第四講：計算機的部件

主講教師：寧德瓊硬件層第2部分硬件層硬件層在計算機系統的位置

介紹數理邏輯進行邏輯電路的設計基礎，介紹二進制與其它進制轉換、分析門、電路的構成計算機部件本章討論的主要問題是：

1.現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？存儲器系統的層次結構是什么？如何理解內存？

2.處理器的主要工作是執行程序，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。http:///CPU_Brand.htmlCPU存儲器馮·諾伊曼體系結構內存儲器運算器控制器輸出設備輸入設備外存儲器程序數據存數取數輸入命令輸出命令取數存數存取命令取指令運算命令運算狀態數據交換計算結果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/寫操作完成所經歷的時間）和存取周期（連續啟動兩次獨立的存儲器讀/寫操作所需的最小時間間隔）兩個參數來衡量。（3）每位價格：存儲器的價格與存儲容量的比。計算機部件——存儲器存儲器的層次結構存儲器的層次結構計算機部件——存儲器計算機中存儲器主要功能是什么？為什么要把存儲系統分為Cache、主存、外存不同層次？內存儲器計算機部件——存儲器內存儲器也稱為內存或主存，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（或經常使用）的程序和數據。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。存儲單元的編號稱為地址，一般從0開始連續編號。111000111000110111101000001100100000000000000001111111011111111011111111………內存儲器計算機部件——存儲器將內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

——一張床可以容納一個人存儲單元——房間內存地址——房間號內存容量——床位總數。1010101000110010內存儲器計算機部件——存儲器000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010………向存儲器里存入信息也稱為寫入，寫入的新內容覆蓋了原來的舊內容；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容都不能是空的，一定是0和1的編碼。數據和操作數據的指令在邏輯上是相同的，它們存儲在相同的地方——內存。

表示什么？000000000000000111111101111111101111111111100011100011011110100000110010………內存儲器計算機部件——存儲器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。內存儲器有兩種：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。內存儲器大部分是RAM，RAM是內存性能的決定性因素。內存儲器計算機部件——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。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據和程序，需要時，可以成批地和內存儲器進行信息交換。外存儲器計算機部件——存儲器聯機（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（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、優盤、移動硬盤等。外存儲器計算機部件——存儲器高速緩沖存儲器隨著硬件制造水平不斷提高，計算機的內存容量越來越大，速度越來越快，但內存的存取速度與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。

Cache的存取速度比內存快，但價格昂貴，能夠以接近CPU的速度向CPU提供程序指令和數據。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CPU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代碼從內存傳送到緩存中。內存CPUCache計算機部件——存儲器總線：計算機內部傳輸指令、數據和各種控制信息的公共信息通道，是計算機系統的骨架。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。總線計算機部件——CPU總線寬度運算器又稱算術邏輯單元（ArithmeticLogicUnit,ALU），是計算機對數據進行加工處理的部件。（它主要是由算術邏輯部件和寄存器組成。）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。寄存器用來保存算術邏輯運算部件正在處理的數據，運算結果可以暫存在寄存器中，也可以送到指定的內存單元中。計算機部件——CPU運算器一次能處理數據的字節數稱為字（word），一個字所包含的二進制位數稱為字長。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。計算機部件——CPU程序計數器用來對程序中的指令進行計數，使得控制器能夠依次讀取指令；指令寄存器在指令執行期間暫存正在執行的指令；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，以協調在指令執行周期內各部件的工作；微操作控制電路用來產生各種控制操作命令。控制器的基本構成計算機部件——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……來自于內存的指令地址形成電路操作數地址程序計數器＋1控制器的基本構成計算機部件——CPU指令的執行過程控制器（2）分析指令（1）取指令讀取運算器（3）執行指令執行內存譯碼第5章計算機部件——CPU如何啟動一個程序的執行？程序的執行過程計算機部件——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的存儲單元中的數取出裝入寄存器5166C把地址為6C的存儲單元中的數取出裝入寄存器65056把寄存器5和6的數相加，結果存入寄存器0306E把寄存器0中的數存放到地址為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。程序的執行過程計算機部件——CPU控制器開始一個機器周期，首先執行取指令，把存放在地址A0的指令取出并送入指令寄存器，并預置程序計數器為下一條指令的地址。程序的執行過程第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。程序的執行過程計算機部件——CPU機器周期操作2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分析指令控制器分析指令寄存器中的指令166C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分析指令控制器分析指令寄存器中的指令5056執行指令啟動算術運算部件實現加法操作，把結果存放在寄存器0中4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分析指令控制器分析指令寄存器中的指令306E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分析指令控制器分析指令寄存器中的指令C000為停止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部件——CPU給程序計數器置初值A1，會如何執行？程序的執行過程計算機部件——CPUCPU只會忠實地執行命令，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據和程序并轉換為計算機可以識別的二進制形式。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。輸入設備計算機部件——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碼相機光學字符識別輸入設備計算機部件——輸入/輸出設備總體上講，輸出設備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。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。輸出設備計算機部件——輸入/輸出設備輸出設備計算機部件——輸入/輸出設備

