第三章-微型计算机系统-2016

第三章微型计算机系统本章内容3.1微处理器和微型计算机系统3.2微机的硬件系统3.3微机的软件系统3.4微机的外部设备3.1微处理器和微机系统微处理器（Microprocessor）：是指用大规模或超大规模集成电路制造的，具有运算器和控制器功能的中央处理器芯片（CPU芯片）。微处理器是微型计算机的核心。运算器完成数据的运算。控制器对于程序的执行和数据的运算进行控制。运算器控制器3.1微处理器和微机系统微型计算机的总线结构总线：连接两个或多个部件，并传输特定信息的一组传输线。3.1微处理器和微机系统地址总线（AddressBus）：向存储器或者外部设备传输地址信息的总线。地址总线是单向总线，地址总是从CPU传送到内存储器或者外部设备。地址总线的位数决定了CPU可以访问内存储器的容量。思考：如果CPU的地址线是32位，可访问内存的最大容量是多少？是232字节。232字=210×210×210×22=4×230=4GB3.1微处理器和微机系统数据总线（DataBus）：传输数据的总线。数据总线是双向的，数据可以从CPU传送到内存或外设，也可以从内存或外设传送到CPU。数据总线决定CPU一次传送数据的位数，一般和CPU一次处理的数据的位数相一致。对外数据总线和内部总线控制总线（ControlBus）：传输控制信息的总线。控制总线是双向的，CPU向内存和I/O接口传送控制信号，也可以是从外部设备向CPU传送的控制信号。控制总线的数目随CPU的不同而不同。3.1微处理器和微机系统微型计算机采用总线结构结构简单扩展容易便于部件生产标准化限制信息并行传输，不能通过并行处理提高计算机数据处理能力。3.1微处理器和微机系统微处理器及其发展1.第一片微处理器诞生1971年Intel公司发明了世界上第一个商用微处理器—4004Intel4004的性能：仅有46条指令，每秒执行6万次运算，时钟频率有108KHz，集成了PMOS晶体管2300只，1KB数据存储器和4KB的程序存储器。PMOS：P沟道MOS管，MOS是金属-氧化物-半导体管（MetalOxideSemiconductor）的简称3.1微处理器和微机系统微处理器及其发展2.从4位处理器到32位处理器微处理器推出时间性能(MIPS)首批CPU频率(MHz)集成度(百万/片)寄存器宽度外部数据总线宽度最大寻址空间内含(或捆绑)高速缓存大小400419710.060.10.0023445K无808019740.2920.0068864KB无808619780.880.02916161MB无8028619822.712.50.134161616MB无80386DX19856.0200.27532324GB无80486DX198920251.232324GBL18KBPentium1993100603.132644GBL116KBPentiumPro19954402005.5326464GBL116KB,L2256KBPentiumII19974662667326464GBL132KB,L2256KBPentiumIII199910005008.2326464GBL132KB,L2512KBPentiumⅣ200028661.5G32326464GBL120KB,L2256KB摩尔定理：集成电路上晶体管的数量（集成度）每18个月会增加1倍。3.1微处理器和微机系统微处理器及其发展3.64位处理器AMD公司的AMD64位技术Intel公司的EM64T技术Intel公司的IA-64技术，不兼容现在的传统的32位计算机，仅用于Itanium（安腾）以及后续产品Itanium2，一般只在服务器中使用4.多核处理器是在一块CPU基板上集成多个处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来，使它成为一个整体。3.1微处理器和微机系统微处理器体系结构的发展1.数据处理能力浮点运算能力：从Intel80486起，将协处理器也集成到微处理器的内部。多媒体处理能力：1997年Intel公司推出了PentiumMMX多媒体扩展芯片，在X86指令集基础上添加了57条多媒体指令。3D处理技术：从PentiumIII处理器开始，Intel推出了一系列的SSE（单指令多数据流扩展）指令集。这些指令的特点是在一条指令中可以对多个数据对象进行处理，可以提高对3维图像的处理能力。3.1微处理器和微机系统微处理器体系结构的发展2.超流水和超标量技术从80486处理器开始，Intel的处理器开始引入了流水线技术（Pipelining）。微处理器中的流水线技术是将指令的执行划分为很多阶段，每个阶段由不同的硬件模块来完成，目的是加快指令的执行。超流水技术：增加流水线的级数，将指令的执行划分为更多的阶段。超标量技术：增加流水线的条数来加速指令的执行。3.1微处理器和微机系统微处理器体系结构的发展3.CISC和RISCCISC是复杂指令集计算机（ComplexInstructionSetComputer）的简称。这类计算机的指令系统中，不同指令的字节数不相同，指令的种类也非常多。指令的执行都要相应的硬件的支持。指令多、指令复杂，处理器的硬件就复杂。Intel系列的微处理器都是属于复杂指令集的处理器。RISC是精简指令集计算机（ReducedInstructionSetComputer）的简称。RISC计算机是一种比较先进的体系结构，RISC处理器的指令集的指令都有相同的字节数，指令的种类也比较少，这样的体系结构特别适合于指令操作的流水设计。3.1微处理器和微机系统概念区分微型计算机：主要指计算机硬件部分。以微处理器为核心，配上大规模集成电路制成的存储器、输入输出接口电路及系统总线所组成的小型计算机。微机系统：除包括微型计算机外，再配以相应外围设备及各种软件而构成的系统。