大学IT第2章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2006-7-10,大学,IT,*,大 学,I T,山东省教育厅组编,第2章 计算机体系结构,本章概要,计算机已经成为人们获取信息和与他人通信的工具，是信息处理的核心载体。本章给出了计算机系统结构的整体轮廓，介绍了计算机的发展历史、计算机的基本组成及其工作原理，让你知道它是如何运行的。学完本章，你将能够：,了解冯诺依曼结构；,识别微机主板上的部件；,理解,CPU,如何执行程序中的指令；,列出影响计算机性能的因素；,明白,RAM、,虚存、,CMOS,和,ROM,的区别及常用的外存；,列出连接在计算机外围的主要部件并能叙述它们的功能；,了解微型计算机的安装与维护。,2006-7-10,3,大学,IT,2.1,信息工具-计算机,2.2,计算机的工作原理与体系结构,2.3,信息存储,2.4,输入与输出,2.5,微型计算机的安装与维护,本章要点,2006-7-10,4,大学,IT,2.1 信息工具计算机,现代计算机是从古老的计算工具一步步发展而来的。早在原始社会人类就用结绳、垒石或枝条作为辅助进行计数和计算的工具。在我国，春秋时代就有用算筹计数的“筹算法”。唐末，出现了珠算盘简称算盘。算盘是我国人民独特的创造，是一种彻底的采用十进制的计算工具。19世纪中期，英国数学家巴贝奇（,Charles Babbage，1792,1871）,最先提出通用数字计算机的基本设计思想。他于1832年开始设计的分析机，是一种顺应计算机自动化程序控制流的通用数字计算机。在现代电子计算机诞生100多年前，他已经提出了几乎是完整的计算机设计方案。,2006-7-10,5,大学,IT,1946年2月，世界上第一台电子计算机在美国宾夕尼亚大学问世，取名为,ENIAC（,即电子数字积分计算机的英文缩写）。这台计算机的研制历时3年，是美国军方为适应第二次世界大战对新式火炮的需求，为解决在导弹试验中复杂的弹道计算而研制的。按照设计者的初衷，从计算工具的意义上讲，电子计算机,ENIAC,不过是人类传统计算工具（算盘、计算尺及机械计算机等）在历史新时期的替代物。然而，始料未及的是：电子计算机的问世，开创了一个计算机时代，引发了一场由工业化社会发展到信息化社会的新技术产业革命浪潮，揭开了人类历史发展的新纪元。计算机问世以后，经过半个多世纪的飞速发展，已由单纯的计算工具发展成为在信息社会中举足轻重、不可缺少的具有强大信息处理功能的现代化电子设备。,2006-7-10,6,大学,IT,信息工具,计算机,2.1.1,计算机的发展,2.1.2,计算机的特点,2.1.3,计算机的分类,2.1.4,计算机的应用,2.1.5,计算机的发展趋势,2006-7-10,7,大学,IT,2.1.1 计算机的发展,计算机发展阶段的划分，通常以计算机所采用的逻辑元件作为标准。计算机的发展迄今为止已经历四代。,1.,第一代计算机,2.,第二代计算机,3.,第三代计算机,4.,第四代计算机,5.,新一代计算机,2006-7-10,8,大学,IT,1.第一代计算机,采用电子管作为基本逻辑元件。所谓电子管主要是指电子二极管，存储器早期采用水银延迟线，后期采用磁鼓或磁芯。编程语言使用低级语言，即机器语言或汇编语言。第一种高级语言,FORTRAN,于1954年问世，并开始初期应用。,由于采用电子管，与以后的计算机比较，第一代计算机的体积大、耗电多、价格贵，运行速度和可靠性都不高，主要用于科学计算。这个时代计算机的商品化是由美国国际商业机器公司（,IBM,公司）实现的，以,IBM,系列机为代表。,2006-7-10,9,大学,IT,2.第二代计算机,第二代电子计算机采用晶体管作为逻辑元件。半导体晶体管与电子管相比，具有体积小、寿命长、开关速度快、省电等优点。内存主要采用磁芯存储器，外存开始使用磁盘。这个时期，计算机的软件也有很大发展，操作系统及各种早期的高级语言（,FORTRAN、COBOL、BASIC）,相继投入使用。由于采用了晶体管，第二代计算机的体积大大减小，运算速度及可靠性等各项性能大为提高。计算机的应用已由科学计算拓展到数据处理、过程控制等领域。,2006-7-10,10,大学,IT,3.第三代计算机,第三代电子计算机采用集成电路作为逻辑元件。半导体存储器取代了沿用多年的磁芯存储器。这一时期的中、小规模集成电路技术，可将数十个、成百个分离的电子元件集中做在一块硅片上。集成电路体积小、耗电更省，寿命更长，可靠性更高，这使得第三代计算机的总体性能较之第二代计算机有了大幅度的跃升。