计算机体系结构

第三章计算机体系结构•硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或设备，或由它们组成的计算机部件或整个计算机硬件系统。•计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等多种结构形式，其硬件主要包括:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。•计算机体系结构指的是构成计算机系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。本章主要内容一、计算机系统的硬件结构1现代计算机结构的特点2计算机硬件的典型结构3微型计算机常见总线标准二、计算机系统的硬件组成1中央处理器2存储器3输入/输出设备4主机板三、计算机的主要技术指标一、计算机系统的硬件结构计算机系统包括大型计算机、中小型计算机、微型计算机等各种不同的硬件结构，不同种类的计算机硬件结构具有不同的硬件体系和结构特点，本节简要介绍不同计算机的硬件结构。3.1.1现代计算机结构的特点3.1.2计算机硬件的典型结构3.1.3微型计算机常见总线标准3.1.1现代计算机结构的特点•现代计算机的结构以存储器为中心。图3-1所示结构的计算机，其工作步骤为：首先输入设备在控制器的控制下将原始数据和计算步骤输入存储器，其次控制器从存储器读出计算步骤(指令系列)，然后控制器控制运算器和存储器依次执行每一个计算步骤(指令)，最后，控制器控制输出设备以各种方式从存储器输出计算结果。•与冯·诺依曼型计算机结构—样，图3-1所示结构的计算机也由5大部件组成。•其中，控制器（简称CU）和运算器(又称算术逻辑单元，简称ALU)在计算机中直接完成信息处理的任务，合称中央处理器(简称CPU)，输入设备和输出设备合称输入/输出设备(简称I/O设备)，加上主存储器(简称M·M)构成现代计算机3大部分。•中央处理器和主存储器构成了计算机主体，称为主机；相对地又把I/O设备称作外围设备或外部设备，简称外设。•于是，计算机又被看成是由主机和外设两大部分组成。但无论怎样划分，计算机的5大部件始终是相对独立的子系统，缺一不可。3.1.2计算机硬件的典型结构•计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通道结构，它们是各种大、中、小、微型计算机的典型结构体系。•1．总线•所谓总线，就是CPU、内存储器和I/O接口之间相互交换信息的公共通路，各部件通过总线连成一个整体。所有的外围设备也通过总线与计算机相连。按传送信息的类别，总线可以分为三种：地址总线（AddressBus缩写为AB）、数据总线（DataBus缩写为DB）和控制总线（ControlBus缩写为CB）。地址总线传送存储器和外围设备的地址，数据总线传送数据，控制总线则是管理协调各部分的工作,图3-2所示。•2．微型机的一般结构•图3-3是微型计算机的一般结构图，尽管把总线按信息类型分成了地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB，但仍然属于单总线结构。•图中将存储器分成两类芯片，只读存储器ROM中固定存放一些系统程序（如监控程序等），随机存储器RAM用于存储用户程序和一些需要调入调出的系统程序。I/O接口芯片可以是若干块，各种I/O设备要通过I/O接口与总线相连。3．小型机的总线型结构（1）单总线结构图3-4是单总线的计算机系统。中央处理器、主存储器和I/O设备（通过I/O接口）以同等地位连接到系统总线上。CPU与主存储器、主存储器与I/O设备、CPU与I/O设备、I/O设备之间均可以通过系统总线交换信息。这种结构的优点是各种I/O设备的寄存器和主存储器的存储单元可以统一编址，CPU可以通过统一的传送指令像访问主存储单元一样地访问I/O设备。既便于控制，又易于扩充系统需要添置的I/O设备；当I/O设备与主存储器交换信息时，CPU还可以继续处理默认的不需要访问主存储器或I/O设备的工作。缺点是同一时刻只允许连接到单总线上的某一对设备之间相互传递信息，限制了信息传送的吞吐量(或称速率)。此外，单总线控制逻辑比专用的存储总线控制逻辑更为复杂，CPU通过单总线向主存储器存取信息要比通过存储总线存取稍慢些。这种结构广泛用在小型计算机和微型计算机中。3．小型机的总线型结构（2）CPU为中心的双总线结构图3-5是以CPU为中心的双总线结构，连接CPU和主存储器的是存储总线，CPU通过该总线从主存储器中取出指令和数据，并把处理结果经该总线送回主存储器。CPU与I/O设备交换信息的通路叫输入/输出总线(I／O总线)，各种I/O设备通过I/O接口连接在I/O总线上。这种结构的优点是控制线路简单，对I/O总线的传输速率相对地可降低一些要求。缺点是I/O设备与主存储器之间交换信息一律要经过CPU，将耗费CPU大量时间，降低了CPU的工作效率。3．小型机的总线型结构（3）以存储器为中心的双总线结构图3-6是以存储器为中心的双总线结构。这种结构既保持了单总线结构的优点，又在CPU和主存储器之间设置了一组高速存储总线，供CPU与主存储器交换信息。当主存储器通过存储总线和CPU交换信息时，主存储器还可以通过系统总线和I/O设备交换信息，而不必经过CPU控制，即减轻了系统总线的负担，又提高了传输速率。缺点是需要增加硬件。4．大、中型计算机的通道型结构图3-7是大、中型计算机的通道型结构，分主机、通道、I/O控制器和I/O设备四级。组成大、中型计算机的目的是为了扩大系统的功能和提高系统的效率。扩大系统的功能要求配备日益增多的硬件和软件资源，提高系统的效率则强调合理地管理和调度资源。软件资源的增多，信息存储问题就十分突出，促使由一级存储发展到多级存储，甚至在主存储器一级也采用多存储体交叉访问技术，出现了以存储系统为核心的计算机系统结构。3.1.3微型计算机常见总线标准•计算机中总线按层次结构可分为内部总线、系统总线和外部总线。•内部总线是计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互联，与计算机具体的硬件设计相关。(芯片组管理着CPU的连接。中断控制器、存储控制器、I/O控制器，提供一个到PCI总线的总线的接口。)