第二章计算机硬件系统与信息存储 2.1计算机系统组成 中央处理器、计算机、计算机系统这三者的概念是不同的,是计算机从局部到全局的三 个不同的层次。中央处理器一般也称为CPU,是计算机的核心,具有运算能力和控制功能 计算机由CPU、内存储器、输入输出接口电路和系统总线构成,通常称为计算机主机:以 计算机为主体,配上外设和系统软件之后,才构成了计算机系统。我们通常所说的”计算机 其准确的名称应该是计算机系统。 2.1.1计算机系统的基本构成 个完整的计算机系统包括两大部分,即硬件系统和软件系统。其基本组成如下图所示: 中央处理器(CPU)了运算器 控制器 主机〈内存储器 总线 硬件系统 输入输出接口电路 外存储器 外设〈输入设备 计算机系统 输出设备 操作系统 系统软件〈语言处理程序 数据库管理系统 软件系统 网络管理软件 应用软件」应用软件包 用户程序 图2-1计算机系统组成 1.计算机硬件系统 计算机硬件系统是指构成计算机的物理装置,看得见、摸得着,是一些实实在在的有形 实体。从硬件体系结构来看,计算机硬件系统采用的基本上还是计算机的经典结构—一冯·诺 依曼结构,即由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成,采用总线结 构将各部分连接起来,见图2-2所示,其中的运算器和控制器构成了计算机的核心部件 中央处理器( Center Process Unit,简称CPU) 运算器用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算;控制器是CPU的指挥中心,它能翻 译指令的含义,控制并协调计算机的各个部件完成指令指定的操作;存储器是具有记忆功能 的部件,用于存放程序和数据:输入设备是把程序和数据输入计算机的硬件装置,常用的有:
第二章 计算机硬件系统与信息存储 2．1 计算机系统组成 中央处理器、计算机、计算机系统这三者的概念是不同的，是计算机从局部到全局的三 个不同的层次。中央处理器一般也称为 CPU，是计算机的核心，具有运算能力和控制功能； 计算机由 CPU、内存储器、输入输出接口电路和系统总线构成，通常称为计算机主机；以 计算机为主体，配上外设和系统软件之后，才构成了计算机系统。我们通常所说的”计算机”， 其准确的名称应该是计算机系统。 2．1．1 计算机系统的基本构成 一个完整的计算机系统包括两大部分，即硬件系统和软件系统。其基本组成如下图所示： 1．计算机硬件系统 计算机硬件系统是指构成计算机的物理装置，看得见、摸得着，是一些实实在在的有形 实体。从硬件体系结构来看，计算机硬件系统采用的基本上还是计算机的经典结构——冯·诺 依曼结构，即由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 5 大部分组成，采用总线结 构将各部分连接起来，见图 2-2 所示，其中的运算器和控制器构成了计算机的核心部件—— 中央处理器（Center Process Unit，简称 CPU）。 运算器用来对数据进行各种算术运算和逻辑运算；控制器是 CPU 的指挥中心，它能翻 译指令的含义，控制并协调计算机的各个部件完成指令指定的操作；存储器是具有记忆功能 的部件，用于存放程序和数据；输入设备是把程序和数据输入计算机的硬件装置，常用的有： 中央处理器（CPU） 内存储器 总线 输入输出接口电路 计算机系统 硬件系统 软件系统 主机 外设 运算器 控制器 ROM RAM 外存储器 输入设备 输出设备 系统软件 操作系统 语言处理程序 数据库管理系统 网络管理软件 应用软件 图 2-1 计算机系统组成 应用软件包 用户程序
