现代信息技术基础

第2章计算机组成原理2.1

计算机的组成与分类

2.2CPU的结构与原理2.3PC机的主机2.4常用输入设备2.5常用输出设备2.6外存储器2.1计算机的组成与分类2.1.1计算机的发展与作用什么是计算机？计算机是一种工具不是交通运输工具不是机械加工工具不是···工具计算机是一种信息处理工具对计算机的简单描述计算机(电脑)是一种能够接收信息，并按照存储在其内部的程序（程序表达了某种规则）对输入信息进行处理，并产生输出结果的高度自动化的数字电子设备。②处理①输入③输出输入信息计算机输出信息计算机是通用的信息处理工具计算机的信息处理功能：信息的收集（信息获取）信息的储存（信息存储）信息的加工（信息处理）信息的传递（通信）信息的施用（展现与控制）计算机有哪些特性？计算机的特性：（1）速度快（2）存储容量大（3）通用性好不仅能处理数字和文字，而且能对图像、声音等多种形式的信息进行处理不仅能进行数学运算，而且能进行逻辑运算不仅能进行运算，而且具有信息的获取、存储、传输、展现等功能（4）计算机与计算机具有互连、互通和互操作的能力计算机的巨大作用计算机对社会的进步与发展产生了巨大的作用：计算机应用于科学研究，大大增强了人类认识自然、开发自然、改造和利用自然的能力，促进了科学技术的发展。计算机应用于工农业生产，大大提高了人类物质生产水平和社会生产率，促进了经济的飞跃发展。计算机应用于社会服务，大大扩展和改善了服务范围与质量，提高了工作效率，推动了社会进步。计算机应用于社会文化，为人类创造文化提供了现代化工具，改变了人们创造文化和传播文化的方式和方法，扩展了人类文化活动的领域、丰富了内容、提高了质量。计算机有什么负面影响？计算机引发的社会问题和某些潜在的危机：计算机系统崩溃给社会带来不可预测的严重后果信息欺骗和计算机犯罪增加知识产权保护更加困难个人隐私受到威胁不良和有害信息肆意传播和泛滥大量电子垃圾污染环境、破坏生态长期沉迷于计算机游戏、网络聊天等给青少年生理和心理带来严重危害计算机的发展1946年研制成功第1台数字电子计算机60年来发展速度之快大大超出人们的预料：性能、体积、价格、···应用领域和装机数量软件技术和软件产品使用的元器件第1代：电子管＋磁鼓第2代：晶体管＋磁芯第3代：中、小规模集成电路第4代：大、超大规模集成电路应用模式：集中计算模式分散计算模式网络计算模式普适计算模式（？）问题：60年来没变的是什么？基本工作原理第1台数字电子计算机1946年ENIAC计算机公布

ENIAC（电子数字积分机与计算机）：研制单位：美国宾夕法尼亚大学用途：军事计算运算速度：5000次/秒体积价格：170平方米，30吨，140千瓦，40万美元计算机的分代(按使用的元器件)第一代（约1946-1957）电子管计算机

●速度：几十～几万次/秒

●内存：磁鼓，千字

●外设：磁带

●机器语言或汇编语言编程美国于20世纪50年代生产的IBM704型采用电子管的第一代电子计算机第一代电子计算机中使用的磁鼓存储器第二代（约1957-1964）晶体管计算机

●速度：几十万次/秒，

●内存：磁芯，十万字

●外设：磁盘 ●高级语言编程电子管晶体管计算机的分代(按使用的元器件)第三代（约1965-1973）中小规模集成电路(SSI,MSI)计算机

速度：几十万次～几百万次/秒

内存：半导体存储器

高级语言,OS,DBMS第四代（1974年起）大规模(LSI)和VLSI计算机 速度：几百万次～亿次/秒 内存：半导体存储器 软件工程，分布式处理等第1～4代计算机的对比代

