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1、第二章 计算机组成原理,一. 计算机的发展（4 代）,1,(一) “代”的划分是以计算机的主机所使用的元器件为依据 (二) 1946 年，世界上第一台电子数字计算机“埃尼阿克”(ENIAC) (三) 计算机能力：处理数值、图像和声音等数据；数据的计算、分析和推理；极大的信息存储能力；与其它计 算机方便迅速交换信息； (四) 计算机应用模式发展阶段：集中计算模式、分散计算模式、网络计算模式（目前） (五) 计算机积极作用：增添新手段、提供新工具、引起新变化 (六) 计算机信息处理优点： 能够储存大量信息，可按照程序自动高速进行计算 能处理数值数据以及图像和声音等非数值数据 数据计算（处理）、分析
2、推理 极大的信息存储能力 方便迅速与其它计算机交换信息 二. 计算机的组成 (一) 组成：硬件（物理装置的总称）与软件（程序+数据+文档） (二)硬件有： 五大部件：中央处理器 CPU、内存储器、外存储器、I/O 设备、总线 输入设备（Input）： 将信息送入计算机的设备 例如：键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、麦克风和传感器等 中央处理器 CPU： 组成：运算器、控制器、寄存器 计算机中有多个处理器，其中用于承担系统软件和应用软件运行的处理器称为 CPU 意义：计算机必不可少的核心组成部件 大多数计算机只包含一个 CPU 多处理器系统：包含了多个中央处理器的计算机系统 并行处理：使用多个（2）C
3、PU 实现超高速计算机的技术 存储器内存外存（内、外存储器划分：是否直接与 CPU 相连，是否可以长期存放信息。详见 下表）,三,速度达到每秒,统，特别适合,大规模集成电 品中,电路或超,通信处理,微处理器：把 CPU 和一组寄存器（Registers）集成在一片大规模集成 大规模集成电路封装之中的器件 个人计算机一般都用单片微处理器作为 CPU 微处理器 = 通用微处理器（如 CPU）+ 专用微处理器（绘图处理器、 器等）,四. CPU 的结构与原理 (一) 冯诺依曼计算机基本原理：存储程序和程序控制（存储程序控制）能储存大量信息，可按照程序自动 高速进行计算 程序是一个指令序列 指令与数据
4、都用二进制表示，预先存放在存储器内 计算机工作时，CPU 从内存取出指令和数据，按机器指令的规定，对数据进行运算处理，直到程序完,微处理器,CPU,2,成为止 (二) CPU 的结构： 寄存器组：十几个甚至几十个寄存器组成，临时存放参加运算的数据和得到的中间结果 运算器：算术逻辑部件 ALU 控制器：解释指令的含义、控制运算器的操作、记录内部状态的部件 指令计数器：用来存放 CPU 正在执行的指令的地址，CPU 将按照该地址从内存读取所要执行的 指令。 (三) 指令 定义：用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存储位置的一个二进制位串。 组成：操作码（计算机执行何种操作的一个二进制代码）操作数
5、地址（操作的内容或所在的地址） 指令执行过程：取指令、指令译码、执行指令、保存结果。（注意顺序） (四) 指令系统（指令组） 定义：CPU 所能执行的全部指令的集合 每一种 CPU 都有自己独特的一组指令，计算机所能执行的指令集由该机所安装的 CPU 决定 同一公司的产品通常“向下兼容” 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。 B.8088（8086）802868038680486PentiumPentiumPROPentiumPentium Pentium 4（主频、晶体管数目、性价比） PS: Intel 公司是国际上研制和生产微处理器最大的专业公司 不同公司生产的 CPU
