认识计算机ppt课件

认识计算机2007年9月1日计算机学院杨全胜授课的重点在于：讲清楚计算机的基本组成计算机各个部件是如何连接和相互合作的计算机究竟是怎么工作的软件程序是如何最终控制外部设备工作的硬件软件控制器运算器系统软件应用软件BIOS与操作系统WindowsXP、LinuxCPU存储器输入设备输出设备支撑软件汇编、编译、调试、数据库管理软件计算机系统4.1.1计算机的逻辑（功能）结构硬件是系统的硬平台，操作系统是系统的软平台，系统应用软件通常支撑用户软件的开发。4.1计算机的基本结构外存储器内存储器冯·诺依曼计算机结构示意图1.微机系统硬件系统1）运算器与控制器——CPU循环逻辑乘AND移位算术除/求补NEG算术乘*按位取反NOT算术减－逻辑加OR算术加＋含义运算含义运算指令预取单元指令译码单元控制单元结果回写单元控制器运算器——算术逻辑单元，负责算术与逻辑运算CPU中还包括若干寄存器，用来存放运算过程中的各种数据、地址或其他信息。寄存器的种类很多，主要的有：通用寄存器向ALU提供运算数据，或保留运算结果。一般CPU有多个通用寄存器。累加器A这是一个使用相对频繁的特殊的通用寄存器，有重复累加数据的功能。程序计数器PC存放将要执行的指令的地址。指令寄存器IR存放根据PC的内容从内存储器中取出的指令。2）存储器存储器是计算机的存储和记忆装置，用来存放数据和程序。存储器分为内部存储器和外部存储器。微机的内部存储器也称内存或主存，8个二进制位为一个单元，每个单元规定一个唯一的物理地址。8位二进制位＝1个字节（Byte）1024（210）字节＝1KB1024KB(220字节)=1MB230字节＝1GB240字节＝1TB3）I/O设备与I/O接口4）计算机的总线CPU地址总线（AB）RAMI/O接口I/O设备ROM数据总线（DB）控制总线（CB）地址只能由CPU或DMA控制器发出到其他部件。数据总线是双向的，其宽度决定了一次可以传送的二进制数据的位数。控制信号每根都是单向的，或者传送CPU发出的控制信息、或者是部件发回的状态信息。4.1.2现代微机系统组成结构4.1.2.1现代微机的基本结构当前微机主要有x86系列和APPLE的Power系列，无论哪个系列，从基本配置的角度，微机由主板和各类I/O接口卡组成。主板上主要有CPU、存储器、系统芯片和I/O接口插槽，这些部件均采用总线相连接。x86前x86架构4位处理器4004、40408位处理器8008、8080、8085IA-168086、8088、80286IA-32Pentium前80386、80486Pentium早期架构Pentium、PentiumMMXP6架构PentiumPro、PentiumII、PentiumIII、PentiumII/IIIXeon/CeleronNetBurst架构Pentium4、PentiumD、PentiumExtremeEdition、Xeon4.1.2.2Intelx86微处理器家族发展概述CoreCoreDuo、Core2Duo、Core2QuadCore2ExtremeCore架构PentiumDual-Core1.CPU主要性能指标字长单位时间内CPU一次能处理的二进制位数。主频CPU内核电路的实际运行频率。它很大程度上决定了CPU工作的速度。速度每秒所能执行的指令条数。CPU的生产工艺技术CPU的生产工艺技术通常用nm来描述，精度越高在同样体积的硅材料上可以集成的元件越多，CPU的工作频率也越高。核心数目在同主频同字长的情况下，核心数目越多，CPU的执行效率越高。2.现代微机的存储结构CPU内的寄存器L1数据CacheL1代码CacheL2CacheL3Cache内部存储器（内存）外部存储器（外存）外存Cache1)半导体存储器技术（内存）a.只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）ROM在正常工作的时候只能读出其中存放的数据，而不能改变其内容。因此ROM经常被用来存放哪些固定不变，无需修改的数据与程序。ROM的最大特点是掉电以后，数据不会丢失，通电后可以继续使用。ROM将已定型的程序和数据固化在其中，之后就不再更改。PROM称为可编程ROM。允许用户向其中写入一次数据或程序，之后其中的数据就不可再更改。EPROM称为可擦除的PROM。其中的数据可以通过紫外线照射而被擦除，之后可以再次写入新的数据。EEPROM称为电可擦除可编程ROM（又写为E2PROM）。其擦除和改写无需紫外线，只需特定的电信号即可。这种存储器的存取速度较慢。FlashMemory称为闪烁存储器（闪存）。也是电可擦除和更改型的ROM存储器，采用块擦除阵列结构，具有存储容量大、读取速度快、信息非易失、功耗低、可在线读写，抗干扰能力强、掉电信息不丢失等特点，目前被广泛应用。