計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)單元

優(yōu)選計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)單元Ppt2023/3/24當(dāng)前1頁，總共64頁。課前預(yù)習(xí)將手機(jī)調(diào)到靜音認(rèn)真做筆記及時(shí)完成作業(yè)上課要求當(dāng)前2頁，總共64頁。本節(jié)內(nèi)容2023/3/24馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)（重點(diǎn)）系統(tǒng)主板與時(shí)鐘頻率（難點(diǎn)）電子數(shù)據(jù)與指令微處理器（重點(diǎn)）主存儲(chǔ)器當(dāng)前3頁，總共64頁。掌握馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)成了解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展掌握計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)掌握微處理器的構(gòu)成及作用了解主存儲(chǔ)器的分類及作用學(xué)習(xí)目標(biāo)當(dāng)前4頁，總共64頁。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

體系結(jié)構(gòu)指的是,構(gòu)成系統(tǒng)主要部件的總體布局、部件的主要性能以及這些部件之間的連接方式。計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)服從馮·諾依曼等人于1946年提出的一個(gè)完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)雛形。當(dāng)前5頁，總共64頁。2023/3/24存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)當(dāng)前6頁，總共64頁。2023/3/24計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5大部分組成。

控制器和運(yùn)算器是其核心，稱為CPU按存儲(chǔ)程序原理進(jìn)行工作數(shù)據(jù)和程序以二進(jìn)制代碼形式不加區(qū)別地存放在存儲(chǔ)器中，存放的位置由地址確定 控制器是根據(jù)存放在存儲(chǔ)器中的指令序列（程序）進(jìn)行工作，并由一個(gè)程序計(jì)數(shù)器控制指令的執(zhí)行。當(dāng)前7頁，總共64頁。2023/3/24馮·諾依曼的特點(diǎn)：以運(yùn)算器為中心。在存儲(chǔ)器中，指令和數(shù)據(jù)同等對(duì)待。指令和數(shù)據(jù)一樣可以進(jìn)行運(yùn)算，即由指令組成的程序是可以修改的。存儲(chǔ)器是按地址訪問、按順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元的位數(shù)是固定的。當(dāng)前8頁，總共64頁。存儲(chǔ)程序原理的基本點(diǎn)：指令驅(qū)動(dòng)。程序預(yù)先存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)一旦啟動(dòng)，就能按照程序指定的邏輯順序執(zhí)行這些程序，自動(dòng)完成由程序所描述的處理工作。當(dāng)前9頁，總共64頁。2023/3/24例：有一函數(shù):

編一程序，輸入一個(gè)x值，要求輸出相應(yīng)的y值。當(dāng)前10頁，總共64頁。2023/3/24scanf("%d",&x);if(x<0)y=-1;if(x==0)y=0;if(x>0)y=1;printf("x=%d,y=%d\n",x,y);當(dāng)前11頁，總共64頁。計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

適應(yīng)串行的算法的體系結(jié)構(gòu)改變?yōu)檫m應(yīng)并行的算法的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。面向高級(jí)語言計(jì)算機(jī)和直接執(zhí)行高級(jí)語言的計(jì)算機(jī)。

硬件系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng)的計(jì)算機(jī)。2023/3/24當(dāng)前12頁，總共64頁。從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型和需求驅(qū)動(dòng)型的計(jì)算機(jī)。各種適應(yīng)特定應(yīng)用的專用計(jì)算機(jī)。

高可靠性的容錯(cuò)計(jì)算機(jī)。處理非數(shù)值化信息的計(jì)算機(jī)。2023/3/24當(dāng)前13頁，總共64頁。2023/3/24體系結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)有速度、容量、功耗、體積、靈活性、成本等指標(biāo)。常用的計(jì)算機(jī)評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn):

時(shí)鐘頻率(主頻)

指令執(zhí)行速度等效指令速度數(shù)據(jù)處理速率(processingdatarate，PDR)

核心程序法當(dāng)前14頁，總共64頁。

時(shí)鐘頻率（主頻）：指同步電路中時(shí)鐘的基礎(chǔ)頻率，它以“若干次周期每秒”來度量。量度單位采用單位赫茲（Hz）。它是評(píng)定CPU性能的重要指標(biāo)。通常所說的某某CPU是多少GHz的，而這個(gè)多少GHz就是“CPU的主頻”，一般來說主頻數(shù)字值越大越好。2023/3/24當(dāng)前15頁，總共64頁。以Pentium42.0為例，它的工作主頻為2.0GHz，這說明了什么呢？2.0GHz意味著每秒鐘它會(huì)產(chǎn)生20億個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期為0.5納秒。2023/3/24當(dāng)前16頁，總共64頁。指令執(zhí)行速度MIPS(MillionInstructionsPerSecond)：表示每秒處理的百萬級(jí)的機(jī)器語言指令數(shù)。2023/3/24當(dāng)前17頁，總共64頁。