6、各有自己的指令系统，它们未必互相兼容 不兼容：Power 微处理器指令系统与 Intel Pentium 的指令系统差别很大 相互兼容：AMD 微处理器与 Intel Pentium 的指令系统一致 (五) 与 CPU 速度相关的性能参数衡量计算机优劣的主要技术指标 1.字长（位数）,定义：CPU 中定点运算器的宽度（即一次能同时进行二进制整数运算的位数）。 意义：,例：地址线数目为 20 位，则 CPU 可访问的最大内存空间 为 1MB,主频(CPU 时钟频率、内部频率) 定义：CPU 中电子线路的工作频率 意义：决定了 CPU 内部数据传输与指令执行的快慢。主频越高，速度越快。 奔腾 4
7、系列主频范围：1500 MHz 3800MHz 注意：主频提高一倍，PC 机速度未必提高一倍 CPU 总线速度 CPU 总线（前端总线）：用于连接 CPU 和内存的总线 CPU 总线的工作频率和数据线宽度决定着 CPU 与内存之间传输数据的速度快慢 数据总线宽度：决定了整个系统的数据流量的大小，包括 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。 高速缓冲存储器（cache）的容量与结构 Cache 容量越大、级数越多，访问 Cache 的命中率就越高，CPU 的速度就越快。 CACHE 的命中率：CPU 需要的指令或数据能在 CACHE 中能直接取到的概率 关于
8、CACHE（缓存/快存） 定义：使用 SRAM 芯片组成的一种高速缓冲存储器 速度：CPU CACHE 内存 容量：比主存小,大体决定,字长（定点运 算器宽度）,地址码 位数,决定,CPU 可访问的存 储器最大空间,部分决定 虚拟存储器大小,3,4,作用：弥补 CPU 与内存的速度差异，相当于主存的延伸 不与主存统一编址，但可接受 CPU 的访问,i.,CPU 局部访问原理：CPU 所执行的指令和处理的数据往往集中于存储器的局部范 围内,b)CPU 的 Cache 中的数据是主存中部分内容的映射 指令系统 逻辑结构奔腾 4 有多个运算器 CPU 运算速度的传统衡量方法： 每秒钟能执行的指令数目
9、 例如：MIPS，单字长定点指令百万条数/秒；MFLOPS，单字长浮点指令百万条数/秒。 五. PC 机的主机 (一) 主板 又称母板，通常安装有 CPU 插座、CPU 调压器、芯片组、第 2 级高速缓存（有的已做在 CPU 中）、 存储器插座（SIMM 或DIMM）、总线插槽（如 PCI、AGP、IDE）、ROM BIOS、时钟/CMOS、电池、 超级 I/O 芯片等。 意义：PC 机中所有部件和设备都以主板为基础进行安装和互相连接，主板的稳定性影响着整个计算 机系统的稳定性。 扩充卡及接口 扩展板卡或扩充卡： 定义：插在 PC 机主板总线插槽中的电路板 包括：显卡、声卡、网卡、视频卡等 扩
10、充卡通过卡上的印刷插头插在主板上的 PCI（或ISA、PCIE）总线插槽中。 许多扩充卡的功能可以部分或全部集成在主板上（例如，软盘、硬盘、串行口、并行口、声音、 图形显示、网络连接等控制电路都可以集成在主板上），因此不再需要插接相应的适配卡。 主板的物理尺寸已经标准化；ATX 规格主板正向 BTX 规格转换 BIOS 与 CMOS BIOS（Basic I/O System，基本输入/输出系统） 定义：最基本I/O 机器语言程序；它控制着系统全部硬件的运行，又为高层软件提供底层调 用。 地位：PC 机软件最基础的部分（没有 BIOS 的 PC 机无法正常启动） BIOS 存放在 ROM 中，
11、是非易失性的 组成（四个部分）：POST（Power On Self Test，加电自检测试 PC 机各部件的工作状态 是否正常） 程序；系统 Load（自举装入）程序；CMOS 设置程序；基本外设驱动程 序 特别说明：基本外设（仅包括键盘、显示器、软驱和硬盘等）的控制程序（即“驱动程序”） 必须预先存放在 BIOS ROM 中，从 BIOS 中加载；其他外设在OS 初步运行成功后再从硬 盘加载；有的外设驱动程序在适配卡的 Rom 中，BIOS 可以扫描端口。 CMOS： CMOS RAM 是主板上的一块可读写的存储芯片。 在 CMOS RAM 中存储了用户对计算机硬件所设置的参数配置信息，如
