1 计算机的基本结构和工作原理

DEC公司推出的Alpha 211，IBM、Motorola、Apple三家公司 联合推出的Power-PC体系结构均为64为微处理器芯片
衡量CPU性能的主要技术指标有：
（1）CPU字长 指CPU内部各寄存器之间一次能够传送的数 据位，即在单位时间内能一次处理的二进制数的位数。该指标 反映CPU内部运算处理的速度和效率。
2. 只读存储器（Read Only Memory，ROM）两类。 只读存储器是一种只取不存的存储器。一般由计算机制造 厂家将信息写入ROM中，用户是无法修改的。即使停电， ROM中的信息也不会丢失，是非易失性存储器。
（2）高速缓冲存储器（Cache）
CPU
Cache
RAM
Cache设立的依据是程序访问的局部性原理，即在一个较短 时间间隔内，CPU执行的指令和处理的数据往往集中存放在 存储器的局部范围内，对该局部范围的存储器地址访问频
（2）累加器A 这是一个使用相对频繁的特殊的通用 寄存器，有重复累加数据的功能。
（3）程序计数器PC 存放将要执行的指令的地址。
（4）指令寄存器IR 存放根据PC的内容从内存储器 中取出的指令。
3）存储器
存储器（Memory）是有记忆能力的部件，用来保存程序和数 据。
内存储器（也称主存储器，简称内存或主存）可以和CPU直接 相连，用来存放当前要执行的程序和数据，以便快速向CPU提 供信息。内存储器一般采用半导体材料制造。 外存储器（也称辅助存储器，简称外存），一般需要通过特 殊接口与CPU连接。外存储器用来存放当前暂不参加运行而又 需要长期保留的程序和数据。存放在外存的程序必须调入内 存才能运行。软盘、硬盘和光盘都属于外存储器。
控制器
图4.2 冯·诺依曼计算机结构示意 图
1）运算器
运算器又称算术逻辑部件（ALU——Arithmetical Logic Unit），是进行算术运算和逻辑运算的部件。
算术运算：指按照算术规则进行的运算，如加、减、乘、 除、求绝对值等；
逻辑运算：泛指非算术性质的运算，如比较大小、移位、 逻辑加等。
大学计算机基础
第一讲 4.1 计算机的基本结构
4.1.1 计算机的逻辑（功能）结构
一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的， 人类通过计算机软件使用计算机。通过软件的包装，人们可以 不必太多地了解机器本身的结构与原理，就可以方便灵活地使 用计算机。
认识和解软件系统中的各种概念，以及各种操 作要求的必然性。从而，深刻认识计算机及其操作使用。
计算机的各个功能部件是通过总线实现相互通信的，总 线的主要特征是共享传输介质。 接口是外部设备与计算机连接的端口。 1. 总线分为三种： （1）数据总线DB（Data Bus） 用来传送数据，其位数一 般与微处理器字长相同。数据总线具有双向功能。通过它可 以实现CPU （2）地址总线AB（Address Bus）用来传送地址信息。它是 单向传送的，用来把地址信息从CPU单向地传送到存储器或 I／O接口，指出相应的存储单元或I／O设备。16位AB能直 接寻址的存储空间为216，存储地址编址范围为0000H～ FFFFH
寄存器 高速缓冲存储器 主存储器 辅助存储器（软盘、硬盘、光盘） 辅 助 存 储 器 （光盘、 磁带）
暂存中间结果
Cache 通常指内存
与CPU的通信 需要经过专门 的接口
内存按其功能特征可以分为：
1. 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM） 可以被随机访问，大多采用MOS型半导体集成电路芯
6）总线（BUS）
就是计算机各部件之间传送信息的公共通道，使构成计算 机的各功能部件成为一个可工作的系统，
CPU
内存
I/O控制器 外存储器
总线 输入设备 输出设备
图4.3总线与各功能部件的连接示意图。
4．1．2 微型计算机的组成
1）CPU
1971年，Intel 公司把运算器和逻辑控制功能集成在一起， 用一片芯片实现了中央处理器的功能，制成了世界上第一片 微处理器（MPU —— Micro Processing Unit）Intel 4004。 它再加上存储器组成了4位微型电子计算机MCS-4，随后， 许多公司竞相研制微处理器，相继推出了8位、16位、32位 微处理器。
b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 其中b7 是最高位，b0是最低位。 字节是信息存储的基本单位，存储单元的地址也通常按字节 编排。 （3) 字(Word)：又称计算机字，是可作为独立的信息单位进行 处理的若干位的组合，其包含的二进位个数称为字长。字长一 般是字节的整数倍。
存储器的容量指它能存放的二进制位或字节数，常用的计量 单位有KB（千字节，K为210），MB（兆字节，B为220），GB （千兆字节，G为230
（3）工作频率 CPU的工作频率也称为CPU的主频，指CPU 内核电路的实际运行频率，主频越高，其处理速度也越快。
（4）CPU的生产工艺技术 通常用µm来描述，精度越高表 示其生产工艺越先进，在同样体积的硅材料上可以集成的元件 也越多，主频也越高。
2）内存储器