别年

代使用的元器件使用的软件类型主要应用领域第1代20世纪40年代中期～50年代末期CPU：电子管内存：磁鼓使用机器语言和汇编语言编写程序科学和工程计算第2代20世纪50年代中、后期～60年代中期CPU：晶体管内存：磁芯使用FORTRAN等高级程序设计语言开始广泛应用于数据处理领域第3代20世纪60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI内存：SSI，MSI的半导体存储器操作系统、数据库管理系统等开始使用在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用第4代20世纪70年代中期以来CPU：LSI、VLSI内存：LSI、VLSI的半导体存储器软件开发工具和平台、分布式计算、网络软件等开始广泛使用深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机2.1.2计算机的组成计算机是一个复杂系统计算机硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档计算机是一个复杂的系统复杂性：硬件由数以亿计的元器件组成，软件由数以亿计的指令组成多样性：硬件与光、机、电、声等有关，软件与数学、逻辑···等有关层次性：分层(hierarchical)结构计算机硬件的逻辑结构1经典计算机的逻辑结构（冯.诺依曼计算机）运算器和控制器输入设备输出设备存储器（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）计算机硬件的逻辑结构2现代计算机的逻辑结构与经典计算机结构相比的3个变化：集中控制→分散控制存储器→内存储器＋外存储器通过CPU通信→通过总线进行通信中央处理器(运算器及其控制)外存储器内存储器输出设备总线(bus)输入设备I/O接口I/O接口外存储器接口控制器控制器控制器CPU控制器memorystorageI/O设备通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连(1)输入设备输入(input)的双重含义：1.把信息送入计算机的过程;2.向计算机输入的内容输入设备(inputdevices)功能：用来向计算机输入信息输入设备有多种，例如:键盘——输入文字、符号和命令鼠标器——输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令扫描仪——输入图片麦克风——输入声音输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位来表示(2)中央处理器(运算控制器)什么是处理器(processor)？能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作的部件，特点是：由数字电路组成，结构非常复杂所有电路都制作在大规模集成电路芯片上(仅几个平方厘米)，称为“微处理器”(microprocessor)Intel4004chipIntel8080chip什么是中央处理器(CPU)？计算机中通常有多个不同的处理器，各有不同的分工和任务用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU，CPU是计算机必不可少的核心组成部件多数个人计算机只有1个CPU，但有一些计算机包含有2个、4个、8个甚至成百上千个CPU问题：除了CPU之外，计算机中还有哪些处理器？(3)存储器功能：储存以二进位形式表示的程序和数据分类：内存储器/外存储器内存储器(简称内存或主存)外存储器(简称外存或辅存)存取速度很快较慢存储容量较小(因单位成本较高)很大(因单位成本较低)性质断电后信息消失断电后信息保持用途存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据长期存放计算机系统中几乎所有的信息与CPU关系CPU所处理的指令及数据直接从内存中取出程序及相关数据必须先送入内存后才能被CPU使用·····011010011010101000001000000001000011001001111011111·······存储内容地址(4)输出设备输出(output)的双重含义：1.把信息送出计算机的过程;2.从计算机输出的内容输出设备(outputdevices)功能：从计算机输出信息输出设备有多种，例如:显示器——输出文字、符号和图形打印机——打印文字、符号和图形扬声器——输出声音(多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式(文字、符号、图形、声音等)(5)总线(bus)功能：用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路分类：CPU总线（或前端总线）：用于连接CPU和内存的总线I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线2.1.3计算机的分类计算机的分类（1）按内部逻辑结构分类8位/16位/32位/64位单CPU/多CPU···按性能和价格分类巨型计算机(supercomputer)大型计算机小型计算机个人计算机(personalcomputer)笔记本PC台式PC工作站(workstation)作为服务器(server)使用独立使用或作为客户机(client)使用曙光4000A巨型计算机计算机的分类（2）按计算机服务的对象和作用划分：类型服务对象应用性质主要特点分类或应用举例软件特点个人计算机服务器嵌入式计算机直接为用户服务通用性能/价格比高多媒体性能好有通用性和可扩展性工作站台式机笔记本种类多,功能丰富,用户可自行装卸为其它计算机服务半通用吞吐率(throughput)高可用性(availability)好有可扩展性(scalability)数据库服务器Web服务器打印服务器(企业级,部门级··)实时处理和并发工作能力强，可靠性和安全性好为其它设备服务专用价格便宜功耗低实时(realtime)处理软件固化,扩展性差手机数码相机

MP3播放器

···功能专用、单一、结构紧凑，固化在芯片中，不易修改和扩充2.1.4微处理器

和嵌入式计算机什么是微处理器？微处理器（μP

）是使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的电子部件，例如:μP是各种类型计算机的核心组成部分用于执行系统软件和应用软件的μP

称为“CPU”目前几乎所有计算机的CPU使用的都是微处理器除了用作CPU的通用微处理器之外，还有许多专用的微处理器产品：绘图处理器、通信处理器等Intel4004Intel8086Intel奔腾4Intel酷睿2微处理器的发展非常迅速

处理器主要参数400480808086802868038680486奔腾高能奔腾奔腾Ⅱ奔腾Ⅲ奔腾4推出时间(年)1971197419781982198519891993~19961995~19971997～19981999～20032000～2006主频

(MHz)0.10824.776～2016～3333～10060～200150～200233～333450～14001500～3800前端总线频率(MHz)0.10824.776～2016～3325或3350或666666100或133400,533或800，1066外部数据线数目48161632326464646464地址线数目1016202432323236363636存储空间大小640B64KB1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GB晶体管数目(万)0.230.452.913.427.51203105507509504200制造工艺(μm)106>21.51.5~1.01.0~0.80.8～0.350.6～0.350.35～0.250.25～0.130.13～0.065芯片引脚数目1640,4068132168273或296387242370478或775什么是嵌入式计算机？把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全都集成在一块芯片上，这样的超大规模集成电路称为“单片计算机”或“嵌入式计算机”用途举例：内嵌在其他设备中作为信息处理的核心装置，例如数码相机、MP3播放器、手机、计算机外围设备、汽车、机顶盒等特点：功能固定、专用，软件固化在芯片上，通常不能改变大多应满足实时信息处理的要求以最低成本满足应用要求能适应恶劣工作环境附录附录1：计算机的处理速度巨型计算机：几万亿～几十万亿次基本运算/秒个人计算机：几千万～几亿次基本运算/秒（其中，基本运算指的是：＋，－，×，÷等四则运算∧，∨等逻辑运算）与CPU主频有什么关系？原则上主频越高速度越快，但不是正比关系！附录2：计算机存储器的容量千字节(kilobyte，简写为KB)，

1KB=210字节=1024B（大写K表示1024）

兆字节(megabyte，简写为MB)1MB=220字节=1024KB吉字节(gigabyte，简写为GB)（千兆字节）

1GB=230字节=1024MB太字节(terabyte，简写为TB)（兆兆字节）

1TB=240字节=1024GB

1kB=103字节=1000B（小写k表示1000）

或106字节=1000kB

或109字节=1000MB

或1012字节=1000GB

注：红色为外存储器容量的计算单位2.2CPU的逻辑结构

与工作原理2.2.1CPU的逻辑结构

2.2.2指令与指令系统2.2.3CPU的性能指标2.2.1CPU的逻辑结构冯·诺依曼计算机的结构与原理(1)计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令；(2)程序(指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；(3)存储器中存放的指令和数据按地址进行存取；(4)指令是由CPU一条一条顺序执行的。中央处理器运算器和控制器输入设备输出设备存储器“存储程序控制”原理将问题的解算步骤编制成为程序，程序连同它所处理的数据都用二进位表示并预先存放在存储器中程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据④将指令的运算处理结果送回内存保存⑤任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存外存储器内存储器CPU①任务启动时，执行该任务的程序和数据从外存成批传送到内存指令1指令2指令k指令n程序数据1数据2数据m数据③CPU逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理存储器中央处理器存储数据和指令执行指令处理数据指令，数据处理结果CPU的任务CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作指令是什么？指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组成：操作码操作数地址指出CPU应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除、取数、存数等指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置举例:100206把02存储单元和06存储单元中的内容相加，和数保存在02单元CPU的结构和任务CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作寄存器组运算器中央处理器指令计数器指令寄存器控制器数据程序指令1指令2指令k指令n数据1数据2数据m数据内存储器指令

