1、計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院第第 5 章章 計算機部件計算機部件本章討論的主要問題：本章討論的主要問題： 1. 存儲器。存儲器。計算機的體系結構仍以存儲器為核心，如何評價存儲器的性能？存儲器系統的層次結構是什么？如何理解內存？ 2. 處理器。處理器。處理器是如何工作的？ 3. IO設備。設備。IO設備的作用是什么？都有哪些常用輸入/輸出設備？計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院情景問題情景問題計算機的基本配置計算機的基本配置 結論：結論：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。 報價 ：￥3799 1985年，作者的

2、電腦配置：CPU是8086，硬盤10M，內存64K，14寸顯示器。計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院第第 5 章章 計算機部件計算機部件計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院Robert Dennard，內存之父5.1 存儲器存儲器1968年Robert Dennard研制出RAM 計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院 在現代計算機系統中，在現代計算機系統中，存儲器占據重要位置。但在存儲器占據重要位置。但在現有技術條件下，任何一種現有技術條件下，任何一種存儲裝置，都無法同時從存儲裝置，都無法同時從速速度與容量度與容量兩方面，滿

3、足用戶兩方面，滿足用戶的需求。實際上它們組成了的需求。實際上它們組成了一個速度由快到慢，容量由一個速度由快到慢，容量由小到大的存儲裝置層次。小到大的存儲裝置層次。5.1.1 存儲器的層次結構存儲器的層次結構 計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院存儲器的性能指標：存儲器的性能指標：（1）存儲容量：）存儲容量：存儲器可以容納的二進制信息總量。（2）存取速度：）存取速度：用存取時間和存取周期兩個參數來衡量。n存取時間：存取時間：從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經歷的時間。n存取周期：存取周期：連續啟動兩次獨立的存儲器操作（例如連續兩次讀操作）所允許的最小時間間隔。 通常，存儲周期略大于存取

4、時間，其差別與主存器的物理實現細節有關（3）每位價格：）每位價格：價格/容量 5.1.1 存儲器的層次結構存儲器的層次結構 微機的存取周期很短，約為幾十到一百納秒（1ns=十億分之一秒） 計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n存儲器的容量、速度和價格的關系：存儲器的容量、速度和價格的關系：n存取時間越短則每位價格就越高n存儲容量越大則每位價格就越低；1.存儲容量越大則存取時間就越長。最主要是封裝的成本占很大比重。所以同樣的一塊芯片，如果容量大雖然本身的成本肯定是增高了，但是封裝的成本卻不會變，即便芯片每位的成本是一樣的，但均價每位還是降低了（因為容量越小的芯片封裝的價格比重就越大）。

5、計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院5.1.2 內存儲器內存儲器內存儲器內存儲器也稱為也稱為內存內存或或主存主存，它直接與，它直接與CPU相連，存儲容量相連，存儲容量較小，但存取速度較快，用于保存正在使用（或經常使用）較小，但存取速度較快，用于保存正在使用（或經常使用）的程序和數據。的程序和數據。 000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010 地址地址存儲單元存儲單元存儲單元存儲單元的信息的信息存儲單元存儲單元是可管理的最小單位，是可管理的最小單位，典型的存儲單元是一個字節。典型的存儲單

6、元是一個字節。存儲單元的編號稱為存儲單元的編號稱為地址地址，一般，一般從從0開始連續編號。開始連續編號。計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院1110001110001101111010000011001000000000000000011111110111111110111111115.1.2 內存儲器內存儲器-存儲單元和存儲地址的類比將內存與賓館的房間進行類比：將內存與賓館的房間進行類比：位位床位床位一個二進制位可以存儲一個二進制數一個二進制位可以存儲一個二進制數 一張床可以容納一個人一張床可以容納一個人存儲單元存儲單元房間房間(8人間）人間）內存地址內存地址房間號房間號內存容量內存