计算机的设计出现了标准化、通用化、系列化的局面。软件技术也日趋完善，计算机得到了更加广泛的应用。,2006-7-10,11,大学,IT,4.第四代计算机,第四代电子计算机采用大规模集成电路作为逻辑元件，这是第四代计算机的主要特征。这个时期是计算机发展最快、技术成果最多、应用空前普及的时期。,第四代计算机发展的另一个方向是巨型化。由于多处理机结构和并行处理技术的采用，具有超强功能的巨型机也取得稳步发展。例如美国克雷公司生产的,Gray-4,巨型机共采用了64个处理器。巨型机主要用于高科技军事领域，在空间技术、气象预报、地球物理勘探等领域也有重要应用。我国在不到20年的时间内也先后研制成功了银河系列的三代巨型机（银河-、银河-、银河-），从而进入世界上少数能研制巨型机的国家的行列。,2006-7-10,12,大学,IT,5.新一代计算机,新一代计算机过去习惯上称为第五代计算机，是对第四代计算机以后的各种未来型计算机的总称。,新一代计算机它能够最大限度地模拟人类大脑的机制，具有人类大脑所特有的联想、推理、学习等某些功能，具有对语言、声音、图像及各种模糊信息的感知、识别和处理能力。,2006-7-10,13,大学,IT,2.1.2计算机的特点,与其他计算工具和人类自身相比，计算机具有高速性、存储性、通用性、自动性和精确性等特点。,1.,高速性,2.,存储性,3.,通用性,4.,自动性,5.,精确性,2006-7-10,14,大学,IT,1.高速性,计算机的运算部件采用的是电子器件，其运算速度远非其他计算工具所能比拟，而且运算速度还以每隔几个月提高一个数量级的速度在快速发展。如目前运行速度最快的是日本,NEC,的“地球模拟器”，其采用5 120个处理器实现运算速度35 860,GFlops,（,每秒十亿次浮点运算）；我国联想公司的深腾6800也达到了4 183,GFlops,，,曙光公司的曙光4000运算速度甚至达到10 000,GFlops,。,这种数据处理速度是其他任何处理工具无法比拟的。,2006-7-10,15,大学,IT,2.存储性,计算机的存储性是计算机区别于其他计算工具的重要特征。计算机的存储器可以把原始数据、中间结果、运算指令等存储起来，以备随时调用。存储器不但能够存储大量的信息，而且能够快速准确地存入或取出这些信息。,2006-7-10,16,大学,IT,3.通用性,通用性是计算机能够应用于各种领域的基础。任何复杂的任务都可以分解为大量的基本的算术运算和逻辑操作，计算机程序员可以把这些基本的运算和操作按照一定规则（算法）写成一系列操作指令，加上运算所需的数据，形成适当的程序就可以完成各种各样的任务。,2006-7-10,17,大学,IT,4.自动性,计算机内部的操作运算是根据人们预先编制的程序自动控制执行的。只要把包含一连串指令的处理程序输入计算机，计算机便会依次取出指令，逐条执行，完成各种规定的操作，直到得出结果为止。,2006-7-10,18,大学,IT,5.精确性,计算机的可靠性很高，差错率极低，一般来讲只在那些人工介入的地方才有可能发生错误，这就是它的精确性。,2006-7-10,19,大学,IT,2.1.3 计算机的分类,计算机有不同的分类方法，根据信息表示形式和处理方式的不同，计算机可分为,模拟计算机和数字计算机,两大类。,数字计算机按用途又可分为,专用计算机和通用计算机。,2006-7-10,20,大学,IT,模拟计算机的主要特点是：参与运算的数值由不间断的连续量表示，其运算过程是连续的，模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。,数字计算机的主要特点是：参与运算的数值用断续的数字量表示，其运算过程按数字位进行计算，数字计算机由于具有逻辑判断等功能，是以近似人类大脑的“思维”方式进行工作，所以又被称为“电脑”。,2006-7-10,21,大学,IT,专用与通用计算机在其效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。专用计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但它的适应性较差，不适于其它方面的应用。,通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机及单片机。,2006-7-10,22,大学,IT,2.1.4 计算机的应用,计算机的应用已渗透到社会的各个领域，正在改变着人们的工作、学习和生活的方式，推动着社会的发展。