指令地址

操作数地址存放待执行指令的地址已经启动运行的程序和数据存放待执行的指令并进行译码完成规定的运算暂存等待处理的数据操作命令~~~~内存储器AC927BALU01234567运算器(ALU)与通用寄存器(GPR)运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件(ALU)，参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器GPR，运算结果也送回GPRSTORER1内存地址C例3：存数指令9例2：加法指令ADDR1R3R5(3＃寄存器内容与5＃寄存器内容相加，并把和数写入1＃寄存器)例1:取数指令LOADR3内存地址ALOADR5内存地址B27362793636通用寄存器GPR2.2.2指令与指令系统instructionsetsoftwarehardware指令及其格式指令采用二进位表示，大多数情况下由两个部分组成：操作码操作数地址指出CPU应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除等指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置指令在计算机中的执行过程取指令：CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入指令寄存器指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操作数在哪里执行指令3.1取操作数3.2进行运算修改指令计数器，决定下一条指令的地址1取指令4修改指令计数器3执行指令2指令译码指令执行周期关于指令系统CPU可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，即它的机器语言指令应该简单，简单才能提高速度!操作功能要简单，不宜太多、太复杂指令的格式要统一：固定长度、统一分段操作数的来源要有限制：算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器LOAD/STORE指令的操作数来自(或送到)内存寄存器内存内存寄存器Intel奔腾处理器的指令系统由于历史的原因，并不符合上述原则！关于指令的操作功能指令系统中的指令分成许多类，例如奔腾4处理器中共有七大类指令：数据传送类 ■算术运算类逻辑运算类 ■移位操作类位(位串)操作类 ■控制转移类输入/输出类等每一类指令（如数据传送类、算术运算类）又按照操作数的性质（如整数还是实数）、长度（16位、32位、64位、128位等）而区分为许多不同的指令，因此CPU往往有数以百计的不同的指令关于奔腾4系列的指令系统产品发展过程为：8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→Pentium

PRO→PentiumII→PentiumIII→Pentium4→奔腾D→奔腾至尊→酷睿→酷睿2为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式”开发新的处理器，即所有新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。例如：Pentium比80386增加了的80多条浮点指令，PentiumII比Pentium增加了50多条处理多媒体信息的指令（MultimediaExtension，称为MMX），PentiumIII比PentiumII增加了70条处理128位长操作数的流式单指令多数据指令(StreamingSIMDExtention,SSE)Pentium4又比PentiumIII增加了144条指令（称为SSE2）奔腾D

、奔腾至尊等又增加了SSE3指令关于CPU的兼容性不同公司生产不同的CPU产品：Intel公司：Pentium系列、赛扬系列、至强等AMD公司：独龙、闪龙、炫龙等IBM公司：Power5、Power6等（苹果的Macintosh使用）SUN公司：UltraSPARC处理器HP公司：PA-RISC、Itanium处理器同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：A计算机（使用新型号CPU）的程序不能在B计算机（使用老型号CPU）上运行，B计算机的程序却能在A计算机上运行不同公司的不同CPU产品其指令系统不同，它们互相不兼容：A计算机的程序不能在B计算机上直接运行，B计算机的程序也不能在A计算机上直接运行互相兼容2.2.3CPU的性能指标如何衡量CPU的性能？计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，它由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡等，但通常CPU是主要因素CPU性能高低的主要指标是CPU的速度，有2种衡量方法：计算每秒钟可执行的指令数目（单位：MIPS、MFLOPS）使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等）的执行速度来衡量CPU的性能影响CPU性能的主要因素(之一)CPU的字长（位数）目前PC使用的CPU大多是32位处理器，新一代的PC机将使用64位处理器主频（CPU时钟频率）主频提高，CPU的处理速度通常也会加快CPU总线（前端总线）的速度CPU总线速度决定了CPU与内存间数据传输速度的快慢高速缓存（cache）的容量与结构cache容量越大、级数越多，其效用就越显著影响CPU性能的主要因素(之二)CPU的指令系统指令的格式和功能会影响程序的执行速度CPU的逻辑结构CPU包含的定点运算器和浮点运算器数目是否流水线结构，流水线的条数和级数有无指令预测和数据预测功能是否具有数字信号处理功能是否多核，有几个内核······TT0T1T2T3T4T5T6T7T8T9I6I5I4I3指令的流水线执行指令1(I1)指令2(I2)···指令3(I3)I2指令的顺序执行：I1指令的流水线执行：Pentium4的流水线分成20级，每一级的操作都很简单,执行速度极快，因而允许时钟频率高达1GHz以上小结CPU如何执行任务CPU的逻辑结构指令及指令系统CPU的性能指标PipeliningandParallelProcessingInstructionsResultsaresequenced1.指令排队等候进入CPU处理并行处理提高计算机速度的有效途经3.每个CPU负责完成分配给它的指令2.哪一个CPU空闲，就把等候的指令交给它执行(包含3个内核)Intel微处理器主要技术参数比较处理器主要参数80808086802868038680486奔腾高能奔腾奔腾Ⅱ奔腾Ⅲ奔腾4推出时间(年)197419781982198519891993~961995~971997-981999-20032000-2006主频

