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第05章 计算机组成 本章内容安排 中央处理单元 主存储器 输入/输出子系统 子系统的互连 程序执行 不同的体系结构 简单计算机 三大子系统 中央处理单元CPU 中央处理单元用于数据运算，包括算术逻辑单元ALU、控制单元和寄存器组。 1、算术逻辑单元ALU 算术逻辑单元ALU对数据进行逻辑、移位和算术运算。 逻辑运算：与、或、非、异或 移位运算：逻辑移位和算术移位 算术运算：整数和实数的算术运算 2、寄存器 寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。 数据寄存器：保存运算的中间结果，可以提高运算速度。 指令寄存器：CPU负责从内存中逐条取出指令，暂存在指令寄存器中并解释执行。 程序计数器：程序计数器保存当前正在执行指令的地址，当前指令执行完成后，自动增1，指向下一条指令的地址。 3、控制单元 控制单元控制各个子系统的操作。 控制单元通过向各子系统发送信号来实现控制。 CPU的重要指标－时钟频率 时钟频率 CPU的工作过程是一个取指令、执行指令的周期性过程，它的“节拍”由时钟发生器发出的脉冲决定； 时钟发生器在单位时间内发出的脉冲次数就是计算机的“时钟频率”，它决定了CPU的工作速度，也称为主频，单位通常为兆赫兹(MHz)或千兆赫兹(GHz)。 本章内容安排 中央处理单元 主存储器 输入/输出子系统 子系统的互连 程序执行 不同的体系结构 简单计算机 主存储器 基本概念 主存储器是存储单元的集合。每个存储单元用唯一的标识符进行标识，称为地址； 数据以字为单位在存储器中传入和传出。不同的机器，字可以取8位、16位、32位或64位。如果字是8位，称为字节(Byte)。 1、地址空间 基本概念 存取存储器中的每个字，需要有相应的标识，程序员通常通过名称来标识（变量名字），在硬件层次上，都是通过地址来标识。 在存储器中可标识的所有独立地址单元的总数称为地址空间。例如，64K字节存储器、字长为1字节的系统具有范围为0~65535的地址空间。 存储单位 地址的位模式表示 计算机中使用位模式存储地址 位模式长度取决于地址空间的大小 地址空间为64K（216），字长为1个字节，需要使用16位位模式存储地址 地址使用无符号整数定义，地址空间为64K，则地址范围为0000000000000000～1111111111111111 计算地址的位模式长度示例 问题 台计算机有32MB主存，需要多少位来寻址内存中的任意一个字节？ 解答 计算地址的位模式长度示例 问题 一台计算机有128MB内存，计算机的字长为8个字节，需要多少位来寻址内存中的任意一个单字？ 解答 2、存储器类型 RAM：随机存储器 RAM是主存的主要组成部分。RAM具有可随机读写、易失性特点。 SRAM：静态RAM，使用触发器门电路保存数据，速度快但价格昂贵。 DRAM：动态RAM，使用电容存储数据，充电为1，放电状态为0。需要周期性刷新，速度慢但价格便宜。 ROM：只读存储器 ROM是只读存储器，内容由制造商写入，具有只读、非易失性特点。 PROM：可编程只读存储器，出厂时空白，借助特殊设备可一次写入内容。 EPROM：可擦除的可编程只读存储器，借助紫外线装置可擦除内容，然后可重新写入。 EEPROM：电可擦除的可编程只读存储器，使用电子脉冲即可擦除和编程写入 3、存储器的层次结构 存取速度快的存储器价格昂贵，通常采用层次配置 对速度要求苛刻的场合，配置少量高速存储器，如CPU中的寄存器； 用适量中速的存储器存储需要经常访问的数据； 用大量低速存储器存储大量不经常访问的数据。 4、高速缓冲存储器 高速缓冲存储器速度比主存快，但比CPU内部的寄存器要慢，介于CPU和内存之间 作为内存和CPU之间缓冲，可提高系统性能； 高速缓存的配置较少，会保存主存一部分内容的副本。 高速缓冲存储器 基本原理 CPU要存取主存中的一个字时，首先检查高速缓存； 如果存在，直接存取； 如果不存在，从主存中拷贝包含欲存取字的数据块至高速缓存，CPU从高速缓存中存取数据。 提高整体访问性能 计算机处理数据具有连续性； 根据合理的预测技术，使得从高速缓存访问数据的命中率很高。 本章内容安排 中央处理单元 主存储器 输入/输出子系统 子系统的互连 程序执行 不同的体系结构 简单计算机 非存储设备 非存储设备提供CPU与外界的通信，但不能存储信息 键盘：提供输入功能 监视器：显示输出 打印机：产生永久记录的输出设备 其它：鼠标、操纵杆、扫描仪等 存储设备 存储设备可存储大量信息以备后用，速度比主存慢但价格便宜。存储的信息不易丢失，称为辅助存储设备。 磁介质存储设备：使用磁性来存储数据，通过磁性介质的磁化表示1，消磁表示0 磁盘 磁带 光存储设备 1、磁盘－物理布局 磁盘由多张盘片叠加而成，每个盘片上的读/