7、容量床位總數。床位總數。計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院5.1.2 內存儲器內存儲器-寫入和讀出寫入。寫入。向存儲器里存入信息也稱為向存儲器里存入信息也稱為寫入寫入，寫入的新內容覆，寫入的新內容覆蓋了原來的舊內容；蓋了原來的舊內容；讀出。讀出。從存儲器里取出信息也稱為從存儲器里取出信息也稱為讀出讀出，信息讀出后并不，信息讀出后并不破壞原來存儲的內容，因此，信息可以重復取出。破壞原來存儲的內容，因此，信息可以重復取出。 存儲位不能是空的，必須存存儲位不能是空的，必須存放放0或或1，換言之，任意時刻，換言之，任意時刻存儲單元的內容都不能是空存儲單元的內容都不能是空的，一定是的，一定是0

8、和和1的編碼。的編碼。 計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院數據和指令在邏輯上是相同的，它們存儲在相同的地數據和指令在邏輯上是相同的，它們存儲在相同的地方方內存。內存。 表示什么？表示什么？0000000000000001111111011111111011111111111000111000110111101000001100105.1.2 內存儲器內存儲器-內存中的信息是數據還是指令答：不能。因為該信息可能是用于計算的數值數據，可能是表示文本字符的編碼，可能是圖像的一部分，也可能是操作數據的指令。如果沒有明確的上下文環境，我們無法正確回答這個問題。 是否可以通過內存中存儲的信息判斷

9、出該信息是數據，還是指令？是否可以通過內存中存儲的信息判斷出該信息是數據，還是指令？計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n 內存儲器有兩種：內存儲器有兩種：RAM和和ROM。n RAM：隨機存儲器，又稱“易失性存儲器”， RAM保存的信息在斷電后就會消失。nROM：只讀存儲器，又稱“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。 內存儲器大部分是RAM ，RAM是內存性能的決定性因素。 5.1.2 內存儲器內存儲器-分類分類計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n提出問題：提出問題：內存不能滿足用戶存儲大文件、永遠存儲文件的需求。

10、n 外存儲器外存儲器 也稱為輔助存儲器（或簡稱外存、輔存），它只能和內存儲器交換信息，在脫機狀態下不能被計算機系統的其他部件直接訪問。n 特點：特點：存儲容量大，存取速度慢n用途：用途：一般用來存放大量暫時不用的數據和程序，需要時，可以成批地和內存儲器進行信息交換。5.1.3 外存儲器外存儲器計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院外存有外存有聯機聯機使用的（硬盤），有使用的（硬盤），有脫機脫機使用的（光盤）。使用的（光盤）。聯機（聯機（on-line）意味著設備已經與計算機相連，不需要人的干預就可以使用；脫機（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

11、設備接通電源，或許需要將這個設備與計算機相連接。計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院常用的外存儲器有優盤、移動硬盤、硬盤常用的外存儲器有優盤、移動硬盤、硬盤、磁帶、光盤等。等。5.1.3 外存儲器外存儲器計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院5.1.4 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器 n 提出問題：提出問題：內存的存取速度與CPU的處理速度不匹配。 n高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器（Cache，簡稱，簡稱緩存緩存）n 介于內存和CPU之間，位置可以在CPU芯片的內部，也可以在CPU芯片的外部。n特點：特點：能夠以接近CPU的速度向CPU提供程序指令和數據，價格昂貴。 計算機導論計算機

12、導論曲靖師范學院曲靖師范學院高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器 的工作原理的工作原理基于基于程序執行的局部性原理程序執行的局部性原理（程序的執行在一段時間內總是集中在程序代碼的一個小范圍內）。因此當）。因此當CPU讀取內存中讀取內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存傳送到緩存中。代碼從內存傳送到緩存中。 內 存CPUCache 讀取緩存的命中率可達90%，也即CPU下一次要讀取的數據90%都在緩存中，只有大約10%需要從內存讀取。計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院 計算機各部件為交換數據和控制信號，需計算機各

