【文档说明】第3-章-计算机硬件基础(第45讲)课件.ppt，共(84)页，2.430 MB，由小橙橙上传

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08:031第3章计算机硬件基础(第4、5讲)讲授：黄瑞兴08:032第3章计算机硬件基础3.1计算机的基本组成3.2指令系统3.3中央处理器3.4存储器3.5输入输出系统3.6计算机的主要指标08:0333.1计算机的基

本组成冯·诺依曼型计算机的设计思想:硬件结构由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大基本部分组成。输入设备输出设备外部设备接口控制器控制信号指令或数据外存储器主存储器运算器原始数据计算结果08:0343.1计算机的基本组成冯·诺依曼型计算机的设计思想(续):程序和数据采用二进制表示

、存储程序与程序控制(计算机的工作原理)存储程序即把事先编好的程序和所需要的数据通过输入设备送到内存或外存中保存;程序控制是指控制器从内存中逐一读取程序中指令，并按照每条指令的要求执行所规定的操作。08:0353.1计算机的基本组成微型计算机的组成框图外部设备微处

理器CPU外设接口存储器数据总线地址总线控制总线08:0363.2指令系统计算机程序是由一系列的指令组成的，指令是引起计算机执行某种操作的最小的功能单位。换句话说，指令就是告诉计算机从事某一特殊运算的命令代码。指令系统是指一台计算机中全部指令的集合，它反映了计算机

所拥有的基本功能，决定了一个CPU能够运行什么样的程序。08:0373.2指令系统指令系统的作用指令格式与功能计算机硬件结构计算机系统软件计算机应用范围08:0383.2.1指令格式计算机指令由两部分组成，

即操作码和地址码(个别指令除外)操作码告诉计算机应该进行什么操作地址码(操作数)告诉计算机参与操作的数据来自何处、操作结果又将送到什么地方。例：机器语言指令：1000101111000011汇编语言指令：MOVAX,BX每条低级语言指令只完成一个基本操作。操作码地址码08:0393.2.1指令格式

根据指令地址码(操作数)部分中显式指明的地址个数，则可形成如下地址指令。零地址指令：指令中不涉及地址或使用约定的地址。如停机指令、空操作指令、关中断及堆栈操作（默认为栈顶）指令。一地址(单地址)指令：指

令中只涉及一个地址或还使用另一约定的地址。例如：寄存器内容加1、减1指令，指令中只表示一个源地址即可。08:03103.2.1指令格式指令地址码的地址个数(续)二地址指令：指令中指出目的地址和源地址，其

中目的地址还用于保存运算结果。三地址指令：指令中不仅要指出目的地址和源地址，还要指出保存运算结果的去处。08:03113.2.2寻址方式寻址方式是指令中说明寻找操作数的方式，指出在哪里可以找到操作数。操作

数不一定放在指令中，它可以放在其他地方。主机中通常可以存储数据的“容器”有寄存器和内存。寄存器存取速度快，但容量有限；内存容量大，但存取速度不如寄存器快；操作数可以放在寄存器或内存。可以直接给出寄存器和内存的地址，也可以用间

接的方式，这就是寻址方式。08:03123.2.2寻址方式常见寻址方式：立即寻址、寄存器寻址、直接寻址、寄存器间接寻址等。2000H寄存器2000H1234H存储内容内存地址1.立即寻址4.寄存器间接寻址3.直接寻址2.寄存器寻址08:03133.2.3指令分类按指令功能分数据传送指令：完成数

据的传送算术运算指令：进行算术运算逻辑运算指令：进行逻辑运算位移指令：对寄存器或内存单元中的数据进行左移或右移输入输出指令：在CPU和外设之间进行数据的输入、输出控制转移指令：控制程序的转移。08:03143.2.4指令举例序号汇编语言指令机器语言指令指令功能存储地址机器指令1MO

VAL,X2000A00100将X单元(001号)中的内容传送到AL寄存器中2ADDAL,Y200302060200将Y单元(002号)中的内容加到AL寄存器中3MOVSUM,AL2007A20300把AL寄存器中的和传送到SUM单元(003号)中4

HLT200AF4停机08:03153.2.5精简指令系统计算机复杂指令集计算机CISC早期的指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令60年代后期，增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令，指令数目多达一