归纳起来可分为以下几个方面：,1.,数值计算,2.,数据处理（信息处理）,3.,自动控制,4.,计算机辅助设计和辅助教学,5.,人工智能方面的研究和应用,6.,多媒体技术应用,2006-7-10,23,大学,IT,1.数值计算,计算机最开始是为解决科学研究和工程设计中遇到的大量数学问题的数值计算而研制的计算工具。随着现代科学技术的进一步发展，数值计算在现代科学研究中的地位不断提高，在尖端科学领域中，显得尤为重要。例如，人造卫星轨迹的计算，房屋抗震强度的计算，火箭、宇宙飞船的研究设计都离不开计算机的精确计算。,在工业、农业以及人类社会的各领域中，计算机的应用都取得了许多重大突破，就连我们每天收听收看的天气预报都离不开计算机的科学计算。,2006-7-10,24,大学,IT,2.数据处理（信息处理）,在科学研究和工程技术中，会得到大量的原始数据，其中包括大量图片、文字、声音等信息处理就是对数据进行收集、分类、排序、存储、计算、传输、制表等操作。目前计算机的信息处理应用已非常普遍，如人事管理、库存管理、财务管理、图书资料管理、商业数据交流、情报检索、经济管理等。,信息处理已成为当代计算机的主要任务，是现代化管理的基础。据统计，全世界计算机用于数据处理的工作量占全部计算机应用的80%以上，大大提高了工作效率，提高了管理水平。,2006-7-10,25,大学,IT,3.自动控制,自动控制是指通过计算机对某一过程进行自动操作，它不需人工干预，能按人预定的目标和预定的状态进行过程控制。所谓过程控制是指对操作数据进行实时采集、检测、处理和判断，按最佳值进行调节的过程。目前被广泛用于操作复杂的钢铁企业、石油化工业、医药工业等生产中。使用计算机进行自动控制可大大提高控制的实时性和准确性，提高劳动效率、产品质量，降低成本，缩短生产周期。,计算机自动控制还在国防和航空航天领域中起决定性作用，例如，无人驾驶飞机、导弹、人造卫星和宇宙飞船等飞行器的控制，都是靠计算机实现的。可以说计算机是现代国防和航空航天领域的神经中枢。,2006-7-10,26,大学,IT,4.计算机辅助设计和辅助教学,计算机辅助设计与制造,计算机辅助教学,2006-7-10,27,大学,IT,计算机辅助设计(,Computer Aided Design，,简称,CAD),是指，借助计算机的帮助，人们可以自动或半自动地完成各类工程设计工作。目前,CAD,技术已应用于飞机设计、船舶设计、建筑设计、机械设计、大规模集成电路设计等。在京九铁路的勘测设计中，使用计算机辅助设计系统绘制一张图纸仅需几个小时，而过去人工完成同样工作则要一周甚至更长时间。可见，采用计算机辅助设计，可缩短设计时间，提高工作效率，节省人力、物力和财力，更重要的是提高了设计质量。,CAD,已得到各国工程技术人员的高度重视。有些国家已把,CAD,和计算机辅助制造(,Computer Aided Manufacturing，,简称,CAM)、,计算机辅助测试(,Computer Aided Test，,简称,CAT),及计算机辅助工程(,Computer Aided Engineering，,简称,CAE),组成一个集成系统，使设计、制造、测试和管理有机地组成为一体，形成高度的自动化系统，因此产生了自动化生产线和“无人工厂”。,计算机辅助设计与制造,2006-7-10,28,大学,IT,计算机辅助教学(,Computer Aided Instruction，,简称,CAI),是指用计算机来辅助完成教学计划或模拟某个实验过程。计算机可按不同要求，分别提供所需教材内容，还可以个别教学，及时指出该学生在学习中出现的错误，根据计算机对该生的测试成绩决定该生的学习从一个阶段进入另一个阶段。,CAI,不仅能减轻教师的负担，还能激发学生的学习兴趣，提高教学质量，为培养现代化高质量人才提供了有效方法。,计算机辅助教学,2006-7-10,29,大学,IT,5.人工智能方面的研究和应用,人工智能(,Artificial Intelligence，,简称,AI),是指计算机模拟人类某些智力行为的理论、技术和应用。人工智能是计算机应用的一个新的领域，这方面的研究和应用正处于发展阶段，在医疗诊断、定理证明、语言翻译、机器人等方面，已有了显著的成效。例如，用计算机模拟人脑的部分功能进行思维学习、推理、联想和决策，使计算机具有一定“思维能力”。我国已开发成功一些中医专家诊断系统，可以模拟名医给患者诊病开方,。,2006-7-10,30,大学,IT,机器人是计算机人工智能的典型例子。