第4章计算机的硬件组成及功能课件.ppt

1、信息系统基础信息系统基础第第4章章 计算机的硬件组成及功能计算机的硬件组成及功能第4章 计算机的硬件组成及功能 4.1 中央处理器（CPU） 4.2 存储系统 4.3 输入/输出系统 4.4 总线4.1 中央处理器（CPU） 4.1.1 CPU的功能和组成 4.1.2 控制器的组成和功能 4.1.3 运算器的组成和功能 4.1.4 指令的执行过程Central Processing Unit4.1.1 CPU的功能和组成 计算机中自动完成取出指令和执行指令的任务的部件被称为中央处理器中央处理器，通常简称CPU。 CPU是整个计算机的核心。中央处理器的功能 指令控制指令控制：控制程序严格按规定的

2、顺序执行，是CPU的首要任务。 操作控制操作控制：CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。 时间控制时间控制：对各种操作实施时间上的定时。 数据加工数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理。 中断处理中断处理：处理由设备发来的中断。指令部件指令部件时序部件时序部件运算器运算器中断控制逻辑中断控制逻辑控制单元控制单元中央处理器基本组成CPU控制器控制器运算器运算器CPU控制器控制器运算器运算器Cache中央处理器的组成CPU 中的主要寄存器 CPU中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果以及控制、状

3、态信息的，它可分为： 通用寄存器通用寄存器：用来存放原始数据和运算结果，有时还可作为变址寄存器、计数器、地址指针等。 专用寄存器专用寄存器：是专门用来完成某一特殊功能的寄存器。通用寄存器 通用寄存器可由用户编程访问。 通用寄存器的数目少则几个，多则几十个，上百个。80286的8个16位寄存器SPAH ALBH BLCH CLDH DLSIDIBPAX累加寄存器 BX基址寄存器CX计数寄存器DX数据寄存器SI源变址寄存器DI目的变址寄存器BP基址指针寄存器SP堆栈指针寄存器专用寄存器 专用寄存器是专门用来完成某种特殊功能的寄存器，一般不允许用户访问。它们是： 程序计数器（PC） 指令寄存器（IR

4、） 存储器数据寄存器（MDR） 存储器地址寄存器（MAR） 程序状态字寄存器（PSWR）程序计数器（PC） 存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条指令地址。指令地址。 在程序开始时，存放程序第一条指令的地址；在程序开始时，存放程序第一条指令的地址； 一般具有自加一般具有自加1 1功能；功能； 当指令执行时，存放下一条指令的地址；当指令执行时，存放下一条指令的地址； 当遇到转移指令时，当遇到转移指令时，PCPC内容由指令的地址码字内容由指令的地址码字段取得。段取得。指令寄存器（IR） 指令寄存器用来保存指令寄存器用来保存当前正在执行当前正在执行的一条指令

5、的一条指令。 当执行一条指令时，先把它从内存当执行一条指令时，先把它从内存取出，然后再传送至取出，然后再传送至IR。 在指令执行过程中，在指令执行过程中，IR的内容不允的内容不允许被修改，以保证指令的正确执行。许被修改，以保证指令的正确执行。存储器数据寄存器（MDR） 功能功能:暂时存放由内存储器读出的一条指令暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字或一个数据字。 作用作用: 作为作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的和内存、外部设备之间信息传送的中转站。中转站。 补偿补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。上的差别。存储器地址寄存器（MAR） 功

6、能功能:当前当前CPU所访问的内存单元的地址所访问的内存单元的地址。 作用作用:由于在内存和由于在内存和CPU之间存在着操作之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读器来保持地址信息，直到内存的读/写操写操作完成为止。作完成为止。程序状态字寄存器（PSWR） 功能：用于存放用于存放ALUALU工作时产生的状态信息工作时产生的状态信息。 特点：每一位单独使用，称为标志位。每一位单独使用，称为标志位。反映了反映了ALUALU当前的工作状态或条件转移指令的转移条件。当前的工作状态或条件转移指令的转移条件。 V D I T S Z