CPU被集成在一片大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路上，稱為MPU（微處理器，microprocessunit）。

微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的連接方式都是采用總線結(jié)構(gòu)。總線：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，模塊與模塊，設(shè)備與設(shè)備之間傳輸交換信息的公共通道。2023/3/24微型計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)當(dāng)前18頁，總共64頁。2023/3/24

數(shù)據(jù)總線，DB總線地址總線，AB

控制總線，CB數(shù)據(jù)總線：傳送數(shù)據(jù)和指令代碼的信號(hào)線。地址總線：傳送CPU所要訪問的存儲(chǔ)單元或輸入輸出接口

地址的信號(hào)線。控制總線：管理總線上的各個(gè)部件所產(chǎn)生的信號(hào)協(xié)調(diào)。當(dāng)前19頁，總共64頁。

接口：將總線信號(hào)連接到某個(gè)部件或設(shè)備的電路。存儲(chǔ)器接口：實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與總線相連的電路。輸入輸出接口：實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備和總線連接的電路。2023/3/24當(dāng)前20頁，總共64頁。

系統(tǒng)主板系統(tǒng)主板：又稱為底板或母板，它是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通信網(wǎng)，系統(tǒng)單元的每個(gè)元器件直接連接到系統(tǒng)主板，它們通過系統(tǒng)主板進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。2023/3/24當(dāng)前21頁，總共64頁。2023/3/24CPUSlotPowerSocketBIOS

ChipFloppyInterfaceMotherBoardChipsAGPSlotMemorySlotBatteryPCI

SlotCPU插槽BIOS芯片F(xiàn)loppy接口IDE接口主板芯片組AGP插槽內(nèi)存插槽電池I/O端口PCI插槽IDE

Interface電源插座I/OPorts當(dāng)前22頁，總共64頁。系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘：控制計(jì)算機(jī)操作的速度，這個(gè)速度用兆赫（MHz）表示。１兆赫等于每秒一百萬周期，時(shí)鐘周期速度越快，則計(jì)算機(jī)處理信息的速度就越快。2023/3/24當(dāng)前23頁，總共64頁。電子數(shù)據(jù)與指令

數(shù)據(jù)與指令是通過兩種狀態(tài)的信號(hào)表示,例如電子電路的開與關(guān)。它們分別表示二進(jìn)制0或1。8個(gè)比特構(gòu)成一個(gè)字節(jié)，一般每個(gè)字節(jié)可以表示成一個(gè)英文字母，兩個(gè)字節(jié)表示一個(gè)漢字。2023/3/24當(dāng)前24頁，總共64頁。電子數(shù)據(jù)與指令

表示字符的三種二進(jìn)制編碼形式：ASCII碼：使用最廣泛的二進(jìn)制編碼,使用7位分別表示0～9、a～z、A～Z以及標(biāo)點(diǎn)符號(hào),用8位表示特殊字符，主要用于微型計(jì)算機(jī)。EBCDIC碼：用一個(gè)字節(jié)表示數(shù)字和字母等，主要用于大型機(jī)系統(tǒng)。Unicode碼：它是一種16位的編碼，用于支持像中文、日文等國(guó)際語言。2023/3/24當(dāng)前25頁，總共64頁。當(dāng)用戶按下一個(gè)鍵時(shí)，該鍵所表示的字符自動(dòng)轉(zhuǎn)化為一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能識(shí)別的電子脈沖（有脈沖和無脈沖兩個(gè)狀態(tài)）。如字母鍵A，引起電子脈沖送到微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)單元將其翻譯成ASCII碼：01000001。2023/3/24當(dāng)前26頁，總共64頁。微處理器1971年10月，美國(guó)Intel公司首先推出Intel4004微處理器。這是實(shí)現(xiàn)4位并行運(yùn)算的單片處理器，構(gòu)成運(yùn)算器和控制器的所有元件都集成在一片大規(guī)模集成電路芯片上，是第一片微處理器。2023/3/24當(dāng)前27頁，總共64頁。