键盘、鼠标、扫描仪、条形码阅读器、光笔:输出设备负责将运算的结果输岀,常用的有 显示器、打印机、绘图仪等 运算器 输入信启/入 输出设备 输出信息 设 存储器 备 控制器 图2-2计算机硬件系统 2.计算机软件系统 只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为“裸机”,裸机几乎是不能工作的。要使计算 机能正常工作还必须要有相应的软件支撑。我们把计算机的程序、要处理的数据及其有关的 文档统称为软件。计算机功能的强弱不仅取决于它的硬件构成,也取决于软件配备的丰富程 度 计算机软件系统分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是计算机系统必备的软件, 主要功能是管理、控制和维护计算机软、硬件资源,由计算机厂商或软件公司提供。系统软 件包括:操作系统、各种语言处理程序、数据库管理系统、网络管理软件。 操作系统是系统软件中最重要的部分,其功能是对计算机系统的全部硬件和软件资源进 行统一管理、统一调度、统一分配。操作系统通过进行处理机管理、存储器管理、设备管理 文件管理和作业管理这五大管理功能实现对计算机各种资源的合理调度与分配,改善资源的 共享和利用状况,最大限度地发挥计算机的效率,提高计算机在单位时间内处理工作的能力 操作系统为用户提供了一个操作方便的环境,是用户与计算机的接口,同时又是用户进行软 件开发的基础,其他的系统软件和应用软件必须在操作系统的支持下才能合理调度工作流 程,正常的工作 应用软件:为解决某个实际问题而由软件公司或用户自己编写的程序。可分为用户程序 和应用软件包。一般有文字处理软件、表格处理软件、图形处理软件、计算机辅助软件(CAD CAM、CAI) 2.1.2计算机的基本工作原理 存储程序和程序控制原理 冯.诺依曼( Von neumann)是美籍匈牙利数学家、现代电子计算机的奠基人之一,他 在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想,就是“存储程序和程序控制
键盘、鼠标、扫描仪、条形码阅读器、光笔；输出设备负责将运算的结果输出，常用的有： 显示器、打印机、绘图仪等。 2．计算机软件系统 只有硬件而没有任何软件支持的计算机称为“裸机”，裸机几乎是不能工作的。要使计算 机能正常工作还必须要有相应的软件支撑。我们把计算机的程序、要处理的数据及其有关的 文档统称为软件。计算机功能的强弱不仅取决于它的硬件构成，也取决于软件配备的丰富程 度。 计算机软件系统分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是计算机系统必备的软件， 主要功能是管理、控制和维护计算机软、硬件资源，由计算机厂商或软件公司提供。系统软 件包括：操作系统、各种语言处理程序、数据库管理系统、网络管理软件。 操作系统是系统软件中最重要的部分，其功能是对计算机系统的全部硬件和软件资源进 行统一管理、统一调度、统一分配。操作系统通过进行处理机管理、存储器管理、设备管理、 文件管理和作业管理这五大管理功能实现对计算机各种资源的合理调度与分配，改善资源的 共享和利用状况，最大限度地发挥计算机的效率，提高计算机在单位时间内处理工作的能力。 操作系统为用户提供了一个操作方便的环境，是用户与计算机的接口，同时又是用户进行软 件开发的基础，其他的系统软件和应用软件必须在操作系统的支持下才能合理调度工作流 程，正常的工作。 应用软件：为解决某个实际问题而由软件公司或用户自己编写的程序。可分为用户程序 和应用软件包。一般有文字处理软件、表格处理软件、图形处理软件、计算机辅助软件（CAD、 CAM、CAI）等。 2．1．2 计算机的基本工作原理 1. 存储程序和程序控制原理 冯．诺依曼（Von Nenmann）是美籍匈牙利数学家、现代电子计算机的奠基人之一，他 在 1946 年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想，就是“存储程序和程序控制”。这 输入信息 输出信息 输 入 设 备 输 出 设 备 运 算 器 存 储 器 控 制 器 图 2-2 计算机硬件系统
