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1、 第三章 计算机硬件Overview处理器存储器 输入输出系统系统连接和USB3.1 概述概述n n计算机硬件由处理器、存储器、输入/输出三个子系统构成。主机箱音箱键盘鼠标器耳机和MIC显示器CD-ROM软盘Power ON/OFFPowerI/O Port键盘口鼠标口网络口显示器口声卡接口主机主机电缆连接外设电缆连接CD-ROM电缆连接硬盘电缆连接软盘电缆电源线内存条插槽内存条插槽芯芯片片组组（北北桥桥、南桥）南桥） IDE (IDE 插座)供供CPU 电源插口电源插口CMOS电池电池 AGP扩展槽扩展槽 加速图形接口加速图形接口 PCI扩展槽扩展槽 CPU插槽插槽技嘉 GA-MA785GT
2、-UD3H PCI插槽CPU插槽内存插槽PCI-E插槽3.2 处理器处理器（计算机的大脑）（计算机的大脑）n n计算机中的处理器系统可以是单一的计算机中的处理器系统可以是单一的CPUCPU芯片，芯片，也可以是多个也可以是多个CPUCPU芯片组成的阵列。芯片组成的阵列。n nPCPC机中的处理器即机中的处理器即CPUCPU，它是可插到主板，它是可插到主板CPUCPU插座位置上的一个集成电路芯片，目前主插座位置上的一个集成电路芯片，目前主要的要的CPUCPU厂商有厂商有IntelIntel、AMDAMD、 IBMIBM、 MotorolaMotorola等公司。等公司。发展历史发展历史n n第第1
3、 1阶段（阶段（1971197319711973年）：年）：4 4位和位和8 8位低档微处理器时代位低档微处理器时代 n n第第2 2阶段（阶段（1971197719711977年）：年）：8 8位中高档微处理器时代位中高档微处理器时代 n n第第3 3阶段（阶段（1978198419781984年）：年）：1616位微处理器时代位微处理器时代 n n第第4 4阶段（阶段（1985199219851992年）：年）：3232位微处理器时代位微处理器时代 n n第第5 5阶段（阶段（1993 20051993 2005年）：奔腾（年）：奔腾（pentiumpentium）系列微处）系列微处理器时
4、代理器时代 n n第第6 6阶段（阶段（20052005年至今）：酷睿（年至今）：酷睿（corecore）系列微处理器时代）系列微处理器时代 2022/5/20n n处理器芯片n n处理器芯片的结构决定其安装的位置以及与外部处理器芯片的结构决定其安装的位置以及与外部其他部件的连接方式。其他部件的连接方式。n n因为半导体材料单位面积内集成的电路数目不可因为半导体材料单位面积内集成的电路数目不可能无限增长。为此，集成电路设计开始从芯片平能无限增长。为此，集成电路设计开始从芯片平面转向立体：在一个芯片上集成多个处理器。面转向立体：在一个芯片上集成多个处理器。112022/5/20n n处理器的结构
5、模型n n在功能上，在功能上，CPUCPU是运算器和控制器的集合。是运算器和控制器的集合。n n从逻辑上，可分为从逻辑上，可分为5 5个部分，包括运算器、控制个部分，包括运算器、控制电路、地址电路和数据寄存器与指令代码寄存器。电路、地址电路和数据寄存器与指令代码寄存器。122022/5/20n n运算器（运算器（ALUALU）：执行算术运算和逻辑运算的电路）：执行算术运算和逻辑运算的电路部件。部件。n n数据寄存器（数据寄存器（Data RegisterData Register）：存放运算器执行运算）：存放运算器执行运算所需的数据。数据在执行运算前已经存入其中。所需的数据。数据在执行运算前已