接口的作用：協調主機與外部設備之間數據傳輸速度的差異。接口：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。輸入/輸出接口外設主機I/O接口外設識別數據/命令/狀態地址信息數據（并）控制信息數據（并/串）計算機部件——輸入/輸出設備

接口的作用：協調主機與外部設備之間數據傳輸速度的差異。接口：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。輸入/輸出接口計算機部件——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或字進行傳送。串口和并口：接口和主機之間都是以字節或字為單位進行傳送。

USB接口（通用串行總線）：其目的是使所有的低速外設都可以連接到統一的USB接口上。輸入/輸出接口計算機部件——輸入/輸出設備微型計算機硬件系統主機的基本組成主板

CPU

存儲器：內存、外存各種接口資料閱讀:

主板圖解FLASH演示：

微型計算機系統基本結構演示

主板上各器件組裝演示板載功能板載功能一般附加許多原來由各種類型的卡所承擔的功能一般來說，板載功能有：聲卡、顯示卡、網卡、IEEE1394卡等PC99規范要求主板各接口必須采用有色識別標識，方便識別1.

系統主板微機中最大的一塊集成電路板微機中各種部件的連接載體主板主要有：

CPU插座 控制芯片組 BIOS芯片

內存條插槽、 AGP總線擴展槽 PCI局部總線擴展槽

其它各種接口CPU插座內存插槽PCI插槽串行接口網絡接口USB接口AGP插槽2.CPU(1)CPU主要性能指標

CPU的位數=CPU的字長=CPU中通用寄存器的位數(位寬)

字：在計算機中，作為一個整體參與運算、處理和傳送的一串二進制數，稱為一個“字”。

字長：組成“字”的二進制數的“位數”，稱為“字長”。

通用寄存器的位數：等于字長例如：32位CPU=CPU的字長為32=CPU中通用寄存器為32位

CPU外頻：CPU總線頻率

CPU主頻：CPU的時鐘頻率、CPU的工作頻率生產工藝技術：通常用微米μm數字來描述(2)Intel當前主要微處理器Pentium(奔騰)系列

PentiumPentiumMMX

Pentium2

Pentium3

Pentium4

PentiumM

PentiumD

當今主流CPUCeleron(賽揚)系列

Itanium(安騰)系列

Xeon(至強)系列

Banias(迅馳)系列

(3)早期使用過的CPU(Intel)1971年40044位1972年

80088位1978年808616位1982年8028616位1985年8038632位1989年8048632位1993年Pentium32位1995年PentiumPro32位