(MHz)24.776-2016-3333-10060-200150-200233-333450-14001500-3800前端总线频率(MHz)24.776～2016～3325或3350或666666100或133400,533或800，1066外部数据线数目8161632326464646464地址线数目16202432323236363636存储器空间大小64K1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GB晶体管数目(万)0.452.913.427.51203105507509504200制造工艺(μm)6>21.51.5~1.01.0~0.80.8～0.350.6-0.350.35-0.250.25-0.130.13～0.065芯片引脚数目40,4068132168273或296387242370478或775附：Pentium4的逻辑结构寄存器组与CPU字长超标量结构ALU流水线处理技术SIMD技术EM-64T超线程技术双核与多核技术Pentium4处理器的逻辑结构指令译码器整数寄存器组L2cache(48GB/s)

L1数据cache(8KB)浮点寄存器组慢ALU复杂指令2xALU简单指令2xALU简单指令2xAGU存地址浮点存浮点取2xAGU取地址MMXSSE/SSE2浮点加浮点乘浮点除跟踪cache分支预测器执行跟踪cache(12000微操作)微码ROM微操作队列微操作队列指令预取部件动态分支预测器前端总线256位，时钟频率64位,时钟频率总线接口部件预取控制逻辑总线接口运算器寄存器组控制器Pentium4处理器的芯片布局L1数据cacheL2cacheTracecache(L1指令cache)浮点运算器MMX超级流水线技术前端总线及其接口定点运算器高级动态执行Pentium4的寄存器组整数寄存器组P4Pentium804868038680868088浮点寄存器组指令计数器标志寄存器Pentium4的超标量结构运算器采用超标量（superscalar）结构，一共包含9个ALU，均可同时工作：2个高速整数ALU(每个时钟周期进行2次操作)，用于完成简单的整数运算(如加、减法)1个慢速整数ALU(需要多个时钟周期才能完成1次操作)，用于完成整数乘、除法运算2个地址生成部件（AGU），用于计算操作数的有效地址，所生成的地址分别用于从内存取操作数或向内存保存操作结果1个ALU用于完成浮点操作数地址的计算1个ALU用于完成浮点加法、乘法和除法运算1个ALU用于执行流式的SIMD处理（SSE/SSE2/SSE3指令）1个ALU用于完成多媒体信号处理（MMX指令）整数寄存器组

L1数据cache(8KB)

浮点寄存器组慢ALU复杂指令2xALU2xALU简单指令2xAGU存地址浮点存浮点取2xAGU取地址MMXSSESSE2SSE3浮点加、减、乘、除等运算简单指令超流水线(Hyper-pipeline)技术Pentium4有多条超流水线，每条流水线的级数均很长，定点运算达20级，浮点运算达到29级，处于执行状态的指令数最多可达到126条整数寄存器组浮点数寄存器组超级流水线中每步操作都非常简单，因此主频可以显著提高取指阶段译码阶段执行阶段保存结果,修改IP

Pentium4的20级超流水线结构的示意图：指令流水线的效果AddAddAddAddAddDivSubMulAddSubAddCPU流水线会阻塞吗？如何确保指令流水线通畅？运算结果LOADR1,BLOADR2,CLOADR3,DADDR2,R1LOADR4,ESTORER2,ASUBR4,R3调整后:LOADR1,BLOADR2,CADDR2,R1STORER2,ALOADR3,DLOADR4,ESUBR4,R3例:a=b+c;e=e-d;假设a,b,c,d,e分别存储在地址为A,B,C,D,E的单元中指令预取和分支预测为了使流水线不中断，指令预取部件用于完成指令地址的计算，并从指令

cache中读取指令（一次64位），它还通过动态分支预测器对即将执行的指令提前进行预取，如果预测发生错误，那么流水线就会中断，CPU的速度将会受到影响指令cache及指令预取部件动态分支预测器指令译码器跟踪cache分支预测器执行跟踪cache(12000微操作)微码ROM控制整数ALU的微操作队列控制浮点ALU的微操作队列A=A+2;If(A>10)B=A;MMX/SSE/SSE2/SSE3指令所谓SSE指令，其特点是1条指令可处理128位的数据，它可以是下列情况之一：4个单精度浮点数(各32位) 2个双精度浮点数(各64位)16个8位整数 8个16位整数4个32位整数 2个64位整数1个128整数由于一条指令可以处理若干个整数或浮点数，因而大大提高了计算速度，这种做法称为单指令多数据技术（single-instruction,multiple-data，简称SIMD）SSE/SSE2/SSE3指令在完成3D图形、语音识别、图像处理等多媒体应用的时候非常有效SSE指令的SIMD操作举例xmm0xmm1指令：addpsxmm0,xmm1++++（1次完成4个单精度浮点数相加）xmm0xmm1指令：addpdxmm0,xmm1++（1次完成2个双精度浮点数相加）为什么需要64位计算？原因：可以进行更大范围的整数运算可以支持更大的内存进行64位计算的条件：64位的处理器64位的操作系统(如WindowsXPX64，WindowsVista)64位的应用软件产品：RISC(UltraSparcⅢ、IBM公司的POWER5、HP公司的Alpha)Intel安腾处理器(Itanium和Itanium2)AMD64(Athlon64系列、AthlonFX系列和Opteron系列)IntelEM-64T(ExtendedMemory64Technology)至强(Xeon)系列、Pentium46xx系列和PentiumD系列、P4至尊版Pentium的64位扩展技术(EM-64T)整数寄存器组P4Pentium803868048680868088指令计数器标志寄存器64位处理器的整数寄存器组共16个64位寄存器，另外还增加8个128位的SSE寄存器增加了处理64位整数的指令支持c语言中的“long

