《计算机系统与网络技术》第一讲-微型计算机硬件基础课件.ppt

1、v教材教材 计算机系统与网络技术（第二版），高等教育出版社计算机系统与网络技术（第二版），高等教育出版社 计算机系统与网络技术实验指导及习题解析（第二计算机系统与网络技术实验指导及习题解析（第二版），高等教育出版社版），高等教育出版社v考试考试&成绩成绩 期末考试期末考试 方式：闭卷方式：闭卷、机考、机考 比例：比例：80%80%平时成绩平时成绩 读书报告读书报告&实验实验报告报告 课堂课堂点名点名&小测验小测验 比例：比例：2020%课程介绍课程介绍v 计算机系统基础计算机系统基础v 网络基础网络基础v TCP/IPTCP/IP工作原理工作原理v 局域网和广域网组建技术局域网和广域网组建技术

2、v 网络管理和安全网络管理和安全v 网络应用网络应用v WebWeb应用开发应用开发主要内容主要内容v 教学教学 每周一次每周一次 （1-161-16周）周）v 实验实验 时间提前一周通知，提交实验报告时间提前一周通知，提交实验报告v 实验内容实验内容 Windows XPWindows XP系统管理系统管理 计算机系统维护计算机系统维护 交换机、路由器认识和配置交换机、路由器认识和配置 组建局域网组建局域网 服务器管理与配置服务器管理与配置 网络管理工具使用网络管理工具使用 WebWeb应用开发应用开发 课程安排课程安排v 基础知识基础知识v 计算机系统结构计算机系统结构v 微型计算机硬件组

3、成微型计算机硬件组成 中央中央处理器处理器 存储器存储器 输入输出接口、设备输入输出接口、设备知识大纲知识大纲v 二进制数与十进制数二进制数与十进制数v 二进制数与十六进制数二进制数与十六进制数数的表示数的表示v 在计算机内部任何数据和程序都是以在计算机内部任何数据和程序都是以二进制二进制的形式存储的形式存储和处理的和处理的v 二进制只有二进制只有0 0和和1 1两种符号，两种符号，逢二进一逢二进一v 二进制的计数有两种基本单位二进制的计数有两种基本单位 bitbit 和和 bytebyte1 byte(B)=8 bits(b)1 byte(B)=8 bits(b)1 1字节字节 =8=8个二

4、进制位个二进制位 例：例：0101110001011100，0000111100001111二进制数二进制数v 1616进制进制 -逢逢1616进进1 1 0909，A(10)A(10)，B(11)B(11)，C(12)C(12)，D(13)D(13)，E(14)E(14)，F(15)F(15)表示方法：在数字后面加上表示方法：在数字后面加上 HHv 例例:2AF5H 2AF5H =5=5*16 160 0 +F +F*16 161 1+A +A*16 162 2+2 +2*16 163 3 =10997=10997 十六进制数表示方法十六进制数表示方法v 在实际表述中经常用在实际表述中经常用

5、十六进制十六进制的形式，其与二进制的对的形式，其与二进制的对应关系为：应关系为：二进制和十六进制转换二进制和十六进制转换每每4 4位二进制数对应一位十六进制数位二进制数对应一位十六进制数v 1 Kilobyte(K/KB)=210 bytes=1,024 bytes 1 Kilobyte(K/KB)=210 bytes=1,024 bytes v 1 Megabyte(M/MB)=220 bytes=1,048,576 bytes 1 Megabyte(M/MB)=220 bytes=1,048,576 bytes v 1 Gigabyte(G/GB)=230 bytes=1,073,741,

6、824 bytes 1 Gigabyte(G/GB)=230 bytes=1,073,741,824 bytes v 1Terabyte(T/TB1Terabyte(T/TB)=)=240bytes=1,099,511,627,776 240bytes=1,099,511,627,776 bytesbytes计算机使用的容量单位计算机使用的容量单位v 字：字：由若干个字节构成，字的位数叫做字长，不同档次由若干个字节构成，字的位数叫做字长，不同档次的机器有不同的字长。的机器有不同的字长。v 例：例：8 8位机，位机，1 1个字个字 =1=1个字节，字长：个字节，字长：8 8位位 1616位机，位