1999年PentiumIII32位2000年Pentimu432位1997年PentiumII32位1996年PentiumMMX32位(4)國產CPU—龍芯

標志著我國在現代通用微處理器設計方面實現了“零”的突破，打破了我國長期依賴國外CPU產品的無芯的歷史。

3.存儲器程序、數據都是存儲放存儲器中內存：ROM、RAM

速度快，容量小，價格較高，可由CPU直接訪問。

ROM：可以讀，不可以寫；掉電后數據不會丟失

RAM：可以讀，也可以寫；掉電后數據丟失外存：磁盤、光盤、優盤速度慢，容量大，價格低，CPU不可以直接訪問。Cache①隨機存取存儲器

RandomAccessMemory，RAMCPU可對它們直接讀寫可以讀，不可以寫；掉電后數據不會丟失目前主要是采用動態隨機存儲器DRAM，制作成內存條形式出現

(1)內存儲器筆記本電腦內存條

臺式機內存條FLASH演示：

存儲器寫操作演示

存儲器讀操作演示②只讀存儲器

ReadonlyMemory，ROMCPU對它們只可以讀，不可以寫，斷電時信息不會丟失。

ROM中一般存放計算機系統管理程序。(2)高速緩沖存儲器Cache

CPU速度快、內存速度慢，為了協調兩者的速度設置CacheCache一般采用靜態隨機存取存儲器SRAM構成，速度約是DRAM的10倍。

CPUCacheRAMFLASH演示：

Cache工作演示重要概念：磁道扇區柱面柱面扇區磁道硬盤片是由涂有磁性材料的鋁合金構成讀寫硬盤時，磁性圓盤高速旋轉產生的托力使磁頭懸浮在盤面上而不接觸盤面硬盤容量視具體類型而定硬盤片讀寫磁頭②硬盤資料:硬盤圖解外存儲器特點：容量大、成本低廉、便于攜帶，保存時間長。類型：只讀型光盤CD-ROM

一次性可寫入光盤CD-R需要光盤刻錄機完成數據的寫入可重復刻錄的光盤CD-RW衡量光盤驅動器傳輸數據速率的指標叫做倍速

一倍速率=150kb/s

40倍速光驅數據傳輸速率可達到40×150kb/s=6Mb/s。

③光介質存儲器

資料:

光驅與光盤

CD-R刻錄機④移動存儲產品

(a)

移動硬盤

通常由筆記本硬盤和帶有數據接口電路的外殼組成

數據接口電路有三種：

USB1.1 速度可達每秒12MBUSB2.0 速度可達每秒480MBIEEE1394 速度可達每秒450MB(b)Flash存儲設備用FlashMemory芯片構成的存儲介質廣泛用于數字攝像機、數碼相機、MP3播放器、PDA等采用USB的接口可擦寫100萬次以上

USB有兩個規范：①USB1.1可達12Mbps。②USB2.0可達480MbpsUSB2.0可以向下與USB1.1兼容資料:優盤總線：微處理器與各部件和外圍設備共用的連接線路總線與接口處理器存儲子系統I/O子系統總線分類地址總線:傳輸地址信息數據總線:傳輸數據信息控制總線:傳輸控制信息內部總線：連接CPU的各個組成部件（芯片內部）系統總線：連接計算機中各大部件外部總線：連接計算機和外部設備連接對象傳輸對象并行總線:通信速度快、實時性好串行總線:簡易、方便、靈活通信方式

總線微處理器地址總線數據總線控制總線內存插槽外存接口I/O接口其他I/O主存儲器硬盤等各種外設鍵盤顯示接口電路微處理器、總線、存儲器、接口電路和外設邏輯關系

PCI總線

CPU與外部設備之間一條獨立的數據通道

讓每種設備都能直接與CPU取得聯系

PCI總線的數據傳送寬度為32位，可擴展到64位

工作頻率為33MHz，數據傳輸率可達133Mb/s顯卡：顯示器通過顯卡與計算機主機連接DVI-I輸出VGA輸出TV輸出。(1)聲卡又稱音頻卡，通常集成在主板上。主要功能：①錄制與播放即可以錄音和播放。②編輯與合成處理對進行多種特效處理，

例如：加入回聲、倒放、淡入淡出、單聲道放音和左、右聲道交叉放音等。③MIDI接口