int”数据类型，对应的是64位整数Pentium4的64位寄存器组超线程(Hyper-Threading,HT)技术背景：实际应用中CPU的执行单元没有被充分使用，性能未得到充分发挥超线程(HT)技术：把硬件模拟成两个处理器芯片，从OS来看就像有两个CPU一样，可同时执行2个线程P4处理器增加了一个逻辑CPU指针，而整数运算单元、浮点运算单元、L2Cache等均由2个线程共享处理器有两种运行模式：SingleTaskMode（单任务模式）：系统只有1个逻辑处理器MultiTaskMode（多任务模式）：系统有2个逻辑处理器分析：由于不是2个真正的CPU，它们需要共享ALU、cache等资源，当两个线程同时需要使用某个资源时，一个线程必须暂停运行，直到该资源空闲后才能继续执行。因此超线程的性能达不到2个物理CPU的性能超线程技术需要芯片组、OS和应用软件支持，才能发挥该项技术的优势，Windows2000就不支持双线程当运行单线程应用软件时，超线程技术甚至会降低系统性能双核处理器出现的背景提高主频来提升处理器性能的瓶颈是散热问题：3.2GHz的Pentium

4处理器功率超过100W，内核温度达摄氏70度提升到4.0GHz时功率会达到150W，散热问题更难处理超线程技术虽然可以提高执行部件的使用效率，但有一定开销，对于单线程的软件反而降低了效率集成电路制造及封装技术的进步，有能力把2个甚至更多个处理器做在1个芯片内双核处理器1个芯片中有两个功能相同的处理器(内核)，在操作系统看来，系统中有2个物理处理器

2个内核可以各有自己的L2cache，但必须保正其中的信息完全一致，否则就会出现运算错误(由955X芯片组中北桥芯片负责)，也可以共享同一个L2cache用途：面向计算密集型应用和娱乐发烧友

产品：PentiumD(不支持超线程技术)PentiumExtremeEdition(至尊版)支持HT，最多可作为4个处理器用酷睿™(CoreDuo)双核处理器(嵌入式应用和笔记本)：不支持HT和64位扩展酷睿2(Core2Duo)双核处理器：支持EM64T揭开外壳后的PentiumD处理器独立cache共享cache小结：Pentium4提高速度的措施扩展CPU的字长：64位存储扩展提高CPU的主频：已经从1.5GHz逐步提高到3GHz以上，目前最高已经接近4GHz；加快CPU前端总线的数据传输速度：CPU总线宽度增加为64~128位CPU总线频率从400MHz、533MHz提高到800MHz和1066MHz因此，传输速率也相应地从3.2GB/s、4.3GB/s提高到6.4GB/s和8.6GB/s采用cache存储器增大cache容量：L2cache的容量从256KB也已经增大为1MB或2MB增加cache的级数：有些处理器采用L3cache采用超标量运算器结构和超流水线技术提供和支持向量运算指令（SIMD指令）采用超线程技术，提高执行部件的工作效率采用双(多)核处理器技术2.3PC机的主机2.3.1

主板、芯片组与BIOS

2.3.2内存储器2.3.3I/O总线和I/O接口台式PC的物理组成台式机1音箱5CPU2调制解调器6键盘3麦克风7鼠标器4内存条8CD驱动器9软驱10硬盘驱动器11打印机12I/O接口13CRT显示器14扩展卡2.3.1

主板、芯片组与BIOS台式PC机(立式)的主机箱扩展空间(1)主板主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件主板安装内容：见上图ROMBIOS：存放最基础的软件——基本输入/输出系统(BIOS)CMOS存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等）存储器插座

处理器插槽外部设备插口(I/O接口)软驱及硬盘的IDE连接器电源连接器

PCI总线槽

CPU插座显示卡的AGP插槽南桥芯片ROMBIOS

CMOS存储器北桥芯片CPU插座内存条插座软驱、硬盘IDE连接器电源连接器PCI总线插槽

芯片组

I/O端口例：华硕P4T主板照片(2)芯片组的作用yALU寄存器组CPU总线接口R6CPU(前端)总线I/O总线主板扩展槽PCI接口南桥芯片I/O总线寄存器组运算器中央处理器指令计数器指令寄存器控制器磁盘控制器以太网卡USB控制器和接口鼠标器键盘网线disk声卡视频卡光驱主存储器0A北桥芯片y存储器总线显卡芯片组举例芯片组的作用：是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽北桥芯片：1.存储器控制功能；2.连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽南桥芯片：1.多种I/O设备的控制功能；2.I/O总线(PCI总线)功能；3.提供了各种I/O接口Pentium4CPU前端总线北桥82865PMCH图形卡接口双通道南桥82801EICH5USB2.0接口(x8)以太网接口PCI插槽(≤6个)ROMBIOS硬盘接口(x2)音频CodecSuperI/O键盘,鼠标,软驱,并口,串口等电话ModemDDR2电源管理、时钟生成DDR2存储器CPU关于芯片组的一些说明芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU，就有什么样的芯片组与之配套由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能芯片组产品：Intel芯片(如865、915、945、955、975系列等）VIA（威盛，中国台湾）nVIDIA（美国）ATI（加拿大）AMD（美国）(3)BIOS什么是BIOS（BasicInput/OutputSystem）？中文名为“基本输入/输出系统”，它是存放在主板上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序功能：诊断计算机故障启动计算机工作控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等)BIOS芯片保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片BIOS芯片中包含的程序加电自检程序程序（POST）

