計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成部.ppt

1,計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成部件,5.1 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成 5.2 中央處理器（CPU） 5.3 存 儲(chǔ) 系 統(tǒng) 5.4 指令系統(tǒng),2,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本構(gòu)成,中央處理器一般也稱(chēng)為CPU，是計(jì)算機(jī)的核心，具有運(yùn)算能力和控制功能。 計(jì)算機(jī)由CPU、內(nèi)存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路和系統(tǒng)總線構(gòu)成，通常稱(chēng)為計(jì)算機(jī)主機(jī) 。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為主體，并配上外設(shè)和系統(tǒng)軟件之后構(gòu)成的軟硬件系統(tǒng)。 我們通常所說(shuō)的“計(jì)算機(jī)”，其準(zhǔn)確的名稱(chēng)應(yīng)該是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,3,計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng),計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是構(gòu)成計(jì)算機(jī)的物理裝置，是看得見(jiàn)、摸得著的一些實(shí)實(shí)在在的有形實(shí)體。 目前的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)采用的仍是計(jì)算機(jī)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)馮諾依曼結(jié)構(gòu)，即采用總線結(jié)構(gòu)將運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大部件連接起來(lái)。 其中，運(yùn)算器和控制器構(gòu)成了計(jì)算機(jī)的核心部件中央處理器（Center Process Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)CPU）。,各部分的功能： 運(yùn)算器：算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算 控制器：取指令、譯碼、執(zhí)行指令 存儲(chǔ)器：保存信息 內(nèi)存：ROM(只讀存儲(chǔ)器) RAM(隨機(jī)存儲(chǔ)器，斷電后信息全部丟失) 外存：磁盤(pán)(軟盤(pán)、硬盤(pán))、光盤(pán)、磁帶 輸入設(shè)備：輸入數(shù)據(jù)(鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆等) 輸出設(shè)備：輸出數(shù)據(jù)(顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等),4,中央處理器 控制器與運(yùn)算器合在一起，制成一塊芯片，稱(chēng)為中央處理器（機(jī)），簡(jiǎn)稱(chēng) CPU 。,控制器：指揮計(jì)算機(jī)各部件按照指令功能的要求進(jìn)行操作。它從存儲(chǔ)器中取指令、分析、解釋、執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令，產(chǎn)生控制信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。,5,總線（BUS） CPU對(duì)外的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)連接線，稱(chēng)為總線。,包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。,運(yùn)算器（ALU）：實(shí)現(xiàn)算數(shù)邏輯運(yùn)算。,6,CPU 結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)總線,7,指令和程序,指令是對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控制的最小單位，一個(gè)CPU能夠執(zhí)行的所有指令的集合稱(chēng)為該CPU的指令系統(tǒng)。,程序是人們?yōu)榻鉀Q某項(xiàng)任務(wù)而編寫(xiě)的指令的有序集合。指令的不同組合方式，可以構(gòu)成完成不同任務(wù)的程序。,執(zhí)行什么操作,數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存放位置,8,計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程,計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程。 在運(yùn)行程序之前，首先通過(guò)輸入設(shè)備將編好的程序和原始數(shù)據(jù)輸送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器中，然后按照指令的順序，依次執(zhí)行指令。 執(zhí)行一條指令的過(guò)程是： 讀取指令：從內(nèi)存儲(chǔ)器中取出要執(zhí)行的指令送到 CPU 內(nèi)部的指令寄存器暫存 分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令譯碼器，譯出該指令對(duì)應(yīng)的操作 執(zhí)行指令：CPU向各個(gè)部件發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，完成指令規(guī)定的操作,9,微型機(jī)主機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu),內(nèi)存，又稱(chēng)主存，是微型機(jī)主機(jī)的組成部分，存放當(dāng)前正在使用或隨時(shí)要使用的程序和數(shù)據(jù)，是CPU可以直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器。