7、机，1 1个字个字 =2=2个字节，字长：个字节，字长：1616位位 6464位机，位机，1 1个字个字 =8=8个字节，字长：个字节，字长：6464位位v 字是计算机一次数据处理和运算的单位，字是计算机一次数据处理和运算的单位，是计算机性能是计算机性能的一个重要指标的一个重要指标。字（字（wordword）v 基础知识基础知识v 计算机系统结构计算机系统结构v 微型计算机硬件组成微型计算机硬件组成 中央中央处理器处理器 存储器存储器 输入输出接口、设备输入输出接口、设备知识大纲知识大纲v 冯诺依曼冯诺依曼 (Von Neumann)(Von Neumann)v“计算机计算机”定义定义设备设备

8、:接收输入接收输入 处理数据处理数据 存储数据存储数据 产生输出产生输出体系结构体系结构冯诺依曼结构冯诺依曼结构 Memory Output Input ALU Control unit Data flowData flow Control signalControl signal 1.1.五个部分组成五个部分组成 输入输入 输出输出 存储器存储器 计算逻辑单元计算逻辑单元 控制单元控制单元2.2.三个关键概念三个关键概念:指令和数据存放在同一个可读写的存储器之中指令和数据存放在同一个可读写的存储器之中存储器单元可以被寻址，而不管里面存放什么类型的数据存储器单元可以被寻址，而不管里面存放什么类

9、型的数据程序总是自上而下的串行执行程序总是自上而下的串行执行I/OCPUMemory哈佛结构 超级计算机超级计算机（SupercomputerSupercomputer）速度速度最快、功能最最快、功能最强。数千强。数千上万个处理器组成，每秒千亿次以上浮点运算。上万个处理器组成，每秒千亿次以上浮点运算。超超大型的科学计算，如数值气象研究、生物信息、地震地质等，大型的科学计算，如数值气象研究、生物信息、地震地质等，我国：我国：“银河银河”、“神威神威”、“曙光曙光”“天河天河”。大型机（大型机（MainframeMainframe）专用处理器和操作系统，强大的数据处理专用处理器和操作系统，强大的数

10、据处理能力能力，一般做大一般做大中型中型企事业单位中央企事业单位中央主机。主机。目前最常见的大型机主要是目前最常见的大型机主要是IBMIBM的的Z Z系列系列 小型机小型机（MinicomputerMinicomputer）介于微型机和大型机之间的一种高性能计算机介于微型机和大型机之间的一种高性能计算机。微型计算机微型计算机 （MicrocomputerMicrocomputer）体积小，软件丰富，功能齐全，价格便宜，兼容性体积小，软件丰富，功能齐全，价格便宜，兼容性好。好。单片机单片机微处理器微处理器、主存储器和、主存储器和I/OI/O接口等部件集成在一个芯片上，接口等部件集成在一个芯片上，

11、体积小、功耗低、控制功能强、扩展体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活，灵活，工业控制工业控制、网络通信设备、汽车和家电等各类嵌入式系统、网络通信设备、汽车和家电等各类嵌入式系统。计算机硬件系统分类计算机硬件系统分类按规模按规模v 服务器服务器 具有具有较高计算能力，并为用户提供较高计算能力，并为用户提供服务。服务。大型机大型机、小型机和、小型机和PCPC都可以都可以作服务器作服务器。v 工作站工作站 为为专业领域设计开发的高性能计算机专业领域设计开发的高性能计算机，通常通常配置高分辨率显示屏幕和大容量存储器，具有配置高分辨率显示屏幕和大容量存储器，具有强大的数据运算强大的数据运算与图形、图像处