(PowerOnSelfTest)用于检测计算机硬件故障系统自举程序（Boot）启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态CMOS设置程序设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等常用外部设备的驱动程序（Driver）实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制PC机的启动工作过程接通电源时CPU自动执行BIOS中的POST程序1.1按CMOS中的内容来识别硬件的配置,测试各部件的工作状态(发现错误则报错)1.2初始化CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显示卡、键盘、软驱和硬盘等设备CPU自动执行自举程序按照CMOS中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、硬盘或光盘）从外存储器读出引导程序，然后由引导程序读出操作系统并装入内存最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系统所控制关于CMOS芯片这是一个容量很小的RAM存储器，由电池供电，即使计算机关机后也不会丢失所存储的信息作用：存放计算机硬件的参数（称为“配置信息”），包括日期和时间、口令、软盘/硬盘/光盘驱动器的数目、类型及参数、显卡类型、cache使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供BIOS程序使用设置和修改CMOS参数的方法：在开机启动BIOS工作时，按下Del键(或F2或F8健)，即可进入BIOS中的CMOS设置程序2.3.2内存储器复习：内存与外存的关系及比较内存储器(简称内存或主存)存取速度快成本高、容量相对较小直接与CPU连接，CPU(指令)可以对内存中的指令及数据进行读、写操作属于挥发性存储器(volatile)，用于临时存放正在运行的程序和数据内存储器外存储器CPU指令1指令2指令k指令n程序数据1数据2数据m数据①任务启动时，执行该任务的程序和数据将从外存成批传送到内存②CPU从内存中逐条读取该程序的指令及相关的数据④将指令的运算处理结果送回内存保存⑤任务完成后，将处理得到的全部结果成批传送到外存以长久保存③逐条执行指令，按指令要求完成对数据的运算和处理外存储器(简称外存或辅存)存取速度慢成本低、容量很大不与CPU直接连接，计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据必须先传送到内存，然后才能被CPU使用。属于不挥发性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息计算机中存储器的层次结构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（磁带库、光盘库）内存储器外存储器寄存器典型容量<1KB1MB256MB-1GB40GB-200GB10TB-100TB典型存取时间1ns2ns10ns10ms10s分析：速度越快，成本较高。为了获得好的性能/价格比，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作工作过程：1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器2）如需要从(向)存储器中取(存)数据时，先访问cache，如在，取自cache3）如操作数不在cache，则访问RAM，如在RAM中，则取自RAM4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出→RAM→cache内存储器的分类及应用内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型：半导体存储器只读存储器(ROM)随机存取存储器(RAM)静态随机存取存储器SRAM动态随机存取存储器DRAM不可在线改写内容的ROM快擦除存储器（FlashROM）（用作Cache存储器）

（用作主存储器）每个存储单元(cell)由6个晶体管组成只要加上电源，信息就能一直保持对电器干扰相对不很敏感比DRAM更快，也更贵每个存储单元由1个电容和1个晶体管组成.

每10-100ms必须刷新一次对电器干扰比较敏感比SRAM慢，但便宜（用作BIOS存储器）(图形卡、硬盘控制器)主存储器(RAM)的功能与原理主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令和数据特点：以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节（8个二进位）存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：MB或GB）存取时间：从CPU送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入主存）所需要的时间（单位：ns，1ns=10-9s）····· 0110100110101010存储内容00001000000001000011001001111011111·······存储单元地址地址码存储单元地址寄存器地址译码器地址线读写控制电路数据线控制线读/写的数据读/写控制信号(64位)(36位)PC机主存储器的物理结构主存储器由若干内存条组成内存条的组成：把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用目前流行的是DDR和DDR2内存条：均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面DDR条有184个引脚，DDR2有240个引脚PC机主板中一般都配备有2个或4个DIMM插槽

存储器与CPU速度差距愈来愈大DRAM,硬盘与CPU之间的速度差距愈来愈大：问题：由于CPU工作速度很快，内存速度比较慢（差1～2个数量级），从内存取数或向内存写数时，CPU往往需要等待关于cache存储器什么是cache(高速缓存)？cache是一种小容量高速缓冲存储器，它由SRAM组成cache直接制作在CPU芯片内，速度几乎与CPU一样快程序运行时，CPU使用的一部分数据/指令会预先成批拷贝在cache中，cache的内容是主存储器中部分内容的映象当CPU需要从内存读(写)数据或指令时，先检查cache中有没有，若有，就直接从cache中读取，而不用访问主存储器012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息拷贝在cache存储器中Cache存储器主存储器关于cache存储器如何提高cache的命中率？增大cache容量采用多级cache技术(2级或3级等)cache中采用快速的查找算法，判定是否命中不能命中时，采用有效的算法将读入的内容替换cache中暂时不使用的内容编译器优化目标程序程序员写出cache-friendly的程序关于cache存储器Pentium4的cache存储器Pentium4中有3个cache存储器，分成两级：一级cache数据缓存（L1数据cache），8KB指令缓存，8KB二级缓存（L2cache），容量为256KB～2MBL2cache(48GB/s)

L1数据cache(8KB)指令cache及指令预取部件前端总线256位，时钟频率64位,时钟频率总线接口部件预取控制逻辑关于cache存储器2.3.3I/O控制与I/O接口输入的任务：将输入设备输入的信息送到内存储器的指定区域输出的任务：将内存储器指定区域的内容送出到输出设备

I/O操作也包括将外存储器的内容传输到内存，或将内存中的内容传输到外存储器

I/O操作的任务I/O操作的特点I/O操作与CPU的运算可并行进行多个I/O设备可同时进行工作配置的I/O设备数量和品种可经常增减或变换每类I/O设备都有各自的控制器，它们按照CPU的I/O操作命令，独立地控制I/O操作的全过程关于总线总线的定义：用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个共享的信息传输通路及其控制部件。总线的特点：1共享；2高速总线的性能：数据通路宽度；总线工作频率；传输次数;

