第三章計(jì)算機(jī)硬件

1、計(jì)算機(jī)的構(gòu)成,主要內(nèi)容： 1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及硬件，軟件的概念 2.中央處理器CPU與主存儲(chǔ)器 3.輔助存儲(chǔ)器：軟盤、硬盤. 4.輸入、輸出設(shè)備 5.總線 6.計(jì)算機(jī)基本工作原理：指令和程序概念,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)硬件是指有形的物理設(shè)備，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)際物理裝置的總稱。軟件是指在硬件上運(yùn)行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔。硬件是軟件的工作基礎(chǔ)，軟件是硬件功能的擴(kuò)充和完善。

2、兩者相互依存，相互促進(jìn)。軟件與硬件的結(jié)合，構(gòu)成完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,一、 計(jì)算機(jī)硬件的基本組成,1. 中央處理器2. 主存儲(chǔ)器與輔助存儲(chǔ)器3. 輸入/輸出設(shè)備4 .總線,計(jì)算機(jī)硬件基本組成示圖,,運(yùn)算器,控制器,存儲(chǔ)器,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,,,,,,,,,,,,CPU,,以總線連接的計(jì)算機(jī)5個(gè)部分,中央處理器,主存儲(chǔ)器,輸入/輸出設(shè)備,中央處理器,,,,,,,總線,1.1 中央處理器,處理器是計(jì)算機(jī)的核心部分，主要由運(yùn)算器、控制器

3、組成。運(yùn)算器用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算。也稱為執(zhí)行單元?？刂破魇怯?jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的指揮中心，它的作用是控制程序的執(zhí)行，確保各個(gè)部件協(xié)調(diào)一致，有條不紊地完成各種操作。一臺(tái)計(jì)算機(jī)中可以包含多個(gè)處理器，其中承擔(dān)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運(yùn)行任務(wù)的處理器稱為中央處理器，簡(jiǎn)稱CPU,Pentium處理器邏輯結(jié)構(gòu)圖,指令Cache,指令預(yù)取指令譯碼,ROM,控制器,整數(shù)ALU1,整數(shù)ALU2,浮點(diǎn)運(yùn)算器,數(shù)據(jù)Cache,,,,,,,,,,,,

4、,,地址轉(zhuǎn)換與管理部件,總線接口部件,,,,,,,,,,,,,系統(tǒng)總線,,,,,2.1 主存儲(chǔ)器,主存儲(chǔ)器又稱內(nèi)存儲(chǔ)器或內(nèi)存，直接與CPU相連，是主機(jī)不可缺少的一部分，用來(lái)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)運(yùn)行中的程序和各種數(shù)據(jù)。主存由超大規(guī)模集成電路存儲(chǔ)器芯片組成，存取速度快，但容量較小。主存儲(chǔ)器又分為RAM和ROM。,2.2 主存儲(chǔ)器（續(xù)）,RAM（Random Access Memory）即隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。即可從其中讀取信息，也可向其中寫入信息。開機(jī)之

5、前RAM中沒(méi)有信息，開機(jī)后操作系統(tǒng)對(duì)其管理，關(guān)機(jī)后其中的信息都將消失。RAM中的信息可隨時(shí)根據(jù)需要而改變。Rom(Read Only Memory)即只讀存儲(chǔ)器。只可從其中讀取信息，不可向其中寫入信息，在開機(jī)之前ROM中已經(jīng)事先存有信息，關(guān)機(jī)后其中的信息不會(huì)消失。內(nèi)存中可存儲(chǔ)信息的多少稱為存儲(chǔ)的容量，其基本單位為字節(jié)（Byte）,目前，主存的容量為 幾兆字節(jié)到幾十兆字節(jié)。,2.2 輔助存儲(chǔ)器,輔助存儲(chǔ)器又稱為外存儲(chǔ)器，或外存。其容量

6、相對(duì)較大，一般用來(lái)存放長(zhǎng)期保存或相對(duì)來(lái)說(shuō)暫時(shí)不用的各種程序和信息。計(jì)算機(jī)實(shí)際執(zhí)行程序和加工處理數(shù)據(jù)時(shí)，輔存中的信息需要先傳送到主存后才能被CPU使用。輔存容量大，能長(zhǎng)期可靠地保存信息，存取方便目前，微機(jī)中常用輔存有軟磁盤存儲(chǔ)器，硬磁盤存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器。,2.3 輔助存儲(chǔ)器（續(xù)）,（1）軟盤3.5英寸軟盤存儲(chǔ)容易1.44MB，軟盤驅(qū)動(dòng)器是讀寫軟盤的專用裝置。一般用標(biāo)識(shí)符A：（或B：）表示軟盤驅(qū)動(dòng)器（盤號(hào)）軟盤使用注意幾點(diǎn)：①軟盤