第一代，1971年開始，是4位微處理器和低檔8位微處理器的時(shí)期。第二代，1973年開始，是8位微處理器的時(shí)期。第三代，1978年開始，是16位微處理器的時(shí)期。第四代，1981年開始，是32位微處理器的時(shí)期。1985年，Intel80386，集成度為27.5萬管/片，采用CHMOS工藝，1.2μm光刻技術(shù)。2023/3/24當(dāng)前28頁，總共64頁。自Intel80386芯片推出以來，又出現(xiàn)了許多高性能的32位及64位微處理器，如Motorola的MC68030、MC68040，AMD公司的K6-2、K6-3、K7以及Intel的80486、Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ、Pentium4等。2023/3/24當(dāng)前29頁，總共64頁。2023/3/24微處理器的典型結(jié)構(gòu)運(yùn)算器控制器寄存器當(dāng)前30頁，總共64頁。2023/3/24(1)運(yùn)算器：包括算術(shù)邏輯單元(ALU)，用來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果的一些特征由標(biāo)志寄存器儲(chǔ)存。(2)控制器：包括指令寄存器、指令譯碼器以及定時(shí)與控制電路。根據(jù)指令譯碼的結(jié)果，以一定時(shí)序發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，用來控制指令的執(zhí)行。當(dāng)前31頁，總共64頁。(3)寄存器陣列：包括一組通用寄存器和專用寄存器。通用寄存器用來臨時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)。專用寄存器通常有指令指針I(yè)P(或程序計(jì)數(shù)器PC)和堆棧指針SP等。2023/3/24當(dāng)前32頁，總共64頁。2023/3/24微處理器的典型結(jié)構(gòu)當(dāng)前33頁，總共64頁。2023/3/24微處理器芯片CISC芯片RISC芯片專用芯片當(dāng)前34頁，總共64頁。CISC芯片：又稱復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)，其指令系統(tǒng)一般多達(dá)幾百條指令,這種技術(shù)由Intel公司推廣，并且是該公司主流微處理器的基礎(chǔ)。例如PentiumⅢ和Pentium4。RISC芯片：又稱簡(jiǎn)化指令集計(jì)算機(jī)，其使用較少的指令。Motorola、IBM和Apple公司共同開發(fā)的PowerPC芯片就是利用了RISC技術(shù)。專用芯片：用于智能卡的微型內(nèi)置式微處理器。例如交通卡、社保卡。2023/3/24當(dāng)前35頁，總共64頁。2023/3/24

主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器又稱為內(nèi)存儲(chǔ)器或內(nèi)存，是指能夠通過指令中的地址直接訪問的存儲(chǔ)器。作用：用來存儲(chǔ)正在被CPU使用的程序和數(shù)據(jù)。當(dāng)前36頁，總共64頁。2023/3/24單元地址00…0000…01........XX…XX存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)元存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)體當(dāng)前37頁，總共64頁。2023/3/24隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）閃存(flashRAM,Flash)動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）靜態(tài)RAM（SRAM）只讀存儲(chǔ)器（ROM）可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)可刪除編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)電可刪除編程存儲(chǔ)器(EEPROM)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)存儲(chǔ)器當(dāng)前38頁，總共64頁。2023/3/24

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

只讀

存儲(chǔ)器

ROM

隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器RAM

掩膜ROM

可編程ROM（PROM）

可擦除ROM（EPPROM）

電擦除ROM（EEPROM）

靜態(tài)RAM（SRAM）

動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）

當(dāng)前39頁，總共64頁。2023/3/24(1)隨機(jī)存儲(chǔ)器(randomaccessmemory，簡(jiǎn)稱RAM)隨機(jī)存儲(chǔ)器(又稱讀寫存儲(chǔ)器)指通過指令可以隨機(jī)地對(duì)各個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問，一般訪問所需時(shí)間基本固定，而與存儲(chǔ)單元地址無關(guān)。當(dāng)前40頁，總共64頁。2023/3/24(2)只讀存儲(chǔ)器(readonlymemory,簡(jiǎn)稱ROM)只讀存儲(chǔ)器是一種對(duì)其內(nèi)容只能讀不能寫入的存儲(chǔ)器，在制造芯片時(shí)預(yù)先寫入內(nèi)容。它通常用來存放固定不變的程序、漢字字型庫、字符及圖形符號(hào)等。當(dāng)前41頁，總共64頁。2023/3/24(3)可編程只讀存儲(chǔ)器(programmableROM,簡(jiǎn)稱PROM)一次性寫入的存儲(chǔ)器，寫入后，只能讀出其內(nèi)容，而不能再進(jìn)行修改。當(dāng)前42頁，總共64頁。2023/3/24(4)可擦除可編程序只讀存儲(chǔ)器(erasablePROM,簡(jiǎn)稱EPROM)可用紫外線擦除其內(nèi)容的PROM，擦除后可再次寫入。(5)可電擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器(electricallyEPROM,簡(jiǎn)稱EEPROM)當(dāng)前43頁，總共64頁。2023/3/24RAM為“易失性存儲(chǔ)器”。除了RAM以外，即使停電，仍能保持其內(nèi)容，稱之為“非易失性存儲(chǔ)器”。當(dāng)前44頁，總共64頁。2023/3/24各存儲(chǔ)器的用途存儲(chǔ)器應(yīng)用SRAMDRAMROMPROMEPROMEEPROMFlashMemoryCache計(jì)算機(jī)主存固定程序，微程序控制器用戶自編程序，工業(yè)控制機(jī)或電器用戶編寫并可修改程序，產(chǎn)品試制階段程序IC卡上存儲(chǔ)器固態(tài)盤、IC卡當(dāng)前45頁，總共64頁。2023/3/24存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)

