第5章 計算機部件

第5章計算機部件本章討論的主要問題是：1.現(xiàn)代計算機的體系結構以存儲器為核心，如何評價存儲器的性能？存儲器系統(tǒng)的層次結構是什么？如何理解內(nèi)存？2.處理器的主要工作是執(zhí)行程序，處理器是如何工作的？3.輸入/輸出設備的作用是什么？都有哪些常用輸入/輸出設備？情景問題——計算機的基本配置

你使用過的計算機的具體配置是什么？雖然計算機技術有了很大變化，但是組成計算機的基本部件仍然是處理器、存儲器、輸入設備和輸出設備。CPU存儲器馮·諾伊曼體系結構內(nèi)存儲器運算器控制器輸出設備輸入設備外存儲器程序數(shù)據(jù)存數(shù)取數(shù)輸入命令輸出命令取數(shù)存數(shù)存取命令取指令運算命令運算狀態(tài)數(shù)據(jù)交換計算結果第5章計算機部件存儲器的性能指標：（1）存儲容量：存儲器可以容納的二進制信息總量。（2）存取速度：用存取時間（CPU發(fā)出有效存儲地址啟動一次存儲器讀/寫操作，到讀/寫操作完成所經(jīng)歷的時間）和存取周期（連續(xù)啟動兩次獨立的存儲器讀/寫操作所需的最小時間間隔）兩個參數(shù)來衡量。（3）每位價格：存儲器的價格與存儲容量的比。第5章計算機部件——存儲器存儲器的層次結構存儲器的層次結構第5章計算機部件——存儲器內(nèi)存儲器第5章計算機部件——存儲器內(nèi)存儲器也稱為內(nèi)存或主存，它直接與CPU相連，存儲容量較小，但存取速度較快，用于保存正在使用（或經(jīng)常使用）的程序和數(shù)據(jù)。000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010地址存儲單元存儲單元的信息………存儲單元是可管理的最小單位，典型的存儲單元是一個字節(jié)。存儲單元的編號稱為地址，一般從0開始連續(xù)編號。111000111000110111101000001100100000000000000001111111011111111011111111………內(nèi)存儲器第5章計算機部件——存儲器將內(nèi)存與賓館的房間進行類比：位——床位一個二進制位可以存儲一個二進制數(shù)

——一張床可以容納一個人存儲單元——房間內(nèi)存地址——房間號內(nèi)存容量——床位總數(shù)。1010101000110010內(nèi)存儲器第5章計算機部件——存儲器000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010………向存儲器里存入信息也稱為寫入，寫入的新內(nèi)容覆蓋了原來的舊內(nèi)容；從存儲器里取出信息也稱為讀出，信息讀出后并不破壞原來存儲的內(nèi)容，因此，信息可以重復取出。存儲位不能是空的，必須存放0或1，換言之，任意時刻存儲單元的內(nèi)容都不能是空的，一定是0和1的編碼。數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的指令在邏輯上是相同的，它們存儲在相同的地方——內(nèi)存。

表示什么？000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010………內(nèi)存儲器第5章計算機部件——存儲器可能是用于計算的數(shù)值數(shù)據(jù)，可能是表示文本字符的編碼，可能是圖像的一部分，也可能是操作數(shù)據(jù)的指令。如果沒有明確的上下文環(huán)境，我們無法正確回答這個問題。內(nèi)存儲器有兩種：隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM。隨機存儲器RAM又稱為易失性存儲器，RAM保存的信息在斷電后就會消失。只讀存儲器ROM又稱為非易失性存儲器，一般情況下，ROM中的信息是固化的，計算機只能從ROM中讀取信息，如BIOS。內(nèi)存儲器大部分是RAM，RAM是內(nèi)存性能的決定性因素。內(nèi)存儲器第5章計算機部件——存儲器