机器人的核心是计算机。第一代机器人是机械手；第二代机器人对外界信息能够反馈，有一定的触觉、视觉、听觉；第三代机器人是智能机器人，具有感知和理解周围环境，使用语言、推理、规划和操纵工具的技能，模仿人完成某些动作。,机器人,2006-7-10,31,大学,IT,6.多媒体技术应用,随着电子技术特别是通信和计算机技术的发展，人们已经有能力把文本、音频、视频、动画、图形和图像等各种媒体综合起来，构成一种全新的概念“多媒体”(,Multimedia)。,在医疗、教育、商业、银行、保险、行政管理、军事、工业、广播和出版等领域中，多媒体的应用发展很快。,2006-7-10,32,大学,IT,随着网络技术的发展，计算机的应用进一步深入到社会的各行各业，通过高速信息网实现数据与信息的查询、高速通信服务(电子邮件、电视电话、电视会议、文档传输)、电子教育、电子娱乐、电子购物(通过网络选看商品、办理购物手续、质量投诉等)、远程医疗和会诊、交通信息管理等。计算机的应用将推动信息社会更快地向前发展。,2006-7-10,33,大学,IT,2.1.5 计算机的发展趋势,计算机技术是当今世界发展最快的科学技术之一，未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化、智能化等的方向发展，下面介绍一下。,1.,巨型化,2.,微型化,3.,网络化,4.,智能化,2006-7-10,34,大学,IT,1.巨型化,巨型化是指发展高速的、大存储量和强大功能的巨型计算机。巨型计算机主要应用于天文、气象、地质和核技术、航天飞机、卫星轨道计算等尖端科学技术领域。研制巨型计算机的技术水平是衡量一个国家科学技术和工业发展水平的重要标志。,2006-7-10,35,大学,IT,2.微型化,微型化是指利用微电子技术和超大规模集成电路技术，把计算机的体积进一步缩小，价格进一步降低，计算机的微型化已成为计算机发展的重要方向。各种笔记本式计算机和掌上计算机的大量面世和使用，是计算机微型化的一个标志。嵌入式系统通常将微小的计算机系统埋藏在宿主设备中，此类计算机一般不被设备使用者在意，亦称埋藏式计算机。这是计算机的微型化应用最多的领域，典型机种如微控制器、微处理器和,DSP,等。,2006-7-10,36,大学,IT,3.网络化,计算机网络化是计算机发展的又一个趋势。从单机走向联网，是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通讯技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模更大、功能更强的可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软、硬件和数据等资源，能被网络上的用户所共享。,2006-7-10,37,大学,IT,4.智能化,计算机智能化是指使计算机具有模拟人的感觉和思维过程的能力。计算机成为智能计算机，是目前正在研制的新一代计算机要实现的目标。智能化的研究包括模拟识别、物形分析、自然语言的生成和理解、博弈、定理自动证明、自动程序设计、专家系统、学习系统和智能机器人等等。目前已研制出多种具有人的部分智能的“机器人”，可以代替人在一些危险的工作岗位上工作。,2006-7-10,38,大学,IT,2.2 计算机的工作原理与体系结构,2.2.1,冯诺依曼结构,2.2.2,系统内部结构,2.2.3,计算机的心脏,CPU,2.2.4,指令,2.2.5,CPU,的性能,2.2.6,计算机的其他性能,2006-7-10,39,大学,IT,2.2.1 冯诺依曼结构,半个世纪前，著名数学家、计算机科学理论的奠基人之一冯诺依曼，对计算机各个部件进行了明确的定义，并描述了其功能，提出如下三条思想：,1.,计算机的基本结构,2.,采用二进制形式表示数据和指令,3.,采用存储程序方式,2006-7-10,40,大学,IT,1.计算机的基本结构,计算机硬件应该包括五个基本部分：运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备，如图所示，确定了计算机硬件的合理组成，并规定了这五部分的基本功能。,2006-7-10,41,大学,IT,（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、,A/D,转换器等。,2006-7-10,42,大学,IT,（2）输出设备,输出设备是指从计算机中输出信息的设备。