搜索
翻译：计算机英语（第二版）姜同强——第二章第2章计算机系统的组成原理本章主要介绍基本计算机系统的组成，包括计算机组成简介、系统总线、CPU组成、存储器子系统组成和输入/输出（I/O）子系统组成。2.1计算机组成简介计算机系统有硬件系统和软件系统组成。计算机硬件系统通常被分为3个主要部分或子系统：CPU\存储子系统和I/O子系统，如图2-1所示。，CPU提供许多操作和控制计算机的功能．存储子系统用于存储被CPU执行的程序及其数据．I/O子系统可使CPU和输入/输出设备（比如个人计算机的键盘和显示器等）交互．计算机的所有部件都通过总线相连．我们首先介绍系统总线．2.2系统总线物理上．总线就是一束金属线．它们被用于连接计算机系统的各个部件．从一个部件向其他部件发送信息时，源部件输出数据到总线，目的部件从总线输入相应的数据．随着计算机系统复杂性的增加，使用总线比各个设备直接相连更加有效．使用总线比大量的直接连接需要更小的电路板空间和电力，组成CPU的芯片或芯片组则需要更少的引脚．,1．地址总线在图中有3种系统总线．图中最上面的总线是地址总线．当CPU从存储器中读写数据或指令时，它必须指定CPU要访间的存储单元的地址．CPU输出地址到地址总线，存储器从地址总线输入地址并用此地址存取正确的存储单元．每一个I/O设备，比如键盘、显示器或磁盘驱动器都有一个惟一地址．当访问一个I/O设备时，CPU输出I/O设备的地址到地址总线．每一个设备都可读取地址并判定是否是CPU所需要的设备．与其他总线不同，地址总线总是从CPU接收数据，而CPU从不读取地址总线．2．数据总线数据通过数据总线进行传输．当CPU从存储器中读取数据时，它首先输出该存储器的地址到地址总线，然后存储器将数据输出到数据总线，CPU可以从数据总线读取数据。当向存储器写数据时，CPU首先输出地址到地址总线，然后输出数据到教据总线．这样存储器就可以正确地读取数据并存放在正确的位置．I/O设备读取数据和写数据的过程是相似的．3．控制总线控制总线与其他两种总线不同．地址总线由n条线组成，以组合传输一个n位的地址值．与此相似，数据总线的线路也是协同工作以传输单个多位的值．与此不同，控制总线由独立的控制信号组成．这些控制信号指示数据是否读入CPU或从CPU写出，控制CPU是访问存储器还是I/O设备，判断存储器或I/O设备是否准备好传输数据．尽管这种总线确实是由单向信号组成的，但大多数信号是CPU输出到存储器和I/O子系统，少数是由这些子系统输出到CPU.系统可以具有总线型的层次结构．例如，用地址总线、数据总线和控制总线可以访问存储器和I/O控制器．反之，I/O控制器可以使用第二总线(通常被称为I/O总线或局部总线）访间所有I/O设备．在个人计算机中比较常见的一个局部总线是PCI总线．2.3CPU组成在计算机中用于完成数据处理的部件称为中央处理器，简称CPU．在微型计算机中常称为微处理器．CPU主要由3部分组成，如图2一2所示．1.寄存器组寄存器组存储指令执行过程的中间数据．顾名思义，寄存器组包括一组寄存器和一个总线或其他的通信设备．系统地址总线和数据总线与CPU的这个部件交互．寄存器组还包括其他不被程序员直接访间的寄存器．相对简单的CPU包含地址寄存器，临时存储寄存器和其他不是指令系统结构组成部分的寄存器．2．ALU算术逻辑单元（ALU）提供大多数的算术和逻辑操作，比如“加’或“与’操作．它从CPU的寄存器组中接收操作数并将结果返回到寄存器组中．由于ALU必须在单个时钟周期内完成运算，所以ALU仅使用一个组合逻辑来构成．3．控制器．控制器（CU）控制寄存器之间的信息传输和指示ALU完成操作．这个控制器产生内部控制信号以使寄存器调用数据、增加或清除其内容，输出其内容，并且使ALU执行正确的功能．控制器接收来自寄存器组的一些数据值，并以此产生控制信号．这些数据包括指令代码和一些标记寄存器的值．控制器还产生系统控制总线的信号，比如READ2.ROMROM芯片是为数据只读的应用程序而设计的。