内存一般使用半导体材料制造，存取速度较快，容量较小， 成本较高；而外存通常以磁性材料和其他材料制造，容量较 大，速度较慢，成本较低。
（2）运算速度 用每秒钟能够执行多少条指令来表示。通常 用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并以MIPS（Million Instructions Per Second）作为计量单位；或用每秒浮点运算 次数FLOPS（ Floating Point Operation Per Second）来表示。
硬件（Hardware）系统是构成计算机的物理装置，是看得 见、摸得着的一些实实在在的有形实体。硬件是整个系统运行 的物理平台，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精 度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置。
计算机系统
计算机硬件系统 计算机软件系统
主机
外部设备 系统软件 应用软件
中央处理器
内存储器 外存储器 输入设备 输出设备
1981年美国IBM公司推出采用Intel微处理器芯片的IBM PC （personal computer）个人计算机，随后又相继推出IBM PC XT、PC 286、386、486、Pentium和Pentium Pro等一系列微 型计算机。
Apple公司一直坚持开发自己的PC机系列，如AppleⅠ和 AppleⅡ等8位PC机以及包括多种机型的Macintosh（简称Mac） 系列，以其独特的界面风格，在16位和32位PC机市场上也占 有一席之地。
（3）控制总线CB（Control Bus）用来传输控制信号。这些 控制信号控制着计算机按一定的节拍，有规律地自动工作。 控制总线的多少因不同性能的CPU而异。
目前微型计算机上常见的总线结构有：
① ISA（Industry Standara Architecture）总线 ISA是工业标准结构总线，数据传送宽度是16位，工作频 率为8MHz，数据传输速率最高为8MB/s，寻址空间为1MB。 它在80286至80486时代广泛应用，现在的机器中也还保留 有ISA总线插槽。 ② PCI（Peripheral Component Interconnect）总线 外部设备互联总线PCI，也称局部总线，它在CPU与外部设备 之间提供了一条独立的数据通道，使每种设备都能直接与 CPU联系，各种设备都能同时工作。数据传送宽度是32/64位，
运算器在控制器的控制下，对取自内存储器的数据进行算 术和逻辑运算。在计算机中，各种复杂的运算被分解为一系 列算术运算和逻辑运算，由ALU执行。运算器每次执行什么操 作是由当前指令的操作码来确定的。
2）控制器
控制器（Controller）是计算机的控制指挥中心，计算 机的神经中枢。它的基本功能是从内存储器中取出指令 并对指令进行分析、判断，并根据指令发出相应的各种 控制信号，使计算机的有关设备或电子器件有条不紊地 协调工作 ，保证计算机能自动、连续地工作。
繁，而此范围外的地址访问较少。如果把在一定地址范围 内被频繁访问的指令和数据从内存复制到Cache中，当CPU 要访问内存中的数据时，先在Cache中进行查找，若Cache 中有CPU所需的数据（称为“命中”），CPU就直接从 Cache中读取；否则再从内存中读取，并将与该数据相关的 一部分内容复制到Cache中。这样在一个时间间隔内，CPU 将不会或很少去访问速度较慢的内存，可以加快程序的运 行。
美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（Von Neumann）
在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想， 可以归纳为如下几点：
（1）计算机硬件设备由存储器、运算器、控制器、输入 设备和输出设备五大基本部件组成，并对其基本功能做了 规定。
（2）计算机内部采用二进制数码来表示指令和数据，每 条指令由一个操作码和一个地址码组成，其中操作码表示 所做的操作性质，地址码则指出被操作数在存储器中的存 放地址。
存储器的操作有写入操作和读出操作两种：
将信息存入存储器谓之“写入”（Write）； 从存储器取出信息称为“读出”（Read）。
为了便于对存储器中存放的信息进行管理，整个内存被划分 成许多存储单元，每个存储单元都有一个编号，此编号称为 地址（Address）。
位、字节 、字等
（1） 位(bit，缩写为b)：二进制的每一位(“0”或“1”)是二进 制信息的最小单位。 （2） 字节(Byte,缩写为B)：一个字节由8位二进制代码组成，
3）系统主板
图4.8是系统主板的布局结构。
主板上的部件包括控制芯片组、CPU、 Cache、BIOS芯片、I/O接口、内存储 器插槽、总线扩展槽、键盘和鼠标接 口、软盘接口、IDE（ATA）接口（用 于连接硬盘和光驱）、可充电电池以 及各种开关和跳线等。一体化主板上 还有多媒体和通信设备接口。
4）总线与接口
中央处理器即CPU（Control Processing Unit ）：控制 器和运算器合称为CPU，是计算机的核心部件。CPU中还 包括若干寄存器，用来存放运算过程中的各种数据、地 址或其他信息。