2计算机组成原理

1第二章计算机组成原理2计算机的组成计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统遵循冯诺依曼体系结构，由五部分构成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。3计算机的组成中央处理器外存储器内存储器输出设备系统总线输入设备I/O端口I/O端口存储器接口控制器控制器控制器计算机的组成4硬件主机外围设备处理器（CPU）：运算器和控制器存储器（内存）：RAM和ROM输入/输出接口：I/O接口外部设备辅助设备输入设备：键盘、扫描仪等输出设备：显示器、打印机等辅助存储器：磁带、磁盘、光盘电源电路时钟电路计算机硬件清单5计算机的组成主机和外设的区分CPU、内存储器、总线等构成计算机的主机；外存储器、输入设备、输出设备构成了计算机的外围设备，简称外设。PC机的物理组成：机箱、显示器、键盘、鼠标器等。机箱内包含：主板、硬盘、软驱、光驱、电源、风扇等。6计算机的分类按内部逻辑结构分单处理机、多处理机(并行机)。按字长分为16位机、32位机或64位机等。按计算机的性能、用途和价格分巨型计算机（百、千、万计CPU）大型计算机（16、32CPU）小型计算机（中小企业信息处理）个人计算机（以微处理器为中心）工作站（高速运算和图形处理，通常UNIX系统）嵌入式计算机（占90%，如机器人、数控机床、汽车）7计算机性能指标微处理器的发展标志：字长、结构、功能、晶体管数目和工作频率。8计算机性能指标运算速度用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量单位：次／秒（每秒执行加法运算的次数）；MIPS（每秒钟可完成100万次整数运算）。世界第一台计算机ENIAC的运算速度：5000次/秒目前计算机的速度（扩展阅读：top500.org）“K”（京）：8160万亿次／秒（日本富士通）“天河一号”：2570万亿次／秒（国防科大）“美洲虎”:1750万亿次／秒（美国橡树岭国家实验室）“星云”:1270万亿次／秒（中国曙光公司）9计算机性能指标字长中央处理器中运算器和寄存器的宽度。即数据在运算器中做运算或存储时的二进制位数。字长决定了计算的精度。字长通常是2的整数次幂。微处理器字长演变：Intel4004:4位(1971年，世界第一个微处理器)Intel8008,8080:8位Intel8086:16位Intel80386,80486,pentium：32位10计算机性能指标主频（CPU时钟频率）CPU总线速度CPU总线的频率和数据线宽度决定CPU和内存之间传输数据的快慢。高速缓存（cache）的容量与结构Cache容量越大、级数越多，其效用越显著指令系统指令的类型、数目、功能会影响程序执行速度逻辑结构11指令和指令系统指令和指令系统基本概念指令执行过程12指令和指令系统基本概念指令对计算机进行程序控制的最小单位，用二进制位表示。指令由操作码和操作数地址两部分组成指令系统CPU执行的所有指令的集合。CISC（复杂指令集计算机）：Intel的X86RISC（精简指令集计算机）：Apple的Macintosh扩展指令集通过增加指令集功能的方法可以提高CPU的运算速度。13指令和指令系统基本概念计算机指令系统的“兼容性”问题同一公司的CPU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。每种类型的CPU都有自己的指令系统IntelCPU与IBM的POWER处理器不兼容；IntelCPU与AMD的微处理器兼容。14指令执行过程控制器取指令译码取操作数运算器运算保存结果修改指令计数器151计算机的组成1.1中央处理器1.2存储体系1.3主板主要部件1.4系统总线1.5输入设备1.6输出设备16中央处理器（CPU）中央处理器承担系统软件和应用软件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。并行处理：使用多个CPU实现高速计算的技术，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。现在个人计算机普遍采用集成2、4或更多CPU在同一芯片内的所谓“多核”CPU提升PC性能。17中央处理器（CPU）运算器（执行单元）对数据进行各种算术运算和逻辑运算。控制器取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其它部件的操作控制信号，记录内部状态。寄存器组临时存放参加运算的数据和得到的中间结果，由几十个寄存器组成。18中央处理器（CPU）寄存器运算器控制器指令数据运算结果中央处理器操作命令内存储器19中央处理器（CPU）高速缓冲存储器（Cache）为了匹配CPU和内存的工作速度，发挥CPU的高速性能；包含指令快存和数据快存。超标量结构CPU在执行当前指令的同时，使用指令预取部件提前从主存或快存取出一些准备执行的指令。CPU采取“流水线”式的工作方式和结构，实现“超标量结构”。20CPU的性能工作频率主频：CPU内部的时钟频率，是CPU进行运算时的工作频率。一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。但由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPU性能一样。21CPU的性能工作频率外频：即系统总线，CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。倍频：CPU主频的计算方式变为：主频=外频×倍频。也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频，CPU主频也就越高。22存储体系存储程序和数据(包括原始数据、中间运算结果与最终结果等)的部件Cache存储器主存储器(RAM和ROM)外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带、光盘）内存储器外存储器23存储体系内存储器(简称内存或主存)存取速度快、容量相对小，价格相对高,一般使用DRAM芯片组成，速度大约比CPU慢10倍。