种设想的具体化,使当代电子计算机的发展发生了质的变化,它使电子计算机不但能对操作 数进行快速的运算,而且也能快速地解释和执行构成程序的指令:同时提供了可以随意或者 根据当前运算结果进行程序转移的的灵活性。这种灵活性的意义,可以说远远超过了快速性, 因为它赋予计算机逻辑判断的能力,突破了把电子计算机只用作一种快速计算工具的局限。 几十年来,尽管计算机制造技术已经发生了极大的变化,但是就其体系结构而言,仍然是根 据他的设计思想制造的,这样的计算机称为冯诺依曼结构计算机。冯诺依曼体系结构的思 想可以概括为以下几点 ①由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大基本部分组成计算机系统 并规定了这五部分的基本功能。 ②计算机内部采用二进制来表示数据和指令。 ③将程序和数据存入内部存储器中,计算机在工作时可以自动逐条取出指令并加以执 行 计算机能够自动地完成各种数值运算和复杂的信息处理过程的基础就是存储程序和程 序控制原理 2.指令和程序 计算机之所以能自动、正确地按人们的意图工作,是由于人们事先已把计算机如何工作 的程序和原始数据通过输入设备送到计算机的存储器中。当计算机执行时,控制器就把程序 中的“命令”一条接一条地从存储器中取出来,加以翻译,并按“命令”的要求进行相应的操作, 当人们需要计算机完成某项任务的时候,首先要将任务分解为若干个基本操作的集合, 计算机所要执行的基本操作命令就是指令,指令是对计算机进行程序控制的最小单位,是一 种采用二进制表示的命令语言。一个CPU能够执行的全部指令的集合就称为该CPU的指令 系统,不同CPU的指令系统是不同的。指令系统的功能是否强大、指令类型是否丰富,决 定了计算机的能力,也影响着计算机的硬件结构。 每条指令都要求计算机完成一定的操作,它告诉计算机进行什么操作、从什么地址取数、 结果送到什么地方去等信息。计算机的指令系统一般应包括数据传送指令、算术运算指令、 逻辑运算指令、转移指令、输入输出指令和处理机控制指令等。一条指令通常由两个部分组 成,即操作码和操作数。操作码用来规定指令应进行什么操作,而操作数用来指明该操作处 理的数据或数据所在存储单元的地址 操作码 图2-3指令格式 人们为解决某项任务而编写的指令的有序集合就称为程序。指令的不同组合方式,可以 构成完成不同任务的程序。 3.计算机的工作过程 计算机的工作过程就是执行程序的过程。在运行程序之前,首先通过输入设备将编好的 程序和原始数据输送到计算机内存储器中,然后按照指令的顺序,依次执行指令。执行一条 指令的过程是 ①取指令:从内存储器中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存; ②分析指令:把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器,译出该指令对应的操作 ③执行指令:CPU向各个部件发出相应控制信号,完成指令规定的操作
种设想的具体化，使当代电子计算机的发展发生了质的变化，它使电子计算机不但能对操作 数进行快速的运算，而且也能快速地解释和执行构成程序的指令；同时提供了可以随意或者 根据当前运算结果进行程序转移的的灵活性。这种灵活性的意义，可以说远远超过了快速性， 因为它赋予计算机逻辑判断的能力，突破了把电子计算机只用作一种快速计算工具的局限。 几十年来，尽管计算机制造技术已经发生了极大的变化，但是就其体系结构而言，仍然是根 据他的设计思想制造的，这样的计算机称为冯·诺依曼结构计算机。冯·诺依曼体系结构的思 想可以概括为以下几点： ①由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大基本部分组成计算机系统， 并规定了这五部分的基本功能。 ②计算机内部采用二进制来表示数据和指令。 ③将程序和数据存入内部存储器中，计算机在工作时可以自动逐条取出指令并加以执 行。 计算机能够自动地完成各种数值运算和复杂的信息处理过程的基础就是存储程序和程 序控制原理。 2．指令和程序 计算机之所以能自动、正确地按人们的意图工作，是由于人们事先已把计算机如何工作 的程序和原始数据通过输入设备送到计算机的存储器中。当计算机执行时，控制器就把程序 中的“命令”一条接一条地从存储器中取出来，加以翻译，并按“命令”的要求进行相应的操作。 当人们需要计算机完成某项任务的时候，首先要将任务分解为若干个基本操作的集合， 计算机所要执行的基本操作命令就是指令，指令是对计算机进行程序控制的最小单位，是一 种采用二进制表示的命令语言。一个 CPU 能够执行的全部指令的集合就称为该 CPU 的指令 系统，不同 CPU 的指令系统是不同的。指令系统的功能是否强大、指令类型是否丰富，决 定了计算机的能力，也影响着计算机的硬件结构。 每条指令都要求计算机完成一定的操作，它告诉计算机进行什么操作、从什么地址取数、 结果送到什么地方去等信息。计算机的指令系统一般应包括数据传送指令、算术运算指令、 逻辑运算指令、转移指令、输入输出指令和处理机控制指令等。一条指令通常由两个部分组 成，即操作码和操作数。操作码用来规定指令应进行什么操作，而操作数用来指明该操作处 理的数据或数据所在存储单元的地址。 操作码 操作数 人们为解决某项任务而编写的指令的有序集合就称为程序。指令的不同组合方式，可以 构成完成不同任务的程序。 3．计算机的工作过程 计算机的工作过程就是执行程序的过程。在运行程序之前，首先通过输入设备将编好的 程序和原始数据输送到计算机内存储器中，然后按照指令的顺序，依次执行指令。执行一条 指令的过程是： ①取指令：从内存储器中取出要执行的指令送到 CPU 内部的指令寄存器暂存； ②分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令译码器，译出该指令对应的操作； ③执行指令：CPU 向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作。 图 2-3 指令格式
重复上述步骤,直到遇到结束程序的指令为止。其过程如图2-4所示。 取指令分析指令山执行指令山取指令2分析指令2执行指令2 图2-4程序的顺序执行 程序的这种执行方式称为顺序执行方式,早期的计算机系统均采用这样的执行方式。该 方式的优点是控制系统简单,设计和实现容易:缺点是处理器执行程序的速度比较慢,因为 只有在上一条指令执行完后,才能取出下一条指令并执行,而且计算机各个功能部件的利用 率较低。在计算机中,取指令、分析指令、执行指令是由不同的功能部件完成的,如果按照 图2-4的流程工作,则在取指令时,分析指令和执行指令的部件处于空闲状态,同样,在执 行指令时,取指令和分析指令的操作也不能进行。这样,计算机各个部件的功能无法充分发 挥,致使计算机系统的工作效率较低 指令、分析指令和执行指令的部件并行工作。其程序执行过程如图2-5所示大,使负责取 为了提高计算机的运行速度,在现代计算机系统中,引入了流水线控制技术,使负责取 取指部件 「而七人;p 取指令2取指令3取指令4取指令5 分析部件 分析指令凵分析指令2分析指令3分析指令4 执行部件 执行指令1执行指令2执行指令3 图2-5程序的并行流水线执行方式 假如这三个功能部件的完成操作所用的时间相等,那么,当第一条指令进入执行部件时, 分析部件开始对第二条指令进行分析,取指部件也开始从内存取第三条指令。如果不考虑程 序的转移情况,程序的顺序执行方式所需要的时间大约为并行方式的3倍。 4.兼容性 某一类计算机的程序能否在其他计算机上运行,这就是计算机“兼容性”问题。比如, Intel 公司和AMD公司的生产的CPU,指令系统几乎一致,因此它们相互兼容。