12、当前日期时间、硬盘 数目与容量、开机密码等。 CMOS 芯片是易失性存储器，需主板电池供电 在下列情况下需要启 CMOS 设置程序对系统进行设置： PC 机组装好之后第一次加电 系统增加、减少或更换硬件或IO 设备 CMOS 芯片因更换电池、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改 用户希望更改或设置开机密码,e)系统因某种需要而调整某些参数（改变启动系统时访问外存储器的顺序） BIOS 与 CMOS 的区别：通过 BIOS 设置程序对 CMOS 参数进行设置 BIOS 是主板上一块 ROM 芯片，CMOS 是主板上的一块可读写的 RAM 芯片，靠后备电池供 电，即使系统掉电后信息也不会
13、丢失 BIOS 中存放的是系统设置程序，CMOS 中存放的是这个程序所设置的数据； 芯片组 定义：PC 机各组成部分的枢纽，连接着 CPU、内存条、硬盘接口、网络接口、PCI 插槽等 意义：主板上的所有存储控制和 I/O 控制功能大都集成在芯片组内（既实现了 PC 机系统总线的 功能，又提供了各种I/O 接口及相关的控制） 组成：南桥（ICH，增强的 I/O 控制）、北桥（MCH，存储控制）两片 VLSI 集成电路组成。 特别说明：CPU 类型或参数不同时需要配用不同的芯片组；CPU 的系统时钟及各种与其同 步的时钟均由芯片组提供；芯片组（北桥芯片）决定了主板上所能安装的内存最大容量、速度、
14、可使用的内存条类型。 (二) 内存储器 内存储器和外存储器组成一个层状的塔式结构 目的：优 化存储器的性 能价格比 存储器 按读写速度由 高到低排列： Cache、RAM、 硬盘、光盘 内存储器 由称为存储器芯片的半导体集成电路组成 分类： RAM（随 机存取存储器， Random Access Memory） 特点：易失性 （ 断电后信息 一般会立即丢 失）、可读可写 动态随 机存取存储器 DRAM,i. ii.,特点：需要定时刷新、较慢、电路简单，集成度高，成本较低 用途：内存储器的主体部分（主存）,c)静态随机存取存储器 SRAM,i. ii.,不需要刷新、较快 用途：高速缓冲存储器 C
15、ache,ROM (Read Only Memory)即只读存储器 特点：非易失性（断电后信息不会丢失）、可读不可写（一般情况下，除 Flash ROM） 应用：存放内容不变的信息 注意：Flash ROM(快擦除 ROM，或闪存)新型的非易失性存储器，但又像 RAM 一 样能快速方便地写入信息。主要用于数码相机、优盘和存储 BIOS 程序。 3.主存储器,5,6,存储单元：每个存储单元的基本单位为 1Byte（8bit） 地址：每个存储单元（一个字节）都有一个唯一编号的地址，主存储器以字节为单位进行连续编 址，CPU 按地址对存储器进行访问 存储容量： 定义：主存储器中所包含的存储单元的总数
16、（即内存中可存储信息的多少） 单位：MB、GB 影响内存容量的因素：主板芯片组的型号、主板存储器插座类型与数目、CPU 地址线的宽度 存取时间：从 CPU 送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到 CPU（或者是把 CPU 数 据写入主存）所需要的时间单位：ns（1ns = 10-9 秒） 内存条时把若干片DRAM 芯片焊在一小条印制电路板上做成的部件。 DDR 利用时钟的上升沿与下降沿在同一个时钟周期内实现两次数据传送（即 DDR SDRAM 的有 效时钟频率是 SDRAM 的两倍） 双列直插式内存条（DIMM 内存条）触点分布在内存条的两面 (三) I/O 总线与 I/O 接口 I/O 操作（I/OInputOutput 输入输出） 任务：将输入设备输入的信息送入内存的指定区域，或者将内存指定的内容送出到输出设备。 特点：I/O 设备速度比 CPU 慢，为提高系统效率，I/O 操作与 CPU 的数据处理操作是并行的； 多个 I/O 设备能同时进行工作(例如一面键盘输入，一面屏幕显示，同时进行打印输出等)。 I/O 设备的种类多，性能相差很