b.随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)在正常工作时就能随时对其数据进行读写操作的存储器，其对数据的修改是在正常工作状态，而无需特别的写入环境。RAM的读写速度一般都比ROM快，而且存取任一单元所需的时间相同。RAM在掉电的时候会将其存储的数据丢失。SRAM称为静态RAM（staticRAM）。只要电源不掉电，内部存放的数据就不会丢失。SRAM的最大特点就是速度快。DRAM称为动态RAM（dynamicRAM）。它用MOS管的栅极对其衬底间的分部电容来保存信息。需要定期刷新。DRAM的最大特点就是集成度高。NVRAM称为非易失RAM（NonVolatileRAM）。它是SRAM和EEPROM的共同体，正常工作时是SRAM存储数据，一旦掉电，就会自动的将数据转存到EEPROM中，重新上电后，数据又会自动的从EEPROM恢复到SRAM中。常用的DRAM类型SDRAM（SynchronousDRAM,同步动态随机存储器）。将RAM与CPU以相同的时钟频率进行控制，彻底取消等待时间。DDRSDRAM（DoubleDataRateSDRAM，双倍速率SDRAM）。DDRSDRAM能够在时钟的上升期和下降期各传输一次数据，因此一个时钟周期内可传输两次数据。DDR2SDRAM。DDR2拥有两倍于DDR的预读取能力（4bit数据读预取）。即DDR2每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据，并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。c.内存的主要性能指标（1）存储容量内存所能容纳的二进制的总位数，一个有K位地址线，L位数据线的存储芯片所拥有的容量为2K×L位。（2）存取速度指从内存单元将数据读到存储数据寄存器或从存储数据寄存器将数据写到内存单元所需的时间，前者为读取时间，后者为写入时间。（3）可靠性内存可靠性用平均无故障时间（MTBF）来衡量。也可以看作是两次故障之间的时间间隔。MTBF越长，可靠性越高。（4）性能/价格比性能主要是指上面三项，对不同的用途，侧重点会有所不同。2)外存储器技术a.硬盘存储器磁道柱面磁盘盘片控制电路主轴移动臂文件定位表磁头扇区硬盘的主要性能指标如下：①容量硬盘容量=磁头数×柱面数×扇区数×扇区容量②存储密度存储密度是指单位长度或单位面积磁层表面所存储的二进制信息量，可用道密度和位密度来表示。道密度指单位长度内的磁道数目，位密度是磁道单位长度内存放的二进制位数。③数据传输率数据传输率是指单位时间内磁盘与主机之间传送数据的二进制位数或字节数。数据传输率与硬盘的转速和位密度有关。转速指盘片转动的速度，其单位是转/分钟（r/min）。④平均存取时间平均存取时间指从发出读写命令后，磁头从原始位置移动到磁盘上所要求读写的记录位置，并准备写入或读出数据所需要的时间。存取时间由定位时间（也称寻道时间）和等待时间两部分组成。⑤cache容量cache能有效地提高硬盘的数据传输性能，理论上cache的速度越快越好，容量越大越好。独立磁盘冗余阵列（RAID）RAID（RedundantAccessIndependentDisk）是多个磁盘的一组阵列，其中数据分布在多个驱动器上，以获得容错性、大存储容量及性能的改进。这种系统将吞吐速度和可靠性改进结合一起。对于主机来说，逻辑上仍然是一个磁盘。RAID系统的主要目的：磁盘系统的热后备较低成本的大容量存储较低成本的更高性能数据恢复的便捷性高的MTBF（平均无故障时间）RAID的主要目的光盘分类（1）根据不同的存储介质和使用性能分只读光盘如CD-ROM、CD-DA、CD-I、CD-V、photo-CD、CD-ROM/XA一次写可多次读型光盘(CDR)即WORM（CD-WO）可擦写型光盘(CDW)如相变型光盘（PCD）和磁光型光盘CD-MO（MOD）b.光盘存储器（2）根据光盘标准分CD-DA（红皮书）：也叫Audio-CD，即CD唱片，存放音乐与歌曲。CD-ROM与CD-ROM/XA（黄皮书）：存放计算机数据，其中CD-ROM/XA是扩展形式，与CD-I兼容，是扩展的音频、文本和图形混合 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 。CD-I（绿皮书）：用于存放用MPEG算法压缩的立体声视频信号，且具有交互能力，称为交互CD。CD-V（蓝皮书）：存放电视的模拟信号和数字控制信号。CD-R（橙皮书）：分为两个部分，BOOK1定义了CD-MO，BOOK2定义了CD-R(CD-WO)。