第二章计算机组成原理ppt课件

计算机的分类
• 个人计算机类别
台式机： 一般在办公室或家庭中使用。
便携机： 用于移动计算。
– 笔记本（膝上机）：体积小 、重量轻 ，便于外出
携带 ， 性能与台式机相当 ，但价格高出一倍左右。
– 手持式计算机（掌上机）： 包括商务通 、快译通
之类产品， 它们与PC机不一定兼容， 有些只有一些
专用功能， 缺乏通用性。
– 输出文字和图像的设备： 显示器 打印机 绘图仪
– 输出声音的设备： 音箱
系统总线
系统总线是用来在CPU 、内存 、外存和各种输 入
输出设备之间传输信息并协调它们工作的一个控制 部件(含传输线与控制电路)。
有些计算机把连接CPU和内存的总线称为系统总 线 ，把连接内存和I/O设备(包括外存)的总线称为 I/O总线。
高速计算的技术称为“并行处理 ”，采用这 种技术的计算机系统称为“多处理器系统 ”。
存储器
– 外存储器(简称外存或辅存) • 存取速度慢 、容量相对大 ，价格相 对低 • 不直接与CPU相连接（CPU不能直接 访问 ，其中存储的程序及相关的数据必须 先送入内存 ，才能被CPU使用） • 非易失性 ， 用于长期存放各类信息 • 存储介质： 磁盘 、光盘 、磁带等
控制器 运算器
存储器
系统总线
中央处理器
内存储器
适配器
适配器
I/O端口
I/O端口
输入设备
输出设备
适配器
外存储器接口
外存储器
中央处理器(CPU) (CPU：Central Processing Un i t )
•包含运算器和控制器 。承担系统软件和应用软件 运行任务的处理 ， 是任何一 台计算机必不可少的 核心组成部件 。（ 一 台计算机中有多个处理器，
计算机硬件
其基本原理是存储程序控制，
或说是
存储程序 ，程序控制。
CPU与主存储器连同总线构成主机 外存储器与输入输出设备称外围设备
计算机硬件
中央处理器(CPU)
内存储器
主机
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外存储器 通过系 统总线互相连接
CPU
主存储器 总线
输入设备
外存储器
输出设备
外围设备 输入设备 （外设） 输出设备
计算机的逻辑结构
2. 1.3 计算机的发展阶段
u 以计算机使用的基本电子元件作为划分依据， 计算机的发展经历了四个阶段。
u 基本电子元件的演变：
电子管
u 集成电路（ IC）
晶体管
中小规模集成电路芯片
大规模超大规模集成电路芯片
计算机的发展阶段
•过去很长时间人们都按照计算机主机所使用 的元器件 ，为计算机划代。
代别
总线通常由总线控制器 、总线发送器 、总线接收 器和互联导线组成。
系统总线上有3类信号： 数据信号 、地址信号 、控制信号
因此有数据线 、地址线 、控制线
I/O端口（ I/O port）
计算机系统中的I/O设备通过I/O端口与各自的控 制器
（即 ，适配器）连接 ，然后由控制器与总线相连 。常用 的I/O端口有并行口 、串行口 、视频口 、USB口等 ，它们的 外形 、结构和信号交换规程各不相同。
• 地点： 美国宾夕法尼亚大学 • 用途： 军事计算
1943年由 John Bra inered领 导 ENIAC开始研 究 。 图为 John Mauchly 及J .
