1、第2章 计算机组成原理 1 学习目标与要求 1.掌握计算机硬件的主要组成部分及其功能 2.描述CPU的结构与工作原理 3.熟悉PC机的物理组成 4.常用输入设备的功能、结构与原理 5.常用输出设备的功能、结构与原理 6.外存储器 2 2.1 计算机的组成与分类 l一、计算机的诞生与发展 1、第一台电子计算机诞生 3 ENIAC ：电子数字积分机与计算机 （Electronic Numerical Integrator And Computer） 时间：1946年2月 地点：美国宾夕法尼亚大学 用途：军事计算 逻辑部件：电子管 运算速度：5000次/秒 体积价格：170平方米，30吨，140千瓦
2、，40万美元 1943年由 John Brainered领导 ENIAC开始研 究。图为 John Mauchly 及J. Presper Eckert 负责这计划的 执行者 4 对计算机的诞生和发展做出重大贡献 的两个人： （1）阿伦图灵(Alan Turing) 图灵的思想奠定了现代计算机科学的理论 基础。 （2）冯诺依曼(John Von Neumman) 奠定了当代计算机硬件由控制器、运算器 、存储器、输入设备、输出设备等组成的结构 体系。 5 l阿伦.图灵(Alan Turing) 英国数学家、哲学家、密码破译家 30年代初，发表了一篇著名的论文 论数字计算在决断难题中的应用，他提
3、出了一种十分简单，但运算能力极强的理 想计算装置，用它来计算所有能想象得到 的可计算函数。 l图灵机自动机理论 lACM（美国计算机学会）图灵奖 6 u1945年Von Neuuman、H.H.Goldstin、A.W.Burks 发表了一篇论文 电子计算机装置逻辑结构初探 提出了两个主要论点: * 使用二进制 * 存储程序和程序控制 冯诺依曼教授（John Von Neumman）和他设计的“存储程 序式”计算机EDVAC(埃德瓦克) 7 2、计算机的发展阶段 u以计算机使用的基本电子元件作为划分依据， 计算机的发展经历了四个阶段。 u基本电子元件的演变： u集成电路（IC） 电子管电子管
4、晶体管晶体管 中小规模集成电路芯片中小规模集成电路芯片 大规模超大规模集成电路芯片大规模超大规模集成电路芯片 8 代 年 代主要元器件配置的件主要用 第1代20世40年代中 期50年代末期 CPU：子管 内存：磁鼓 使用机器言和 言写程序 科学算和工程 算 第2代50年代中后期 60年代中期 CPU：晶体管 内存：磁芯 使用FORTRAN等高 程序 言 开始广泛用于 数据理域 第3代60年代中期70 年代初期 CPU：SSI，MSI 内存：SSI，MSI 半体存器 操作系，数据 管理系等开始使用 在科学算、数 据理、工控 制等域得到广 泛用 第4代20世70年代中 期以来 CPU：LSI、VL
5、SI 内存：LSI、VLSI 的半体存器 件工程、分布式 算、网 件等 开始广泛使用 深入到各行各 ，家庭和个人开 始使用算机 9 3、计算机信息处理的特点 l运算速度快：用MIS（每秒百万条指令）来衡 量，巨型机可达千万MIPS l计算精度高：如，计算机能计算到小数点后 2亿位 l记忆能力强：存储数据、程序 l逻辑判断能力：解决数值和非数值（信息检 索、图像识别等）问题 l可靠性高、通用性强：应用领域广 l高性能的实时通信和交换能力：网络 l信息表达方式直观，使用方便 10 4、计算机的应用领域 l科学计算 l信息处理 l自动控制 l辅助系统：CAD（计算机辅助设计）、 CAM（计算机辅助制
6、造）、CAI（计算机辅助教学）、 CAT（计算机辅助测试） l网络通信、电子商务、多媒体 l人工智能 11 5、计算机的发展趋势 l巨型化 l微型化 l网络化 l智能化 l多媒体化 12 l二、计算机的组成 计算机系统由硬件和软件两部分组成。 l硬件指计算机系统中所有实际物理装置的 总称。 l软件是在计算机中运行的各种程序和相关 的数据及文档。 13 计算机硬件的组成 冯诺依曼型计算机的5个组成部分 运算器 控制器 存储器 输入 输出 中央处理器 俗称:CPU主机 计算机硬件 I/O设备 其基本原理是存储程序控制， 或说是 存储程序，程序控制。 14 l目前所使用的计算机都是基于冯诺依曼提 出
7、的“存储程序控制”原理进行工作的。 15 CPU与主存储器连同总线构成主机 外存储器与输入输出设备称外围设备 计算机硬件 中央处理器(CPU) 内存储器 外存储器 输入设备 输出设备 通过系统总线互相连接 主机 CPU 主存储器 总线 外围设备 （外设） 外存储器 输入设备 输出设备 16 中央处理器 外存储器 内存储器 输出设备 系统总线 输入设备 适配器适配器适配器 I/O端口I/O端口外存储器接口 控制器 运算器 存储器 计算机的逻辑结构 17 1、中央处理器(CPU) (CPU：Central Processing Unit) l包含运算器和控制器。承担系统软件和应用软件运行 任务的处