外存儲器也稱為輔助存儲器（或簡稱外存、輔存），它只能和內(nèi)存儲器交換信息，在脫機狀態(tài)下不能被計算機系統(tǒng)的其他部件直接訪問。外存儲器的存儲容量大，但存取速度較慢，一般用來存放大量暫時不用的數(shù)據(jù)和程序，需要時，可以成批地和內(nèi)存儲器進行信息交換。外存儲器第5章計算機部件——存儲器聯(lián)機（on-line）意味著設備已經(jīng)與計算機相連，不需要人的干預就可以使用；脫機（off-line）意味著設備在被計算機使用之前需要人的干預——或許需要將這個設備接通電源，或許需要將這個設備與計算機相連接。常用的外存儲器有磁帶、硬盤、光盤、優(yōu)盤、移動硬盤等。外存儲器第5章計算機部件——存儲器高速緩沖存儲器隨著硬件制造水平不斷提高，計算機的內(nèi)存容量越來越大，速度越來越快，但內(nèi)存的存取速度與CPU的處理速度相比仍有很大差距。高速緩沖存儲器（Cache，簡稱緩存）介于內(nèi)存和CPU之間，位置可以在CPU芯片的內(nèi)部，也可以在CPU芯片的外部。Cache的存取速度比內(nèi)存快，但價格昂貴，能夠以接近CPU的速度向CPU提供程序指令和數(shù)據(jù)。第5章計算機部件——存儲器高速緩沖存儲器高速緩沖存儲技術基于程序執(zhí)行的局部性原理（程序的執(zhí)行在一段時間內(nèi)總是集中在程序代碼的一個小范圍內(nèi)）。因此當CPU讀取內(nèi)存中某一地址的指令時，計算機就自動地將與該地址相近的一段代碼從內(nèi)存?zhèn)魉偷骄彺嬷?。?nèi)存CPUCache第5章計算機部件——存儲器總線：計算機內(nèi)部傳輸指令、數(shù)據(jù)和各種控制信息的公共信息通道，是計算機系統(tǒng)的骨架。計算機的各部件通過總線連接在一起。從物理角度看，總線就是一組電導線，這組電導線直接印制在電路板上延伸到各個部件?？偩€第5章計算機部件——CPU總線寬度運算器又稱算術邏輯單元（ArithmeticLogicUnit,ALU），是計算機對數(shù)據(jù)進行加工處理的部件。計算機所做的每一件事情都是一系列極其簡單而又極其快速的算術運算和邏輯運算的結果。運算器在控制器的控制下完成對二進制數(shù)的加、減、乘、除等基本算術運算和與、或、非等基本邏輯運算。運算器主要由算術邏輯運算部件和寄存器組成。算術邏輯運算部件是可以執(zhí)行算術運算和邏輯運算的邏輯電路，具體執(zhí)行哪一種運算則由控制器發(fā)來的控制信號決定。寄存器用來保存算術邏輯運算部件正在處理的數(shù)據(jù)，運算結果可以暫存在寄存器中，也可以送到指定的內(nèi)存單元中。運算器第5章計算機部件——CPU運算器一次能處理數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)稱為字（word），一個字所包含的二進制位數(shù)稱為字長。字長越長，計算機的處理能力就越強。一般來說：大型機字長在128～256之間；小型機字長在64～128之間；微型機字長在32～64之間。運算器第5章計算機部件——CPU程序計數(shù)器用來對程序中的指令進行計數(shù)，使得控制器能夠依次讀取指令；指令寄存器在指令執(zhí)行期間暫存正在執(zhí)行的指令；指令譯碼器用來識別指令的功能，分析指令的操作要求，將指令翻譯成控制信號；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；微操作控制電路用來產(chǎn)生各種控制操作命令。控制器的基本構成第5章計算機部件——CPU微操作命令下一條指令的地址指令寄存器操作碼地址碼時序控制電路指令譯碼器