这些芯片在被加入到计算机系统之前．通过外部编程器来写入数据。一旦完成．数据通常是不变的。ROM芯片适用于这种情况．因为它具有非易失性．即当断电时存储在ROM中的指令记录不会消失．当开机时．在ROM中固定程序引导计算机．为了引导计算机．ROM首先告诉CPU检测与计算机相连的输入、输出和存储设备．然后指示CPU检测磁盘是否包含可以让用户开始发出命令的操作系统软件。在典型的个人计算机中ROM还有多种自检程序以便于很容易地诊断和修复硬件错误。根据固化程序的方式和时间长短．ROM芯片被分为几种不同的类型。(l）掩模ROM掩模ROM．或简单的ROM．在制作芯片时程序数据就被固化．制造这些芯片的掩膜技术设计时内都需要使用数据硬连线．这些芯片对那些批量生产并且一旦装入数据便不可改变的用户产品非常有用。并且一旦生产完毕．数据不能再更改．(2)PROMPROM是可编程的ROM。与ROM不同．PROM可以由使用任何标准的PROM的程序员来编写程序。与硬连线相比．PROM有一系列类似于熔丝的内部连接．向PROM编写数据本质上是熔断指定的熔丝以使存储器的侮一个字存储正确的值．因为这些熔丝一旦熔断就不可恢复．PROM仅能编写一次．这些芯片适用于制造原型．也适用于可以使用ROM但考虑到ROM掩膜的成本，不能提供足够数量存储单元的应用。（3）EPROMEPROM是可擦写的PROM．顾名思义．EPROM像PROM一样可编写．但它的内容可擦除并可重新编写．编写EPROM类似于给电容器充电。已充电和未充电的电容器使存储器中的每个字能存储正确的值．这些芯片在表面有一个小的透明窗口，芯片放在紫外线下照射导致电容器泄漏电荷而被擦除．这样就可以重新设置．芯片内容．当使用时．这个窗口通常用不透光的胶布盖着以防止任何室内灯光或日光的紫外线不经意间破坏芯片内容．尽管它们是可擦写的．但常用于数据不变的应用中.EPROM通常用于产品开发实验室和原型等场合。(4)EEPROM或（PROM)EEPROM．有时表示为PROM．是电擦写PROM．除了其内容是通过电而不是紫外线来擦写和重新编写外．它的工作方式与EPROM相同．与EPROM的必须全部擦除再重新编写不同．EEPROM可以更改个别单元而其他单元不变．另外，重新编写一个EEPROM只需几秒种．擦除一个EPROM则需大概20分钟．EEPROM适用于内容较少更改的应用．只要系统电路中含有具有重写芯片的可编程硬件．EEPROM常用于个人计算机的基本输入/输入系统或BIOS．芯片通常不更改．除非新版本的软件应用时．BIOS被更改一次或两次。（5）快闪EEPROM(flashEEPROM)一种特殊类型的EEPROM被称为快闪EEPROM，它是以电擦除方式擦除大块数据．而不是独立的单元。它非常适用于写大量数据和用作固态硬盘．也被用于数码相机的数据存储．快闪EEPROM仅能有限次地重写数据．这在当前限制了它在计算机系统中的广泛使用。不同大小的RAM和ROM芯片是通用的．如果计算机需要比一个芯片更大容量的存储器．那么就有必要组合多个芯片来满足存储器容量需要，2.4.2存储器分级体系存储器分级体系包括在计算机系统中的所有存储设备．从低速但容量高的辅助存储器到相对较快的主存．到更小更快的可接近高速处理逻辑的高速缓冲存储器．典型的存储器分级体系的组成如图2一所示．直接与CPU通信的存储器被称为主存。提供备用存储的设备被称为辅助存储器。在计算机系统中最常见的辅助存储器是磁盘和磁带。它们用来存储系统程序、大的数据文件和其他备份信息．只有CPU需要的程序和数据放在主存中．所有其他的信息存放在辅助存储器中．当需要时才被传送到主存中。当CPU需要没有驻留在主存中的程序时．这些程序从辅助存储器中调入，当前在主存中不需要的程序被传送到辅助存储器以便为当前使用的程序和数据提供空间。有时可以使用一种被称为高速缓存（cache）的存储器使CPU可以快速地存取当前的程序和数据．