8、理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部 件。（一台计算机中有多个处理器， 它们各有其不同的任务） 18 l处理器 能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入 信息进行各种处理 l微处理器 简称P或MP，通常指将控制器、运算器、寄存 器制作在一块半导体芯片上的处理器，例如Pentium 处理器 19 l并行处理和多处理器系统 使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高速计算的技 术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“ 多处理器系统”。多处理器系统一般用于服务器上。 20 l存储器用于存储程序和数据（包括原始数据、中 间运算结果和最终结果）。 l分为内存储器、外存储器两大类。 2、存
9、储器 21 内存储器(简称内存或主存) l逻辑上直接与CPU相连接（CPU可直接 访问） l存取速度快、容量相对小，价格相对 高 l易失性，用于临时存放CPU正在运行 的程序、正在处理的数据以及产生的结果数据 l存储介质：大规模、超大规模集成电 路芯片 22 外存储器(简称外存或辅存) l不直接与CPU相连接（CPU不能直接访 问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入 内存，才能被CPU使用） l存取速度慢、容量相对大，价格相对 低 l非易失性，用于长期存放各类信息 l存储介质：磁盘、光盘、移动U盘、 移动硬盘、磁带等 23 3、输入设备 l输入：把信息(原始数据或程序)转换为计算机能识别的
10、形式而送入计算机内存的过程，输入到计算机中的信息都 被转换成二进制“0”和“1”两个符号来表示 l输入设备：用来向计算机输入信息的设备 24 l按照输入信息的类型对输入设备分类 数字和文字输入设备(键盘、写字板等) 位置和命令输入设备(鼠标器、触摸屏等) 图形图像输入设备（扫描仪，数码相机等） 声音输入设备（话筒，MIDI演奏器等） 视频输入设备（摄像机） 温度、压力输入设备 (温度、压力传感器) 25 4、输出设备 l输出：把信息送出计算机的过程，计算机的输出可以是文本、语 音、音乐、图像、动画等多种形式 l输出设备：完成信息输出的设备，即把计算机内存储器中用 “0”和“1”表示并存储的信息
11、转换成人可直接识别的信息形式 的设备 l输出设备类别 输出文字和图像的设备： 显示器 打印机 绘图仪 输出声音的设备：音箱 26 5、系统总线 系统总线是用来在CPU、内存、外存和各种输入 输出设备之间传输信息并协调它们工作的一个控制 部件(含传输线与控制电路)。 有些计算机把连接CPU和内存的总线称为系统总 线，把连接内存和I/O设备(包括外存)的总线称为 I/O总线。 系统总线上有3类信号：数据信号、地址信号、控制信号 ，因此有数据线、地址线、控制线 27 6、I/O端口（I/O port） 计算机系统中的I/O设备通过I/O端口与各自的控制器 （即，适配器）连接，然后由控制器与总线相连。
12、常用的I/O端 口有并行口、串行口、视频口、USB口等，它们的外形、结构和信 号交换规程各不相同。 28 二、计算机的分类 l 按内部逻辑结构分为 单处理机、多处理机(并行机) l 按字长分为 16位机、32位机或64位计算机等 l 按计算机的性能、用途和价格分为 巨型计算机（Supercomputer） 大型计算机（Mainframe） 小型计算机（Minicomputer） 个人计算机（Personal Computer） 29 l 最早的代表机型： 1977年：Apple Macintosh (Apple公司产品，使用Motorola 公司生产的微处理器） 1981年：IBM-PC (I
13、BM公司产品，使用Intel公司 生产的 8086微处理器） 30 台 式 机 笔 记 本 电 脑 掌 上 计 算 机 1、个人计算机（也称个人电脑、PC机或微机） 类别 台式机：一般在办公室或家庭中使用。 便携机：用于移动计算。 笔记本（膝上机）：体积小、重量轻，便于外出携带，性 能与台式机相当，但价格高出一倍左右。 手持式计算机（掌上机）：包括商务通、快译通之类产品 ，它们与PC机不一定兼容，有些只有一些专用功能，缺乏通 用性。 31 l工作站（一种特殊的个人计算机，称为工程工作站 Workstation) 具有高速运算能力和强大的图形处理功能，通常运行 UNIX操作系统，特别适合于工程与
14、产品设计使用。SUN，HP， IBM等公司都有此类产品。 工作站 32 l2、服务器/客户机 在这种系统中，巨型机、大型机和小型机均 可作为系统的服务器，个人计算机和工作站则用作客 户机。 客户机直接面向用户，通过联网与服务器共 同合作完成信息处理的任务。 鉴于服务器/客户机系统的盛行，一些计算 机厂家专门设计生产了称为“服务器”的一类计算机 产品，它们的存储容量大，网络通信功能强、可靠性 好、运行专门的网络操作系统。 33 3、微处理器（单片机） 是一种把处理器、存储器、输入输出接口电 路等都集成在单块芯片上的大规模集成电路芯片。 34 四、计算机主要性能指标 1.运算速度 l用于说明具有并