总线带宽总线的类型：CPU总线存储器总线I/O总线关于I/O总线I/O总线是各类I/O控制器与CPU、内存之间传输数据的一组公用信号线，这些信号线在物理上与主板扩展槽中插入的扩展卡（I/O控制器）直接连接。目前PC机使用的I/O总线PCI总线PCI-Express(高速PCI总线)I/O总线的带宽总线的数据传输速率(MB/s)=数据线位数/8×总线工作频率（MHz）×每个总线周期的传输次数PCI总线扩展槽关于I/O接口I/O接口：I/O设备与I/O控制器之间的连接器包括：插头/插座的形式、通讯规程和电器特性等分类：从数据传输方式来分：串行（一次只传输1位）并行（多位一起进行传输）从是否能连接多个设备来分：总线式（可连接多个设备）独占式（只能连接1个设备）从是否符合标准来分：标准接口（通用接口）专用接口（专用接口）串行口并行口I/O设备接口串行口9针并行口VGA视频口键盘接口双绞线接口PS/2接口串行口25针同轴电缆网络接口显示器接口麦克风音箱键盘接口并行口USB接口以太网双绞线接口串行口鼠标器接口(安装在主板上的I/O设备接口)台式PC机箱背板照片键盘接口鼠标接口串行接口电源接口打印机(并行)接口(游戏)操纵杆接口显示器接口扬声器接口麦克风接口电话线/MODEM接口常用的I/O接口及其性能参数名称数据传输方式数据传输速率标准插头/插座形式可连接的设备数目通常连接的设备串行口串行,双向50～19200b/sEIA-232或EIA-422DB25F或DB9F1鼠标器，MODEM并行口(增强式)并行,双向1.5MB/sIEEE1284DB25M1打印机，扫描仪USB(1.0)USB(1.1)串行,双向1.5Mb/s(慢速)1.5MB/s(全速)USBA最多127键盘，鼠标器，数码相机，移动盘等USB(2.0)串行,双向60MB/s(高速)USBA最多127外接硬盘，数字视频设备，扫描仪等IEEE1394aIEEE1394b串行,双向12.5,25,50MB/s100MB/sFireWire(i.Link)最多63数字视频设备IDE并行,双向66MB/s100MB/s133MB/sUltraATA/66

UltraATA/100UltraATA/133(E-IDE)1~4硬盘，光驱，软驱SATA串行,双向150MB/s300MB/sSATA1.0SATA2.07针插头/插座1硬盘显示器输出接口并行,单向200～500MB/sVGAHDB151显示器PS/2接口串行,双向低速IBM1键盘或鼠标器红外线接口(IrDA)串行,双向115,000bps或4Mbps红外线数据协会不需要1键盘，鼠标器，打印机等关于USB接口通用串行总线式接口（UniversalSerialBus）高速、可连接多个设备、串行传输传输速率：USB的1.1版：1.5Mb/s和12Mb/sUSB2.0版：高达480Mb/s（60MB/s）使用4线连接器，体积小，符合即插即用规范（Plug&Play,即PnP）使用“USB集线器”扩展机器的USB接口，最多连接127个设备可通过USB接口由主机向外设提供电源（＋5V，100～500mA）。USB接口的3种类型接口类型A,通常在PC上出现接口类型B,通常在USB设备上出现Mini-USB,数码相机、移动硬盘等设备经常使用USB集线器,可扩展PC机的USB接口黑地GND4绿数据＋＋DATA3白数据－－DATA2红电源VCC1导线颜色名称信号引脚关于IEEE-1394接口通常用于连接需要高速传输大量数据的音频和视频设备.速度特别快也支持即插即用规范6根线采用级联方式连接设备可连接63个设备小结1：

I/O总线,I/O控制器,I/O接口与I/O设备的关系I/O设备通常都是物理上相互独立的设备，它们一般通过I/O接口与I/O控制器连接I/O控制器通过扩展卡或者南桥芯片与I/O总线连接I/O总线经过北桥芯片与内存、CPU连接打印机扫描仪显示器麦克风网线I/O总线I/O接口硬盘光驱I/O设备CPU主板I/O设备I/O控制器（扩充卡）机箱插座板卡插座I/O控制器PCI插槽内存主板插槽机箱芯片组IDE接口机箱插座I/O设备键盘鼠标器小结2：

I/O总线,I/O控制器,I/O接口与I/O设备的关系yALU寄存器组CPU总线接口R6CPU(前端)总线I/O总线主板扩展槽PCI接口南桥芯片I/O总线磁盘控制器以太网卡USB控制器和接口鼠标器键盘网线disk声卡视频卡光驱主存储器0A北桥芯片y存储器总线显卡作业

P461、3P501、4P633、7、8附录SRAM的存储单元6管静态NMOS存储单元读出时：

-置2个位线为高电平

-

置字线为1-根据存储单元的状态改变位线的输出电平写入时：

-位线上是被写入的二进位信息0或1-置字线为1-存储单元(触发器)按位线的状态设置成0或1信息存储原理：看作带时钟的RS触发器存储单元字线位线D位线DDRAM的存储单元单管动态MOS存储单元读出时：字线位线V~Cnode

/CBL写入时：字线位线V电容Cnode信息存储原理电容Cnode处于充电状态时，表示1；电容Cnode处于放电状态时，表示0字线位线接地存储单元字线位线C读放大器DRAM存储器基本结构主要组成部分：

