(1)輸入設(shè)備

■輸入(input)的雙重含義：

1.把信息送入計算機的過程；2.向計算機輸入的內(nèi)容

■輸入設(shè)備(inputdevices)

■功能：用來向計算機輸入信息

■輸入設(shè)備有多種，例如：

鍵盤——輸入文字、符號和命令

鼠標(biāo)器一一輸入鼠標(biāo)器移動的位置信息及按鈕命令

-掃描儀一一輸入圖片

-麥克風(fēng)——輸入聲音

輸入設(shè)備的共性：不論信息的原始形態(tài)如何，輸入到計算機中

的信息都使用二進位來表示

計算機的組成與分類

232.1

(2)中央處理器(運算控制器)

什么是處理器(processor)?

■能高速執(zhí)行指令，完成二進制數(shù)據(jù)的算術(shù)或邏輯

運算和數(shù)據(jù)傳送等操作的部件，特點是：

-由數(shù)字電路組成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜

■所有電路都制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾

個平方厘米)，稱為“微處理器"(microprocessor)

Intel4004chipIntel8080chip

計算機的組成與分類

242.1

什么是中央處理器(CPU)?

■計算機中通常有多個不同的處理器，各有不同的分

工和任務(wù)

■用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的處理器稱為CPU,

CPU是計算機必不可少的核心組成部件

■多數(shù)個人計算機只有1個CPU,但有一些計算機包

含有2個、4個、8個甚至成百上千個CPU

■問題：

除了CPU之外，計算機中還有哪些處理器？

計算機的組成與分類

252.1

00000

00001

00010,存儲內(nèi)容

00011

（3）存儲器00100

地址，

■功能：

儲存以二進位形式表示的程序和考攵據(jù)

11110

分類：內(nèi)存儲器/外存儲器11111

內(nèi)存儲器外存儲器

（簡稱內(nèi)存或主存）（簡稱外存或輔存）

存取速度很快較慢

存儲容量較?。ㄒ騿挝怀杀据^高）很大（因單位成本較低）

性質(zhì)斷電后信息消失斷電后信息保持

用途存放已經(jīng)啟動運行的程序長期存放計算機系統(tǒng)中幾乎所

和需要立即處理的數(shù)據(jù)有的信息

與CPU關(guān)CPU所處理的指令及數(shù)程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)

系據(jù)直接從內(nèi)存中取出存后才能被CPU使用

計算機的組成與分類

262.1

(4)輸出設(shè)備

■輸出(output)的雙重含義：

1.把信息送出計算機的過程；2.從計算機輸出的內(nèi)容

輸出設(shè)備(outputdevices)

■功能：從計算機輸出信息

輸出設(shè)備有多種，例如：

?顯示器——輸出文字、符號和圖形

■打印機——打印文字、符號和圖形

■揚聲器---輸出聲音

(多數(shù))輸出設(shè)備的共性：把計算機中的二進位信息轉(zhuǎn)換成人可

感知的形式(文字、符號、圖形、聲音等)

計算機的組成與分類

272.1

(5)總線(bus)

■功能：

■用于連接CPU、內(nèi)存、外存和各種I/O設(shè)備并在它們

之間傳輸信息的一組共享的傳輸線及其控制電路

■分類：

■CPU總線（或前端總線）：用于連接CPU和內(nèi)存的

總線

I/O總線：連接內(nèi)存和I/O設(shè)備（包括外存）的總線

計算機的組成與分類

282.1

2.1.3計算機的分類

計算機的組成與分類

292.1

計算機的分類(1)

按內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分類

8位/16位/32位/64位

單CPU/多CPU

按性能和價格分類

巨型計算機(supercomputer)、

大型計算機A作為服務(wù)器曙光4。?？炀扌陀嬎銠C

小型計算機-(server)使用

個人計算機(personal

computer)

?筆記本PC｝獨立使用或作為

?臺式PC客戶機(client)使用

工作站(workstation)

計算機的組成與分類

302.1

計算機的分類（2）

按計算機服務(wù)的對象和作用劃分:

-

類服務(wù)應(yīng)用分類或應(yīng)用

型上要特點軟件特點

對象性質(zhì)舉例

個

人

直接為通用性能/價格比高工作站種類多，功

算

計

用戶服多媒體性能好臺式機能豐富，用

機

務(wù)有通用性和可擴展性筆記本戶可自行裝

卸

服務(wù)為其它半通吞吐率(throughput)高數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實時處理和并

器計算機用可用性(availabi1ity)好Web服務(wù)器發(fā)工作能力強，

可靠性和安全

有可擴展性(scalabi1ity)打印服務(wù)器

（企業(yè)級,部門級??）性好

嵌入為其它專用價格便宜手機功能專用、單

式計設(shè)備服功耗低數(shù)碼相機一、結(jié)構(gòu)緊湊,

固化在芯片中，

算機務(wù)實時（realtime）處理MP3播放器

不易修改和擴

軟件固化，擴展性差???

充

計算機的組成與分類

312.1

2.1.4微處理器

和嵌入式計算機

計算機的組成與分類

322.1

什么是微處理器?

微處理器（HP）是使用單片大規(guī)模集成電路制成的、

具有運算和控制功能的電子部件，例如：

Intel4004Intel8086Intel奔騰4Intel酷睿2

HP是各種類型計算機的核心組成部分

用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的PP稱為“CPU”

■目前幾乎所有計算機的CPU使用的都是微處理器

除了用作CPU的通用微處理器之外，還有許多專用的微

處理器產(chǎn)品：繪圖處理器、通信處理器等

計算機的組成與分類

332.1

微處理器的發(fā)展非常迅速

處理器高能奔

400480808086802868038680486奔騰奔騰II奔騰奔騰4

主要參數(shù)騰Ill

197119741993?11995?11997?1999?2000?

推出時間（年）1978198219851989

996997199820032006

0.108216?33?60?150?233?450?1500?

主頻（MHz）4.776-20

3310020020033314003800

前端總線頻16?25或100或400,533或

0.10824.776?2050或666666

率（MHz）3333133800,1066

外部數(shù)據(jù)線4864

1616323264646464

數(shù)目

地址線數(shù)目1016202432323236363636

存儲空間大640B64K64GB

1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB

小B

晶體管數(shù)目0.230.454200

2.913.427.5120310550750950

（萬）

制造工藝1061.5-1.1.0-0.0.8-0?6?0.35-0.25-0.13-

>21.5

Rm）080.350.350.250.130.065

芯片引腳數(shù)1640