而苹果公司生 产的 Macintosh计算机,其CPU采用 Motorola公司的 PowerPC微处理器,指令系统大相径 庭,因此无法与采用 Intel公司和AMD公司CPU的PC机兼容。 即便是同一公司的产品,由于技术的发展,指令系统也是不同的。如Inte公司的产品 经历8088802868038680486→ Pentium→ Pentium→ PentiumIII-→ PentiumIv。每种新处 理器包含的指令数目和种类越来越多,通常采用“向下兼容”的原则,即新类型的处理器包含 旧类型处理器的全部指令,从而保证在旧类型处理器上开发的系统能够在新的处理器中被正 确执行。 2.2微型计算机的结构 在对计算机的体系结构和工作原理有了整体了解的基础上,本节我们将对计算机的各个 部分的构成和基本工作原理进行介绍。由于在各种类型的计算机中,应用最广泛、也是我们 接触最多的是微型计算机,因此本节我们以微型计算机为对象来介绍 2.2.1微型计算机的主机结构 1.微型机主机的逻辑构成
重复上述步骤，直到遇到结束程序的指令为止。其过程如图 2-4 所示。 程序的这种执行方式称为顺序执行方式，早期的计算机系统均采用这样的执行方式。该 方式的优点是控制系统简单，设计和实现容易；缺点是处理器执行程序的速度比较慢，因为 只有在上一条指令执行完后，才能取出下一条指令并执行，而且计算机各个功能部件的利用 率较低。在计算机中，取指令、分析指令、执行指令是由不同的功能部件完成的，如果按照 图 2-4 的流程工作，则在取指令时，分析指令和执行指令的部件处于空闲状态，同样，在执 行指令时，取指令和分析指令的操作也不能进行。这样，计算机各个部件的功能无法充分发 挥，致使计算机系统的工作效率较低。 为了提高计算机的运行速度，在现代计算机系统中，引入了流水线控制技术，使负责取 指令、分析指令和执行指令的部件并行工作。其程序执行过程如图 2-5 所示。 取指令 1 取指令 2 取指令 3 取指令 4 取指令 5 …… 分析指令1 分析指令2 分析指令3 分析指令4 …… 执行指令1 执行指令2 执行指令3 …… 假如这三个功能部件的完成操作所用的时间相等，那么，当第一条指令进入执行部件时， 分析部件开始对第二条指令进行分析，取指部件也开始从内存取第三条指令。如果不考虑程 序的转移情况，程序的顺序执行方式所需要的时间大约为并行方式的 3 倍。 4．兼容性 某一类计算机的程序能否在其他计算机上运行，这就是计算机“兼容性”问题。比如，Intel 公司和 AMD 公司的生产的 CPU ，指令系统几乎一致，因此它们相互兼容。而苹果公司生 产的 Macintosh 计算机，其 CPU 采用 Motorola 公司的 PowerPC 微处理器，指令系统大相径 庭，因此无法与采用 Intel 公司和 AMD 公司 CPU 的 PC 机兼容。 即便是同一公司的产品，由于技术的发展，指令系统也是不同的。如 Intel 公司的产品 经历 8088→80286→80386→80486→Pentium→PentiumII→PentiumIII→PentiumIV。每种新处 理器包含的指令数目和种类越来越多，通常采用“向下兼容”的原则，即新类型的处理器包含 旧类型处理器的全部指令，从而保证在旧类型处理器上开发的系统能够在新的处理器中被正 确执行。 2．2 微型计算机的结构 在对计算机的体系结构和工作原理有了整体了解的基础上，本节我们将对计算机的各个 部分的构成和基本工作原理进行介绍。由于在各种类型的计算机中，应用最广泛、也是我们 接触最多的是微型计算机，因此本节我们以微型计算机为对象来介绍。 2．2．1 微型计算机的主机结构 1．微型机主机的逻辑构成 取指令 1 分析指令 1 执行指令 1 取指令 2 分析指令 2 执行指令 2 …… 图 2-4 程序的顺序执行 取指部件 分析部件 执行部件 图 2-5 程序的并行流水线执行方式