6、经存入其中。n n指令代码寄存器（指令代码寄存器（Instructor Code RegisterInstructor Code Register）：存放）：存放处理器执行操作需要的指令代码。处理器执行操作需要的指令代码。n n控制电路（控制电路（ControllerController）：对指令代码进行译码并产）：对指令代码进行译码并产生控制运算器执行运算的信号、发出到存储器进行生控制运算器执行运算的信号、发出到存储器进行数据读数据读/ /写信号及其他各种控制信号。写信号及其他各种控制信号。n n地址电路（地址电路（AddressAddress，Program CounterProgram
7、Counter）：负责产生）：负责产生并输出地址信号，在控制信号的作用下指定存储器并输出地址信号，在控制信号的作用下指定存储器或者外部设备进行相关的数据传输操作。或者外部设备进行相关的数据传输操作。132022/5/20n n内部总线总线就是一组导线，它是信号的公共通路。在总线就是一组导线，它是信号的公共通路。在主板范围内的总线叫做内部总线，它是主板范围内的总线叫做内部总线，它是CPUCPU与与存储器及输入存储器及输入/ /输出控制电路进行数据交换的通输出控制电路进行数据交换的通路。分为：路。分为：n n数据总线：接收或输出数据数据总线：接收或输出数据n n地址总线：向外输出地址信号地址总线：
8、向外输出地址信号 n n控制总线：输出控制信号或者接收来自外部的控制总线：输出控制信号或者接收来自外部的控制信号控制信号142022/5/20n n微处理器的性能指标 n nCPUCPU型号决定计算机的型号和性能型号决定计算机的型号和性能 n n衡量衡量CPUCPU性能的主要技术指标是频率、字长、浮点运算性能的主要技术指标是频率、字长、浮点运算能力等能力等 n n两大阵营：两大阵营：15计算机科学基础IntelIntelAMDAMDCore Core 台式机和笔记本台式机和笔记本Phenom Phenom 台式机台式机Pentium Pentium 台式机台式机Athlon Athlon 台式
9、机和笔记本台式机和笔记本Celeron Celeron 台式机和笔记本台式机和笔记本Sempron Sempron 台式机和笔记本台式机和笔记本Xeon Xeon 服务器和工作站服务器和工作站Turion Turion 笔记本笔记本Itanium Itanium 服务器服务器Opteron Opteron 服务器和工作站服务器和工作站Atorn Atorn 平板电脑平板电脑2022/5/20例：Intel 酷睿i7 16计算机科学基础插槽类型： LGA 1155 CPU主频： 3400MHz 最大睿频： 3800MHz 制作工艺： 32 纳米 二级缓存： 4256KB 三级缓存： 8MB 核心
10、数量： 四核心 八线程核心代号： Sandy Bridge 总线类型： DMI总线 5.0GT/s倍频： 34倍 例：AMD FX系列2022/5/20n n主频：衡量主频：衡量CPUCPU运行速度的参数。运行速度的参数。n n集成度：芯片内的晶体管数目反映了处理器制造技集成度：芯片内的晶体管数目反映了处理器制造技术的先进程度和复杂性。术的先进程度和复杂性。n n字长：处理器一次能够处理的最大二进制数的位数。字长：处理器一次能够处理的最大二进制数的位数。n n协处理器：不单独工作、在协处理器：不单独工作、在CPUCPU的协调下完成任务，的协调下完成任务，如：处理浮点运算的协处理器。如：处理浮点
11、运算的协处理器。n n内部高速缓存器：内部高速缓存器：位于位于CPUCPU与内存之间的临时存与内存之间的临时存储器，容量比内存小但交换速度快。（储器，容量比内存小但交换速度快。（L1L1、L2L2、L3L3）。）。n n工作温度范围工作温度范围n n电源电压范围电源电压范围n n芯片封装材料及结构芯片封装材料及结构17计算机科学基础2022/5/20n nCISC和RISC两种类型的处理器系统的设计，采用两种完全相反的设计方法，主要区别是处理器所拥有的指令的数量和复杂程度不同： n nCISC CISC （Complex Instruction Set ComputerComplex Inst
