第2章计算机组成原理.ppt

第2章 计算机组成原理 学习目标与要求 1. 掌握计算机硬件的主要组成部分及其功能，了解计算机的类型及它们的用途。 2. 了解微处理器的特点、功能、应用及大概的发展情况。 3. 描述CPU的结构与工作原理，理解指令的大体执行过程。 4. 熟悉PC机的物理组成，芯片组与其他部件的关系。 5. 了解Cache存储器和主存储器的功能与关系。 6. 理解I/O总线、I/O控制器、I/O接口及I/O设备的功能与相互关系。 7. 掌握常用输入设备的功能，了解其结构与原理。 8. 掌握常用输出设备的功能，了解其结构与原理。 9. 理解磁盘、光盘的类型、结构与原理。 教学要点 计算机的逻辑结构与物理结构 总线、系统总线与I/O总线 CPU的原理、结构与性能参数 I/O操作、 I/O控制与I/O接口 I/O设备的功能、结构与工作原理 外存储器 2.1 计算机的组成与分类 2.1.1 计算机的组成 一.计算机系统的组成 ★ 计算机系统由硬件和软件两部分组成 ★ 硬件是指有形的物理设备，是计算机系统中 实 际物理装置的总称。 ★ 软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。 ★ 硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整的计算机系统。 二. 计算机硬件的基本组成 1 中央处理器(CPU) 2 主存储器 3 辅助存储器 4 输入/输出设备 5 系统总线与I/O端口 图2-1 计算机的硬件组成示意图 控制器是分散的，总线也是控制器。 2.1.2计算机的分类 1.巨型计算机 2.大型计算机 3.小型计算机 4.个人计算机 图2-2巨型计算机 （日本NEC公司的NEC SX-6/64MB巨型计算机，它包含64个CPU，内存容量为512GB，峰值速度达每秒1万亿次浮点运算，用于全球气温变化趋势的预测研究。) 图2-3个人计算机 个人计算机：台式机，便携机与手持式计算机 2.1.3微处理器和PC机 微处理器又称μP或MP,通常指使用单片大 规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的处理器。 Intel 8086是16位的微处理器 Intel 80386、80486是32位的微处理器 目前PC机使用的CPU是Pentium4 微处理器和PC机 单片机:处理器、存储器、I/O接口集成在一块芯片上. 微处理器的字长:运算器和寄存器的宽度 2 .2 CPU的结构与原理 冯●诺依曼计算机原理与结构 基本原理： 程序是一个指令序列， 指令与数据都用二进制表示，预先存放在存储器内， 计算机工作时，CPU从内存取出指令和数据，按指令的规定，对数据进行运算处理，直到程序完成为止。 基本结构：5个组成部分 中央处理器的概念 ★处理器是计算机的核心部分，主要由运算器、控制器组成。运算器用来对数据进行各种算术和逻辑运算。也称为执行单元。控制器是计算机硬件系统的指挥中心，它的作用是控制程序的执行，确保各个部件协调一致，有条不紊地完成各种操作。 ★一台计算机中可以包含多个处理器，其中承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为中央处理器，简称CPU CPU实物图 中央处理器的组成 运算器:进行算数、逻辑运算,是执行单元 控制器：控制部分 寄存器：临时存放数据 2.2.1中央处理器的结构 指令执行过程： (1)CPU访问存储器取得一条指令。 (2)控制器对指令中的操作码进行译码。 (3)计算出所使用的操作数的地址，从寄存器或存储器中取得操作数。 (4)运算器按照指令操作码的规定，对操作数完成规定的运算处理。 (5)需要时，把运算结果保存到指定的寄存器或内存单元。 (6) 修改指令地址，供执行下一条指令时使用。 Pentium处理器的结构 提高速度的措施： s? 提高时钟频率 s? 增加数据位数 s? 采用通用寄存器临时存放中间运算结果 s??采用多个运算器 s??增加cache存储器 s??采取流水线方式执行指令 扩充功能的措施： s? 增加浮点运算指令 s? 增加MMX指令 s? 增加SIMD指令 Pentium 4处理器的结构 Pentium 4处理器的封装 2.2.2指令与指令系统 ◆指令:是用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存储位置的一个二进制位串。 ◆指令的格式： 操作码：是用来指出计算机应执行何种操作的一个二进制代码。 操作数：指出该指令所操作的数据或数据所在的存储单元的地址。 指令系统定义 一台计算机所能识别并执行的全部指令的集合，称为该台计算机的指令系统。指令系统中有数以百计的不同指令。 指令与指令系统 指令系统：CPU能执行的全部指令之和 指令系统分为： 数据传送指令 算数运算指令 逻辑运算指令 移位和位操作指令 控制转移指令 I/O指令 2.2.