V-CD（白皮书）：存放了以MPEG-1算法压缩的立体声数字视频信号。光盘的基本技术1）光盘的物理结构2）在基片层形成凹坑3）螺旋型的轨道，凹坑和岸在轨道中形成有序的序列,凹坑到岸及岸到凹坑的转变编码为1，没有变化时编码为0，凹坑长为0.3um的倍数。标签层保护层反射层基片层岸凹坑3)高速缓冲存储器－Cache主机主存高速缓冲存储器Cache的设立依据是程序访问的局部性原理：s=0;for(inti;i<10000;i++){s=s+a[i];}IA-32的Cache结构物理存储器系统总线(外部)总线接口单元L2CacheL3Cache*数据Cache（L1）指令译码器跟踪Cache**/L1指令CacheInstructionTLBsDataTLBs存储缓冲*IntelXeon处理器才有**跟踪Cache只有Pentium4才有3.总线标准◆总线：是在模块和模块之间或设备与设备之间的一组进行互连和传输信息的信号线，信息包括指令、数据和地址。◆总线标准指芯片之间、扩展卡之间以及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应该遵守的一些 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 与规范。a.总线的分类1)按总线功能或信号类型划分为：数据总线：双向三态逻辑，线宽表示了总线数据传输的能力。地址总线：单向三态逻辑，线宽决定了系统的寻址能力。控制总线：就某根来说是单向或双向。控制总线最能体现总线特点，决定总线功能的强弱和适应性。2)按总线的分级结构分为：CPU总线：微机系统中速度最快的总线，主要在CPU内部，连接CPU内部部件，在CPU周围的小范围内也分布该总线，提供系统原始的控制和命令。局部总线：在系统总线和CPU总线之间的一级总线，提供CPU和主板器件之间以及CPU到高速外设之间的快速信息通道。系统总线：也称为I/O总线，是传统的通过总线扩展卡连接外部设备的总线。由于速度慢，其功能已经被局部总线替代。通信总线：也称为外部总线，是微机与微机，微机与外设之间进行通信的总线。b.总线的主要性能参数1．总线频率：MHz表示的工作频率，是总线速率的一个重要参数。2．总线宽度：指数据总线的位数。3．总线的数据传输率总线的数据传输率=(总线宽度/8位)×总线频率例：PCI总线的总线频率为33.3MHz，总线宽度为64位的情况下，总线数据传输率为266MB/s。c.PCI总线的特点独立于处理器2)传输效率高32位数据总线（可扩展到64位）33MHz总线频率，数据率达到133MB/s。3)多总线共存4)支持突发传输5)具有即插即用功能6)合理的管脚安排d.AGP接口二级高速缓存处理器芯片组PCI设备系统主存图形控制器显存显示器PCI设备PCIAGP图形系统AGP连接方式模式工作频率数据传输率传输触发方式×166MHz264MB/s上升沿×2133MHz532MB/s上升沿和下降沿×4266MHz1064MB/s上升沿和下降沿数据总线宽度：32位e.USB总线（接口）PCI总线宿主机USB主控制器/根Hub高速电话高速显示器高速集线器高速麦克风扬声器高速扬声器高速键盘高速低速麦克风麦克风低速高速=480Mb/s全速=12Mb/s低速=1.5Mb/s（1）USB的层次拓扑图（2）主要特性对地电源电压为4.75~5.25V，设备吸入的最大电流值为500mA。第一次被主机检测到时，设备吸入的电流<100mA自给供电总线供给支持即插即用和热插拔最多可接127个设备采用主从结构通用性强采用树形或菊花链结构，以级联方式在一个接口上最多可以连接63个不同种类的设备。传输速率高IEEE1394a支持100Mb/s,200Mb/s及400Mb/s的传输速率。实时性好高传输率加上同步传送方式总线提供电源可向被连接的设备提供4~10V和1.5A的电源系统中各设备之间关系平等任何两个该接口的设备可以直接连接而不需要通过PC机的控制连接方便采用设备自动配置技术，允许热插拔和即插即用。f.IEEE1394总线主要特性4.关于接口1)为什么要引入接口计算机和I/O设备的信息类型和格式可能不一样。计算机和I/O设备信号传输处理的速度可能不匹配。不用接口，I/O直接接CPU，随着外设增加，会大大降低CPU的效率。I/O直接接CPU，会使外设硬件结构过于依赖CPU，对外设本身发展不利。2)接口的功能①作为主机与I/O设备传递数据的缓冲。在接口电路中一般设置一些数据缓冲寄存器，以补偿各种设备的速度差异，起到速度匹配的作用。②信号转换功能。I/O接口提供数据格式转换部件，使通过外部接口得到的数据转换成内部接口所需要的格式，或者在相反的方向上进行数据格式转换。