Pre sper Eckert 负责这计划的 执行者
• 运算速度： 5000次/秒
• 体积价格： 170平方米，30吨， 140千瓦， 40万美元
台
式
机
掌
上
笔
计
记
算
本
机
电
脑
计算机的分类
•工作站（ 一种特殊的个人计算机 ，称为工程工作站 Workstation)
具有高速运算能力和强大的图形处理功能 ，通常 运行UNIX操作系统 ，特别适合于工程与产品设计使用。 SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此类产品。
工作站
计算机的分类
•服务器/客户机 在这种系统中 ， 巨型机 、大型机和小
年代
主要元器件
配置的软件
主要应用
第1代 20世纪40年代 中期～50年代 末期
CPU： 电子管 内存： 磁鼓
第2代 50年代中后期~ CPU： 晶体管
60年代中期
内存： 磁芯
使用机器语言和汇 科学计算和工程 编语言编写程序 计算
使用FORTRAN等高 开始广泛应用于 级程序设计语言 数据处理领域
第3代 60年代中期~ 70年代初期
1 KB = 1024 B = 210 B 1 MB = 1024 KB = 220 B
1 GB = 1024 MB = 230 B
1 TB = 1024 GB = 240 B
例如： 内存 256 MB ，硬盘 40 GB
计算机主要性能指标
Intel公 司 微 处 理 器 主 要 技 术 参 数 比
u1945年Von Neuuman、H.H.Goldstin 、A.W.Burks
发表了一篇论文
《电子计算机装置逻辑结构初探》
提出了两个主要论点 :
* 使用二进制 * 存储程序和程序控制
奠定了当代计算机 硬件由控制器 、运算器 、存储器 、输入设备 、 输出设备等组成的结构 体系
冯 ·诺依曼教授（John Von Neumman）和他设计的“存储 程序式 ”计算机EDVAC (埃德瓦 克)
2.2.2 计算机的分类
• 按内部逻辑结构分为 – 单处理机 、多处理机(并行机)
• 按字长分为 – 16位机 、32位机或64位计算机等
• 按计算机的性能 、用途和价格分为 – 巨型计算机（Supercomputer） – 大型计算机（Mainframe） – 小型计算机（Minicomputer） – 个人计算机（Personal Computer）
计算 、 网络软件等 家庭和个人开始
开始广泛使用
使用计算机
2.2 计算机的组成与分类
主要内容： 计算机的逻辑结构 各组成部分的基本功能 计算机分类 计算机主要性能指标
2.2. 1 计算机硬件的组成
冯 ·诺依曼型计算机的5个组成部分
} 运算器
控制器
中央处理器 俗称 :CPU
存储器
输入
输出
主机 I/O设备
计算机的分类
5.微控制器（单片机） 是一种把处理器 、存储器 、输入／输出
接口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电 路芯片。
2.2.3 计算机主要性能指标
1.运算速度 •用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量 单位：
次／秒： 每秒执行加法运算的次数 世界第一 台计算机ENIAC的运算速度
•另外还有：
单片机
计算机的分类
4.个人计算机（Personal Computer ，也称个人电脑 、P 机或微机）
• 最早的代表机型： 1977年：Apple Macintosh (Apple公司产品 ，使用Motorola
公司生产的微处理器） 1981年： IBM-PC (IBM公司产品 ，使用Intel公司 生产的 8086微处理器）
输出设备
•输出（ output）
输出： 把信息送出计算机的过程 （名词） 指计算机所产生的结果 。计算机的输出可
以是文本 、语音 、音乐 、图像 、动画等多种形式 •输出设备
完成信息输出的设备 ， 即把计算机内存储器中用“0 ” 和“ 1 ”表示并存储的信息转换成人可直接识别的信息形 式的设备 •输出设备类别
第二章 计算机组成原理
第二章 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 2.描述CPU的结构与工作原理 3.熟悉PC机的物理组成
4.常用输入设备的功能 、结构与原理 5.常用输出设备的功能 、结构与原理 6.外存储器
计算机的诞生与发展
第一 台电子计算机诞生
ENIAC ： 电子数字积分机与计算机 （Electronic Numerical Integrator And Computer） • 时间： 1946年2月
型机均可作为系统的服务器 ， 个人计算机和工作 站则用作客户机。