直接与CPU相连接（CPU可直接访问）。易失性，用于临时存放CPU正在运行的程序、正被处理的数据以及产生的结果数据。存储介质：半导体芯片。24存储体系外存储器(简称外存或辅存)存取速度慢、容量相对大，价格相对低。不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用）。非易失性，用于长期存放各类信息。存储介质：磁盘、光盘、磁带等25内存储器专题内存储器由称为存储器芯片的半导体集成电路组成。半导体存储器芯片按照是否能随机地进行读写分只读存储器(ReadOnlyMemory，简称ROM)随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)两大类26内存储器专题只读存储器(ReadOnlyMemory，简称ROM)是一种能够永久或半永久地保存数据的存储器，即使掉电（或关机）后，存放在ROM中的数据也不会丢失，所以叫做非易失性存储器。27内存储器专题只读存储器按照ROM的内容是否能改写，ROM可分为以下几类：MaskROM（掩膜ROM）：存储的数据由工厂在生产过程中一次形成，此后也无法进行修改。PROM（ProgrammableROM）和EPROM（ErasableProgrammableROM）：用户可使用专用装置写入信息。前者不能改写，后者可以通过专用设备改写其中的信息。FlashROM（快擦除ROM，或闪速存储器）：一种新型的非易失性存储器，在低电压下，存储的信息可读不可写，而在较高电压下，存储的信息可以更改和删除。经常用于PC中的BIOS程序，还可使用在数码相机和优盘中。28内存储器专题随机存储器随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称RAM)，多采用MOS(金属氧化物半导体)型半导体集成电路芯片制成，属于易失性存储器。根据其保存数据的机理分为SRAM（静态随机存取存储器）DRAM（动态随机存取存储器）29内存储器专题SRAMSRAM芯片用于构造高速缓冲存储器（cache）命中率：CPU需要的指令或数据在Cache中能直接找到的概率。查找效率：过大的Cache会降低CPU在Cache中查找的效率。程序访问的局部性原理时间局部性：最近访问项很可能将再次被访问；空间局部性：同进程访问的项其地址彼此很近。30内存储器专题Cache容量Cache有一定空间，但主要作用不是数据存储，其空间较小（512K，1M，2M）。分为一级缓存和二级缓存，早期一级缓存被设计在CPU内部，二级缓存被设计在主板上，现在一级缓存和二级缓存都被设计在CPU内部。二级缓存的容量要大于一级缓存的容量。31内存储器专题Cache与主存之间的映射方式Cache在任何时候都含有主存中一部分内容的拷贝。如果字在cache中，则立即存取它。如果字不在cache中，字或整个数据块会被复制到cache中。32内存储器专题Cache与主存之间的映射方式全相联映像：两者按固定的相同的大小进行分块。数据块可以任意对应。直接映像：先将cache分成相同块并编号，同时将内存分成若干页（每页大小与cache容量相同），然后将内存分块（与Cache分块的大小相同）并编号。内存页的块只能保存在快号相同的快存中。组相联映像：先将cache分区，并对各区按直接映像方法分块并编号。对内存按cache分区大小分页，并对页按cache块大小分块，每个内存块可对应不同cache区中相同块号的块。33组相联映像全相联映像直接映像34内存储器专题DRAMSDRAM（同步动态随机存储器）DDRSDRAM（双倍速同步动态随机存储器）双通道RDRAM（存储位宽是16位，。但频率方面则远远高于上述二者）。后者运算速率比前者更大。35内存储器专题存储容量每个存储单元（一个字节）都有一个地址，CPU按地址对存储器进行访问。含义：指存储器所包含的存储单元的总数。单位：MB（1MB＝220字节）或GB（1GB＝230字节）36内存储器专题存取时间含义：在存储器地址被选定后，存储器读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入存储器）所需要的时间。单位：ns（1ns=10-9秒）37内存储器专题常见内存条规格单列直插式内存条（SingleIn-lineMemoryModules，SIMM）：72线，数据线宽度32位。双列直插式内存条（DoubleIn-lineMemoryModules，DIMM）：SDRAM，168线，数据线宽度64位；DDRSDRAM，184线，数据线宽度64位。Rambus内存条模块（简称RIMM内存条）38内存储器专题内存带宽指内存与南桥芯片之间的数据传输率，单位一般为“MB/s”或“GB/s”。最高读写速率（带宽）（MB/s）=（数据通路宽度/8）(B)×有效时钟频率（MHz）CPU寻址大小计算如果CPU的地址线宽为n，那么CPU的寻址大小是2n（B）39计算机性能指标【2007真题】某处理器具有32GB的寻址能力，则该处理器的地址线有＿＿＿。A．36根B．35根C．32根D．24根40外存储器专题(1)软盘存储器3.5英寸软盘片的信息存储模式与存储容量两个记录面，即两个读写磁头(从0开始编号)每个记录面有80个磁道(从0开始编号，0号磁道位于最外圈)每个磁道有18个扇区(从1开始编号)每个扇区存储512字节二进制数据存储容量=磁盘面数磁道数扇区数512字节=28018512（字节）=1.44MB读写数据的最小单位：扇区操作系统在软盘上为文件分配存储区的单位：簇（2-8个扇区）41外存储器专题软盘存储器格式化后软盘上的数据区域：引导扇区（系统盘）位于软盘0号记录面、0号磁道、1号扇区，存储启动操作系统的引导程序。文件分配表(FAT)位于0号磁道引导扇区之后，占据若干个连续扇区。一式两份。FAT由多个表项组成，每个表项对应软盘的一个簇，记录该盘上所有簇的分配情况（分配、空闲、损坏）和链接信息。文件根目录区位于0号磁道FAT之后，占据若干个连续扇区。由若干表项