第三章 计算机硬件体系结构.

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1、计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算思维的本质特征是基于计算模型计算思维的本质特征是基于计算模型(环境环境)和和约束的问题求解，计算机硬件系统和软件系统在约束的问题求解，计算机硬件系统和软件系统在不同层次上提供了问题求解的计算环境。不同层次上提供了问题求解的计算环境。 本章主要介绍计算机硬件体系结构的基础知本章主要介绍计算机硬件体系结构的基础知识。通过本章学习，应建立起计算机系统的全貌，识。通过本章学习，应建立起计算机系统的全貌，并对各组成部分的构成和工作原理有一定的认识并对各组成部分的构成和工作原理有一定的认识和理解。应能从总体上理解一个程序经过外部输和理解。应能从总体上理解一个程序经

2、过外部输入、入、CPU处理，最后输出结果的整个流程所涉及处理，最后输出结果的整个流程所涉及的硬件及其工作原理。的硬件及其工作原理。 第三章第三章 计算机硬件体系结构计算机硬件体系结构 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1 计算机系统的构成计算机系统的构成 一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。对一个计一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。对一个计算机系统，硬件就好像是它的身体，软件就好像是它的思想，算机系统，硬件就好像是它的身体，软件就好像是它的思想，两大部分缺一不可。两大部分缺一不可。 硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设

3、备五部分组成。其中：备五部分组成。其中： 中央处理器中央处理器(简称简称CPU)=运算器运算器+控制器控制器 主机主机=中央处理器中央处理器+主存储器主存储器 软件是指各类程序和数据，包括计算机本身运行所需要软件是指各类程序和数据，包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成计算机系统的构成U盘盘3.1.1 计算机的硬件系统计算机的硬件系统计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成计算机系统的构成 冯冯诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储诺依曼型计算

4、机是将程序和数据事先存放在外存储器中，执行时将程序和数据先从外存装入内存，然后让计算器中，执行时将程序和数据先从外存装入内存，然后让计算机在工作时自动从内存取出指令加以执行，这就是存储程序机在工作时自动从内存取出指令加以执行，这就是存储程序的基本原理。的基本原理。 存储程序的主要目标是使计算机执行计算时不需要人工存储程序的主要目标是使计算机执行计算时不需要人工员干预，能自动逐条取出指令并能正确地沿着程序设计的流员干预，能自动逐条取出指令并能正确地沿着程序设计的流程执行指令。冯程执行指令。冯诺依曼提出的这种诺依曼提出的这种“存储程序、用程序控存储程序、用程序控制自动计算制自动计算”的思想以及实现

5、该思想的计算机基本结构，被的思想以及实现该思想的计算机基本结构，被后人称为冯后人称为冯诺依曼计算机结构。符合冯诺依曼计算机结构。符合冯诺依曼结构的计算诺依曼结构的计算机被称为冯机被称为冯诺依曼型计算机。诺依曼型计算机。3.1.2 冯冯诺依曼型计算机的结构诺依曼型计算机的结构计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成计算机系统的构成 冯冯诺依曼计算机体系结构的主要特点：诺依曼计算机体系结构的主要特点： (1) 采用二进制形式表示程序和数据。采用二进制形式表示程序和数据。 (2) 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备

6、五大部分组成和输出设备五大部分组成 。 (3) 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。程序和数据以二进制形式存放在存储器中。 (4)控制器根据存放在存储器中的指令工作。控制器根据存放在存储器中的指令工作。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成计算机系统的构成 由于电子技术及电子工由于电子技术及电子工业的迅速发展，早已将控制业的迅速发展，早已将控制器和运算器做在一起了器和运算器做在一起了(集成集成在一块集成电路芯片上，即在一块集成电路芯片上，即CPU)，这样以来存储程序的，这样以来存储程序的基本原理可用下图表示。基本原理可用下图表示。 任何新技术的产生都有其发展过程，计算机的

7、诞生也是从理论到实任何新技术的产生都有其发展过程，计算机的诞生也是从理论到实现这样一个过程。没有蓝图、没有设想、没有创新，就不会有计算机的现这样一个过程。没有蓝图、没有设想、没有创新，就不会有计算机的发明。正是因为有了图灵机模型，人类才发明了有史以来最伟大的科学发明。正是因为有了图灵机模型，人类才发明了有史以来最伟大的科学工具工具计算机；正是因为有了冯计算机；正是因为有了冯诺依曼体系结构，才形成了现代计算诺依曼体系结构，才形成了现代计算机的主要设计思想。从系统结构来看，现在的微机系统大都采用的是计机的主要设计思想。从系统结构来看，现在的微机系统大都采用的是计算机的经典结构算机的经典结构冯冯诺依

8、曼结构。诺依曼结构。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成计算机系统的构成3.1.3 微型计算机的诞生与发展微型计算机的诞生与发展 一般来说，电子计算机发展历程是以所采用的电子一般来说，电子计算机发展历程是以所采用的电子器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集器件的不同来划分的，即电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模及超大规模集成电路计算机。成电路和大规模及超大规模集成电路计算机。 微型机属于第四代电子计算机产品，其核心部件是微型机属于第四代电子计算机产品，其核心部件是CPU，因此，因此CPU的发展、演变就代表了微机的发展过程。的发展、演变就代表了微机的发展过程

9、。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成计算机系统的构成开始时间开始时间CPU芯片芯片集成度集成度主频主频字长字长(b)197140042300108KHz4197280062500200KHz819788086/80882.9万4.77-10MHz1619828028614.3万6-20MHz1619858038627.5万12.5-33MHz32198980486125万33-133MHz321993Pentium310万60-233MHz321997Pentium 750万233-450MHz321999Pentium III2800万450-800MHz32200

10、0Pentium 44200万400M-3.2GHz32/642012Core i77.31亿3.5GHz-4.0GHz64 CPU按照处理信息的字长分为：按照处理信息的字长分为：4位或位或8位微处理器、位微处理器、16位微处理器、位微处理器、32位微处理器以及位微处理器以及64位微处理器等。现在微位微处理器等。现在微机的机的CPU一般是一般是32位或位或64位的处理器。位的处理器。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成计算机系统的构成第一台微机第一台微机(1971)第一台第一台IBM PC(1981) 第一台真正的个人第一台真正的个人微微机机(1977) 新生事物在诞生时

11、往往是不完善的，但是它揭示了事物发展的必然新生事物在诞生时往往是不完善的，但是它揭示了事物发展的必然趋势。阿尔塔及后来苹果机的诞生，虽然看起来是一只趋势。阿尔塔及后来苹果机的诞生，虽然看起来是一只“丑小鸭丑小鸭”，但，但它适应了信息技术的发展趋势。微型计算机的出现，使现代信息处理装它适应了信息技术的发展趋势。微型计算机的出现，使现代信息处理装置从科学殿堂走出来，进入寻常百姓家。现在，人们的工作、学习和生置从科学殿堂走出来，进入寻常百姓家。现在，人们的工作、学习和生活都与计算机息息相关。使用计算机已经成为一种文化、一种生活方式。活都与计算机息息相关。使用计算机已经成为一种文化、一种生活方式。计算