二百条，寻址方式也趋多样化；70年代末期，大多数计算机的指令系统多达几百条。08:03163.2.5精简指令系统计算机复杂指令集计算机CISC采用进一步增强原有指令功能并设置更为复杂的指令使计算机系统具有更强的功能和

更好的性能价格比的方法，就是称为复杂指令集计算机(ComplexInstructionSetComputer,CISC)指令设计风格。CISC的思路是由IBM公司提出的，以1964年研制的IBM360为代表。依该思路的机器指令系统将变得越来越庞杂。PC机多是用这种设计风

格的指令系统，如MMX多媒体扩展指令等就是增加进去的指令，是复杂指令。08:03173.2.5精简指令系统计算机精简指令集计算机上世纪70年代的研究发现80%的指令只在20%的运行时间里用到，因此，设计周期延长，成本增加，容易出错，系统的可靠性降低

。在70年代中期，Patterson等人提出通过减少指令总数和简化指令的功能，降低硬件设计的复杂度而提高指令的执行速度的设计思路。其基本思想是：指令系统只需由使用频率高的指令组成，简单的指令能执行得更快。采用这种设计思路的计算机被称为精简指令

集计算机（ReducedInstructionSetComputer，RISC）08:03183.2.5精简指令系统计算机RISC的优点1.简化了指令系统，适合超大规模集成电路的实现；2.提高了机器执行的速度和效率；3.降低了设计成本，提高了系统的可靠性；4.提供了直接支持高级

语言的能力，简化了编译程序的设计;RISC技术现已成为计算机结构设计中的一种重要思想。实际上，现在大多数CPU的内核都是基于RISC技术的。08:03193.3中央处理器中央处理器(CPU)由运算器和控制器两部分组成

。运算器进行算术和逻辑运算。控制器是整个系统的指挥中心，在控制器的作用下，使运算器、存储器和输入输出设备等部件构成一个有机整体，根据指令的要求控制全机工作。08:03203.3.1运算器基本逻辑运算和逻辑电路逻辑是指事物的

因果关系，或者说条件和结果的关系，这些因果关系可以用逻辑运算来表示，也就是用逻辑代数来描述。逻辑代数是按一定的逻辑关系进行运算的代数，是分析和设计数字电路的数学工具。在逻辑代数，只有0和1两种逻辑值，有与、或、非三种基本逻辑运算，还有与或、与非

、与或非、异或几种导出逻辑运算。08:03213.3.1运算器基本逻辑运算和逻辑电路①逻辑与。又称“逻辑乘”运算，常用符号•(或省略不写)、∧、∩或AND表示。对两个数进行与操作，就是按位求它们的“与”。运算规则是：0∧0=0，0∧1=0，1∧0=0，1∧1=1例如，1011000

1∧11101100=1010000008:0322逻辑与运算(3)功能表(4)真值表(1)与逻辑电路图(2)与门的逻辑符号开关A开关B灯Z断开断开灭断开闭合灭闭合断开灭闭合闭合亮ABZ00001010011108:03233.3.1运算器基本逻辑运算和逻

辑电路②逻辑或。又称“逻辑加”运算，常用符号+、∨、∪或OR表示。对两个数进行或操作，就是按位求它们的“或”。运算规则是：0∨0=0，0∧1=1，1∧0=1，1∧1=1例如，：10110001∧11101100=1111110108

:0324逻辑或运算逻辑或开关A开关B灯Z断开断开灭断开闭合亮闭合断开亮闭合闭合亮ABZ00001110111108:03253.3.1运算器基本逻辑运算和逻辑电路③逻辑非。又称为“求反”运算，常用数据上面加一横线表示。对两个数进行非操作，就是按位求它们的“非”。运算规则是：0=

1，1=0例如，A=11110000，则A=0000111108:0326逻辑非运算(1)电路图(2)逻辑符号功能表真值表开关A灯Z断开亮闭合灭AZ011008:03273.3.1运算器基本逻辑运算

