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1、1,认识计算机,http:/,2,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,3,硬件,软件,控制器,运算器,系统软件,应用软件,BIOS与操作系统 Windows XP、Linux,CPU,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,4,冯诺依曼计算机结构示意图,5,1.微机系统硬件系统,1）运算器与
2、控制器 CPU,运算器 算术逻辑单元，负责算术与逻辑运算,6,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。,7,2）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
3、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 1TB,3）I/O设备与I/O接口,8,4）计算机的总线,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。,9,4.1.2 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
4、器、系统芯片和I/O接口插槽，这些部件均采用总线相连接。,10,x86前,x86架构,4位处理器 4004、4040,8位处理器 8008、8080、8085,IA-16 8086、8088、80286,IA-32,Pentium前 80386、80486,Pentium,早期架构 Pentium、Pentium MMX,P6架构 Pentium Pro、Pentium II、Pentium III、Pentium II/III Xeon/Celeron,NetBurst架构 Pentium 4、Pentium D、Pentium Extreme Edition、Xeon,4.1.2.2 In
5、tel x86微处理器家族发展概述,Core Core Duo、Core 2 Duo、Core 2 Quad Core 2 Extreme,Core架构 Pentium Dual-Core,11,1.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。,12,2.现代微机的存储结构
6、,13,1)半导体存储器技术（内存）,a.只读存储器ROM（Read Only Memory）,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。,14,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
7、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。Flash Memory 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。,15,b.随机存取存储器RAM(Random Access Memory),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。,16,SRAM 称为静态
8、RAM（static RAM）。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（dynamic RAM）。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（Non Volatile RAM）。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。,17,常用的DRAM类型,SDRAM（Synchronous DRAM,同步动态随机存储器）。将RAM与CP
9、U以相同的时钟频率进行控制，彻底取消等待时间。DDR SDRAM（Double Data Rate SDRAM，双倍速率 SDRAM）。DDR SDRAM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。DDR2 SDRAM。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。,18,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2KL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
10、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。,19,2)外存储器技术,a.硬盘存储器,20,硬盘的主要性能指标如下：容量 硬盘容量=磁头数柱面数扇区数扇区容量 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。数据传输率 数据传输率是指单位时间内磁盘与主机
11、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）。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。cache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。,21,独立磁盘冗余阵列（RAID）,RAID（Redundant Access Independent Disk）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
12、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,22,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,23,（2）根据光盘标准分,CD-DA（红皮书）：也叫Audi
13、o-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。,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。,24,25,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
14、，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。,26,3)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(int i;i10000;i+)s=s+ai;,27,IA-32的Cache结构,物理存储器,系统总线(外部),总线接口单元,L2 Cache,L3 Cache*,数据Cache（L1）,指令译码器 跟踪Cache*/L1指令Cache,Instruction TLBs,Data TLBs,存储缓冲,*Intel Xeon 处理器才有*跟踪Cache只有P
15、entium 4才有,28,3.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与规范。,29,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。,30,2)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
16、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。,31,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
17、为64位的情况下，总线数据传输率为266MB/s。,32,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,33,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,PCI,AGP,图形系统AGP连接方式,工作频率,数据传输率,66 MHz,133 MHz,上升沿和下降沿,266 MHz,上升沿和下降沿,数据总线宽度：32位,34,e.USB总线（接口）,（1）USB的层次拓扑图,35,（2
18、）主要特性 对地电源电压为4.755.25V，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,36,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410V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
19、术，允许热插拔和即插即用。,f.IEEE1394总线主要特性,37,4.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。,38,2)接口的功能,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。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
20、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。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。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。,39,3）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,40,常见接口插槽
21、,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,1394,1394a,音箱/线入接口/麦克风,串行口,41,CPU,北桥芯片,南桥芯片,Super I/O,BIOS/Firmware Hub,主存储器,图形控制器,音频,主总线,高速连接,PCI总线插槽,PCI Express总线,USB,网络连接,ATA/SATA,LPC,传统设备,5.主板,1）x86机器的基本结构,42,2)Power Mac G5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,SATA,PCI Expres
22、s总线扩展,G5,双层光盘刻录的SuperDriver,43,Intel DP965LT主板示意图,44,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,PCI Express,USB,SAS(Serial Attached SCSI)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,45,4.2 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：INC AX2个操作数：ADD A
23、X,BX,46,2.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。MOV AX,BX；MOV AX,BX2）数据处理指令 对数据进行算术运算和逻辑运算。SUB AX,CX；AND AX,7FH3）程序控制指令 实现改变程序执行顺序的功能。JMP START;JGE AX,54）输入输出指令 实现CPU与外设之间的数据交换。IN AL,20H;OUT 43H,AL 5）其他指令 实现对计算机硬件的管理。HLT;CLI,47,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
24、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,48,部分x86指令与控制信号的关系,IORC#与IOWC#信号通常也写作IOR#和IOW#,49,2.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。,50,程序计数器PC,0200H,内存,0200H,ADD AX,NUM,NUM,23,35,12,ADD,51,3.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。,52,=指令预取=首次译码=二次译码=指令执行=写回R,Pentium处理器的内部结构与工作原理,53,谢谢！,