还可实现系统总线信号与外设信号在逻辑关系、时序配合以及电平匹配上的转换。③控制和定时功能。I/O接口提供控制和定时逻辑，以接受从主机端的系统总线来的控制和定时信号，并协调与外设间动作的先后关系，控制数据传输过程。④错误或状态检测。I/O接口监视外部设备的工作状态并将状态信息保存起来，以便需要时进行分析。3）I/O接口与I/O设备不同I/O设备对应I/O接口不同。I/O接口受CPU控制，I/O设备受I/O接口控制。为增加通用性，I/O接口电路一般均具有可编程功能。CPU接口外设数据数据控制信号控制信号状态信号状态信号可能是单向的常见接口插槽PS2鼠标PS2键盘千兆网10/100M网卡USB并行口MIDI/游戏接口显示器接口13941394a音箱/线入接口/麦克风串行口CPU北桥芯片南桥芯片SuperI/OBIOS/FirmwareHub主存储器图形控制器音频主总线高速连接PCI总线插槽PCIExpress总线USB网络连接ATA/SATALPC传统设备5.主板1）x86机器的基本结构2)PowerMacG5的基本结构G5系统控制器整合的输入/输出DDR2主存储器PCIExpress图形接口双千兆以太网SATAPCIExpress总线扩展G5双层光盘刻录的SuperDriverIntelDP965LT主板示意图主板总线结构发生改变-总线带宽增大-总线发展串行化趋势明显串行化的SATA,PCIExpress,USB,SAS(SerialAttachedSCSI)正在逐渐替代相应的并行总线微处理器性能不断增强微处理器支持芯片被高度集成保持向上兼容性现代微机发展的特点4.2计算机的工作原理4.2.1指令与指令系统1.指令操作码操作数操作码指明该指令要完成的操作操作数表示操作对象的内容或所在的存储单元地址0个操作数：XALT1个操作数：INCAX2个操作数：ADDAX,BX2.指令系统一台计算机所能执行的全部指令的集合称为该计算机的指令系统。1）数据传送指令实现数据在内存与CPU之间以及在不同寄存器之间的传送。MOVAX,[BX]；MOVAX,BX2）数据处理指令对数据进行算术运算和逻辑运算。SUBAX,CX；ANDAX,7FH3）程序控制指令实现改变程序执行顺序的功能。JMPSTART;JGEAX,54）输入输出指令实现CPU与外设之间的数据交换。INAL,20H;OUT43H,AL5）其他指令实现对计算机硬件的管理。HLT;CLI高级语言源程序编译汇编语言源程序汇编二进制机器作业指令操作系统调度或BOOT引导二进制机器指令流CPU取指、译码、控制单元电路上的电信号直接控制CPU各部件运作通过接口电路控制外设运作1.从程序到电子信号4.2.2微机系统的工作原理与工作过程部分x86指令与控制信号的关系写内存MWTC#MOV[21H],AX读内存MRDC#MOVAX,[21H]写I/O端口IOWC#OUT21H,AL读I/O端口IORC#INAL,21H含义产生的信号指令IORC#与IOWC#信号通常也写作IOR#和IOW#2.微机的工作过程微机的工作过程就是逐条执行进入到内存中的二进制机器指令流的过程。而一条指令的执行过程可以简单地分为三个操作阶段：取指阶段，CPU从内存中读取指令，程序计数器保存要被取出的下一条指令的地址，除非遇到跳转指令等情况，否则，PC一般都是在每次取指后加上一个增量（当前指令的字节数）；译码阶段，对取出的指令先译码，解释指令的功能，发出相应的控制信号。执行阶段，执行译码好的指令，这期间可能会读写存储器或端口来获取操作数或者存放结果。程序的执行过程就是周期性和重复性地进行取指令、译码和执行指令三个操作。程序计数器PC0200H内存0200HADDAX,NUM指令寄存器ADDAX,NUMNUM23AXALU3512译码ADDAX,NUMADD3.流水线把一条指令的操作分成多个更小的步骤，每个步骤的操作由专门的电路完成。利用各电路间可并行执行的特点，让各个步骤的执行在时间上重叠起来。取指1译码1执行1取指2译码2执行2取指3译码3执行3取指1译码1执行1取指2译码2执行2取指3译码3执行3流水线执行方式分支目标缓冲器代码Cache8KBTLB指令指针预取缓冲存储器指令译码部件256位总线接口部件分页部件64位数据总线预取地址32位地址总线控制控制部件地址生成（U流水线）地址生成（V流水线）控制ROMALU（U流水线）ALU（V流水线）整数寄存器组桶形移位器数据Cache8KBTLB浮点部件控制寄存器组加法器除法器乘法器80位80位分支检测和目标地址64位数据总线32位地址总线32位32位32位32位32位32位①②③④⑤①=指令预取②=首次译码③=二次译码④=指令执行⑤=写回RPentium处理器的内部结构与工作原理谢谢！