•系统总线是计算机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互联。系统总线需要遵循统一的标准，常见的系统总线标准有ISA、EISA、PCI、Futurebus+、AGP等。•外部总线则是计算机和外部设备之间的总线，计算机通过该总线和外部设备进行信息与数据交换。外部总线也遵循统一的标准，常见的外部总线标准有USB、SCSI、IEEE1394等。•在计算机的发展中，CPU的处理能力迅速提升，总线屡屡成为系统性能的瓶颈，使得人们不得不改造总线。总线技术不断更新，从PC/XT到ISA、MCA、EISA、VESA总线，发展到了PCI、AGP、USB、IEEE1394总线，目前还出现了EV6总线、PCI－X局部总线、NGIO总线、Futurebus+等新型总线。（1）PCI总线•PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线是当前常用的总线之一，该总线是由Intel、IBM、DEC公司所定制的一种局部总线。PCI总线与CPU之间没有直接相连，而是经过桥接（Bridge）芯片组电路连接。该总线稳定性和匹配性出色，提升了CPU的工作效率，扩展槽可达3个以上。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。•PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA（视频电子标准）、ISA（接口转换装置）有极大的改善，支持突发读/写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外围设备。PCI局部总线不受制于处理器，是基于Pentium等新一代微处理器而发展的总线。现有32位和64位两种，是目前个人计算机、服务器主板广泛采用的总线。（2）AGP总线•AGP插槽（Accelerated-Graphics-Port，加速图形接口），它是为提高视频带宽而设计的总线结构。AGP总线实质上是对PCI技术标准的扩充，它提高了系统实际数据传输速率和随机访问主内存时的性能。AGP总线的首要目的是：•将纹理数据置于主内存，开通主内存到图形卡的高速传输通道，以减少图形存储器的容量。•为此，它将显示卡与主板的芯片组直接相连进行点对点传输，让影像和图形数据直接传送到显示卡而不需要经过PCI总线。但是它并不是正规总线，因为它只能和AGP显卡相连，故不具有通用性和扩展性。•AGP总线工作的频率为66MHz，是PCI总线的一倍，并且可为视频设备提供528MB/s的数据传输率，所以实际上就是PCI的超集。AGP1X的总线传输率为266MB/s，工作频率为66MHz；AGP2X的总参传输率为532MB/s，工作频率为133MHz，电压为3.3V；AGP4X的总线传输率为1.06GB/s，工作频率为266MHz，电压为1.5V。（3）SCSI接口•SCSI（SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口）接口是由美国国家标准协会制定的。级接口SCSI也是系统，可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连，是一种并行I/O总线，已普遍用于内，外部设备两个方面。•如硬盘驱动器、扫描仪和打印机等。采用SCSI标准的这些外设本身必须配有相应的外设控制器。总线上的主机适配器和SCSI外设控制器最大为8个。SCSI可以按同步方式和异步方式传输数据。•SCSI-1在同步方式下的数据传输速率为4MB/s，在异步方式下为1.5MB/s，最多可支持32个硬盘。SCSI-l接口的全部信号通过一根50线的扁平电缆传送，其中包含9条数据线及9条控制和状态信号线。其特点是操作时序简单，并具有仲裁功能。随后推出的SCSI-2标准增加了一条68线的电缆，把数据的宽度扩充为16/32位，其同步数据传送速率达到了20MB/s。•SCSI总线上的设备没有主从之分，相互平等。启动设备和目标设备之间采用高级命令通信，不涉及外设特有的物理特性，因此使用十分方便，适应性强，便于系统集成。（4）IEEE1394总线•IEEE1394是一种串行接口标准，这种接口标准允许把计算机、外部设备、家电等非常简单地连接起来，的外部总线是一种连接外部设备。IEEE1394总线的原型是运行在APPLEMac计算机上的FireWire（火线），由IEEE（电气和电子工程师协会）采用并重新进行了规范。它定义了数据的传输协议及连接系统，可用较低的成本达到较高的性能，以增强计算机与外设（如硬盘、打印机、扫描仪）以及消费性电子产品（如数码摄像机、DVD播放机、视频电话）等的连接能力。•IEEE1394总线是一种目前为止最快的高速串行总线，最高的传输速度达400MB/s。它的支持性较好，对于各种需要大量带宽的设备提供了专门的优化。IEEE1394接口可以同时连接63个不同设备，支持带电插拔设备。IEEE1394也支持即插即用，现在的Windows98、Windows2000、WindowsMe、WindowsXP都对IEEE1394支持得很好，在这些操作系统中用户不用再安装驱动程序也能使用IEEE1394设备。（5）USB总线•通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、NorthernTelecom七家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它和IEEE1394同样是一种连接外围设备的机外总线。从性能上看，USB总线在很多方面不如IEEE1394，但是却拥有IEEE1394无法比拟的价格优势，在一段时期内，它将和IEEE1394总线并存，分别管理低速和高速外设。•优点：它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通使用串、并口的设备需要单独的供电系统。USB的最高传输率可达12MB/s，比普通串口快100倍，比普通并口快近10倍，而且USB还能支持多媒体。•USB和IEEE1394一样，目前都广泛地应用于计算机、摄像机、数码相机等各种信息设备上，目前的