计算机硬件体系结构

《计算机硬件体系结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机硬件体系结构（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、计算机系统由两大部分组成，一部分是存储数据并执行各种运算和处理的电子设备，称为计算机的硬件；另一部分是指挥计算机一步一步完成任务的指令序列，称为计算机的软件。本章介绍计算机硬件体系结构的基础知识。包括：计算机系统的构成；微型计算机主机结构；外部存储器；常用外部设备；并简单介绍计算机指令系统。,第三章 计算机硬件体系结构,3.1计算机系统的构成,一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成。计算机的硬件系统一般由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中：中央处理器(简称CPU)=运算器+控制器主机=中央处理器+主存储器软件是指各类程序和数据，计算机软件包括计算机本身运行所需要

2、的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。,3.1计算机系统的构成,3.1.1 计算机的硬件系统,3.1计算机系统的构成,冯诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在存储器中，使计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令并执行。根据冯诺依曼计算机体系结构，在执行程序和处理数据时必须将程序和数据先要从外存储器装入主存储器中，然后使计算机在工作时自动地从存储器中取出指令并加以执行，这就是存储程序概念的基本原理。,3.1.2 冯诺依曼型计算机的结构,3.1 计算机系统的构成,典型的计算机硬件体系结构如下 ：,3.1计算机系统的构成,冯诺依曼计算机体系结构的主要特点是：(1) 采用二进制形式表示程序和数据

3、。 (2) 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。 (4) 控制器根据存放在存储器中的指令 (程序) 工作。,3.1.3 微型计算机的诞生与发展 微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机。微型机与其它几类计算机并没有本质上的差别。所不同的是微机将组成计算机硬件系统的两大核心部分一运算器和控制器，集成在一片集成电路芯片上，即中央处理器CPU。CPU按照处理信息的字长分为：4位或8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器等。现在微机的CPU一般是32位或64位的处理器。,

4、3.1计算机系统的构成,3.2 微型计算机主机结构,微型机基本是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有中央处理器CPU、主板、硬盘驱动器、CD ROM驱动器、软盘驱动器、电源、显示适配器(显示卡)等。,3.2 微型计算机主机结构,3.2.1中央处理器 CPUCPU：运算器部件、寄存器部件和控制器部件。CPU的主要性能指标 ：(1) 主频/外频（主频=外频倍频，即CPU工作频率）(2) 数据总线宽度（即字长，指CPU传输数据的位数）(3) 地址总线宽度（决定了CPU可访问的地址空间）(4) 工作电压（低电压可减少CPU过热，降低功耗）(5) 高速缓存Cache（加速CPU与其它设备间数据交换）(

5、6) 运算速度（CPU每秒能处理的指令数）,3.2 微型计算机主机结构,1. 运算器 运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是:(1) 运算逻辑部件 (2) 寄存器部件,2. 控制器控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。,3.2 微型计算机主机结构,控制器主要由以下部件组成： 程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址； 指令寄存器。在一条指令执行期间保存现在正在执行的指令； 指令译码器。用来识别

6、指令的功能，分析指令的操作要求； 时序部件。产生计算机工作中所需的各种时序信号，以协调各部件的工作顺序； 微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列的微操作。,3.2 微型计算机主机结构,3.2.2 高级CPU技术双核心CPU技术 ：由于组建双CPU系统的高成本和复杂性，桌面电脑上并未得到普及。用“双核心”技术，就是在单个CPU中真正集成两个物理运行核心，并且每个核心都使用自己独立的高速缓存，因此在实际使用中，这种“双核心处理器”和使用两个独立CPU组建的系统在工作原理和性能上基本没有区别。,3.2 微型计算机主机结构,3.2.3 主板,主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了CPU、各种

7、接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。,3.2 微型计算机主机结构,主板的逻辑结构：,3.2 微型计算机主机结构,最早期的PC机主板连接简单，不足是由于快速的CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。,3.2 微型计算机主机结构,486微机后到Pentium II期间，主板一般采用南北桥芯片结构主板。,3.2 微型计算机主机结构,Pentium II采用的南北桥芯片结构主板。,3.2 微型计算机主机结构,Pentium III以上的主板结构(采用中心结构的主板结构 )。,3.2 微型计算机主机结构,采

8、用中心结构的主板结构,PCI-E :PCI Express的简称，是用来代替PCI、AGP接口规范的一种最新的总线和接口标准， 有1X、2X、4X、8X、16X信号通道 , 其中X1和 X16已成为PCI-E主流规格，用于取代AGP接口的PCI-E接口位宽为X16，能够提供5GB/s的带宽，远远超过AGP 8X的2.1GB/s的带宽。,3.2 微型计算机主机结构,内存储器在主机内部(简称内存)，一般由半导体材料构成。内存储器可分为只读存储器和随机读写存储器。,内存储器分类,3.2.4 内存储器,3.2 微型计算机主机结构,1. 只读存储器 特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信