存储矩阵地址译码器读/写缓冲及控制电路工作过程：使用行地址和行选通信号(RAS)选择某一行存储单元将该行所有单元的信息读出送到芯片内部的行缓冲器使用列地址和列选通信号(CAS)选择缓冲器的某一列数据从缓冲器选出并拷贝到数据总线，然后送给CPU行地址列地址wordlinebitgnd例：128MB的DRAM存储器:行、列地址为(i,j)的8个单元总容量＝128MB，由8片DRAM芯片构成每片16Mx8bits行地址、列地址各12位每1行共4096列(8位/列)选中某一行并读出之后再由列地址选择其中的一列(8个二进位)送出存储控制器(行地址i,列地址j)DRAM7DRAM003178151623243263394047485556bits0-7bits8-15bits16-23bits24-31bits32-39bits40-47bits48-55bits56-6364-bit双字03178151623243263394047485556主存储器地址A处的64-bit数据地址A4096行提高DRAM存储器速度的措施反复多次使用芯片内部缓冲器中的内容，不要每次都重复地进行“行访问”DDRSDRAM

(Doubledata-ratesynchronousDRAM)和DDR2SDRAM

2个、4个或多个存储器同时工作时钟频率=100MHz内部频率=100MHz传输频率=200MHz存储单元阵列数据总线DDRSDRAM时钟频率=100MHz内部频率=200MHz传输频率=400MHz存储单元阵列数据总线DDR2SDRAM

I/O操作的过程I/O操作的过程CPU执行I/O指令向I/O控制器发出启动命令后，继续执行后续指令。I/O控制器接受命令后负责对I/O设备进行全程控制I/O控制器向I/O设备发出操作命令并收到应答后就向DMA控制器（芯片组内部）发出数据传输的请求获得DMA许可后，DMA启动并控制I/O设备在内存储器数据和I/O设备之间直接传输数据。所有数据传输完毕后，I/O控制器向CPU报告I/O操作完成。I/O操作中若干控制部件的作用CPU

负责启动I/O操作I/O控制器

负责在I/O操作期间对I/O设备进行全程控制DMA控制器

DMA:直接存储器访问负责实现I/O设备与主存储器之间的直接数据传输的控制中断控制器

负责向CPU报告I/O操作完成的情况，实现CPU处理与I/O操作之间的同步与通信I/O操作是由许多部件协同完成的2.4常用输入设备2.4.1键盘2.4.2鼠标2.4.3笔输入设备(选学)2.4.4扫描仪2.4.5数码相机2.4.1键盘（Keyboard）键盘作用：向计算机输入字母、数字、符号、命令等信息按键的布局与类型：其它按键：

Windows控制键;多媒体播放控制键;若干指示灯小键盘光标控制键功能键打字键盘修饰键PC键盘中主要控制键的作用控制键名称主

要

功

能AltAlternate的缩写，它与另一个(些)键一起按下时，将发出一个命令，其含义由应用程序决定

Break经常用于终止或暂停一个DOS程序的执行CtrlControl的缩写，它与另一个(些)键一起按下时，将发出一个命令，其含义由应用程序决定Delete删除光标右面的一个字符，或者删除一个(些)已选择的对象End一般是把光标移动到行末EscEscape的缩写，经常用于退出一个程序或操作F1～F12共12个功能键，其功能由操作系统及运行的应用程序决定Home通常用于把光标移动到开始位置，如一个文档的起始位置或一行的开始处Insert输入字符时有覆盖方式和插入方式两种，Insert键用于在两种方式之间进行切换NumLock数字小键盘可用作计算器键盘，也可用作光标控制键，由本键进行切换PageUp使光标向上移动若干行（向上翻页）PageDown使光标向下移动若干行（向下翻页）Pause临时性地挂起一个程序或命令PrintScreen记录当时的屏幕映像，将其复制到剪贴板中PC键盘上的特殊控制键电源控制键：Power：开/关机Sleep：使机器进入待机状态WakeUp：从待机状态唤醒多媒体控制键：音量控制、静音控制，音轨的前进与后退，节目的播放、暂停、停止，弹出光盘等因特网控制键：打开浏览器，转向前一网页，转向后一网页，启动电子邮件程序等键盘的结构机械式键盘：早期曾使用电容式键盘：无磨损和接触不良问题，耐久性、灵敏度和稳定性都比较好，击键声音小，手感较好，寿命较长与主机的接口PS/2接口USB接口无线接口（红外线或无线电波）敲击键盘的正确姿势正确不正确2.4.2鼠标器（Mouse）鼠标器的作用作用：控制屏幕上的鼠标箭头准确地定位在指定的位置处，然后通过按键（左键或右键）发出命令，完成各种操作工作过程：用户移动鼠标器时，借助于机械或光学原理，将鼠标在X方向和Y方向移动的距离变换成脉冲信号输入计算机计算机中的鼠标驱动程序把接收到的脉冲信号转换成水平和垂直方向的位移量，继而控制屏幕上鼠标箭头的移动优点：外型轻巧，操纵自如，使用方便，价格低廉鼠标器的类型与组成类型：光电式鼠标器发光二极管微型镜头右键左键滚轮（当前流行使用）机电式鼠标器（曾经流行使用）滚轮按键传动球鼠标垫机电式鼠标器工作原理Windows中鼠标器的操作及功能移动鼠标：移动屏幕上的光标箭头单击左键：选择对象，或选择执行某个菜单命令双击左键：打开文件/文件夹，或启动运行与所指对象相关联的应用程序左键拖放：移动对象/复制对象/创建对象快捷方式等单击右键：弹出所指对象的快捷菜单向前/向后转动滚轮：显示窗口中前面/后面的内容（滚屏）鼠标器与键盘同时工作会使某些操作更简单和方便：鼠标器与Ctrl键的配合使用可以复制一个对象鼠标器与Shift键的配合使用可以移动一个对象）鼠标箭头的常见形状及含义鼠标形状含义鼠标形状含义标准选择调整窗口垂直大小文字选择调整窗口水平大小帮助选择窗口对角线调整后台操作窗口对角线调整忙移动对象在Windows操作系统中，不同的鼠标形状有不同的含义：几种不同形式的鼠标器无线鼠标接收器发送器指点杆