1,計算機硬件系統(tǒng)的構(gòu)成部件,5.1計算機硬件系統(tǒng)組成5.2中央處理器（CPU）5.3存儲系統(tǒng)5.4指令系統(tǒng),2,計算機系統(tǒng)的基本構(gòu)成,中央處理器一般也稱為CPU，是計算機的核心，具有運算能力和控制功能。計算機由CPU、內(nèi)存儲器、輸入輸出接口電路和系統(tǒng)總線構(gòu)成，通常稱為計算機主機。計算機系統(tǒng)是以計算機為主體，并配上外設和系統(tǒng)軟件之后構(gòu)成的軟硬件系統(tǒng)。我們通常所說的“計算機”，其準確的名稱應該是計算機系統(tǒng)。,3,計算機硬件系統(tǒng),計算機硬件系統(tǒng)是構(gòu)成計算機的物理裝置，是看得見、摸得著的一些實實在在的有形實體。目前的計算機硬件系統(tǒng)采用的仍是計算機的經(jīng)典結(jié)構(gòu)馮諾依曼結(jié)構(gòu)，即采用總線結(jié)構(gòu)將運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5大部件連接起來。其中，運算器和控制器構(gòu)成了計算機的核心部件中央處理器（CenterProcessUnit，簡稱CPU）。,各部分的功能：運算器：算術運算或邏輯運算控制器：取指令、譯碼、執(zhí)行指令存儲器：保存信息內(nèi)存：ROM(只讀存儲器)RAM(隨機存儲器，斷電后信息全部丟失)外存：磁盤(軟盤、硬盤)、光盤、磁帶輸入設備：輸入數(shù)據(jù)(鍵盤、鼠標、掃描儀、光筆等)輸出設備：輸出數(shù)據(jù)(顯示器、打印機、繪圖儀等),4,中央處理器控制器與運算器合在一起，制成一塊芯片，稱為中央處理器（機），簡稱CPU。,控制器：指揮計算機各部件按照指令功能的要求進行操作。它從存儲器中取指令、分析、解釋、執(zhí)行計算機指令，產(chǎn)生控制信號，控制計算機各部件協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)相應的功能。,5,總線（BUS）CPU對外的標準信號連接線，稱為總線。,包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。,運算器（ALU）：實現(xiàn)算數(shù)邏輯運算。,6,CPU結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)總線,7,指令和程序,指令是對計算機進行程序控制的最小單位，一個CPU能夠執(zhí)行的所有指令的集合稱為該CPU的指令系統(tǒng)。,程序是人們?yōu)榻鉀Q某項任務而編寫的指令的有序集合。指令的不同組合方式，可以構(gòu)成完成不同任務的程序。,執(zhí)行什么操作,數(shù)據(jù)在存儲器中的存放位置,8,計算機的工作過程,計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。在運行程序之前，首先通過輸入設備將編好的程序和原始數(shù)據(jù)輸送到計算機內(nèi)存儲器中，然后按照指令的順序，依次執(zhí)行指令。執(zhí)行一條指令的過程是：讀取指令：從內(nèi)存儲器中取出要執(zhí)行的指令送到CPU內(nèi)部的指令寄存器暫存分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令譯碼器，譯出該指令對應的操作執(zhí)行指令：CPU向各個部件發(fā)出相應控制信號，完成指令規(guī)定的操作,9,微型機主機的邏輯結(jié)構(gòu),內(nèi)存，又稱主存，是微型機主機的組成部分，存放當前正在使用或隨時要使用的程序和數(shù)據(jù)，是CPU可以直接訪問的存儲器。,微處理器是計算機硬件系統(tǒng)的核心部件，負責控制和協(xié)調(diào)整個計算機系統(tǒng)的工作,計算機后面板I/O接口,主機與外設之間不能直接進行信息交換，必須通過I/O接口才能完成信息傳送。I/O接口所起的作用是：數(shù)據(jù)緩沖。解決高速主機與低速外設間的矛盾信號格式配合。處理外設與CPU之間不同的信息格式，如A/D、D/A轉(zhuǎn)換，串/并、并/串轉(zhuǎn)換電平和驅(qū)動能力配合。使外設和主機的信號電平一致，并提高CPU信號的驅(qū)動能力時序配合。