微型计算机主要由微处理器、内存储器、输入腧输出接口、各种输入/输出设备组成,由 总线将各部分连接在一起。其逻辑构成如图2-6所示 微型计算机的主机系统主要由微处理器、内存储器、输入/输出接口和总线四个部分组 成 中央微处理器 内存储器 数据总线 地址总线 控制总线 I/0接口 I/O设备 外部存储器 图2-6微型计算机的逻辑构成 1)微处理器( Microprocessor) 微处理器是计算机硬件系统的核心部件,负责控制和协调整个计算机系统的工作。利用 大规模集成电路技术把运算器、控制器及内部寄存器组集成在一块半导体芯片上,也称为中 央处理单元(CPU),现代微处理器中还包含高速缓冲存储器( Cache)。 目前大多数微型计算机的CPU都是美国 Intel公司的产品,其系列产品由早期的 8088/8086到现在最新型的 PentiumⅣV CPU主要包括以下三部分: 控制器 控制器是计算机的控制指挥中心,它协调和指挥整个计算机系统的操作。它的主要功能 是识别和翻译指令代码,安排操作的先后顺序,产生相应的操作控制信号,控制数据的流动 方向,保证计算机各部件有条不紊的协调工作。控制器由指令计数器、指令寄存器、指令译 码器、操作控制器等部分组成 运算器 运算器是对数据进行加工、运算的部件,它接受控制器的指示,按照算术运算规则进行 加、减、乘、除、比较等算术运算,还进行与、或、非等逻辑运算。运算器由算术逻辑部件、 数据寄存器、累加器等部分组成。 内部寄存器 微处理器有多种寄存器:指令寄存器IR,用于存放要执行指令的操作数:数据寄存器 DR,用于暂时存放数据或指令:地址寄存器AR,用于存入指令或操作数的地址;还有若干 通用寄存器,用于暂存数据或地址。 (2)内存储器 内存储器(简称内存),又称为主存储器,是微型计算机主机的组成部分,用来存放当 前正在使用的或随时要使用的程序或数据。CPU可以直接访问内存。 内存由半导体存储器组成,存取速度较快,由于价格上的原因,一般容量较小。内存中
微型计算机主要由微处理器、内存储器、输入/输出接口、各种输入/输出设备组成，由 总线将各部分连接在一起。其逻辑构成如图 2-6 所示。 微型计算机的主机系统主要由微处理器、内存储器、输入/输出接口和总线四个部分组 成。 （1） 微处理器（Microprocessor） 微处理器是计算机硬件系统的核心部件，负责控制和协调整个计算机系统的工作。利用 大规模集成电路技术把运算器、控制器及内部寄存器组集成在一块半导体芯片上，也称为中 央处理单元（CPU），现代微处理器中还包含高速缓冲存储器（Cache）。 目前大多数微型计算机的 CPU 都是美国 Intel 公司的产品，其系列产品由早期的 8088/8086 到现在最新型的 Pentium Ⅳ。 CPU 主要包括以下三部分： ➢ 控制器 控制器是计算机的控制指挥中心，它协调和指挥整个计算机系统的操作。它的主要功能 是识别和翻译指令代码，安排操作的先后顺序，产生相应的操作控制信号，控制数据的流动 方向，保证计算机各部件有条不紊的协调工作。控制器由指令计数器、指令寄存器、指令译 码器、操作控制器等部分组成。 ➢ 运算器 运算器是对数据进行加工、运算的部件，它接受控制器的指示，按照算术运算规则进行 加、减、乘、除、比较等算术运算，还进行与、或、非等逻辑运算。运算器由算术逻辑部件、 数据寄存器、累加器等部分组成。 ➢ 内部寄存器 微处理器有多种寄存器：指令寄存器 IR，用于存放要执行指令的操作数；数据寄存器 DR，用于暂时存放数据或指令；地址寄存器 AR，用于存入指令或操作数的地址；还有若干 通用寄存器，用于暂存数据或地址。 （2）内存储器 内存储器（简称内存），又称为主存储器，是微型计算机主机的组成部分，用来存放当 前正在使用的或随时要使用的程序或数据。CPU 可以直接访问内存。 内存由半导体存储器组成，存取速度较快，由于价格上的原因，一般容量较小。内存中 图 2-6 微型计算机的逻辑构成