和逻辑电路④逻辑异或。又称为“半加和”运算，常用符号⊕或XOR表示。对两个数进行异或操作，就是按位求它们的“异或”。运算规则是：0⊕0=0，0⊕1=1，1⊕0=1，1⊕1=0，即“同则为0，不同为1”。例如10110001⊕11101100=0101110108:032

83.3.1运算器触发器两个输入、输出交叉连接的与非门设RDSD高电压悬空&1&2①②QQ高电压高电压低电压低电压RDSD08:03293.3.1运算器触发器1.Q=1,Q=0时触发器表示“1”2.Q=0,Q=1时触发器表示“0”&1&2①②RDSDQQ输入输出Qn+1输入输出Qn+1RDSD

RDSD01011Qn10100不确定08:03303.3.1运算器全加器：Si=Ai⊕Bi⊕Ci-1Ci=AiBi+Ci-1(Ai⊕Bi)输入输出Ci-1AiBiCiSi0000000101010010111010001101101101011111Si

本位和Ci向高位进位08:03313.3.1运算器全加器de逻辑结构≥1＝1Ci=AiBi+Ci-1(Ai⊕Bi)Si=Ai⊕Bi⊕Ci-1Ci-1BiAi&＝1&08:03323.3.1运算器译码器F0=ABCF1=ABC

F2=ABCF3=ABCF4=ABCF5=ABCF6=ABCF7=ABC&1&&&&&&&11ABC08:03333.3.1运算器译码器输入输出ABCF0F1F2F3F4F5F6F70O0100000000

010100000001000100000011000100001000000100010100000100110000000101110000000108:03343.3.1运算器运算器是计算机对各种数据和信

息进行算术和逻辑运算的部件，由算术逻辑部件、通用寄存器、状态寄存器组成。通用寄存器状态寄存器ALU暂存器暂存器暂存器主要完成算术和逻辑运算、移位操作主要用于保存参加运算的操作数和运算的结果。存取速度快，数量少主要用来记录算术逻辑运算结果的状态。08:03353.3.2控制器控制器的功能计算

机的工作过程就是计算机中程序的运行过程，也就是程序中的一条条指令的执行过程。指令的执行要经历取指令、分析指令、执行指令3个阶段控制器的功能就是按照指令的要求，在正确的时刻，产生需要的控制信号，以控制计算机各个部分的工作。08:0

3363.3.2控制器控制器的组成：指令部件、时序部件、控制信号形成部件和中断控制逻辑。状态寄存器节拍发生器指令译码器ID时钟电路中段控制逻辑操作码地址码程序计数器PC地址形成部件控制信号形成部件控

制台信息微操作信号(送各个功能部件)地址寄存器送内存或ALU中断请求来自内存的指令加1......指令寄存器IR08:03373.3.3典型CPU芯片介绍世界上主要的微处理器厂商是:Intel公司AMD公司08:0338执行

部件指令译码部件代码预取部件存取管理部件3.3.3典型CPU芯片介绍8038680386的内部结构控制部件32位寄存器桶形移位器ALU指令译码指令部件预取队列预取部件总线接口部件32位地址线32位数据线数据总线段描述符缓冲寄存器分段

部件页面描述符缓冲寄存器分段部件测试部件接口中断复位完成在总线周期内对必要的信号进行的控制从存储器中以4B为单位预先取出指令，存放在16B的指令预取队列中从代码预取部件中的预取队列中按顺序取出指令并译码对存储器进行管理。分段部件将逻辑地址转换为线性地址

，分页部件将线性地址转换为物理地址执行部件及控制部件与其他部件协同执行指令08:0339第一代4位和低档8位机Intel40048008（1971-1973）第二代中高档8位机Intel8080/8085Z80、MC6800（1974-1977）第三代16位机Intel8

086/808880286Z8000、MC68000（1978-1981）第四代32位机Intel80386、80486MC68020（1981-1992）特点：1、速度越来越快。2、容量越来越大。3、功能越来越强。（1993-1995）第五代

32位机IntelPentiumAMDK5第六代32位机PentiumPROⅡⅢⅣAMDK6K7Athlon（1996-2004）微处理器发展历史（2004-）第六代64位机AMDK8Athlon64/

FXAMDK8Athlon64X2IntelPrescottPentiumⅣIntelPentiumD08:0340习题（p51）3.已知A=101101,B=110100,求A∧B,A∨B,A⊕B。6.什么是指令及指令系统？