7、A P C15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0进位标志位进位标志位奇偶标志位奇偶标志位辅助进位位辅助进位位零标志位零标志位结果符号位结果符号位单步标志位单步标志位中断允许位中断允许位方向标志位方向标志位溢出标志位溢出标志位4.1.2控制器的组成和功能 控制器控制器是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。 控制器的主要功能 取指令取指令：从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。 译码译码：对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。 控制控制：指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方

8、向。控制器的组成指令部件指令部件时序部件时序部件 控制单元控制单元中断控制逻辑中断控制逻辑指令部件指令部件 指令部件的主要任务任务：完成取指令并分析指令的任务。 指令部件包括： 由程序计数器PC 指令寄存器IR 指令译码器ID 地址形成部件时序部件时序部件n时序部件时序部件能产生一定的时序信号，以保证机器的各个功能部件有节奏地进行信息传送、加工及存储。n时序部件时序部件包括：n脉冲源脉冲源n启停控制逻辑启停控制逻辑n节拍信号发生器节拍信号发生器微操作信号发生器微操作信号发生器 微操作信号发生器也称为控制单元CU。 每条指令的执行可以分解成多个最基本的操作，这种最基本的不可再分割的操作称为微操作

9、微操作。 微操作信号发生器用数百种微操作微操作控制信号控制指令的执行。中断控制逻辑中断控制逻辑 中断控制逻辑：用来控制中断处理的硬件逻辑。4.1.3 运算器的组成和功能 运算器是加工处理数据的功能部件。 运算器主要由下列部件组成：算术逻辑单元（ALU）完成二进制信息的定点算术运算，逻辑运算，移位操作寄存器 存放数据，运算的中间、最后结果，各种状态标志 算术逻辑单元和通用寄存器的位数决定了CPU的字长。运算器的功能 运算器的主要功能是完成二进制算术运算及逻辑运算。 计算机中最基本的算术运算是加法运算，加、减、乘、除运算最终都可以归结为加法运算。 运算器中的最基本的运算部件加法器加法器。运算器的组

10、成 算术/逻辑运算单元ALU 提供操作数和暂存结果的寄存器组寄存器组 判断逻辑和控制电路电路 内部总线 运算器的组成移位器选择器选择器R0Rn-1+1ALUR0Rn-1R0Rn-1内部总线MS0S3运算器内的各功能模块之间的连接采用内部总线运算器内的各功能模块之间的连接采用内部总线ALU和各寄存器都挂在上面和各寄存器都挂在上面运算器的内部总线是运算器的内部总线是CPU的内部数据通路的内部数据通路4.1.4指令的执行过程一条指令的运行一条指令的运行（指令周期）分为分为3个阶段：个阶段： 取指令阶段取指令阶段： 取指令对所有的指令来说是必须的，所以取指令要执行的操作称为公共操作。 完成取指令阶段任

11、务的时间称为取指周期取指周期。 分析取数阶段分析取数阶段： 由于各条指令功能不同，寻址方式不同，所以分析取数阶段各不相同。 执行阶段执行阶段： 执行阶段的任务是执行指令。 完成执行阶段任务的时间称为执行周期执行周期。加法指令ADD R0,R1的执行过程 加法指令ADD R0,R1的含义： 将将R0的内容与的内容与R1的内容相加，结果送回的内容相加，结果送回R0。 该指令由两个CPU周期组成： 取指周期 执行周期取指令阶段的操作 取指令阶段 将PC的内容送至MAR，并送地址总线AB。 由控制单元CU经控制总线CB向存储器发read命令。 从主存中取出的指令通过数据总线DB送到MDR。 将MDR的