使主機與外設協(xié)調(diào)工作設備選擇。每臺外設都有設備地址,10,微型計算機概述,主要性能指標：字長、主頻、內(nèi)存容量、運算速度分類：按組成結(jié)構(gòu)分單片機、單板機、多板機按用途分臺式、便攜式、手持式發(fā)展方向：高速化P4主頻達3.40GHz超小型化筆記本電腦多媒體化多媒體處理器網(wǎng)絡化網(wǎng)絡計算機隱形化電視或影音計算機,11,計算機的總線,總線是計算機傳輸指令、數(shù)據(jù)和地址的通道，是計算機各部件聯(lián)系的紐帶。按照傳送信息的類型，總線分為：數(shù)據(jù)總線(用于傳送數(shù)據(jù),位數(shù)等于機器字長)、地址總線(用來傳送存儲單元或輸入輸出接口的地址信號，位數(shù)決定存儲器的最大容量,如24位總線的尋址數(shù)為224=16M個地址)、控制總線(傳送控制器的各種控制信號)。按照總線在計算機中的位置可以分為內(nèi)部總線和外部總線。,微機的結(jié)構(gòu)示意圖,ISA總線：工業(yè)標準總線，16位，8MHz，數(shù)據(jù)傳輸率8Mb/s，尋址空間1MB，常用于80286至80486微處理器PCI總線：外部設備互聯(lián)總線，Intel公司1991年推出，32或64位，33MHz，數(shù)據(jù)傳輸率133Mb/s，常用于Pentium微處理器AGP是Intel公司推出的新一代圖形顯示卡專用總線，AGP顯示卡同主板芯片組直接相連，大幅提高了電腦對3D圖形的顯示能力，32位，66.6MHz，其視頻信號的傳送速率可以從PCI總線的133MB/s提高到266MB/s、533MB/s、1.064GB/s和2.128GB/s。,12,微型機主機的物理構(gòu)成,微型計算機的主機板,北橋芯片提供對CPU、內(nèi)存、AGP顯卡等高速部件的支持以及與PCI總線的橋接；南橋芯片提供對鍵盤接口、鼠標接口、實時時鐘控制器、串行口、并行口、USB接口及磁盤驅(qū)動器接口的支持，以及與ISA總線的橋接。,BIOS是一組有關微機系統(tǒng)最重要的基本輸入輸出程序，固化在微機主板上的一個ROM芯片中。BIOS功能主要有：上電自檢。微機接通電源后，系統(tǒng)首先由POST程序來對內(nèi)部各個設備進行檢查。系統(tǒng)初始化(含可編程接口芯片的初始化)，設置BIOS中包含的中斷服務程序的中斷矢量啟動自舉程序。將操作系統(tǒng)中的初始引導程序裝入內(nèi)存，并由引導程序來完成操作系統(tǒng)的順利啟動。BIOS系統(tǒng)設置程序。,13,BIOS,請問計算機硬件與操作系統(tǒng)之間是通什么連接的呢？BIOS是什么意思？,14,BIOS的簡介,BIOS是計算機硬件與操作系統(tǒng)的接口BIOS的全稱為BaseInputOutputSytem,叫基本的輸入輸出系統(tǒng)BIOS既屬于軟件又屬于硬件，它的主體是程序和數(shù)據(jù)，本質(zhì)是軟件；而用來存儲它的FlashROM芯片才是硬件那我們叫它硬件？軟件？,15,我們來回答上面的問題，如果把它分開軟件與硬件的屬性都有這樣就不好叫了，因此在在文獻中把BIOS歸為Firmware固件，這樣似乎更合理,16,BIOS的幾大版本,目前BIOS有三大版本，它們是AwardBIOSAMIBIOSPhoenixBIOS等等,17,BIOS功能,1、啟動電腦時：自檢、初始化、加載操作系統(tǒng)2、程序服務處理：為應用程序和操作系統(tǒng)提供主要與輸入輸出設備有關的服務3、硬件中斷處理,18,存儲器計算機用來存放程序和數(shù)據(jù)的記憶部件，是計算機各種信息（數(shù)據(jù)）存放和交流的中心。,按存儲介質(zhì)分類：半導體器件、磁性材料、光學材料,基本功能：在控制器的控制下按照指令中的地址存入或取出數(shù)據(jù)。,19,存儲器的性能指標存儲容量:存儲器容量的基本單位，字節(jié)Byte8位。,1KB1024Bytes1MB1024KB1GB1024MB1TB1024GBK（千）、M（兆）、G（千兆，吉）、T（兆兆，太拉）,20,存儲周期（速度）:對內(nèi)存進行一次讀寫操作，到可進行下一次讀寫操作的全部耗時。