7.什么叫寻址方式，常用的寻址方式有哪些，它们是如何获得操作数的？08:03413.4存储器存储器是存放程序和数据的设备，可分为两大类：主存储器(也称内存储器)辅助存储器(也称外存储器)08:03423.4.1存储器概述存储器分类1.按存储器在计算机中的作用分类：①主存存放计算机运行时所需的

程序和数据，速度较快，容量较小，主要采用半导体存储器，随机存取。断电后信息将丢失，不能长久保存②辅存存放暂时不需要的程序和数据，它不与CPU直接交换信息，速度慢，存储容量大，主要采用磁盘和光盘，可顺序存取或半顺序存取。断电后信息不会丢

失，可长久保存。③高速缓存介于CPU与主存之间，起缓冲作用。它用来存放当前最可能频繁使用的程序段和数据，其特点是速度快、容量小。08:03433.4.1存储器概述存储器分类2.按存储介质分类：①半导体存储器从工艺上分为双极型和MOS型两大类。MOS型(金属氧

化物半导体)功耗小，集成度高，制造简单，成本低，适合构成大容量存储器，广泛应用，如随机存取存储器(RAM)②磁表面存储器有磁带存储器和磁盘存储器。磁盘又分为硬磁盘和软磁盘。③光盘存储器可分为只读型光盘(CDRO

M)、只写一次光盘(CD-R)和可重写型光盘(CD-RW)08:03443.4.1存储器概述存储器分类3.按存储器的存取方式分类①随机存取存储器(RAM)；②只读存储器(ROM)；③顺序存取（例如磁带）；半顺序存取存储器

（介于随机存取和顺序存取之间，如磁盘）。08:03453.4.1存储器概述存储系统的层次结构存取3要素：时间、容量、价格。存储系统的层次结构CPU高速缓存(Cache)主存辅存08:03463.4.2内存内存的概念直接于CPU相连接，用来存放电脑运行时的程序和指令的一种随机存储

元件。08:03473.4.2内存内存的组成：内存由存储体、地址译码电路、读写放大电路和控制电路组成。如下图示：MAR地址译码电路MDR存储体读写放大电路控制电路数据总线地址总线读写片选对选中的单元进行读出或写入，并具有放大信息的作用对地址进行译码，以决定选中哪个存储单元08:03483.4.

3外存常用的外存有磁带存储器、磁盘存储器和光盘存储器；存储器的特点是存储容量大、可靠性高、价格低，在脱机的情况下可以永久地保存信息。08:03493.4.3外存硬(磁)盘结构读写头面surface，道track，扇区sector，柱面cyli

nder08:03503.4.3外存硬盘的结构：•磁道(Tracks)•扇区(Sectors)•柱面(Cylinders)•磁头(Heads)读写磁头电机转轴硬盘盘片08:03513.4.3外存硬(磁)盘工

作原理采用批量存储，以区段为单位，区段的“地址”＝磁道(柱面)号＋读写头号(盘面编号)＋磁道内的区段编号读写数据(3个阶段)移动磁头到相应柱面位置(磁头定位)等待(区段定位)实际读写读写速度非常高，通常是几毫秒至十几

毫秒。速度单位通常用：转/秒。08:0352外存——软(磁)盘3.5吋软盘容量=面数×每面磁道数×每道扇区数×512总容量面数每面磁道数每道扇区数每扇区容量1.44MB28018512B08:0353外存——光盘CD-ROM(CompactDisk

ReadOnlyMemory)意为高密度只读存储器，俗称光盘。一张光盘可以存储650兆字节的数据。光存储器设备依赖于激光技术。用激光来把应该记为逻辑“1”的地方烧穿(刻痕)，把应该记为逻辑“0”的地方留上空白。这种由电子控制的激光就可以把数据记载到盘上。08:0354“槽”和

“平台”光驱从盘片螺旋磁轨的一个个“槽”中读写数据。“槽”位于金属层内，是光盘中储存信息的地方;金属层中，在“槽”的周围部分，叫作“平台”。反射的光经过棱镜到光学传感器，其输出的光必须等同于其受到的光。从“槽”所反射的光和“平