12、内容送至IR中。 PC+1，为取下一条指令做好准备。 取指周期内有5个操作。送指令地址送指令地址计算下一条计算下一条指令地址指令地址读入指令读入指令取指令阶段各个操作示意图1.将PC的内容(假设2000)送至MAR，并送地址总线AB。2.由控制单元CU经控制总线CB向存储器发read命令。3.从主存中取出的指令(ADD)通过数据总线DB送到MDR。4.将MDR的内容(ADD)送至IR中。5.PC+1(2000+1=2001)，为取下一条指令做好准备。5. 2000+1=20012. Read3. ADD4. ADD1. 2000执行阶段的操作 执行阶段 将被加数R0内容送至暂存器LA。 将加数

13、R1内容送至暂存器LB。 CU向ALU发“ADD”控制信号，使LA的内容与LB的内容相加，将运算结果送至R0 。取源操作数取源操作数取目的操作数取目的操作数运算并送结果运算并送结果执行指令阶段各个操作示意图1. 将被加数R0内容送至暂存器LA 。2. 将加数R1内容送至暂存器LB。3. CU向ALU发“ADD”控制信号，使LA的内容与LB的内容相加，将运算结果送至R0 3. ADD2. R11. R03. 结果第4章 计算机的硬件组成及功能 4.1 中央处理器（CPU） 4.2 存储系统 4.3 输入/输出系统 4.4 总线4.2存储系统4.2.1 主存储器 4.2.2 高速缓冲存储器 4.2

14、.3 辅助存储器 4.2存储系统 对存储器的要求 容量大，速度快，成本低 解决三者之间的矛盾 目前通常采用多级存储器体系结构 高速缓冲存储器（Cache） 主存储器（内存储器 ） 辅助存储器（外存储器 ）存储设备层次结构示意图存储设备层次结构示意图通用寄存器通用寄存器指令和数据缓冲器指令和数据缓冲器外部存储器（磁盘、磁带等）外部存储器（磁盘、磁带等）主存储器（动态随机存储器主存储器（动态随机存储器DRAM）容量容量越来越来越大越大，价格价格越来越来越便越便宜，宜，速度速度越来越来越慢越慢Cache（静态随机存储器（静态随机存储器SRAM）访访问问速速度度越越来来越越快快CPU内部内部存储器的层

15、次结构 各级存储器的用途和特点名称名称简称简称用途用途特点特点高速缓冲存储器Cache 高速存取指令和数据存取速度快，但存储容量小主存储器主存存放计算机运行期间的大量程序和数据存取速度较快，存储容量不大外存储器外存存放系统程序和大型数据文件及数据库存储容量大，位成本低4.2.1主存储器主存储器 主存储器主存储器又称主存主存、内存内存，用于存储将要处理的数据和将要执行的指令。 主存的种类 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM） 暂时存储指令或数据 ，掉电后数据丢失 只读存储器（Read-Only Memory，ROM） 永久性、非易失性的存储器 ；只能读，不能写随机存

16、取存储器 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM） RAM是存储指令或数据的存储器，断电后该存储器上的数据会丢失。 微机中的RAM基本上以内存条 。只读存储器 ROM只能读，不能写。 ROM的分类（根据编程方法的不同来划分） 掩模式只读存储器(MROM) 一次编程只读存储器（PROM） 多次编程只读存储器(EPROM) 电擦除（EEPROM） 紫外线擦除（UVEPROM）掩模式只读存储器 掩模式只读存储器(MROM) 在芯片制造过程中确定其内容 使用时，只能读出，不能再进行修改 优点：可靠性高、集成度高、价格便宜、适宜大批量生产 缺点：不能重写 只能专用，用户可向生产

17、厂家定做一次编程只读存储器 一次编程只读存储器（PROM） 产品出厂时，所有存储元均制成“0”(或均为“1”) 用户根据需要可自行将其中某些存储元改为“1”(或改为“0”) 双极型PROM 熔丝烧断型PROM PN结击穿型PROM多次编程只读存储器 多次编程只读存储器(EPROM)：可多次擦写。 EEPROM：可以用电擦除原来写入的数据，但擦除、编程时均需要相对较高的电压。 UVEPROM：用紫外线灯进行擦除，只能对整个芯片擦除，不能对芯片中的个别存储单元单独擦除。4.2.2 高速缓冲存储器高速缓冲存储器 存储器是限制高速计算机的主要因素 CPU和主存储器是用不同的材料制成的，它们之间在速度上

