弟二讲计算机系统.docVIP

第二讲 计算 1.4.1???计算机硬件系统 计算机硬件是指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种计算机部件和计算机设备。这些部件和设备依据计算机系统结构的要求，构成一个有机整体，称为计算机硬件系统。未配置任何软件的计算机叫裸机，它是计算机完成工作的物质基础。 冯·诺依曼（Von Neumann）提出的存储程序工作原理决定了计算机硬件系统的五个基本组成部分，即：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。几十年来，尽管计算机硬件在各方面都发生了翻天覆地的变化，但计算机的基本结构没有变化。如图1-2所示为构成计算机硬件系统的五大组成部分的框图。下面分别介绍组成计算机的各个部件及功能。 图1-2?? 硬件系统五大组成部分框图 1. 输入设备 输入设备的主要功能是，把原始数据和处理这些数据的程序转换为计算机能够识别的二进制代码，通过输入接口输入到计算机的存储器中，供CPU调用和处理。常用的输入设备有：鼠标、键盘、扫描仪、数字化仪、数码摄像机、条形码阅读器、数码相机和A/D转换器等。 2. 运算器 运算器是计算机中执行数据处理指令的器件。运算器负责对信息进行加工和运算，它的速度决定了计算机的运算速度。运算器的功能除对二进制编码进行算术运算（加、减、乘、除）、逻辑运算（与、或、非等）外，还可以进行数据的比较、移位等操作。参加运算的数（称为操作数）由控制器指示从存储器或寄存器中取出到运算器。 运算器由算术逻辑运算单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）、寄存器和一些控制门等组成。寄存器用来提供参与运算的操作数，并存放运算的结果。哪些数参与运算由输入控制门的条件决定。 3. 控制器 控制器是整个计算机系统的控制中心，它指挥计算机各部分协调工作，保证计算机按照预先规定的目标和步骤有条不紊地进行操作及处理。 控制器从内存储器中顺序取出指令，并对指令代码进行翻译，然后向各个部件发出相应的命令，完成指令规定的操作。它一方面向各个部件发出执行指令的命令，另一方面又接收执行部件向控制器发回的有关指令执行情况的反馈信息，控制器根据这些信息来决定下一步发出哪些操作命令。这样逐一执行一系列的指令，就使计算机能够按照这一系列的指令组成的程序的要求自动完成各项任务。因此，控制器是指挥和控制计算机各个部件进行工作的“神经中枢”。 通常把控制器和运算器合称为中央处理器（CPU，Central Processing Unit）。工业生产中总是采用最先进的超大规模集成电路技术来制造中央处理器，即CPU芯片。它是计算机的核心部件，它的工作速度和计算精度等性能对计算机的整体性能有决定性的影响。 4. 存储器 存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。 存储器是具有“记忆”功能的设备，由具有两种稳定状态的物理器件（也称为记忆元件）来存储信息。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。存储器是由成千上万个“存储单元”构成的，每个存储单元存放一定位数（微机上为8位）的二进制数，每个存储单元都有唯一的编号，称为存储单元的地址。“存储单元”是基本的存储单位，不同的存储单元是用不同的地址来区分的。 计算机采用按地址访问的方式到存储器中存数据和取数据，计算机中的程序在执行的过程中，每当需要访问数据时，就向存储器送去指定位置的地址，同时发出一个“存”命令或者“取”命令（伴以待存放的数据）。计算机在计算之前，程序和数据通过输入设备送入存储器，计算机开始工作之后，存储器还要为其他部件提供信息，也要保存中间结果和最终结果。因此，存储器的存入和取出的速度是计算机系统的一个非常重要的性能指标。 存储器分内存储器和外存储器两大类，简称内存和外存。内存储器又称为主存储器，外存储器又称为辅助存储器。常见存储器的分类如图1-3所示。 图1-3 存储器分类 内存是CPU可直接访问的存储器，是计算机中的工作存储器，当前正在运行的程序与数据都必须存放在内存中。计算机工作时，所执行的指令及操作数都是从内存中取出的，处理的结果也放在内存中。 内存储器和CPU一起构成了计算机的主机部分。 内存储器分为ROM、RAM和Cache，下面分别予以介绍。 1）只读存储器（ROM） ROM中的数据或程序一般是在将ROM装入计算机前事先写好的。一般情况下，计算机工作过程中只能从ROM中读出事先存储的数据，而不能改写。ROM常用于存放固定的程序和数据，并且断电后仍能长期保存。ROM的容量较小，一般存放系统的基本输入输出系统（BIOS）等。 2）随机存储器（RAM） 随机存储器的容量和ROM相比要大得多，CPU从RAM中既可读出信息又可写入信息，但断电后所存的信息就会丢失。 3）高速缓存（Cache） 随着CPU主频的不断提高，CPU对RA