计算机硬件体系结构解析

教学进度计算机科学与工程系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教学进度计算机科学与工程系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的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。教学进度计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成3.1.1计算机的硬件系统教学进度计算机科学与工程系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教学进度计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成典型的计算机硬件体系结构如下：地址总线（AB）RAMI/O接口I/O设备ROM数据总线（DB）控制总线（CB）CPU（含运算器和控制器）教学进度计算机科学与工程系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。(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。教学进度计算机科学与工程系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。3.1计算机系统的构成教学进度计算机科学与工程系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、CDROM驱动器、软盘驱动器、电源、显示适配器(显示卡)等。主机外部设备运算器控制器内存储器外存储器存储器输出设备硬件CPU输入设备教学进度计算机科学与工程系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）(6)运算速度（CPU每秒能处理的指令数）教学进度计算机科学与工程系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。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构控制器主要由以下部件组成：①程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址；②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；③指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求；④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；⑤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。教学进度计算机科学与工程系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。教学进度计算机科学与工程系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。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构主板的逻辑结构：教学进度计算机科学与工程系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。CPU协处理器ROMBIOSDRAM控制器RAM8253定时/计数器8259中断控制器8250串行通信控制器8255并行接口8237DMA控制器DMA页面寄存器扩展总线缓冲8个扩展插槽PC总线教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构486微机后到PentiumII期间，主板一般采用南北桥芯片结构主板。PentiumII处理器PentiumII处理器CPU总线82443BX（北桥）主存支持SDRAM66/100MHz2×AGP总线图形设备82371EB（PIIX4E）（南桥）ISA插槽2个IDE接口2个USB接口I/OAPICPCI总线PCI插槽系统BIOSISA总线教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构PentiumII采用的南北桥芯片结构主板。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构PentiumIII以上的主板结构(采用中心结构的主板结构)。键盘鼠标串行口并行口处理器8XX系列存储控制中心中心高速接口I/O控制中心固件中心PCI槽PCI总线IDE驱动器USB端口AC’97编码SuperI/OLPCI/FAGP图形控制器主存储器处理器CPU总线LAN连接教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构采用中心结构的主板结构PCI-E:PCIExpress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AGP8X的2.1GB/s的带宽。教学进度计算机科学与工程系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内存储器教学进度计算机科学与工程系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，断电后信息不会丢失，可靠性高。•ROM分类(1)掩膜式ROM(MaskROM)(2)可编程PROM(ProgrammableROM)(3)可擦除EPROM(ErasablePROM)(4)电可擦EEPROM(ElectricallyEPROM)(5)快擦写ROM(FlashROM)教学进度计算机科学与工程系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：①SDRAM---同步动态存储器②DDR---双倍速率内存(DDR2---四倍速率内存\DDR3)教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构教学进度计算机科学与工程系存储单元地址0000H0001H0002HFFFFH存储体结构图示意存储位存储单元（字节）存储体512MB2GB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教学进度计算机科学与工程系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。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。教学进度计算机科学与工程系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。教学进度计算机科学与工程系6.存储器的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教学进度计算机科学与工程系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。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构①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。②数据总线。传输的是数据，一般是双向传输。CPU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。③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。教学进度计算机科学与工程系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：①片内总线(又称内部总线)。是指CPU芯片内部的总线。②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。③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。④外部总线(又称通信总线)。是微机和外部中低速外部设备之间或外设与主机连接的总线。教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构微机各级总线的简易关系教学进度计算机科学与工程系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显卡系统总线教学进度计算机科学与工程系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、PCIExpress三个阶段。①ISA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。②PCI总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。③AGP总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。④PCIExpress总线。是新一代的总线接口。系统总线标准教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构ISAPCIAGP教学进度计算机科学与工程系3.2微型计算机主机结构PCIExpress教学进度计算机科