18、是不匹配的。 CPU的速度平均每年提高60%，而组成主存的DRAM的速度平均每年只改进7%。 而用SRAM组成的高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）的运行速度接近于CPU的速度。CPU与存储系统的关系中央处理器中央处理器外存外存主存主存Cachecache是介于是介于CPU和主存之间的小容量存储器，存取速度比和主存之间的小容量存储器，存取速度比主存快主存快在主存容量配置几十兆的情况下，在主存容量配置几十兆的情况下，Cache的典型值是几百的典型值是几百KB从功能上看，从功能上看，Cache是主存的缓冲存储器是主存的缓冲存储器为了追求高速，包括管理在内的全部功能由硬件实现，对程为了追求高

19、速，包括管理在内的全部功能由硬件实现，对程序员是透明的序员是透明的随着半导体器件集成度的提高，已将随着半导体器件集成度的提高，已将Cache放入放入CPU内部，内部，工作速度接近于工作速度接近于CPU的速度，能组成两级以上的的速度，能组成两级以上的Cache系统系统Cache原理图LRU管理逻辑管理逻辑相联存储表相联存储表当当CPU执行访存指令时，把要访问的字执行访存指令时，把要访问的字(W)的地址送到的地址送到CAM中中如果如果W不在不在Cache中，将中，将W从主存传送到从主存传送到CPU的同时，把的同时，把W的的数据送入数据送入Cache，替换原来，替换原来Cache中最近最少使用中最近

20、最少使用(LRU)的一的一行数据。行数据。主存与Cache的地址映射 为了把主存内容放到Cache中，必须应用某种方法把主存地址定位到Cache中，称作。 映射一词的物理含义是确定位置的对应关系，能够将CPU访问主存时给出的主存地址自动变换成Cache的地址。 常用的映射方式有三种： 全相联映射全相联映射。 直接映射直接映射 组相联映射组相联映射 4.2.3 辅助存储器辅助存储器 主存是决定计算机系统整体性能的重要因素，但主存有以下缺点： 主存容量有限 主存是易失性设备 辅助存储器（ secondary storage ）用手解决以上问题。辅助存储器 辅助存储器 的特点（与主存相比） 数据非易

21、失性 容量大 价格便宜 速度慢 存取方式 顺序存取：按数据存储的顺序来访问，如磁带。 直接存取 ：不需要顺序经过其他数据而直接访问到所需数据 ，如磁盘。常用的辅助存储器 磁盘 RAID 磁带 光盘 USB电子盘 磁盘磁盘 硬磁盘存储器简称硬盘。信息是记录在一薄层磁性材料上的，这个薄层称为磁层。磁层与所附着的载体称为记录介质或记录媒体。载体是由非磁性材料制成的。 根据载体的性质，又可分为软质载体和硬质载体，也就是我们常说的软盘软盘和硬盘硬盘。硬盘的结构硬盘的结构 硬盘驱动器内使用了多个盘片，它们被叠装在主轴上，构成一个盘组 每个盘片分两面 每面有一个读写磁头。 硬盘的结构硬盘的结构 每个盘面上的

22、存储介质同心圆圆环称为磁道磁道。通常，最外圈的磁道为0号，往内则磁道号逐步增加。 硬盘的多个盘面上的同一磁道称为柱面柱面 扇区扇区（Secter）是将磁道按照相同角度等分的扇形，每个磁道上的等分段都是一个扇区，也称低级格式低级格式化化RAID RAID简称为“磁盘阵列”。 RAID可以分为7个级别，即RAID0RAID6 磁盘阵列特点 容量大 速度快 可靠性高 造价低廉磁带 存储原理：一种覆盖着铁氧化物的聚酯薄膜，磁带上每个被磁化的部分表示1位数据 磁带是顺序存取设备 存取速度慢 比磁盘便宜 目前常用作转储设备光盘光盘 光盘是一种硬质塑料盘，盘上的数据用激光在盘上烧灼出一个个小坑来记录。 光盘

