文档介绍：第3章计算机硬件系统
内容提要
本章以微型计算机为例介绍计算机硬件系统的组成,包括系统单元、内存、系统总线、扩展卡以及常用的输入输出设备和辅助存储器。通过本章学****要求掌握计算机系统的基本结构和工作原理,了解多种输入输出设备及其功能。
冯·诺依曼体系结构
体系结构指的是,构成系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。冯·诺依曼体系结构的要点: 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。
控制器和运算器是其核心,称为CPU
按存储程序原理进行工作
数据和程序以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中,存放的位置由地址确定
控制器是根据存放在存储器中的指令序列(程序)进行工作,并由一个程序计数器控制指令的执行。
冯·诺依曼体系结构(续)
控制器
输入设备
运算器
(ALU)
输出设备
存储器
计算机硬件体系结构的发展
适应串行的算法的体系结构改变为适应并行的算法的计算机体系结构。
面向高级语言计算机和直接执行高级语言的计算机。
硬件系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应的计算机。
从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型的计算机。
各种适应特定应用的专用计算机。
高可靠性的容错计算机。
处理非数值化信息的计算机。
体系结构的评价标准
评价计算机系统的标准有速度、容量、功耗、体积、灵活性、成本等指标。
常用的计算机评测标准:
时钟频率(主频)
指令执行速度
等效指令速度
数据处理速率(processing data rate,PDR)
核心程序法
整数测试程序(Dhrystone)
浮点测试程序(Linpack)
Whetstone基准测试程序
SPEC基准测试程序
TPC基准程序
微型计算机的硬件结构
微型计算机硬件的系统结构与冯·诺依曼结构无本质上的差异,不过CPU已被集成在一片大规模或超大规模集成电路上,称为MPU。此外,微型计算机内部的连接方式都是采用总线结构。
数据总线:数据总线是传送数据和指令代码的信号线,它是双向总线。
地址总线:地址总线是传送CPU所要访问的存储单元或输入输出接口地址的信号线,它是单向总线。
控制总线:控制总线是管理总线上活动的信号线。控制总线中的信号是用来实现CPU对外部部件的控制、状态等信息的传送以及中断信号的传送等。
系统主板与时钟频率
系统主板:又称为底板或母板,它是整个计算机系统的通信网,系统单元的每个元器件直接连接到系统主板,它们通过系统主板进行数据的交换
系统时钟:控制计算机操作的速度,这个速度用兆赫(MHz)表示。1兆赫等于每秒一百万周期,时钟周期速度越快,则计算机处理信息的速度就越快
时钟周期时钟周期是一个时间的量,人们规定10纳秒(ns)为一个时钟周期。更小的时钟周期就意味着更高的工作频率。
电子数据与指令
数据与指令是通过两种状态的信号表示, 例如电子电路的开与关。它们分别表示二进制0或1。
ASCII码:ASCII码是微型计算机中使用最广泛的二进制编码,使用7位分别表示0~9、a~z、A~Z以及标点符号,用8位表示特殊字符。主要用于微型计算机
EBCDIC码:用一个字节表示数字和字母等。主要用于大型机系统
Unicode码:它是一种16位的编码,用于支持像中文、日文等国际语言
微处理器
控制单元:计算机的“交通警”,协调和控制出现在微处理器中的所有操作,还与输入/输出设备进行通信。
寄存器:寄存器的硬件组成相似于内存的单元,其速度更快以及使用方式不同。
专用寄存器:指令寄存器、地址寄存器
通用寄存器:暂存数据的寄存器
算术/逻辑单元(ALU):是计算机的“计算器”,完成两种类型的操作。
算术操作:加、减、乘、除等运算
逻辑操作:比较操作
微处理器芯片
CISC芯片:又称复杂指令集计算机,其指令系统一般多达几百条指令,这种技术由Intel公司推广,并且是该公司主流微处理器的基础。例如PentiumⅢ和Pentium 4
RISC芯片:又称简化指令集计算机,其使用较少的指令。Motorola、IBM和Apple公司共同开发的PowerPC芯片就是利用了RISC技术
专用芯片:用于智能卡的微型内置式微处理器。例如交通卡、社保卡。