15、行处理能力的巨型机的运算速度的度量单位：次 秒（每秒执行加法运算的次数） 世界第一台计算机ENIAC的运算速度 5000 次/秒 目前计算机的速度 银河：130亿次秒 (国产机） 曙光3000：3800亿次秒 (国产机，国内最快) Earth Simulator(地球仿真超级计算机)： 350000 亿次/秒 浮点运算(NEC公司，世界最快) 35 l国际TOP500组织于2010年11月14日14日在新华网 华盛顿网站上公布了最新全球超级计算机前500强排行 榜，中国首台千万亿次超级计算机系统“天河一号”雄居 第一。 l“天河一号”由国防科学技术大学研制，部署在国家超 级计算天津中心，其实测
16、运算速度可以达到每秒2570 万亿次。 l美国橡树岭国家实验室的“美洲虎”超级计算机此前排 名第一，在新榜单中，其排名下滑一位。“美洲虎”的实 测运算速度可达每秒1750万亿次。 l排名第三的是中国曙光公司研制的“星云”高性能计算 机，其实测运算速度达到每秒1270万亿次。 36 l用于说明CPU运算速度的度量单位： （1）MIPS：百万条定点指令秒 （Million Instructions Per Second） 。 例如, P4微处理器运算速度已超过100 MIPS （2）MFLOPS：百万条浮点指令秒 （Million FLOating instructions Per Second
17、） （3）TFLOPS：万亿条浮点指令秒 （Trillion FLOating instructions Per Second ) 例如，Earth Simulator运算最高速度达到 35.8 TFLOPS 37 2.字长 中央处理器中运算器和寄存器的宽度，即数据在运 算器中做运算或存储时的二进制位数。 字长决定了计算的精度。 字长通常是2的整数次幂。 微处理器字长演变： Intel 4004:4位(1971年,世界第一个微处理器) Intel 8008,8080: 8位 Intel 8086: 16位 Intel 80386,80486,pentium：32位 38 3.存储容量 内存容量
18、，硬盘容量 度量单位：B，KB，MB，GB，TB 1 B（字节,Byte）= 8位二进制数(字位，bit) （个人计算机主存的地址编码单位） 1 KB = 1024 B = 210 B 1 MB = 1024 KB = 220 B 1 GB = 1024 MB = 230 B 1 TB = 1024 GB = 240 B 例如：内存 256 MB，硬盘 40 GB 39 2.2 CPU的结构和原理 l一、CPU的结构 1、CPU的任务是执行系统程序或应用程序中 的指令。 40 l 运算器（执行单元） 对数据进行各种算术运算和逻辑运算(称ALU) l 控制器 取指令，解释指令的含义（指令译码）产
19、生控制其它部件 的操作控制信号，记录内部状态。它是CPU的指挥中心 l 寄存器 临时存放参加运算的数据和得到的中间结果 2、CPU的组成部件 41 l高速缓冲存储器（Cache，简称缓存、快存）： 有的CPU含有高速缓存。它的读写速度几乎与CPU一样 快。 工作原理：当计算机执行程序时，数据与地址管理部件 预测可能需要的数据和指令，并将这些数据和指令预先从主 存读出送到Cache。一旦需要时，首先检查Cache，若有就 从它中读取，若无再访问主存。 Cache中的数据只是主存很小一部分内容的映射。 命中率是Cache的一个重要指标。一般来说， Cache容 量越大，访问Cache的命中率越高。
20、 42 l3、CPU的性能 CPU的性能主要体现为它的运算速度，测量运 算速度的传统方式是看它每秒钟能执行多少条指令 。 CPU的运算速度与CPU的主频、 Cache容量 、指令系统、运算器的逻辑结构有关。 43 （1）CPU速度与主频的关系 lCPU主频(MHz） CPU的内部频率，即CPU内核工作的时钟频率。通常 所说的某某CPU是多少兆赫的，而这个多少兆赫就是“CPU的主频” 。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际 的运算能力并没有直接关系。CPU的工作频率越高，它的处理速度 就越快。 CPU速度=主频IPC(每个时钟周期可执行的指令条数) 注意： 主频为2G的
21、CPU速度主频为1G的CPU速度的2倍 Intel的2G主频CPU的速度AMD的2G主频CPU的速度（Intel和AMD 是两大处理器制造商） 44 （2）CPU速度与Cache容量的关系 lCache容量 Cache存储器的有无和容量大小是影响CPU性能 的另一个重要因素。通常，Cache容量越大，访问Cache 的命中率就越高，CPU的速度就越快。 lCPU速度与寄存器、运算器位数（字长）的关系 位数越多，运算速度越快 45 4、为提高Pentium处理器处理速度采取的措施 l运算器由多个处理整数的算术逻辑部件（ALU）和1个处 理实数的浮点运算器组成。 l处理器中包含了几十个数据寄存器，用来临时存放