台”的光相差180度的相位。08:0355磁带存储器主要用于大型计算机系统——数据备份。主要优点：存储容量大，存储成本低。微型计算机用的规格为1/4英寸盒式磁带可以存储多达20GB的数据。使用2～3英寸带盒的DAT(数字音频磁带)存储容量为2～24G

B。主要缺点：顺序存取，存取不便且速度不高。08:0356优盘闪存盘（FlashMemoryDisk优盘）是一种采用快闪存储器(FlashMemory)为存储介质，通过USB接口与计算机交换数据的新一代可移动存储装置。闪存盘是以FlashMemory为介质，所以具有可多

次擦写、容量较大、存取快捷、轻巧便捷、即插即用、安全稳定等优点。08:03573.5输入输出系统输入(input)通常是指预备好送入计算机系统进行处理的数据，常常也指把数据送入计算机系统的过程。输出(output)就是把计算机处理的数据转换成用户需要的形式送出，或者传给某种媒质的存储设备保

存起来。输入输出系统包括输入设备和输出设备。用户通过输入设备下达命令，指挥计算机工作。输出设备负责將处理设备完成的数据输出，是计算机与人直接联系的主要渠道。08:03583.5.1输入设备扫描仪麦克风手写笔摄像头其他输入设备：读卡器、触摸屏08:03593.5.1输

入设备——键盘键盘104键盘按照功能和排列位置，可将键盘主要分为：打字机键盘、功能键、编辑键(光标移动键)和数字小键盘。功能键编辑键指示灯光标移动键打字机键盘数字小键盘08:03603.5.2输出设备种类显示器打印机绘图仪声音输出设备08:03613.5.2输出

设备——显示器Monitor,Display阴极射线管(CathodeRayTube，CRT)液晶显示器(LiquidCrystalDisplay，LCD)08:0362CRT显示器三个指标分辨率(Resolution)每行扫描点数X每屏扫描行数；例如：1024X768点距(Dot

pitch,栅距)电子束扫描两个点之间的距离;常见有0.28mm;0.25mm；0.21mm等刷新率(Refreshrate)又称“刷新频率”指每秒重画屏幕的次数，刷新率越高，屏幕闪烁越小，对人眼的刺激越小。7

5Hz以上人眼基本感觉不到闪烁，85Hz以上完全没有闪烁感08:0363关于液晶（liquid-crystal）液晶的奇特性质是由一个奥地利植物学家F.Renitzer在1888年发现的。其被开发作

商业用途花了85年，日本的夏普公司于1973发布了它的第一个产品：一款数字显示的电子计算器。液晶的物理特性：它的分子为晶体，以液态存在。电流通过液晶层，晶粒子会向正负两极聚集。当没有电流通过时，它们会彼此平行排列。08:0364打印机Prin

ters打印方式击打式非击打式激光打印机喷墨打印机08:03653.5.3输入/输出的工作方式程序直接控制方式由CPU检测，是否有输入/出（CPU与外围设备不能并行，外围设备处于被动）主程序CPU工作启动外设执行数据交换I/O设备准备CPU工作C

PU查询等待(a)启动外设主机与I/O设备交换数据I/O设备已准备好采集I/O设备状态I/O查询否是(b)查询外设08:03663.5.3输入/输出的工作方式中断方式：外围设备主动发送请求，CPU有空便可响应。中

断响应过程：保护中断现场、识别中断源、执行中断处理程序、恢复现场。主程序CPU工作启动外设实现数据交换I/O设备准备CPU工作CPU响应中断CPU工作转中断服务程序返回主程序中断服务程序08:03673.5.3输入/

输出的工作方式DMA(DirectMemoryAccess)方式外围设备与主存之间直接交换数据。CPU内存I/O设备DMA控制器08:03683.5.4输入/输出接口输入/输出接口的基本功能实现数据缓冲提供状态寄存器识别接口及外设接收主机控制信号，控制外设实现主机与外

设间的通信控制。接口分类传送方式：串口、并口使用方式：可编程接口、不可编程接口。08:03693.5.5总线总线是一组进行互连和传输信息(指令、数据和地址)的信号线。主要参数有总线位宽、总线时钟频率和总线传输速率。总线位宽决定输入/输出设备之间一次数据传输的信息量，