9、息不会丢失，可靠性高。 ROM分类(1) 掩膜式 ROM(Mask ROM)(2) 可编程 PROM(Programmable ROM)(3) 可擦除 EPROM (Erasable PROM)(4) 电可擦 EEPROM(Electrically EPROM)(5) 快擦写 ROM(Flash ROM),3.2 微型计算机主机结构,2. 随机存取存储器 特点：随机存贮器(存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失)。RAM 分类: (1) SRAM：静态RAM。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般高速缓冲存储器。(2) DRAM：动态RAM。需要定时充电来保持

10、数据的完整性，通常所说的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型： SDRAM-同步动态存储器 DDR-双倍速率内存(DDR2-四倍速率内存DDR3),3.2 微型计算机主机结构,存储单元地址,0000H 0001H 0002HFFFFH,存储体结构图示意,存储位,存储单元 （字节）,存储体512 MB2 GB,存储单元特点：地址与存储单元是一一对应的一个数据存放在一个或多个字节中CPU通过单元地址访问存储单元中的数据往存储单元放新数据原数据被覆盖,3.2 微型计算机主机结构,3. Cache(高速缓存 )Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术

11、。其中片内Cache是集成在CPU芯片中，片外Cache是安插在主板上。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级，大体与CPU的处理速度相当。,3.2 微型计算机主机结构,4.多级缓存 最早的CPU缓存是个整体的，而且容量很低。当集成在CPU内核中的缓存已不足以满足CPU的需求，而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量时出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓存，此时就把 CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二级缓存。,5.双核心CPU的二级缓存 双核心CPU的二级缓存比较特殊，和以前的单核心CPU相比，最重要的就是两个内核的缓存所保存的数据要保持一致。,6. 存储器的

12、层次结构 既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求合理，在目前技术条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。,3.2 微型计算机主机结构,3.2 微型计算机主机结构,3.2.5 总线,总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。,总线按所传输信号不同可分为：数据总线 地址总线 控制总线。,3.2 微型计算机主机结构, 地址总线。传输的是地址信号，一般是单向传输。当CPU需要访问某个外设时，它向地址总线发出相应外设的地址信号，以选择某个外设。 数据总线。传输的是数据，一般是双向传输。CP

13、U进行“读”时，数据由外设流向CPU，当CPU进行“写”时，数据由CPU流向外设。 控制总线。传输的是对外设进行控制和状态检测的信号，有的是CPU向内存或外部设备发出的信号；有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的。,3.2 微型计算机主机结构,总线按处于计算机硬件系统中的位置来分： 片内总线(又称内部总线)。是指CPU芯片内部的总线。 片间总线(又称局部总线)。是主板上各外围芯片与CPU之间的总线，用于芯片一级互连。 系统总线(又称输入/输出总线)。是微机中各插件板与系统主板之间的总线，用于插件板一级的互连。 外部总线(又称通信总线)。是微机

14、和外部中低速外部设备之间或外设与主机连接的总线。,3.2 微型计算机主机结构,微机各级总线的简易关系,3.2 微型计算机主机结构,微机系统三层总线示意简图,北桥,CPU,内存,Cache,局部总线,南桥,PCI接口（网卡、声卡等）,键盘、鼠标、接口,USB,外部（通讯）总线,前端总线,AGP总线,存储器总线,AGP显卡,PCI-E显卡,系统总线,3.2 微型计算机主机结构,系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、PCI Express三个阶段。 ISA总线。是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。 PCI总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。 A

15、GP总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。 PCI Express总线。是新一代的总线接口。,系统总线标准,3.2 微型计算机主机结构,ISA PCI AGP,3.2 微型计算机主机结构,PCI Express,3.2 微型计算机主机结构,常见的I/O总线种类：USB总线、IEEE1394总线等。 USB总线属串行接口总线。该总线是一种最多可连接127个设备的外部总线。具有支持热拔插，即插即用的优点，所以USB接口已经成为许多外设的标准接口。USB有两个规范，即USB1.1和USB2.0。 IEEE1394总线一种高效的串行总线接口标准，主要用于连接DV产品。,外部总线标准,3.2 微型计

16、算机主机结构,I/O接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由I/O接口电路、连接器(一般为连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。,3.2.6 接口,3.2 微型计算机主机结构,根据I/O接口是否内嵌在主板中，可将I/O接口分为内置I/O接口和外置I/O接口两类。,(1) 内置I/O接口将I/O接口电路内嵌在主板中，由主板直接提供外设接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、USB接口、串行接口、并行接口及软盘和硬盘接口等。,(2) 外置I/O接口将I/O接口集成到一块独立的电路板上，此时称为接口卡接口卡必须插在总线扩展插槽(如PCI、PCI Express等插槽)上。,3.3 外部存储器,外部存储器通常用来存放需要永久保存的或相对来说暂时不用而需要长期保护的各种程序和数据的存储器。当需要执行外存中的程序或处理外存中的数据时，必须将其调入RAM中才能被CPU执行处理， 所以外存实际上属于输入输出设备。目前微机常用的外存储器是软磁盘存储器、硬磁盘存储器和光盘存储器、U盘等。,