7、首次使用前需格式化②軟盤角上有一個(gè)方形小孔（寫保護(hù)窗口），將窗口內(nèi)滑塊推上露出小口，則對(duì)軟盤只能讀出信息而不能寫入信息，稱為寫保護(hù)。③軟盤易損壞，受潮、受熱、磁場(chǎng)干擾，擠壓均會(huì)引起軟盤受損。,2.3 輔助存儲(chǔ)器（續(xù)）,硬盤硬磁盤存儲(chǔ)器是由一組磁盤和硬盤驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，二者封裝在金屬盒中，稱為硬盤。與軟盤相比硬盤容量大，存取速度快，目前微機(jī)上硬盤容量1GB-25GB，一般用C：表示硬盤驅(qū)動(dòng)器。硬盤若分成幾個(gè)邏輯驅(qū)動(dòng)器，一般再用D：（或E

8、：等）表示，硬盤首次使用前也要格式化。硬盤C：上裝有啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)軟件，以便以后從硬盤啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。,2.3 輔助存儲(chǔ)器（續(xù)）,光盤光盤使用越來(lái)越普遍，只讀光盤CD-ROM存儲(chǔ)容量達(dá)650MB。,存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)圖,后援存儲(chǔ)器（磁帶庫(kù)、光盤）,輔助存儲(chǔ)器（軟盤、硬盤、光盤）,主存儲(chǔ)器（DRAM）,Cache存儲(chǔ)器,ALU寄存器,3.1 輸入/輸出設(shè)備,定義: 輸入是把信息送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的過(guò)程，輸出是從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)送出信息的過(guò)程，用戶就是通

9、過(guò)輸入/輸出設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)互相通信。微機(jī)系統(tǒng)中常用輸入設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)器、掃描儀微機(jī)系統(tǒng)中常用輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、繪圖儀,4.1 總線,定義總線上連接計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的通信線路和相關(guān)的控制電路，三種信號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)（總線）--是CPU與內(nèi)存輸入/輸出接口之間傳輸數(shù)據(jù)的通道地址信號(hào)（總線）--用于傳送內(nèi)存、輸入/輸出接口地址數(shù)據(jù)，CPU按此地址尋找數(shù)據(jù)控制信號(hào)（總線）--傳送CPU發(fā)出或接收的控制信號(hào)。,4.1 總線（續(xù)）

10、,微機(jī)中常用總線：①ISA總線：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線，也叫AT總線，數(shù)據(jù)16位②EISA總線：擴(kuò)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線與ISA總線兼容，數(shù)據(jù)線32位③PCI總線：局部總線標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)線32-64位。,微型計(jì)算機(jī)硬件組成,,,,,顯示器,主機(jī),鼠標(biāo),鍵盤,二、 計(jì)算機(jī)的工作原理,指令指令的格式指令系統(tǒng)程序,1.1 指令,指令是用來(lái)規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)行的操作和操作對(duì)象所在存儲(chǔ)位置的一個(gè)二進(jìn)位串,1.2 指令的格式,一條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。

11、例如二地址指令格式如下：操作碼地址碼1地址碼2操作碼：具體說(shuō)明指令的性質(zhì)或功能，每條指令只有一個(gè)操作碼地址碼 :包括著操作數(shù)的來(lái)源，結(jié)果的去向或下一條指令的地址等信息，不同指令中地址碼的個(gè)數(shù)可以不一樣。,1.3 指令系統(tǒng),指令系統(tǒng)定義一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能識(shí)別并執(zhí)行的全部指令的集合，稱為該臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)中有數(shù)以百計(jì)的不同指令。,1.3 指令系統(tǒng)(續(xù)）,兼容性問(wèn)題每種CPU都有自己獨(dú)特的指令系統(tǒng)，用某一類計(jì)算機(jī)的機(jī)器

12、語(yǔ)言編制的程序難以在其他各類計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這個(gè)問(wèn)題稱之為指令不兼容。向下兼容： 如586機(jī)器語(yǔ)言向下兼容486機(jī)器語(yǔ)言程序。指令精簡(jiǎn)問(wèn)題精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC。,1.3 指令系統(tǒng)（續(xù)）,指令的分類；數(shù)據(jù)傳送指令算術(shù)運(yùn)算指令邏輯運(yùn)算指令移位運(yùn)算指令位與位串操作控制與轉(zhuǎn)移指令輸入/輸出指令其它指令。,1.4 指令的執(zhí)行,指令預(yù)取指令譯碼地址計(jì)算執(zhí)行運(yùn)算回送結(jié)果,1.5 程序,為解決某一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的一系列指令

13、稱為程序。程序和相關(guān)數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，計(jì)算的工作就是執(zhí)行存放在存儲(chǔ)器中的程序。計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序的過(guò)程就是一條一條地執(zhí)行指令的過(guò)程。程序的執(zhí)行又自動(dòng)地控制著整個(gè)計(jì)算機(jī)的全部操作。這就是50年前美國(guó)數(shù)學(xué)家馮·諾依曼提出的程序存儲(chǔ)和程序控制的思想。這也是目前計(jì)算機(jī)的基本工作方式。,三、 計(jì)算機(jī)性能評(píng)測(cè),計(jì)算機(jī)硬件性能指標(biāo)評(píng)測(cè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的方法,計(jì)算機(jī)硬件性能指標(biāo),CPU運(yùn)行速度主存容量輔存容量總線傳輸速率（以MB/S為單位