23、类型 CD_ROM：只读式紧凑光盘 CD_R：只能写一次的光盘 CD_RW：可重复写光盘 DVD盘：数字通用光盘 特点： 容量大，700MB左右 存放时间长，可以达到100年 但比磁盘慢USB电子盘电子盘 固有的非易失性。 廉价的高密度。 可直接执行：可与CPU直接连接，省去了从磁盘到RAM的加载步骤。 固态性能：没有机电移动装置的半导体技术，特别适用于便携式等微型计算机系统，是替代磁盘的一种理想工具。第4章 计算机的硬件组成及功能 4.1 中央处理器（CPU） 4.2 存储系统 4.3 输入/输出系统 4.4 总线4.3输入/输出系统4.3.1 输入/输出设备4.3.2 输入/输出接口4.3

24、.3 输入/输出控制方式4.3.1 输入/输出设备 键盘 鼠标 扫描仪 打印机 显示设备 键盘键盘 键盘是计算机系统不可缺少的输入设备，人们通过键盘上的按键直接向计算机输入各种数据、命令及指令，从而使计算机完成不同的运算及控制任务。 键盘上的每个按键起一个开关的作用，故又称为键开关。键开关分为 接触式 非接触式鼠标 鼠标器是一种相对坐标输入设备，用于输入位移量。它将移位信息传送给主机。 鼠标器在桌上的移动使屏幕上的鼠标作相应的移动。 鼠标器的类型 机械式 光机式 ： 光电式扫描仪 扫描仪是一种光、机、电一体化的高科技产品，它是将各种形式的图像信息输入计算机的重要工具，是继键盘和鼠标之后的第三代

25、计算机输入设备，也是功能极强的一种输入设备 。打印机 打印机是计算机系统的主要输出设备之一，打印机的功能是将计算机的处理结果以字符或图形的形式印刷到纸上，转换为书面信息，便于人们阅读和保存。由于打印输出结果能永久性保留，故称为硬拷贝输出设备 按照打印的工作原理不同，打印机分为 击打式 非击打式显示设备显示设备 显示设备是将电信号转换成视觉信号的一种装置。在计算机系统中，显示设备被用作输出设备和人机对话的重要工具。 与打印机等硬拷贝输出设备不同，显示器输出的内容不能长期保存，当显示器关机或显示别的内容时，原有内容就消失了，所以显示设备属于软拷贝输出设备。 计算机系统中的显示设备，若按显示对象的不

26、同可分为： 字符显示器 图形显示器 图像显示器4.3.2 输入输入/输出接口输出接口 主机通过一组总线连接各种外围设备，在总线与各种外围设备之间还往往有一些起缓冲、连接作用的部件，称为输入输出接口（I/O接口），简称接口。 输入输出接口是主机和外设之间的交接界面，通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。 接口具有以下五大功能： 实现主机和外设的通信联络控制 进行地址译码和设备选择。 实现数据缓冲。 数据格式的变换。 传递控制命令和状态信息。接口的基本组成 接口要传送 数据信息 控制信息 状态信息 主机外设识别数据/命令/状态控制电路地址信息控制联络信息数据 (并)外设控制联络数据(并/串)接

27、口4.3.3 输入输入/输出控制方式输出控制方式程序查询方式：程序查询方式： CPU与外设只能串行工作。 CPU在一段时间内只能与一台外设交换数据信息。 无法发现和处理由于设备和其它硬件所产生的错误。程序中断方式：程序中断方式： 在主机启动外设后，无须等待查询。 外设在做好输入输出准备时，向主机发中断请求。 主机接到请求后就暂时中止原来执行的程序，转去执行中断服务程序对外部请求进行处理，在中断处理完毕后返回原来的程序继续执行。直接存储器存取（直接存储器存取（DMA）方式：）方式： DMA方式是在主存和外设之间开辟直接的数据通路 进行基本上不需要CPU介入的主存和外设之间的信息传送，这样不仅能保