12、理与图形、图像处理能力能力，以以满足满足工工程设计、动画制作、科学研究、金融管理等专业领程设计、动画制作、科学研究、金融管理等专业领域的应用需求。域的应用需求。v 终端终端 最终最终用户直接使用的各种计算机设备，也称为客户用户直接使用的各种计算机设备，也称为客户端。端。计算机硬件系统分类计算机硬件系统分类-按工作按工作模式模式微型计算机硬件组成微型计算机硬件组成中央处理器（中央处理器（CPU:CPU:Central Processing UnitCentral Processing Unit）内内/外存储器外存储器输入输出设备输入输出设备（I/OI/O设备）设备）输入输输入输出接口出接口（I/

13、OI/O接口）接口）总线总线v 基础知识基础知识v 计算机系统结构计算机系统结构v 微型计算机硬件组成微型计算机硬件组成 中央中央处理器处理器 存储器存储器 输入输出接口、设备输入输出接口、设备知识大纲知识大纲中央处理器内部结构中央处理器内部结构计算机的核心部件，主要由运算器、控制器和寄计算机的核心部件，主要由运算器、控制器和寄存器组存器组成。成。寄存器寄存器（RegisterRegister）:CP:CPUU内部的高速内部的高速存储部件，容存储部件，容量很小，用来量很小，用来暂存指令、数暂存指令、数据和地址。据和地址。v 算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元（ALU:Arithmetic ALU

14、:Arithmetic Logic Logic UnitUnit）v 进行算术运算、逻辑运算的部件进行算术运算、逻辑运算的部件v 核心部件：全加器核心部件：全加器v 基本运算基本运算 两数相加、两数相减、两数相加、两数相减、把一个数左移或右移一位，把一个数左移或右移一位，比较两个数的大小，比较两个数的大小，将两数进行逻辑将两数进行逻辑“与与”、“或或”、“异或异或”运算，逻辑运算，逻辑“非非”运算运算 运算器运算器 寄存器存储要计算的数据寄存器存储要计算的数据4,54,5 控制器向运算器发运算指令控制器向运算器发运算指令 ALUALU执行运算，执行运算，算术运算结果算术运算结果9 9放置在放置

15、在AccumulatorAccumulator（累加器累加器）累加器的数据可以送入内存中或累加器的数据可以送入内存中或用来继续运算用来继续运算运算器工作步骤运算器工作步骤举例：计算举例：计算 4+54+5v 控制计算机进行运算及指挥各个部件协调工作，包括：控制计算机进行运算及指挥各个部件协调工作，包括：指令寄存器指令寄存器和指令译码器和指令译码器 时序时序部件和操作控制部件部件和操作控制部件 控制器控制器v 计算机指令是计算机计算机指令是计算机硬件能够识别并直接执行的操作命硬件能够识别并直接执行的操作命令令，又称为机器指令，又称为机器指令 明确规定做什么，怎么做明确规定做什么，怎么做 v 每种

16、类型的处理器都有自己的指令系统每种类型的处理器都有自己的指令系统 处理器能够直接执行的指令的集合处理器能够直接执行的指令的集合 IntelPentiumIntelPentium III III以上以上，SSE(Streaming SSE(Streaming SIMD Extensions)SIMD Extensions)指令集指令集 IntelIntel酷睿酷睿i7i7，AVXAVX（Advanced Vector ExtensionsAdvanced Vector Extensions）指令指令v 指令的组成：指令的组成：操作码：计算机要执行哪种操作码：计算机要执行哪种操作操作 传送传送、运

17、算、移位、跳转等、运算、移位、跳转等操作操作 不可不可缺少的组成部分缺少的组成部分 操作数：指令执行的操作数：指令执行的参与者参与者 一个或两个操作数一个或两个操作数 可以有可以有3 3个甚至个甚至4 4个操作数个操作数 可以缺省可以缺省 v 指令的标准格式指令的标准格式指令格式指令格式例如：例如：JMPJMP M1 M1ADDADD REG1 REG2 REG1 REG2指令的执行过程指令的执行过程 控制器从内存取指令送至控制器从内存取指令送至CPUCPU 对取入的指令进行分析译码对取入的指令进行分析译码 控制器按照指令要求发出控制信号控制器按照指令要求发出控制信号 获取指令所需的操作数获取