它的功能是将计算机处理的数据、计算结果等内部信息，转换成人们习惯接受的信息形式（如字符、图形、声音等），然后将其输出。最常用的输出设备是显示器和打印机，还有绘图仪、各种数模转换器（,D/A）,等。,2006-7-10,43,大学,IT,（3）存储器,存储器是计算机中用于存放程序和数据的部件。存储器分为两大类：内存储器和外存储器，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。内存是存取速度快而容量相对较小的一类存储器；外存是存取速度较慢而容量相对较大的一类存储器。,2006-7-10,44,大学,IT,内存是,CPU,可直接访问的存储器，是计算机中的工作存储器，即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。,2006-7-10,45,大学,IT,运算器和控制器合起来称之为,CPU（Central,Processing Unit，,简称,CPU）。,（4）运算器和控制器,2006-7-10,46,大学,IT,2.采用二进制形式表示数据和指令,二进制只有,“,0,”,和,“,1,”,两个数字，便于用计算机电子器件的断开和导通两个稳定状态表示，实现比较容易。加之二进制运算规则简单，可使计算机结构大为简化，运算速度大大提高。,2006-7-10,47,大学,IT,3.采用存储程序方式,这是冯,诺依曼思想的核心内容。所谓存储程序原理，就是把程序和处理问题所需的数据都以二进制编码形式预先按一定顺序存放到计算机存储器里。计算机在运行程序时就能自动、连续地从存储器中依次取出指令且执行，直到完成预定的任务。这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上也体现为所存储程序的扩展。计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。,2006-7-10,48,大学,IT,冯诺依曼的上述思想奠定了现代计算机的基础，后人将采用这种设计思想的计算机称为冯诺依曼型计算机。到目前为止，绝大多数计算机仍沿用这一结构。,2006-7-10,49,大学,IT,2.2.2系统内部结构,从逻辑上，计算机的体系结构在本质上始终是一脉相承的，即采用冯诺依曼的“存储程序原理”；下面就简单介绍一下微型机的系统内部结构。,2006-7-10,50,大学,IT,主机主要包括主板、硬盘驱动器、软盘驱动器、,CD-ROM,驱动器、电源、风扇、各种外设的适配器（接口板）等，具体结构如下图所示。,2006-7-10,51,大学,IT,打开计算机主机箱，里面有一块印刷电路板，这就是计算机的主机板，也叫系统板、主机板或母板。主板上装有组成电脑的主要电路系统，是计算机硬件系统的核心。主板上集成有如下部件：扩充插槽、,BIOS,芯片、,I/O,控制芯片、,CPU,插槽、控制芯片组、内存条插槽、跳线开关、键盘接口、鼠标接口、指示灯接口、主板电源插座、软驱接口、硬盘,IDE,接口、串行并行接口和系统总线等。,2006-7-10,52,大学,IT,主板的中心任务是维系,CPU,与外部设备之间协同工作，不出差错。在控制芯片组的统一调度之下，,CPU,首先接受各种外来数据或命令，经过运算处理，再经由,PCI,或,AGP,等总线接口，把运算结果高速、准确地传输到指定的外部设备上。,2006-7-10,53,大学,IT,2.2.3 计算机的心脏,CPU,CPU,也称中央处理器或微处理器。第一块微处理器是1971年由美国,Intel,公司生产的。,在这之后，世界各地出现了很多生产,CPU,芯片的厂家，产品性能也不断提高，主要表现在：字长由最初的4位发展到今天的32位、64位；速度越来越快，主频由不到1,MHz,增加到现在的数千,MHz；,集成度越来越高，第一块芯片集成了2 200个晶体管，现在集成一亿个晶体管的芯片已经问世。,2006-7-10,54,大学,IT,1993年,Intel,公司推出了32位微处理器芯片,Pentium，,它的外部数据总线为64位，工作频率为66-200,MHz，,以后的,Pentium,Pro、Pentium,MMX、Pentium,II,和,Pentium III,芯片都是先进的32位高档微处理器芯片。奔腾系列,CPU,如图所示。,Intel,奔腾,IICPU,Intel,奔腾,III CPU,Intel,奔腾,II CPU Intel,奔腾,III CPU Intel,奔腾,CPU,CPU,2006-7-10,55,大学,IT,CPU,是电子计算机内部完成指令读出、解释和执行的重要部件。