客户机直接面向用户 ，通过联网与服 务器共同合作完成信息处理的任务。
鉴于服务器/客户机系统的盛行 ， 一些 计算机厂家专门设计生产了称为“服务器 ”的一 类计算机产品 ， 它们的存储容量大 ， 网络通信功 能强 、可靠性好 、运行专门的网络操作系统。
CPU： SSI ，MSI 操作系统 ， 数据库 在科学计算 、数
内存： SSI， 管理系统等开始使 据处理 、工业控
MSI半导体存储 用
制等领域得到广
器
泛应用
第4代 20世纪70年代 中期以来
CPU ： LSI、 VLSI
内存： LSI、 VLSI的 半 导 体
软件工程 、分布式 深入到各行各业 ，
例如 ，Earth Simulator运算最高速度达到 35.8 TFLOP
计算机主要性能指标
2.字长
中央处理器中运算器和寄存器的宽度 ， 即数
据在运算器中做运算或存储时的二进制位数。
字长决定了计算的精度。
字长通常是2的整数次幂。
微处理器字长演变：
Intel 4004 :4位(1971年,世界第一个微处
对计算机的诞生和发展做出重大贡献 的两个人：
阿 伦 · 图 灵 ( Alan Turing)
图灵的思想奠定了现代计算机科学的理论 基础。
冯 ·诺依曼(John Von Neumman)
奠定了当代计算机硬件由控制器 、运算器、 存储器 、输入设备 、输出设备等组成的结构体 系
• 阿伦. 图灵 (Alan Turing)
英国数学家 、哲学家 、密码破译 家
30年代初 ， 发表了一篇著名的论 文《论数字计算在决断难题中的应 用》 ， 他提出了一种十分简单 ，但运 算能力极强的理想计算装置 ， 用它来 计算所有能想象得到的可计算函数 。 图灵的思想奠定了现代计算机科学的 理论基础。
• 图灵机—— 自动机理论
•ACM（美国计算机学会） 图灵奖
60～200
150~ 200
233~ 333
450~ 1400
1500 306
晶体管数目
2.9 万
13 .4 万
27 . 5万
输入设备
•输入（ input） 输入： 把信息(原始数据或程序)转换为计算
机能识别的形式而送入计算机内存的过程 （名词） 向计算机输入的内容
•输入设备
用来向计算机输入信息的设备 输入到计算机中的信息都被转换成二进制“0 ” 和“ 1 ”两个符号来表示
输入设备分类
•按照输入信息的类型划分 – 数字和文字输入设备(键盘 、写字板等) 位置和命令输入设备(鼠标器 、触摸 屏等) – 图形图像输入设备（扫描仪 ，数码相机 等） – 声音输入设备（话筒 ，MIDI演奏器等） – 视频输入设备（摄像机） – 温度 、压力输入设备 (温度 、压力传感器)
理器)
Intel 8008,8080 :
8位
Intel 8086 :
16位
Intel 80386,80486,pentium： 32位
计算机主要性能指标
3.存储容量
内存容量 ，硬盘容量 度量单位：B，KB，MB ，GB，TB
1 B（字节,Byte ）= 8位二进制数(字位， bit)
（个人计算机主存的地址编码单位）
它们各有其不同的任务）
中央处理器(CPU)
•处理器 能高速地进行算术运算和逻辑运算 ， 负责
对输入信息进行各种处理
•微处理器
简称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
中央处理器(CPU)
•并行处理和多处理器系统 使用多个CPU（2 ，4 ，8或更多） 实现超
5000 次/秒 目前计算机的速度 银河Ⅲ： 130亿次／秒 (国产机） 曙光3000：3800亿次／秒 (国产机 ， 国内最快) Earth Simulator (地球仿真超级计算机)：
350000 亿次/秒 浮点运算(NEC公司 ，世界最快)
计算机主要性能指标
• 用于说明CPU运算速度的度量单位： （1）MIPS：百万条定点指令／秒 （Million Instructions Per Second） 。 例如, P4微处理器运算速度已超过100 MIPS （2）MFLOPS：百万条浮点指令／秒 （Million FLOating instructions Per Second （3）TFLOPS： 万亿条浮点指令／秒 （Trillion FLOating instructions Per Second
理器 主要参数
8086
8028 6
80386
80486
PentiumPePntrioum
Pentium Ⅱ
Pentium Ⅲ
Penti 4
推出时间 1978 1982 1985
1989
1993~ 1996
1995~ 1997
1997~ 1998
1999
200
主频 (MHz) 4 . 77
6~ 20
33~ 16～33 100