,微處理器是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作,計(jì)算機(jī)后面板I/O接口,主機(jī)與外設(shè)之間不能直接進(jìn)行信息交換，必須通過(guò)I/O接口才能完成信息傳送。 I/O接口所起的作用是： 數(shù)據(jù)緩沖。解決高速主機(jī)與低速外設(shè)間的矛盾 信號(hào)格式配合。處理外設(shè)與CPU之間不同的信息格式，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換，串/并、并/串轉(zhuǎn)換 電平和驅(qū)動(dòng)能力配合。使外設(shè)和主機(jī)的信號(hào)電平一致，并提高CPU信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力 時(shí)序配合。使主機(jī)與外設(shè)協(xié)調(diào)工作 設(shè)備選擇。每臺(tái)外設(shè)都有設(shè)備地址,10,微型計(jì)算機(jī)概述,主要性能指標(biāo)：字長(zhǎng)、主頻、內(nèi)存容量、運(yùn)算速度 分類(lèi)： 按組成結(jié)構(gòu)分單片機(jī)、單板機(jī)、多板機(jī) 按用途分臺(tái)式、便攜式、手持式 發(fā)展方向： 高速化 P4主頻達(dá)3.40GHz 超小型化 筆記本電腦 多媒體化 多媒體處理器 網(wǎng)絡(luò)化 網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī) 隱形化 電視或影音計(jì)算機(jī),11,計(jì)算機(jī)的總線,總線是計(jì)算機(jī)傳輸指令、數(shù)據(jù)和地址的通道，是計(jì)算機(jī)各部件聯(lián)系的紐帶。 按照傳送信息的類(lèi)型，總線分為：數(shù)據(jù)總線(用于傳送數(shù)據(jù),位數(shù)等于機(jī)器字長(zhǎng))、地址總線(用來(lái)傳送存儲(chǔ)單元或輸入輸出接口的地址信號(hào)，位數(shù)決定存儲(chǔ)器的最大容量,如24位總線的尋址數(shù)為224=16M個(gè)地址 )、控制總線(傳送控制器的各種控制信號(hào) )。 按照總線在計(jì)算機(jī)中的位置可以分為內(nèi)部總線和外部總線。,微機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,ISA總線：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，16位，8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率8Mb/s，尋址空間1MB，常用于80286至80486微處理器 PCI總線：外部設(shè)備互聯(lián)總線，Intel公司1991年推出，32或64位，33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率133Mb/s，常用于Pentium微處理器 AGP是Intel公司推出的新一代圖形顯示卡專(zhuān)用總線，AGP顯示卡同主板芯片組直接相連，大幅提高了電腦對(duì)3D圖形的顯示能力，32位，66.6MHz，其視頻信號(hào)的傳送速率可以從PCI總線的133MB/s提高到266 MB/s、 533MB/s、1.064 GB/s和2.128GB/s。,12,微型機(jī)主機(jī)的物理構(gòu)成,微型計(jì)算機(jī)的主機(jī)板,北橋芯片提供對(duì)CPU、內(nèi)存、AGP顯卡等高速部件的支持以及與PCI總線的橋接； 南橋芯片提供對(duì)鍵盤(pán)接口、鼠標(biāo)接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器、串行口、并行口、USB接口及磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器接口的支持，以及與ISA總線的橋接。,BIOS是一組有關(guān)微機(jī)系統(tǒng)最重要的基本輸入輸出程序，固化在微機(jī)主板上的一個(gè)ROM芯片中。 BIOS功能主要有： 上電自檢。微機(jī)接通電源后，系統(tǒng)首先由POST程序來(lái)對(duì)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備進(jìn)行檢查。 系統(tǒng)初始化(含可編程接口芯片的初始化)，設(shè)置BIOS中包含的中斷服務(wù)程序的中斷矢量 啟動(dòng)自舉程序。將操作系統(tǒng)中的初始引導(dǎo)程序裝入內(nèi)存，并由引導(dǎo)程序來(lái)完成操作系統(tǒng)的順利啟動(dòng)。 BIOS系統(tǒng)設(shè)置程序。,13,BIOS,請(qǐng)問(wèn)計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)之間是通什么連接的呢？ BIOS是什么意思？,14,BIOS的簡(jiǎn)介,BIOS是計(jì)算機(jī)硬件與操作系統(tǒng)的接口 BIOS的全稱(chēng)為Base Input Output Sytem, 叫基本的輸入輸出系統(tǒng) BIOS既屬于軟件又屬于硬件，它的主體是程序和數(shù)據(jù)，本質(zhì)是軟件；而用來(lái)存儲(chǔ)它的Flash ROM芯片才是硬件 那我們叫它硬件？軟件？,15,我們來(lái)回答上面的問(wèn)題，如果把它分開(kāi)軟件與硬件的屬性都有這樣就不好叫了，因此在在文獻(xiàn)中把BIOS歸為Firmware固件，這樣似乎更合理,16,BIOS的幾大版本,目前BIOS有三大版本，它們是Award BIOSAMI BIOS Phoenix BIOS等等,17,BIOS功能,1、啟動(dòng)電腦時(shí)：自檢、初始化、加載操作系統(tǒng) 2、程序服務(wù)處理：為應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)提供主要與輸入輸出設(shè)備有關(guān)的服務(wù) 3、硬件中斷處理,18,存儲(chǔ)器 計(jì)算機(jī)用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的記憶部件，是計(jì)算機(jī)各種信息（數(shù)據(jù)）存放和交流的中心。