3.1微处理器和微机系统微机系统的组成微机系统软件系统硬件系统主机外设中央处理器内存储器运算器控制器RAM随机存储器ROM只读存储器外存储器——硬盘、软盘、U盘、移动硬盘输入设备——键盘、鼠标、扫描仪……输出设备——显示器、打印机、绘图仪、音箱操作系统数据库管理系统程序语言处理系统集成开发环境通用应用软件——如MSoffice2007专用应用软件——用户程序系统软件支撑软件应用软件3.1微处理器和微机系统硬件与软件的关系硬件是微机进行工作的物质基础软件是建立在硬件基础之上，并能充分发挥硬件各部分的功能和方便用户使用微机而编制的各种程序。离开了硬件，软件一事无成。如果把硬件系统比做微机的躯体，那么软件就是微机的灵魂。这两者是互相依存、相互渗透、相互促进的关系。3.2微机系统的硬件组成——微处理器微处理器——中央处理单元由控制器、运算器和若干寄存器组成功能：指令执行、算术和逻辑运算、控制主要技术指标：位数：cpu字长，CPU一次能直接处理的二进制数据的位数主频：CPU的时钟频率，CPU在单位时间（每秒）内平均操作的次数，如2.66GHz外频：系统总线的工作频率倍频，也即倍频系数：是指CPU主频与外频之间的相对比例关系，主频=外频×倍频前端总线FSB速度：CPU与北桥芯片间总线的速度。单核----多核3.2微机系统的硬件组成——内存储器内存储器的种类随机存储器、只读存储器、高速缓存器、BIOS、CMOS等1.随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）随机存储器是随时可读可写的存储器。随机存储器又分为静态随机存储器和动态随机存储器两类。SRAM：静态存储器：逻辑电路存储信息DRAM：动态存储器：MOS管的栅极电容存储信息。SDRAM：同步动态存储器DDRSDRAM：双倍速率SDRAMDDRIISDRAM：第二代双倍速率SDRAMDDRIII,IVSDRAM：第三、四待双倍速率SDRAM3.2微机系统的硬件组成——内存储器内存储器的种类2.只读存储器只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）是一种在工作中只能读出不能写入的存储器。从使用的角度来看，只读存储器有多种类型：掩膜ROM（MaskedROM），ROM的内容在出厂前已经写入，不能再改。使用时只能读出。可编程PROM（ProgrammableROM），可以由用户一次性的写入ROM内容，写入后不能再改，只能读出。可擦除EPROM（ErasablePROM），可以由用户写入、擦除ROM的内容，就是可以多次改写的ROM。U盘，是一种称为FlashMemory的存储器，也是一种可擦除、可改写的只读存储器。这种存储器的特点是容量大，改写速度快，价格便宜。3.2微机系统的硬件组成——内存储器内存储器的种类2.只读存储器BIOS：BasicInputOutputSystem的缩略语，即“基本输入输出系统”。它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序，它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、系统设置信息、开机后自检程序和系统自启动程序。3.高速缓存（CPUCache）高速缓存是一种小容量、高速随机存储器，用来协调CPU和内存的速度匹配问题。CPU在取指令和数据的时候，首先访问高速缓存，如果在高速缓存中找不到需要的指令和数据，再到一般的RAM中访问。高速缓存分为一级缓存和二级缓存。一级缓存的容量一般在4KB到64KB之间。一级缓存还分为指令缓存和数据缓存。二级缓存的容量在128KB到2MB之间。3.2微机系统的硬件组成——内存储器内存储器的种类4.CMOSCMOS本身是一种集成电路制造工艺的简称。在微型计算机中是主板上一块可读写的RAM芯片的别名。CMOS里面存放的是关于系统配置的具体参数，如日期、时间、硬盘参数、软驱情况等，这些参数可通过BIOS设置程序进行设置。BIOS与CMOS相关但不同，BIOS中存储的是系统设置程序，是一段用来完成CMOS参数设置的程序代码；CMOSRAM中存储的是系统参数，是BIOS程序需要的数据。BIOS程序存储在ROM中，而CMOS数据存储在RAM中。准确的说：通过BIOS设置程序对CMOS参数进行设置2.2微机系统的硬件组成——内存储器RAM:存储的信息可以被随意刷新断电后信息丢失ROM：存储的信息在特定条件下可以被修改断电后信息不丢失CMOS常存放在南桥芯片的RAM中(256Byte)23/392.2微机系统的硬件组成——总线总线（BUS）是连接两个以上数字电路系统间的信息传输通道。一次传输信息的位数则称为总线宽度系统总线：是指连接计算机系统内部各部件（板、卡）和传输信息的一组信号线，如ISA、EISA总线局部总线：为了提高某些部件（如内存、显示器等）与CPU之间的数据传输速度，就用专门的总线将这些部件和CPU进行连接。如，VESA、PCI总线微型计算机中使用的总线标准（1）PC总线是8088为CPU的IBMPC/XT机所使用的总线，PC总线的数据线只有8条，是一种8位宽度的总线。2.2微机系统的硬件组成——总线微型计算机中使用的总线标准（2）ISA总线（IndustrialStandardArchitecture）是对PC总线的扩展，以适应8/16位数据总线要求。它在80286至80486时代应用非常广泛（3）EISA(ExtendedIndustryStandardArchitecture)总线EISA总线是为32位CPU设计的总线扩展工业标准，EISA总线完全兼容ISA总线信号。（4）PCI（peripheralcomponentinterconnect）总线1992年英特尔公司提出32位PCI总线的概念，PCI总线是一种连接外部设备的局部总线，它和CPU相对独立，且可扩展为64位。PCI总线是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线标准。2.2微机系统的硬件组成——总线微型计算机中使用的总线标准（5）AGP(AcceleratedGraph