12、ruction Set Computer，复杂指，复杂指令集计算机）令集计算机）： 使用数量和种类较多的指令，使用数量和种类较多的指令，典型的典型的CISCCISC有有300300条以上的指令，程序设计比较条以上的指令，程序设计比较容易。（一般个人计算机都采用容易。（一般个人计算机都采用CISCCISC）n nRISC RISC （Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set Computer精简指令精简指令集计算机集计算机）：只包含常用指令且指令的长度和执）：只包含常用指令且指令的长度和执行时间都相同，一般使用的指令数目在行时
13、间都相同，一般使用的指令数目在100100条以条以内简化程序控制逻辑，提升处理器的速度。内简化程序控制逻辑，提升处理器的速度。18计算机科学基础2022/5/203.3 存储器存储器实现计算机记忆功能的是存储器系统，它是保存实现计算机记忆功能的是存储器系统，它是保存程序代码和数据的物理载体。程序代码和数据的物理载体。19计算机科学基础存储模式和存储容量存储模式和存储容量n n字节（字节（Byte BByte B） ：8 8位（位（bit b bit b ） 二进制组成基二进制组成基本存储单元；本存储单元；n n字长（字长（wordword）：可以被）：可以被CPUCPU一次存取或运行的一次存取
14、或运行的最长数据长度；最长数据长度；n n存储器地址：每个字节的唯一标识，单元地址存储器地址：每个字节的唯一标识，单元地址和存储单元中存放的内容都是二进制；和存储单元中存放的内容都是二进制；n n存储空间：被标识的存储器中所有存储单元的存储空间：被标识的存储器中所有存储单元的地址的总和就是整个存储器的地址的总和就是整个存储器的“ “空间空间” ” ，也叫，也叫做存储器容量做存储器容量 ；2022/5/20n n内存 与与CPUCPU经内总线连接的存储器是经内总线连接的存储器是“ “内存内存” ”， 也称为也称为主存储器，简称主存。由半导体存储器组成，主要主存储器，简称主存。由半导体存储器组成，
15、主要有两种类型：有两种类型： n n随机存取存储器（随机存取存储器（RAMRAM，Random Access MemoryRandom Access Memory），体积小，），体积小，存取速度快，易失性。存取速度快，易失性。n n动态动态RAMRAM（Dynamic RAMDynamic RAM）n n静态静态RAMRAM（Static RAMStatic RAM）n n只读存储器（只读存储器（ROMROM，Read Only MemoryRead Only Memory），断电后存储的数），断电后存储的数据不会丢失，一个重要应用就是存放启动计算机所需的据不会丢失，一个重要应用就是存放启动计
16、算机所需的BIOSBIOS程序。程序。 n nPROM PROM 一旦数据被写入，就不能再改变一旦数据被写入，就不能再改变 n nEPROM EPROM 如果数据需要被改写，就需要用一种紫外线光设如果数据需要被改写，就需要用一种紫外线光设备将原数据擦除后再重新写数据备将原数据擦除后再重新写数据 n nEEPROM EEPROM 可以对部分单元进行重新写入可以对部分单元进行重新写入 20计算机科学基础目前主流内存类型目前主流内存类型n nDDRDDR全称是全称是DDR SDRAM(Double Date Rate SDRAMDDR SDRAM(Double Date Rate SDRAM，双倍，双倍速率速率SDRAM)SDRAM)，它占据了市场的主流，它占据了市场的主流 。n nDDRDDR只有一个缺口，而只有一个缺口，而SDRAMSDRAM有两个缺口。有两个缺口。DDRDDR内存采内存采用了诸如双时钟差分信号等技术，使其在时钟触发沿的上、用了诸如双时钟差分信号等技术，使其在时钟触发沿的上、下沿都能进行数据传输，这样就可以达到双倍速率传输数下沿都能进行数据传输，这样就可以达到双倍速率传输