它主要由运算器和控制器组成，有的还包含了高速缓冲存储器（,Cache），,目前的,CPU,都是通过高速线路将各部件集成在一个芯片上，称为微处理器。,CPU,是现代电子计算机的心脏。,1.,运算器,2.,控制器,3.,高速缓存器,Cache,2006-7-10,56,大学,IT,1.运算器,运算器包括算术逻辑单元（,ALU）、,累加器、标志寄存器、寄存器组等。算术逻辑单元是运算器的主要部件，完成指令系统所规定的各种算术运算和逻辑运算。标志寄存器也称程序状态字寄存器，存放反映运算结果的各种特征，如有无进位，是否溢出等。寄存器组包括通用寄存器组和专用寄存器组，前者为,CPU,内部的高速数据暂存器，后者包括程序计数器、堆栈指示器、变址寄存器等。,2006-7-10,57,大学,IT,运算器的工作过程是：,（1）从,RAM（,随机存取器）中取出数据，放到运算器的寄存器中；,（2）控制器发出控制信号，决定进行何种运算（算术运算或逻辑运算）；,（3）运算器执行相应操作，将结果放到累加器中；,（4）将最终运算结果放回,RAM，,以备输出，如下图所示。,2006-7-10,58,大学,IT,2.控制器,控制器主要包括指令计数器、指令寄存器、指令译码器和控制信号发生器，主要完成指令的翻译，并产生片内和片外的各种控制信号，执行相应的指令。,控制器的作用是使整个计算机能够自动地执行程序，并控制计算机各功能部件协调一致地工作。,2006-7-10,59,大学,IT,控制器的工作过程是：,（1）控制器从主存中按顺序取出程序中的一条指令，并放到指令寄存器中；,（2）指令计数器加1，记录下一条指令的地址；,（3）解释该指令并形成数据地址，取出所需的数据；,（4）向其他功能部件发出执行该指令所需的各种时序控制信号；,（5）再从主存中取出下一条指令执行，如此循环，直到程序完成。,2006-7-10,60,大学,IT,3.高速缓存器,Cache,Cache,即高速缓冲存储器。随着,CPU,主频的不断提高，,CPU,对,RAM,的存取速度快了，而,RAM,的响应速度相对而言就慢了，所以,CPU,大部分时间都是在等待从,RAM,中传送数据，这样大大浪费了,CPU,资源，为协调二者之间的速度差，引入了,Cache,技术。,2006-7-10,61,大学,IT,Cache,通常采用与,CPU,速度相接近的,RAM。,其实现的方法是：当用户启动一个任务时，计算机预测,CPU,可能需要执行哪些程序或要处理哪些数据，并将当前要执行的程序和要处理的数据复制到,Cache；CPU,在读写时，首先访问,Cache，,如果,Cache,中有数据，,CPU,就从,Cache,中取而不再到,RAM,中去取。从这一点可以看出，,Cache,越大，处理的速度越快，因此，,Cache,就像内存与,CPU,之间的适配器。一般地，386,DX,以上的计算机都有,Cache，,容量从几十,KB,到几百,KB。,2006-7-10,62,大学,IT,2.2.4 指令,1.,指令,2.,指令集,3.,指令集的风格,4.,指令周期,2006-7-10,63,大学,IT,1.指令,计算机执行某种操作的命令称为指令。计算机是按照一定的指令去工作的，通常一条指令对应一种基本操作，一条指令的结构可用如下形式来表示：,操作码,地址码,指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作，组成操作码的位数一般取决于计算机指令系统的规模。地址码给,出了需要处理的数据或数据,的地址。,2006-7-10,64,大学,IT,2.指令集,一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令集，也称指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。,2006-7-10,65,大学,IT,如果有一批不同规模的计算机具有共同的指令集，那这些计算机的体系结构应该也是相同的，它们常常是同一计算机厂家生产出的系列计算机。系列计算机是指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。其必要条件是同一系列的各机种有共同的指令集，而且新推出的机种指令系统一定包含所有旧机种的全部指令，即实现“向上兼容”，因此旧机种上运行的各种软件不做任何修改便可在新机种上运行，大大减少了软件开发费用。