容量大，速度快，成本低。為解決三者之間的矛盾，目前通常采用多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)，即使用高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。對(duì)存儲(chǔ)器的要求是：寄存器Cache主存儲(chǔ)器外/輔助存儲(chǔ)器當(dāng)前46頁，總共64頁。2023/3/24微機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器的配置當(dāng)前47頁，總共64頁。2023/3/24主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)

指標(biāo)存儲(chǔ)容量存取時(shí)間存儲(chǔ)周期存儲(chǔ)器帶寬

含義在一個(gè)存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)啟動(dòng)到完成一次存儲(chǔ)器操作所經(jīng)歷的時(shí)間連續(xù)啟動(dòng)兩次操作所需間隔的最小時(shí)間單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量

表現(xiàn)存儲(chǔ)空間的大小

主存的速度

主存的速度數(shù)據(jù)傳輸速率技術(shù)指標(biāo)

單位字?jǐn)?shù)，字節(jié)數(shù)ｎｓｎｓ位/秒，字節(jié)/秒當(dāng)前48頁，總共64頁。主存儲(chǔ)器的基本操作

2023/3/24CPU通過使用AR(地址寄存器)和DR(數(shù)據(jù)寄存器)和主存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)，CPU和主存之間通過總線進(jìn)行n位數(shù)據(jù)傳送?？刂瓶偩€包括控制數(shù)據(jù)傳送的讀(read)、寫(write)和表示存儲(chǔ)器功能完成的(ready)控制線。當(dāng)前49頁，總共64頁。BIOSBIOS：basicinput/outputsystem其內(nèi)容集成在微機(jī)主板上的一個(gè)ROM芯片上，主要保存著有關(guān)微機(jī)系統(tǒng)最重要的基本輸入輸出程序，系統(tǒng)信息設(shè)置、開機(jī)上電自檢程序和系統(tǒng)啟動(dòng)自舉程序等。2023/3/24當(dāng)前50頁，總共64頁。2023/3/24

BIOS的主要作用BIOS中斷服務(wù)程序:主要用來在程序軟件與微機(jī)硬件之間實(shí)現(xiàn)銜接BIOS系統(tǒng)設(shè)置程序:主要保存著系統(tǒng)基本情況、CPU特性、軟硬盤驅(qū)動(dòng)器、顯示器、鍵盤等部件的信息。

上電自檢（POST）:由POST（PowerOnSelfTest,上電自檢)程序來對(duì)內(nèi)部各個(gè)設(shè)備進(jìn)行檢查。BIOS系統(tǒng)啟動(dòng)自舉程序:按照系統(tǒng)CMOS設(shè)置中保存的啟動(dòng)順序搜尋軟硬盤驅(qū)動(dòng)器及CD-ROM、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等有效地啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，讀入操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄，然后將系統(tǒng)控制權(quán)交給引導(dǎo)記錄，并由引導(dǎo)記錄來完成系統(tǒng)的順利啟動(dòng)。當(dāng)前51頁，總共64頁。BIOS設(shè)置程序的菜單操作說明開機(jī)出現(xiàn)電腦商家圖標(biāo)時(shí)，按住F2鍵進(jìn)入BIOS界面。大多數(shù)電腦是按住F2鍵，有部分電腦品牌按F1或是其他。2023/3/24當(dāng)前52頁，總共64頁。主菜單（1）StandardCMOSFeatures（標(biāo)準(zhǔn)CMOS特征）（2）AdvancedBIOSFeatures（高級(jí)BIOS特征）（3）AdvancedChipsetFeatures（高級(jí)芯片組特征）2023/3/24當(dāng)前53頁，總共64頁。（4）IntegratedPeripherals（整合周邊）（5）PowerManagementSetup（電源管理設(shè)定）（6）PNP/PCIConfigurations（PNP/PCI配置）（7）PCHealthStatus（PC當(dāng)前狀態(tài)）（8）Frequency/VoltageControl（頻率/電壓控制）2023/3/24當(dāng)前54頁，總共64頁。20