用位(bit)表示，如总线宽度为8位、16位、32位和64位。总线时钟频率是总线的工作频率以MHz表示总线传输速率是总线上每秒钟所能传输的最大字节数。通过总线宽度和总线时钟频率来计算总线传输速率。08:03703.5.5总线总线分类数据总线（databus,DB）用来传输数据信息

，是双向总线；地址总线（addressbus,AB）用于传送CPU发出的地址信息，是单向总线;控制总线（controlbus,CB）用来传送控制信号、时序信号和状态信息等。08:0371总线结构(1)单总线结构：在单总线结构中

，计算机系统的部件如CPU、主存储器及输入输出设备等，都挂在一条总线上，它们之间以相同的形式进行通信，故称单总线。08:0372总线结构(2)双总线结构：主存总线负责CPU与主存、通道之间的信息传送；输入输出总线负责多台外部设备与通

道及外部设备之间的信息传送。08:0373总线结构(3)三总线结构：主存总线负责CPU与主存的信息传送；I/O总线负责I/O设备之间以及I/O设备与CPU之间的信息传送；DMA总线(直接主存访问总线)

负责高速外部设备与主存的信息传送。08:0374总线标准目前标准局部总线有三种：VESA总线（仅用于486微机）、PCI总线和AGP总线；PCI总线:由外部部件联合专门权益组织(PeripheralComponen

tInterconnectSpecialInterestGroup，简称PCISIG)制定及维护。08:0375PCI槽内存槽AGP槽CPU接口打印机接口USB接口08:03763.6计算机的主要技术指标计算速度是蘅量计算机功能的主要指标。一

般用计算机每秒钟执行指令条数来表示。常见表示方法：以每秒执行加法运算的次数来计算；将执行各种指令速度加权平均；主时钟频率，微机多采取这种方法。08:03773.6计算机的主要技术指标机器字长(1)是微处理

器一次可以直接处理的二进制数码的位数，它通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度。微处理器的字长有4位、8位、16位、32位和64位等。半字节字节字双字03034707078F8F1017181F08:03783.6计算机的主要技术指标机器字长(2)Bit0

Byte00000000Word00000000000000001Kilobyte=210Bytes=1024Bytes=1K1Megabyte=220Bytes=1024K=1M1Gigabyte=230Bytes=1024M=1G1Terabyte=240B

ytes=1024G=1T08:03793.6计算机的主要技术指标存储容量指计算机可以处理的程序的大小和数据的多少。分为内存和外存两级，内存容量小而工作速度快，外存容量大但速度低。指令系统指令的种类和数量越多，指令的寻址方式越灵活．计算机的处理能力就越强。一般计算机的指令有几十条到一百多条。

08:03803.6计算机的主要技术指标机器可靠性用平均无故障时间来表示，它是指系统在两次故障间能正常工作的时间的平均值。平均无故障时间越长，计算机系统的可靠性就越高。实际上引起计算机故障的因素除跟采用的元器件有关外，还跟组装工艺、逻辑设计等有关。08

:0381CPU展望微机CPU的快速更新带动了微机技术的发展。Intel、AMD、Cyrix公司推出P4、K7和MⅡ以后，将不断推出主频更快、性能更好的32位CPU及64位CPU芯片；下一代处理器中将采用VLI

W(VeryLongInstructionWord，即极长指令)技术且带MMX技术的64位微处理器。08:0382习题（P52）21.解释下列术语：内存、外存、高速缓存等。25.输入设备按功能可分为哪

几类，常用的输入设备有哪些？32.用户在购买计算机时，最关心的技术指标是什么？08:0383第3章计算机硬件基础主要内容：计算机的基本组成，指令系统，中央处理器，存储器，输入输出系统，计算机的主要指标。重点：指令系统、基本逻辑运算和逻辑电

路；存储原理及常见存储设备；计算机主要技术指标。难点：计算机的数制及数制的转换，逻辑运算及实现。08:0384第4章计算机软件系统4.1软件概述（教材第4章）4.2操作系统概述4.3操作系统的功能4.4常见操作系统4.5应用软件教材第6章