系列机解决了各机种的软件兼容问题。但新机型运行的软件在旧机型上不一定总能运行。,2006-7-10,66,大学,IT,3.指令集的风格,随着计算机指令集的扩充，程序员开始增加越来越多复杂的指令，这些指令比较长，需要的执行时间也更多。基于使用复杂指令集,CPU,的计算机被称为复杂指令集计算机（,Complex Instruction Set Computer，,简称,CISC），,而基于使用精简指令集,CPU,的计算机被称为精简指令集计算机（,Reduced Instruction Set Computer，,简称,RISC）。,2006-7-10,67,大学,IT,CISC,以,VAX-11/780,为代表，20世纪70年代后的各种微机如我们用的,Intel 80 x86,均是这种风格的计算机，特点是：指令系统复杂，绝大多数指令需要多个机器周期方可执行完毕。,RISC,只有一个数量有限的指令集，但是这些指令的执行速度很快。因此，在理论上，,RISC,计算机要比,CISC,计算机快。,RISC,与,CISC,技术两者的主要区别在于设计思想上的差别，,RISC,的设计思想是：将那些不是最频繁使用的功能（指令）由软件来加以实现，这样就可以优化硬件，并可使其执行得更快。,2006-7-10,68,大学,IT,4.指令周期,指令周期是取出并执行一条指令的时间，由于各种指令的操作功能不同，有的简单，有的复杂，因此各种指令的指令周期是不尽相同的。,指令周期常常用若干个,CPU,周期数来表示。,CPU,周期也称为机器周期，通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定,CPU,周期。一个,CPU,周期时间又包含有若干个时钟周期。,2006-7-10,69,大学,IT,通常情况下，取出和执行任何一条指令所需的最短时间为两个,CPU,周期，如下图所示。,2006-7-10,70,大学,IT,2.2.5,CPU,的性能,CPU,是整个微机系统的核心，它往往是各种档次微机的代名词，,CPU,的性能大致上反映出微机的性能，因此它的性能指标十分重要。,CPU,主要的性能指标有：,1.,主频、倍频、外频,2.,内存总线速度（,Memory-Bus Speed）,3.,扩展总线速度（,Expansion-Bus Speed）,4.,工作电压（,Supply Voltage）,5.,地址总线宽度,6.,数据总线宽度,7.,内置协处理器,8.,超标量,9.,L1,高速缓存即一级高速缓存,10.,采用回写（,Write Back）,结构的高速缓存,2006-7-10,71,大学,IT,1.主频、倍频、外频,主频是,CPU,的时钟频率（,CPU Clock Speed）。,一般说来，主频越高，,CPU,的速度越快。由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的,CPU,的性能都一样。外频即系统总线的工作频率。倍频则是指,CPU,外频与主频相差的倍数。三者关系是：主频=外频倍频。,2006-7-10,72,大学,IT,2.内存总线速度（,Memory-Bus Speed）,指,CPU,与二级（,L2）,高速缓存和内存之间的通信速度。,3.扩展总线速度（,Expansion-Bus Speed）,指安装在微机系统上的局部总线如,VESA,或,PCI,总线接口卡的工作速度。,4.工作电压（,Supply Voltage）,指,CPU,正常工作所需的电压。早期,CPU,的工作电压一般为5,V，,随着,CPU,主频的提高，,CPU,工作电压有逐步下降的趋势，以解决发热过高的问题。,5.地址总线宽度,地址总线宽度决定了,CPU,可以访问的物理地址空间，对于486以上的微机系统，地址线的宽度为32位，最多可以直接访问4 096,MB,的物理空间。,2006-7-10,73,大学,IT,6.数据总线宽度,数据总线宽度决定了,CPU,与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。,7.内置协处理器,含有内置协处理器的,CPU，,可以加快特定类型的数值计算，某些需要进行复杂计算的软件系统，如高版本的,AUTO CAD,就需要协处理器支持。,2006-7-10,74,大学,IT,8.超标量,超标量是指在一个时钟周期内,CPU,可以执行一条以上的指令。,Pentium,级以上,CPU,均具有超标量结构；而486以下的,CPU,属于低标量结构，即在这类,CPU,内执行一条指令至少需要一个或一个以上的时钟周期。