18、指令所需的操作数 执行相关的操作执行相关的操作 v 指令周期：完成一条指令的指令周期：完成一条指令的时间时间v 分为分为“取指周期取指周期”和和“执行周期执行周期”v CPUCPU自动地一条接一条地连续执行指令自动地一条接一条地连续执行指令 指令周期指令周期取指周期取指周期执行周期执行周期v 多级存储多级存储v 速度，容量，单位价格速度，容量，单位价格高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（cachecache）位于位于CPUCPU和主存之间和主存之间通常封装于通常封装于CPUCPU内部内部缓存缓存CPUCPU需要使用的数据需要使用的数据vCPU CPU 访问时间，单位为时钟周期访问时间，单位为时钟周

19、期寄存器：寄存器：1 1个时钟周期个时钟周期高速缓存：几个时钟周期高速缓存：几个时钟周期内存：几十或几百个内存：几十或几百个高速缓存功能高速缓存功能命中（命中（hithit）：）：CPUCPU从从CacheCache中获得了所需的数据中获得了所需的数据v 流水线技术（流水线技术（PipeliningPipelining）v 超标量技术（超标量技术（SuperscalarSuperscalar）v 分 支 预 测（分 支 预 测（B r a n c h P r e d i c t i o nB r a n c h P r e d i c t i o n）和 推 测 执 行）和 推 测 执 行（S

20、peculation ExecutionSpeculation Execution）技术）技术v 乱序执行技术（乱序执行技术（Out-of-Order ExecutionOut-of-Order Execution）v 超线程技术（超线程技术（Hyper-ThreadingHyper-Threading）v 多核心处理器技术多核心处理器技术微处理器的实现技术微处理器的实现技术v 基本思想：把基本思想：把一个重复的过程一个重复的过程分解分解为若干个为若干个子过程子过程，每，每个子过程与其它子过程个子过程与其它子过程并行并行进行。进行。v 与工厂中的与工厂中的生产流水线结构生产流水线结构十分相似，

21、因此称为流水线十分相似，因此称为流水线结构与技术结构与技术 v 计算机中的流水线技术：在计算机中的流水线技术：在程序执行时多条指令重叠进程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准行操作的一种准并行处理并行处理实现技术。实现技术。流水线技术流水线技术流水线技术流水线技术-续续v 假设生产一件产品需要假设生产一件产品需要4 4道工序，同样是生产道工序，同样是生产NN件产品，件产品，流水线生产方式与非流水线方式所用的时间比较如图流水线生产方式与非流水线方式所用的时间比较如图:(a)(a)非流水线生产方式非流水线生产方式 (b)(b)流水线生产方式流水线生产方式 非流水线方式每非流水线方式每4 4分钟才有

22、分钟才有一件产品生产出来一件产品生产出来;而流水线方式中，当流水线而流水线方式中，当流水线充满后充满后,每隔一分钟就有每隔一分钟就有一件产品生产出来，生产效一件产品生产出来，生产效率提高了几倍率提高了几倍v CPUCPU的工作也可以大致分为的工作也可以大致分为指令的获取指令的获取、指令译码指令译码、取取操作数操作数和和执行执行四四个个步骤。步骤。流水线技术流水线技术-续续1 11 11 11 12 22 22 22 23 33 33 33 34 44 44 44 4执行执行取操作数取操作数指令译码指令译码取指令取指令t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4t t5 5t t6 6t t

23、7 7空间空间时间时间v 在一个时钟周期内在一个时钟周期内CPUCPU可以执行一条以上的指令。可以执行一条以上的指令。v CPUCPU内部有内部有多条多条的流水线的流水线，并行执行，并行执行 算术算术逻辑单元逻辑单元 地址地址生成器生成器 缓存缓存接口接口 内部内部寄存器寄存器 执行执行单元单元超标量技术超标量技术2 21 14 43 3指令分析部件指令分析部件1 1t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4t t5 5空间空间时间时间2 21 14 43 32 21 14 43 32 21 14 43 3指令分析部件指令分析部件2 2指令分析部件指令分析部件1 1指令分析部件指令分析部