,按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi)：半導(dǎo)體器件、磁性材料、光學(xué)材料,基本功能：在控制器的控制下按照指令中的地址存入或取出數(shù)據(jù)。,19,存儲(chǔ)器的性能指標(biāo) 存儲(chǔ)容量: 存儲(chǔ)器容量的基本單位，字節(jié) Byte 8 位。,1 KB 1024 Bytes 1 MB 1024 KB 1 GB 1024 MB 1 TB 1024 GB K（千）、M（兆）、 G（千兆，吉）、T（兆兆，太拉）,20,存儲(chǔ)周期（速度）: 對(duì)內(nèi)存進(jìn)行一次讀寫(xiě)操作，到可進(jìn)行下一次讀寫(xiě)操作的全部耗時(shí)。,存儲(chǔ)器價(jià)格: C/S（總價(jià)/容量）,* 三個(gè)指標(biāo)相互制約,21,通用寄存器堆,指令和數(shù)據(jù)緩沖棧,Cache （靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM）,主存儲(chǔ)器（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM）,聯(lián)機(jī)外部存儲(chǔ)器（磁盤(pán)存儲(chǔ)器等）,脫機(jī)外部存儲(chǔ)器（磁帶、光盤(pán)、優(yōu)盤(pán)）,第1層,第2層,第3層,第4層,第5層,第6層,存儲(chǔ)容量越來(lái)越大，每位的價(jià)格越來(lái)越便宜,訪問(wèn)速度越來(lái)越快,CPU內(nèi)部,存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),22,存儲(chǔ)器的主要性能特性,* Ms（毫秒），s（微秒），ns（毫微秒） 1s=1000ms，1ms=1000 s,23,存儲(chǔ)器分類(lèi) 主存（內(nèi)存）： 由中央處理器直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器，常由兩種半導(dǎo)體芯片 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM 和只讀存儲(chǔ)器 ROM 組成。,輔存（外存）： 用來(lái)存放大量的暫時(shí)不參加運(yùn)算或處理的信息，可成批的與內(nèi)存交換信息。,24,25,硬盤(pán),磁盤(pán)片,磁頭,馬達(dá),磁頭驅(qū)動(dòng),輔助電路,26,軟盤(pán),寫(xiě)保護(hù),27,磁帶,28,光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器,29,優(yōu)盤(pán),30,機(jī)器指令 是指示計(jì)算機(jī)如何工作的工作步驟，由一串二進(jìn)制碼組成，分為操作碼、地址碼、結(jié)果存放地址。,例： 0110000010000001 0110：表示加法操作 000010：源操作數(shù)地址在2號(hào)寄存器中。 000001：目的操作數(shù)的地址在1號(hào)寄存器中。,指令的含義：將2 號(hào)寄存器中的數(shù)據(jù)與1號(hào)寄存器中的數(shù)據(jù)相加，其結(jié)果存放在號(hào)寄存器中。,31,指令系統(tǒng) 一臺(tái)計(jì)算機(jī)中，所有機(jī)器指令的集合，稱(chēng)為指令系統(tǒng)。,* 指令系統(tǒng)是軟件設(shè)計(jì)者的最底層設(shè)計(jì)語(yǔ)言；是硬件設(shè)計(jì)者的依據(jù)。,32,CISC 與 RISC 從微處理器的指令系統(tǒng)來(lái)看，有 2 種分支走向，一個(gè)是 CISC，一個(gè)是 RISC。,CISC（即復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）：最初，人們?yōu)榱烁杂伞⒎奖愕鼐帉?xiě)程序，希望指令的類(lèi)型更多、功能更完善，而使指令系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，長(zhǎng)短也不一。這就是 CISC 形成的由來(lái)。,33,于是，人們提出了 RISC（精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)） 方案。該方案只保留了為數(shù)不多的簡(jiǎn)單指令并統(tǒng)一了指令中所包含的基本操作數(shù)目，也就是使指令長(zhǎng)短基本一致，以便于使用流水線，,20 世紀(jì) 70 年代中期，人們發(fā)現(xiàn) CISC 中只有20 的指令被頻繁使用，其余的 80 則難得一用，這部分指令正是使程序執(zhí)行時(shí)間變長(zhǎng)的癥結(jié)所在。,34,微處理器執(zhí)行一條指令往往要分若干步完成，這相當(dāng)于加工一個(gè)零件需要若干工序。CISC 的 指令長(zhǎng)短參差不齊，無(wú)法使用流水線，而 RISC 的指令長(zhǎng)短一樣，包括的工序(操作)數(shù)也一樣，可以放在流水線上執(zhí)行。如果有一條 4 工位的流水線，便可把 4 條指令同時(shí)放在流水線的不同工位上順序地前進(jìn)。每一時(shí)鐘周期 (相當(dāng)于流水線的加工節(jié)奏) ，便可同時(shí)完成 4 個(gè)工位的操作，這就使處理器的速度提高了 3 倍。,35,盡管 RISC 的性?xún)r(jià)比比 CISC 好得多，但由于CISC 長(zhǎng)期積累起來(lái)的軟件資源很難一下子移植到 RISC 上，所以，長(zhǎng)期以來(lái)形成了工作站領(lǐng)域使用 RISC 微處理器，如 SPARC、MIPSx000，PC 機(jī)領(lǐng)域使用 CISC 微處理器這種兩者并存的局面。在此期間，CISC 也不斷汲取 RISC 技術(shù)以提高自己的競(jìng)爭(zhēng)力，如從奔騰開(kāi)始也采用流水線技術(shù)。,36,程序 為解決某個(gè)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的一個(gè)有序指令的集合。,例： 0110000010000001 (加法) 0110000010000001 (加法) 0100000001000010 (減法) 0100000001000010 (減法),37,存儲(chǔ)程序和程序控制原理 將事先編制