,2006-7-10,75,大学,IT,9.,L1,高速缓存即一级高速缓存,内置高速缓存可以提高,CPU,的运行效率，这也正是486,DLC,比386,DX-40,快的原因。内置的,L1,高速缓存的容量和结构对,CPU,的性能影响较大，这也正是一些公司力争加大,L1,高速缓冲存储器容量的原因。不过高速缓冲存储器均由静态,RAM,组成，结构较复杂，在,CPU,芯片面积不能太大的情况下，,L1,高速缓存的容量不可能做得太大。,2006-7-10,76,大学,IT,10.采用回写（,Write Back）,结构的高速缓存,它对读和写操作均有效，速度较快。而采用写通（,Write-through）,结构的高速缓存，仅对读操作有效。,2006-7-10,77,大学,IT,2.2.6 计算机的其他性能,1.,流水线和并行处理,2.,字长,3.,时钟频率,4.,内存容量,5.,运算速度,2006-7-10,78,大学,IT,1.流水线和并行处理,因单处理器计算机只有一个,CPU，,在执行指令时是以串行方式执行的，即一个时刻只执行一条指令。通常,CPU,必须完成指令周期中的四个步骤后才执行下一条指令。使用流水线技术，处理器就可以在完成上一条指令前开始执行另外一条指令，流水线技术加速了处理速度。,多处理器计算机有多个,CPU，,故可同时执行多条指令。并行处理增加计算机单位时间内完成的任务，能够执行并行处理的计算机称为并行计算机或者非冯诺依曼计算机。,2006-7-10,79,大学,IT,2.字长,计算机字是计算机进行数据处理时，一次存取、加工和传送的一组二进制位，它的长度叫做字长。字长是衡量计算机性能的一个重要指标，字长决定,CPU,的寄存器和总线的宽度。,2006-7-10,80,大学,IT,在一个指令周期中，字长较长的计算机处理的数据要比字长较短的计算机处理的数据多，所以计算机的字长越长，计算机处理信息的效率就越高，计算机内部所存储的数值精度就越高，计算机所能识别的指令位数就越多，功能也就越强。,2006-7-10,81,大学,IT,3.时钟频率,时钟频率也叫主频，即中央处理器（,CPU）,每秒钟平均能运行的次数，一般由控制器内时钟发生器所用的石英晶体振荡器的频率决定。,时钟频率决定数据传输和指令执行的速度，它决定了计算机在一定时间内能够执行的指令数，是衡量微型计算机运行速度的一个重要指标。主频的单位是“兆赫兹”（,MHz）。,2006-7-10,82,大学,IT,4.内存容量,内存容量是指内存储器中能存储信息的总字节数。所谓字节（,Byte）,是作为一个单位来处理的一串二进制数位，由8个二进制位（,Bit）,组成1个字节。一般来说，内存容量越大，计算机的处理速度越快。微机所配置的内存容量从早期的640,KB,增加到目前的128,MB、256 MB、512 MB，,甚至1,GB,等。,2006-7-10,83,大学,IT,5.运算速度,运算速度是一项综合性的性能指标，其单位是,MIPS（Million,Instructions Per Second，,每秒106条指令，简称,MIPS）,和,BIPS（Billion,Instructions Per Second，,每秒109条指令，简称,BIPS）。,影响机器运算速度的因素很多，一般主频越高，运算速度越快；字长越长，运算速度越快；内存容量越大，运算速度越快；存取周期越小，运算速度越快。,2006-7-10,84,大学,IT,衡量一台计算机系统的性能指标很多，除上面列举的4项主要指标外，还应考虑机器的兼容性（包括数据和文件的兼容、程序兼容、系统兼容和设备兼容），系统的可靠性（平均无故障工作时间,MTBF），,系统的可维护性（平均修复时间,MTTR），,机器允许配置的外部设备的最大数目，计算机系统的汉字处理能力，数据库管理系统及网络功能等。另外，性能/价格比也是一项综合性评价计算机性能的指标。,2006-7-10,85,大学,IT,2.3 信息存储,2.3.1,随机存储器（,RAM）,2.3.2,CMOS,存储器和,BIOS,2.3.3,只读存储器（,ROM）,2.3.4,虚拟内存,2.3.5,外存,2006-7-10,86,大学,IT,存储器是计算机中具有记忆能力的部件，它能根据地址接收和保存指令或数据。存储器的操作是一个不断存入与取出的过程，我们把存入数据的操作称为“写”操作，把取出数据的操作称为“读”操作。存储器可分为主存储器和辅存储器两大类。,2006-7-10,87,大学,IT,主