,存儲器價格:C/S（總價/容量）,*三個指標相互制約,21,通用寄存器堆,指令和數(shù)據(jù)緩沖棧,Cache（靜態(tài)隨機存儲器SRAM）,主存儲器（動態(tài)隨機存儲器DRAM）,聯(lián)機外部存儲器（磁盤存儲器等）,脫機外部存儲器（磁帶、光盤、優(yōu)盤）,第1層,第2層,第3層,第4層,第5層,第6層,存儲容量越來越大，每位的價格越來越便宜,訪問速度越來越快,CPU內(nèi)部,存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),22,存儲器的主要性能特性,*Ms（毫秒），s（微秒），ns（毫微秒）1s=1000ms，1ms=1000s,23,存儲器分類主存（內(nèi)存）：由中央處理器直接訪問的存儲器，常由兩種半導體芯片隨機存取存儲器RAM和只讀存儲器ROM組成。,輔存（外存）：用來存放大量的暫時不參加運算或處理的信息，可成批的與內(nèi)存交換信息。,24,25,硬盤,磁盤片,磁頭,馬達,磁頭驅(qū)動,輔助電路,26,軟盤,寫保護,27,磁帶,28,光盤驅(qū)動器,29,優(yōu)盤,30,機器指令是指示計算機如何工作的工作步驟，由一串二進制碼組成，分為操作碼、地址碼、結(jié)果存放地址。,例：01100000100000010110：表示加法操作000010：源操作數(shù)地址在2號寄存器中。000001：目的操作數(shù)的地址在1號寄存器中。,指令的含義：將2號寄存器中的數(shù)據(jù)與1號寄存器中的數(shù)據(jù)相加，其結(jié)果存放在號寄存器中。,31,指令系統(tǒng)一臺計算機中，所有機器指令的集合，稱為指令系統(tǒng)。,*指令系統(tǒng)是軟件設計者的最底層設計語言；是硬件設計者的依據(jù)。,32,CISC與RISC從微處理器的指令系統(tǒng)來看，有2種分支走向，一個是CISC，一個是RISC。,CISC（即復雜指令系統(tǒng)計算機）：最初，人們?yōu)榱烁杂?、方便地編寫程序，希望指令的類型更多、功能更完善，而使指令系統(tǒng)變得越來越復雜，長短也不一。這就是CISC形成的由來。,33,于是，人們提出了RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）方案。該方案只保留了為數(shù)不多的簡單指令并統(tǒng)一了指令中所包含的基本操作數(shù)目，也就是使指令長短基本一致，以便于使用流水線，,20世紀70年代中期，人們發(fā)現(xiàn)CISC中只有20的指令被頻繁使用，其余的80則難得一用，這部分指令正是使程序執(zhí)行時間變長的癥結(jié)所在。,34,微處理器執(zhí)行一條指令往往要分若干步完成，這相當于加工一個零件需要若干工序。CISC的指令長短參差不齊，無法使用流水線，而RISC的指令長短一樣，包括的工序(操作)數(shù)也一樣，可以放在流水線上執(zhí)行。如果有一條4工位的流水線，便可把4條指令同時放在流水線的不同工位上順序地前進。每一時鐘周期(相當于流水線的加工節(jié)奏)，便可同時完成4個工位的操作，這就使處理器的速度提高了3倍。,35,盡管RISC的性價比比CISC好得多，但由于CISC長期積累起來的軟件資源很難一下子移植到RISC上，所以，長期以來形成了工作站領域使用RISC微處理器，如SPARC、MIPSx000，PC機領域使用CISC微處理器這種兩者并存的局面。在此期間，CISC也不斷汲取RISC技術以提高自己的競爭力，如從奔騰開始也采用流水線技術。,36,程序為解決某個問題而設計的一個有序指令的集合。,例：0110000010000001(加法)0110000010000001(加法)0100000001000010(減法)0100000001000010(減法),37,存儲程序和程序控制原理將事先編制好的程序，輸入到計算機中，存放在內(nèi)存儲器里。（存儲程序原理）,運行時，控制器按地址順序依次取出存放在內(nèi)存的指令，并分析指令、執(zhí)行指令的相應功能。（程序控制原理）,38,計算機的工作過程,1.控制器控制輸入設備將數(shù)據(jù)和程序從輸入設備輸入到內(nèi)存儲器。,2.在控制器控制下,從存儲器取出指令送入控制器。,3.控制器分析指令，控制運算器、存儲器執(zhí)行指令規(guī)定的操作。,4.運算結(jié)果由控制器送存儲器保存或送輸出設備輸出。,5.返回第2步，繼續(xù)取下一條指令，直至程序結(jié)束。,