微程序控制電路……來自于內(nèi)存的指令地址形成電路操作數(shù)地址程序計數(shù)器＋1控制器的基本構成第5章計算機部件——CPU指令的執(zhí)行過程控制器（2）分析指令（1）取指令讀取運算器（3）執(zhí)行指令執(zhí)行內(nèi)存譯碼第5章計算機部件——CPU如何啟動一個程序的執(zhí)行？程序的執(zhí)行過程第5章計算機部件——CPU例5.3假設要把存放在地址為6A和6C的存儲單元中的數(shù)相加，結果存放在地址為6E的存儲單元中，指令編碼含義156A把地址為6A的存儲單元中的數(shù)取出裝入寄存器5166C把地址為6C的存儲單元中的數(shù)取出裝入寄存器65056把寄存器5和6的數(shù)相加，結果存入寄存器0306E把寄存器0中的數(shù)存放到地址為6E的存儲單元中C000停止啟動程序：將該程序裝入內(nèi)存中，并且把程序的第一條指令所在的地址放在程序計數(shù)器中，從而啟動該程序的執(zhí)行。程序的執(zhí)行過程第5章計算機部件——CPU控制器開始一個機器周期，首先執(zhí)行取指令，把存放在地址A0的指令取出并送入指令寄存器，并預置程序計數(shù)器為下一條指令的地址。程序的執(zhí)行過程第5章計算機部件——CPU其次，控制器分析指令寄存器中的指令為傳送操作；再次，控制器執(zhí)行指令完成把地址為6A的存儲單元的數(shù)據(jù)取到寄存器5中。程序的執(zhí)行過程第5章計算機部件——CPU然后，控制器開始下一個機器周期，直到執(zhí)行停機指令。程序的執(zhí)行過程第5章計算機部件——CPU給程序計數(shù)器置初值A1，會如何執(zhí)行？程序的執(zhí)行過程第5章計算機部件——CPUCPU只會忠實地執(zhí)行命令，這也是計算機病毒、木馬、黑客存在的根源。總體上講，輸入設備接收來自用戶的數(shù)據(jù)和程序并轉換為計算機可以識別的二進制形式。由于現(xiàn)實世界信息的形式各種各樣，因此需要設計各種輸入設備把這些多樣的信息數(shù)字化。輸入設備第5章計算機部件——輸入/輸出設備觸摸屏鼠標手寫輸入游戲桿輸入設備第5章計算機部件——輸入/輸出設備掃描儀條形碼讀入與光學符號識別數(shù)碼相機光學字符識別輸入設備第5章計算機部件——輸入/輸出設備總體上講，輸出設備將計算機內(nèi)部的二進制信息轉換成人們可以理解的形式提供給用戶。輸出設備可以分為兩類：軟拷貝和硬拷貝。軟拷貝是臨時性的，沒有實體性的東西留下來，例如在顯示器上看到的文章或電影；硬拷貝是可以觸摸和攜帶的，通常是以紙張等形式保留下來。例如用打印機把文檔打印出來。輸出設備第5章計算機部件——輸入/輸出設備輸出設備第5章計算機部件——輸入/輸出設備

接口的作用：協(xié)調(diào)主機與外部設備之間數(shù)據(jù)傳輸速度的差異。接口：計算機系統(tǒng)中兩個硬件設備之間的邏輯電路，是各組成部分之間進行信息交換的功能部件。輸入/輸出接口外設主機I/O接口外設識別數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)地址信息數(shù)據(jù)（并）控制信息數(shù)據(jù)（并/串）第5章計算機部件——輸入/輸出設備

接口的作用：協(xié)調(diào)主機與外部設備之間數(shù)據(jù)傳輸速度的差異。接口：計算機系統(tǒng)中兩個硬件設備之間的邏輯電路，是各組成部分之間進行信息交換的功能部件。輸入/輸出接口第5章計算機部件——輸入/輸出設備串行接口（串口）：外設和接口之間的信息按位進行傳送。并行接口（并口）：外設和接口之間是按字節(jié)或字進行傳送。串口