从而在计算机系统中使用高速缓存以弥补主存的存取时间和处理器之间的速度不同。CPU通常比主存的存取时间要快．以致处理速度主要受限于主存速度，为了弥补操作速度的不匹配．在CPU和主存之间采用伴常快的小容量高速缓冲存储岩．它的存取时间接近于处理器的逻辑时钟周期。高速缓冲存储器用于存储当前正在CPU中被执行的程序段和当前计算需要的常用临时数据。通过使程序和数据在高速率下可用．提高计算机性能就成为可能．如图2一3所示．CPU可直接访问高速缓冲存储储和主存，但不能直接访问辅存．在存储储分级体系中．每个组成部分位于不同的层次上．由于经济原因在存储器分级体系中有两层或只层．随着存储器存储容量的增大，存储每一位二进制信息的成本下降了．但存储器的存取时间加长了．辅存容量大并且相对便宜．但与主存相比存取速度慢．高速缓冲存储器容量小．相对较贵．但有非常高的存取速度。这样随着存储器存取速度的提高．相关费用也提高了．使用存储器分级体系的总目标是在最小化整个存储系统的全部成本的同时获取尽可能高的平均存取速度。2.5I/O子系统组成本节主要介绍I/O设备、I/O接口和传输模式．2.5.1．I/O设备1.键盘计算机键盘最初的设计目的是模仿打字机．从而使打字员更容易学会使用计算机．但是计算机技术的需要导致键和键盘布局不再像以前打字机上看到的那样．打字机仅有50个键．而计算机键盘有100个或更多键。计算机键盘上的键通常分为4类：字母数字键、功能键、光标键和数字键。字母数字键包括字母、数字和标点符号，它们排列得很像打字机上的键。功能键是标有Fl、FZ等一直到F12或F15的键，它们用于给出像打印或退出程序等的普通命令．每个功能键的精确定义随程序不同而不同．光标键用于在屏幕上移动光标．光标是小的闪烁符号．它在屏幕上显示将要发生事情的位置．当击键时．光标一直在最后键入的字符的右边闪烁．光标键包括上移、下移、左移和右移箭头键．还包括上翻页、下翻页、开头和结尾键．数字键区包括在标准计算器上有的数字键。2.鼠标鼠标之所以流行是因为指向比击键更容易．也因为箭头键在屏幕上画图或移动不方便．鼠标有一个塑料房状的外壳．外壳下有一滚动球．外壳上面有一个或多个按钮．当在桌面上移动鼠标时．内部的传感器记录球的滚动并在屏幕上将光标移动到相应位置。使用鼠标发送命令有3种方式：第一种，可以单击按钮来标识某一位置——可能是指出图片的哪一部分需要修改．第二．可拖动鼠标．也就是说，当移动鼠标时可以一直按住按钮．拖动它可以在屏幕上移动图画。第三种方式是双击鼠标．即在大约半秒内连按两次按钮．双击用于在屏幕上选择某些对象．当然在所有的指示工具中最简单的是手指．事实上．触摸屏广泛用于商场的广告显示、信息亭、抽奖游戏机和其他不需要用户非常熟悉计算机的场合．在这些机器上．只需触摸显示屏上想选择的部分．就像按售货机上的按钮一样。依靠触摸屏上使用的传感方法．手指可以打断保护屏幕表面的红外线网络．这样会告诉计算机所指的位置．3．监视器监视器或显示屏提供方便的但临时的方法来观看信息。最早的计算机监视器只是转换电视信号．当普通电视还被用于打电子游戏时．现代大多数计算机程序已要求更高质量的监视器．获得更好的监视器有两条路径：提高类电视屏的质量和开发平面显示器。4.打印机不同种类的计算机打印机使用不同的技术．有的打印机使用喷墨技术；有的使用热感技术；有的使用击打色带技术；还有的使用激光产生图像。激光打印机通过快速旋转的八角形镜子反射激光束到光敏滚筒上来工作．喷墨打印机通过喷出细小的墨水滴到纸上来工作。点阵式打印机的特征是一个可移动的装有一排小针头的打印头．针头打击色带到纸上以产生圆点的矩阵（或图案）．当打印头在纸上来回移动时．圆点可以形成字符或图片。5．调制解调器调制解调器（modem〕是调制器-解调器的缩写．它用于计算机之间的通信，调制解调器将计算机的电子脉冲转换成电话线可以传输的格式．当信号到达目的计算机时．另一个调制解调器将信号重新转换为计算机可以识别的格式．有的调制解调