計算機導(dǎo)論課件：陳勃3.1

計算機導(dǎo)論陳勃bo.chen@第3章計算機硬件系統(tǒng)內(nèi)容提要指令周期中央處理器（運算器與控制器）存儲器設(shè)備的連接輸入\輸出設(shè)備馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)

與計算機運作機制（指令周期）五大部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備數(shù)據(jù)與程序以二進(jìn)制碼方式不加區(qū)分地存放在存儲器中，存放的位置由地址值表明控制器根據(jù)存放在存儲器中的指令序列來控制其他部分的運作，并能根據(jù)計算結(jié)果選擇工作流程開機取指令停機

分析指令執(zhí)行指令無新指令有新指令基本概念——二進(jìn)制串的長度單位

二進(jìn)制串的長度單位位(bit)

千比特(Kbit)兆比特(Mbit)吉比特(Gbit)太比特(Tbit)字節(jié)(Byte)千字節(jié)(KB)兆字節(jié)(MB)吉字節(jié)(GB)太字節(jié)(TB)字(WORD)雙字(DWORD)n位的二進(jìn)制串最多可表達(dá)2n種不同的含義（狀態(tài)、數(shù)值、字符等）長二進(jìn)制串常用十六進(jìn)制來記錄，如字節(jié)01110010記作72h相鄰單位間，后者比前者長210=1024倍×2×2×8基本概念——地址、寄存器

寄存器是控制標(biāo)志和正在處理的數(shù)據(jù)的暫時存放地點寄存器分為專用寄存器（指令寄存器IR、地址寄存器AR等）和通用寄存器（AX，BX等）地址是數(shù)據(jù)存放在存儲器內(nèi)位置的數(shù)碼表示通常一個內(nèi)存地址中存放8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)（1字節(jié)）0000hA0h0001h00h0002h20h…………FFFEh……FFFFh……基本概念——指令

指令格式的兩部分：操作碼和地址碼（操作數(shù)）例

將地址2000H中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊拇嫫鰽X的低8位(AL)中

匯編碼：MOVAL,[2000h]

機器碼：A000200000hA0h0001h00h0002h20h…………FFFEh……FFFFh……將某地址內(nèi)的

數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸L地址2000h指令按意圖可分為數(shù)據(jù)傳輸型、數(shù)據(jù)處理型、程序控制型、輸入輸出型和硬件管理型精簡指令集（RICS）：相對于復(fù)雜指令集（CISC）而言，只具有使用頻率最高的指令和支持操作系統(tǒng)與高級程序設(shè)計的指令指令周期的實現(xiàn)

0000hA0h0001h00h0002h20h0003h02h0004h06h0005h01h0006h20h…………2000h05h2001h04h…………0000hPC0000hAR解碼單元A0hIR操作控制單元0001h0001h2000h05hAL0003h0003h02h0004h0004h05h09h04h06h09h0005h0007h0005h2001h例將地址2000h和2001h中的數(shù)據(jù)相加后存于AL中MOVAL,[2000h] A00020ADDAL,[2001h] 02060120算術(shù)、邏輯部件(ALU)對二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行運算的部件。它在控制器的控制下執(zhí)行程序中的指令,完成各種算術(shù)運算、邏輯運算、比較運算、移位運算以及字符運算等。運算器的組成：算術(shù)邏輯部件（ALU）完成加、減、乘、除等四則運算以及與、或、非、移位等邏輯運算；寄存器用來暫存參加運算的操作數(shù)或中間結(jié)果，常用的寄存器有累加寄存器、暫存寄存器、標(biāo)志寄存器和通用寄存器等。系統(tǒng)單元——運算器

是指揮計算機的各個部件按照指令的功能要求協(xié)調(diào)工作的部件。控制器的組成：程序計數(shù)器（PC）：用來對程序中的指令進(jìn)行計數(shù)，使控制器能依次讀取指令；指令寄存器（IR）：在指令執(zhí)行期間暫時保存正在執(zhí)行的指令。指令譯碼器（ID）：用來識別指令的功能，分析指令的操作要求。微操作控制電路：用來產(chǎn)生各種控制操作命令。時序控制電路：用來生成時序信號，以協(xié)調(diào)在指令執(zhí)行周期內(nèi)各部件的工作。系統(tǒng)單元——控制器

CPU的運作由周期性產(chǎn)生時鐘脈沖加以控制和調(diào)節(jié)，相鄰時鐘脈沖之間的間隔稱作CPU時鐘周期CPU時鐘頻率（主頻）——Fz（單位：Hz）每條指令所需的（平均）CPU時鐘周期數(shù)

——CPI（單位：周期/條）指令執(zhí)行速度（每秒執(zhí)行指令數(shù)）——IPS（單位：條/s）IPS=Fz/CPIMIPS=MFz/CPI機器位數(shù)（機器字長）——CPU單次動作能接受的二進(jìn)制長度CPU的時鐘頻率和運作效率

目的：提高中央處理器（CPU）處理指令的效率方法：指令流水線（時間并行）——將指令周期拆分成若干工序，每工序由專門的電路完成。于是，同一時間內(nèi)，不同電路部件可以處理不同指令的不同工序。多處理器（空間并行）——將程序拆分成若干可并行處理（互補依賴）的部分，分別由多個處理器并行處理。并行處理技術(shù)——流水線和多處理器

用來存儲數(shù)據(jù)和程序的部件。存儲器按照存儲目的可分為：內(nèi)存儲器：又稱為主存儲器，簡稱為內(nèi)存或主存。用來存放正在運行的程序的指令和數(shù)據(jù)，或者固件及制造商提供的基本程序。外存儲器：又稱為輔助存儲器，簡稱為外存或輔存，用來存放需要長期保存的信息。系統(tǒng)單元——存儲器