13、部件為交換數據和控制信號，需要進行互連，目前最流行的方式是使用總線。要進行互連，目前最流行的方式是使用總線。5.2 CPU計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院總線總線：它是：它是CPU、內存、內存、IO設備傳遞信息的公用通道，主機設備傳遞信息的公用通道，主機的各個部件通過總線相連接，外部設備通過相應的接口電路的各個部件通過總線相連接，外部設備通過相應的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統。再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統。5.2.1 總線總線計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院5.2.1 總線總線計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n定義：定義：又稱

14、算術邏輯單元（Arithmetic Logic Unit, ALU），是計算機對數據進行加工處理的部件。n組成：組成：由算術邏輯運算部件算術邏輯運算部件和寄存器寄存器組成。n算術邏輯運算部件算術邏輯運算部件是可以執行算術運算和邏輯運算的邏輯電路，具體執行哪一種運算則由控制器發來的控制信號決定。n寄存器寄存器用來保存算術邏輯運算部件正在處理的數據。 5.2.2 運算器運算器 計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n字字（word）：運算器一次能處理數據的字節數）：運算器一次能處理數據的字節數n字長：字長：一個字所包含的二進制位數。一個字所包含的二進制位數。 字長越長，計算機的處理能力就越強

15、。字長越長，計算機的處理能力就越強。n一般來說：一般來說： 大型機字長在128256之間； 小型機字長在64128之間； 微型機字長在3264之間。 運算器相關的幾個概念運算器相關的幾個概念 計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院如何查看計算機的字長？如何查看計算機的字長？方法方法1： 在cmd窗口中輸入systeminfo回車，顯示出系統詳細信息，其中觀察系統類型一項，標明是x86 based pc,說明是32位，否則是64位。n方法方法2： 使用軟件CPU-Z計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n程序計數器程序計數器用來對程序中的指令進行計數，使控制器存用來對程序中的指令進行

16、計數，使控制器存放當前指令完成后將要執行的下一條指令的地址；放當前指令完成后將要執行的下一條指令的地址；n指令寄存器指令寄存器根據程序計數器中存放的地址從存儲器中取根據程序計數器中存放的地址從存儲器中取出一條指令，送到指令寄存器中。用來暫存正在執行的出一條指令，送到指令寄存器中。用來暫存正在執行的指令；指令；n指令譯碼器指令譯碼器用來識別指令的功能，分析指令的操作要求，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；將指令翻譯成控制信號；n時序控制電路時序控制電路用來生成時序信號，以協調在指令執行周用來生成時序信號，以協調在指令執行周期內各部件的工作；期內各部件的工作；n微操作控

17、制電路微操作控制電路用來產生各種控制操作命令。用來產生各種控制操作命令。5.2.2 控制器控制器計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院指令的執行過程指令的執行過程 控制器控制器 （2）分析指令）分析指令 （1）取指令）取指令讀取讀取運算器運算器（3）執行指令）執行指令執行執行內內 存存譯碼譯碼如何啟動一個程序的執行？如何啟動一個程序的執行？ 計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院程序的執行過程程序的執行過程-舉例舉例例例5.3 假設要把存放在地址為假設要把存放在地址為6A和和6C的存儲單元中的數相的存儲單元中的數相加，結果存放在地址為加，結果存放在地址為6E的存儲單元中，的存儲單元

18、中， 指令編碼指令編碼 含義含義 156A 把地址為把地址為6A的存儲單元中的數取出裝入寄存器的存儲單元中的數取出裝入寄存器 5 166C 把地址為把地址為6C的存儲單元中的數取出裝入寄存器的存儲單元中的數取出裝入寄存器 6 5056 把寄存器把寄存器 5 和和 6 的數相加，結果存入寄存器的數相加，結果存入寄存器 0 306E 把寄存器把寄存器 0 中的數存放到地址為中的數存放到地址為6E的存儲單元中的存儲單元中 C000 停止停止計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院啟動程序：啟動程序：將該程序裝入內存中，并且把程序的第一條指令所在的地址放在程序計數器中，從而啟動該程序的執行。計算機