28、证CPU的高效率，而且能满足高速外设的需要。I/O通道控制方式：通道控制方式：I/O通道控制方式是DMA方式的进一步发展，在系统中设有通道控制部件，每个通道挂若干外设，主机在执行I/O操作时，只需启动有关通道，通道将执行通道程序，从而完成I/O操作。第4章 计算机的硬件组成及功能 4.1 中央处理器（CPU） 4.2 存储系统 4.2 存储系统 4.4 总线4.4 总线 4.4.1 系统总线种类 4.4.2 微机常见总线总线（总线（bus）：是一组连接各个部件的公共通信线路，）：是一组连接各个部件的公共通信线路， 即两个或多个设备之间进行通信的路径，即两个或多个设备之间进行通信的路径， 是一种

29、可被共享的传输媒介。是一种可被共享的传输媒介。总线组成：由多条通信线路组成，每一条线路都总线组成：由多条通信线路组成，每一条线路都 能够传输二进制数能够传输二进制数“0”和和“1”。总线总线按总线的功能分类按总线的功能分类 总线按功能可分为三种类型： 数据总线（Data Bus） 数据总线用于传送数据信息 数据总线是双向的 地址总线（Address Bus） 地址总线是专门用来传送地址的 地址总线总是单向的 控制总线CB（Control Bus）： 控制总线用来传送控制信号和时序信号 控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的 按总线在微机系统中的位置分类按总线在微机系统中的位置分类

30、微机中的总线按其所处的位置可分为片内总线和片外总线两大类。 片内总线，又称内部总线：是微机内部各部件之间的连线。如CPU内部，寄存器之间和算术逻辑单元（ALU）与控制部件之间传输信息所用的总线称为内部总线即片内总线。 片外总线。是指与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。 按总线的通信方式分类按总线的通信方式分类 计算机的通信方式可分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。 并行总线。并行总线通信速度快，实时性好，但由于占用的口线多，不适合小型化产品。 串行总线。串行总线通信速率虽低，但在数据通信量不是很大的微处理器电路中，显得更加简易、方便、灵活。4.4.2

31、微机常见总线微机常见总线 微机中的总线按其所处的位置可分为 片内总线 片外总线 外总线又分为系统总线和外部总线. 系统总线，又称内总线或板级总线是微机中各插件板与主板之间的连线，用于插件板一级的互联。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。常用的系统总线有ISA总线、EISA总线和PCI总线等。 外部总线：是微机和外部设备之间的连线，微机作为一种设备，通过该总线和其他设备进行通信，它用于设备一级的互联。总线标准总线标准 为便于不同厂家生产的模块能灵活构成系统,，形成了总线标准。 一般情况下有两类标准 正式公布的标准。正式公布的标准由IEEE(电气电子工程师学会)或CCITT(

32、国际电报电话咨询委员会)等国际组织正式确定和承认，并有严格的定义。 实际存在的工业标准。实际的工业标准首先由某一厂家提出，而又得到其他厂家广泛使用，这种标准可能还没有经过正式、严格的定义，也有可能经过一段时间后提交给有关组织讨论而被确定为正式标准。系统总线标准 ISA（Industry Standard Architecture） 是IBM公司为80286/AT电脑制定的总线工业标准，也称为AT标准 它在80286至80486时代应用非常广泛，以至于现在奔腾机中还保留有ISA总线插槽。 PCI（Peripheral Component Interconnect）。 是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线 它定义了32位数据总线，且可扩展为64位 PCI功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外围设备 PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA AGP（Accelerated Graphics Port） AGP（加速图形端口）是一种为了提高视频带宽而设计的总线规范。 因为它是点对点连接，即连接控制芯片和AGP显示卡，因此严格来说，AGP也是一种接口标准。