存儲器按照數(shù)據(jù)存取特性可分為：存儲器按照物理實現(xiàn)方式可分為：系統(tǒng)單元——存儲器

可讀寫只讀循序?qū)ぶ反艓щS機尋址易失：SRAM、DRAM不易失：磁盤、SSD、閃存*、CMOS*、MRAMCD、ROM電子存儲磁存儲光存儲機械尋址磁盤、磁帶CD電子尋址SRAM、DRAM、SSD、閃存、CMOS、ROMMRAMRAM（RandomAccessMemory）——隨機尋址，可讀寫，一般用作內(nèi)存儲器

DRAM（dynamicRAM）

存儲單元：單個半導(dǎo)體晶體管+電容，利用電容存儲

優(yōu)點：存儲密度大、成本低

缺點：需不斷刷新信號、耗電大、易失信息

SRAM（staticRAM）

存儲單元：多個半導(dǎo)體晶體管

優(yōu)點：無需不斷刷新信號、耗電低、存取速度快

缺點：存儲密度小、成本高、易失信息

MRAM（magneticRAM）

存儲單元：磁化元件

優(yōu)點：存儲密度大、存取速度快于SRAM、不易失信息

CMOS

存儲單元：多個半導(dǎo)體晶體管

優(yōu)缺點：類似SRAM，但CMOS由電池供電，不易失信息系統(tǒng)單元——存儲器

ROM（ReadOnlyMemory）——隨機尋址，只讀，一般用作內(nèi)存儲器

PROM（ProgrammableROM）

特點：寫入后信息不可刪除、修改，只可讀取

EPROM（ErasablePROM）

特點：寫入后信息可用紫外線刪除，然后重新寫入EEPROM（ElectricallyEPROM）

特點：寫入后信息可用電脈沖刪除，然后重新寫入閃存（FlashMemory）EEPROM的一個變種，但由于可以按塊刪除與重新寫入，故被認(rèn)為是可讀寫設(shè)備，存取速度慢于RAM和ROM，可用作內(nèi)存或外存。常見的閃存形式：U盤、SD卡、CF卡等系統(tǒng)單元——存儲器

目的：避免由于內(nèi)存的存取速度與CPU的處理速度不匹配而降低處理指令的效率。方法：處理器每次訪問內(nèi)存時，將訪問位置附近的數(shù)據(jù)傳送到高速緩沖存儲器（Cache）中，之后若需訪問這部分?jǐn)?shù)據(jù)，則可以直接從Cache中快速取得。高速緩沖存儲技術(shù)

磁盤（Disk）——磁存儲，機械尋址，隨機尋址，可讀寫，一般用作外存儲器外存儲器

軟盤（FloppyDisk）單片軟盤只含保存數(shù)據(jù)的磁化介質(zhì)和柔軟外殼，需配合驅(qū)動器使用常見樣式： 5.25英寸——1.2MB 3.5英寸——1.44MB

大容量軟盤不同于地址描述法，磁盤中數(shù)據(jù)存放位置的描述還可以使用：

“面（磁頭）-磁道（柱面）-扇區(qū)”的描述方式外存儲器

硬盤（HardDisk）

金屬外殼封裝保存數(shù)據(jù)的磁化介質(zhì)和存取數(shù)據(jù)的機械裝置及電路，通過多種接口與主板相連。常見樣式：

普通內(nèi)置硬盤

盒式硬盤

硬盤組 USB移動硬盤目的：提高磁盤的存取效率和存儲能力方法：磁盤緩沖——在內(nèi)存中建立磁盤數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，原理類似于用Cache實現(xiàn)內(nèi)存數(shù)據(jù)的緩沖磁盤陣列——將數(shù)據(jù)的不同部分存放于多個磁盤，存取時并行操作多個磁盤以提高存取速度和可靠性文件壓縮——將所需存儲的信息進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)化，以更少的磁盤空間來存儲磁盤緩沖、磁盤陣列和文件壓縮技術(shù)

光盤——刻有細(xì)小凹槽（表示0）的反光碟片，機械尋址，隨機尋址，一般用作外存儲器外存儲器

CD-ROM

紅外線讀寫（下同），只讀，容量650MB

CD-R

可寫入一次，之后只讀，容量650MB

CD-RW

可刪除后再次寫入，容量650MB

DVD-ROM

紅光讀寫（下同），只讀，容量4.7GB

DVD-R

可寫入一次，之后只讀，容量4.7GB

DVD-RW

可刪除后再次寫入，容量2.6–5.2GB

BD、BD-R、BD-RE（藍(lán)光光盤）

藍(lán)光讀寫，容量25-128GB磁帶

存儲元件——磁化介質(zhì)

訪問限制——可讀寫

尋址方式——機械、循序

用途——外存儲器外存儲器

SSD（固態(tài)硬盤）

存儲元件——同F(xiàn)lash或DRAM

訪問限制——可讀寫

尋址方式——電子尋址、隨機尋址

用途——外存儲器

優(yōu)點——較普通硬盤（磁盤）訪問速度快、穩(wěn)定性好（抗震抗磁）、噪聲小

缺點——較普通硬盤（磁盤）存儲密度小、發(fā)熱量大、價格昂貴存儲設(shè)備技術(shù)指標(biāo)——容量與訪問速度

通用寄存器堆指令和數(shù)據(jù)緩沖棧脫機外部存儲器（磁帶、光盤等）聯(lián)機外部存儲器（磁盤等）主存儲器（DRAM）Cache（SRAM）存儲容量越來越大訪問速度越