24、件2 2指令分析部件指令分析部件1 1指令分析部件指令分析部件2 2指令分析部件指令分析部件1 1指令分析部件指令分析部件2 2v CPUCPU内部有内部有多个逻辑处理器，并行多个逻辑处理器，并行执行执行v 多多线程软件在系统平台上平行处理多项线程软件在系统平台上平行处理多项任务任务v 处理器处理器的资源利用率平均可提升的资源利用率平均可提升4040%超线程技术（超线程技术（HTHT）无超线程技术无超线程技术有超线程技术有超线程技术v CPUCPU内部有内部有多个物理处理器，并行执行多个物理处理器，并行执行多核心技术多核心技术v 由不同容量、成本和访问时间的存储设备多级层次结构由不同容量、成本

25、和访问时间的存储设备多级层次结构存储器体系存储器体系更大、更慢、更大、更慢、更便宜的设备更便宜的设备更小、更快、成更小、更快、成本更高的设备本更高的设备本地磁盘、本地磁盘、CDCD、DVDDVD等设备等设备远程存储设备远程存储设备v 连接微处理器、存储器和输入输出接口等装置或功能部件连接微处理器、存储器和输入输出接口等装置或功能部件v 传送信息（信号）的公共通道，可传送定长的字节块传送信息（信号）的公共通道，可传送定长的字节块（wordword）v 数据总线、地址总线、控制总线数据总线、地址总线、控制总线总线总线数据总线数据总线（Data BusData Bus）地址总线（地址总线（Addre

26、ss Address BusBus）控制总线（控制总线（Control Control BusBus）数据内容数据内容将将CPUCPU发出的控制信号传送给其它被控部件，发出的控制信号传送给其它被控部件，同时将其它部件的状态信号返回同时将其它部件的状态信号返回CPUCPU。数据总线与控制总线是双向的，而地址总线是单向的。数据总线与控制总线是双向的，而地址总线是单向的。微处理器、存储器和输入输出接微处理器、存储器和输入输出接口三者之间的数据传输。口三者之间的数据传输。用于用于CPUCPU向存储器和向存储器和I/OI/O接口传送地址信息。接口传送地址信息。v CPUCPU的数据总线无法直接与各个外部

27、设备相连接的数据总线无法直接与各个外部设备相连接 必须通过一个中间环节对数据信息进行相适应的变换必须通过一个中间环节对数据信息进行相适应的变换输入输出接口输入输出接口外部设备种类外部设备种类输入信号输入信号输出信息输出信息-机械式机械式-电子式电子式-电动式电动式-数字量数字量-模拟量模拟量-开关量开关量-图像图像-声音声音-打印打印v 数据隔离数据隔离 使各个外设与使各个外设与CPUCPU进行数据传送时互不干扰；进行数据传送时互不干扰；v 数据缓冲数据缓冲 协调协调CPUCPU与与外设速度外设速度不匹配的矛盾；不匹配的矛盾；v 数据变换数据变换 在输入与输出时对不同模式的数据进行转换在输入与输出时对不同模式的数据进行转换；v 提供外围设备和接口的状态提供外围设备和接口的状态 以便以便CPUCPU更好地控制各种外部设备更好地控制各种外部设备；v 实现主机与外围设备之间的通信联络控制实现主机与外围设备之间的通信联络控制 输入输出接口功能输入输出接口功能v 输入设备输入设备 -从外界将数据、指令等输入到微机的内存从外界将数据、指令等输入到微机的内存v 输出设备输出设备 -将微机处理后的结果信息转换为外界能够使将微机处理后的结果信息转换为外界能够使用的数字、文字、图形、声音用的数字、文字、图形、声音 输入输出设备输入输出设备