19、導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院控制器開始一個機器周期。（1）首先執行）首先執行取指令取指令， 把存放在地址A0的指令取出并送入指令寄存器。由于指令的長度為16位，因此指令占A0和A1兩個字節，應該將程序計數器加2，使得程序計數器存放的下一條將要執行指令的地址。程序的執行過程程序的執行過程-具體4個步驟計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院（2）其次，）其次，控制器分析指令寄存器中的指令為傳送操作；（3）再次，）再次，控制器執行指令完成把地址為6A的存儲單元的數據取到寄存器 5 中。（4）然后，）然后，控制器開始下一個機器周期，直到執行停機指令。 計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲

20、靖師范學院機器周期機器周期操作操作1取指令取指令從地址A0開始的內存單元讀取指令送到指令寄存器，程序計數器加 2分析指令分析指令控制器分析指令寄存器中的指令156A 執行指令執行指令把地址為6A的存儲單元的數據取到寄存器 5 中2取指令取指令從地址A2開始的內存單元讀取指令送到指令寄存器，程序計數器加 2分析指令分析指令控制器分析指令寄存器中的指令166C 執行指令執行指令把地址為6C的存儲單元的數據取到寄存器 6 中3取指令取指令從地址A4開始的內存單元讀取指令送到指令寄存器，程序計數器加 2分析指令分析指令控制器分析指令寄存器中的指令5056 執行指令執行指令啟動算術運算部件實現加法操作，

21、把結果存放在寄存器0中4取指令取指令從地址A6開始的內存單元讀取指令送到指令寄存器，程序計數器加 2分析指令分析指令控制器分析指令寄存器中的指令306E 執行指令執行指令將寄存器0中的內容寫入地址是6E的內存單元5取指令取指令從地址A8開始的內存單元讀取指令送到指令寄存器，程序計數器加 2分析指令分析指令控制器分析指令寄存器中的指令C000為停止指令執行指令執行指令控制器在這個機器周期的執行步停止，程序執行完畢計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院給程序計數器置初值給程序計數器置初值A1，會如何執行？，會如何執行？CPU只會忠實地執行命令，這也是計算機病毒、木馬、黑客只會忠實地執行命令，

22、這也是計算機病毒、木馬、黑客存在的根源。存在的根源。計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n功能：功能：接收來自用戶的數據和程序并轉換為計算機可以識別的二進制形式。n輸入設備多樣性的原因？輸入設備多樣性的原因？ 由于現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字化。5.3.1 輸入設備輸入設備 5.3 輸入輸入/輸出設備輸出設備計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院觸摸屏觸摸屏鼠標鼠標手寫輸入手寫輸入游戲桿游戲桿5.3.1 輸入設備輸入設備 5.3 輸入輸入/輸出設備輸出設備計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院掃描儀掃描儀條形碼讀入與條形碼讀入與光

23、學符號識別光學符號識別數碼相機數碼相機光學字符識別光學字符識別5.3.1 輸入設備輸入設備 5.3 輸入輸入/輸出設備輸出設備計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n功能：功能：將計算機內部的二進制信息轉換成人們可以理解的形式提供給用戶。n分類：分類：軟拷貝和硬拷貝。n軟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。5.3.2 輸出設備輸出設備 5.3 輸入輸入/輸出設備輸出設備計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院5.3.2 輸出設備輸出設備 5.3 輸入輸入/

24、輸出設備輸出設備激光打印機噴墨打印機針式打印機計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n主機：主機：把內存、運算器和控制器合稱為主機。n外設：外設：主機以外的裝置。包括，輸入輸出設備和外存儲器等。5.3.3 輸入輸入/輸出接口輸出接口5.3 輸入輸入/輸出設備輸出設備計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n 接口的作用：接口的作用：協調協調主機與外部設備之間數據傳輸速度的差異。主機與外部設備之間數據傳輸速度的差異。n 接口接口：計算機系統中兩個硬件設備之間的邏輯電路，是各組：計算機系統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。成部分之間進行信息交換的功能部件。 5.3.3 輸入輸入/輸出接口輸出接口5.3 輸入輸入/輸出設備輸出設備計算機導論計算機導論曲靖師范學院曲靖師范學院n 接口的作用：接口的作用：