Intel计算机的总体结构(一)

第2章IA-32Intel计算机的总体结构

1-1

IA-32Intel计算机的含义：

以IA-32IntelCPU和芯片组为基础所组成的

计算机硬件系统。

分为：普及型PC机、

高性能(performance)PC机、

便携式(portable)PC机、

嵌入式(embedded)计算机、

服务器(server)、

工作站(workstation)等：

1-2

嵌入式计算机系统的特点：

把计算机与应用系统融为一体，即把计算

机插入到应用系统中，因而看不出有独立的计算

机存在。

主要使用的CPU：

微控制器(microcontroller)、

数字信号处理器DSP(DigitalSignal

Processor)、

x86CPUo

1-3

服务器和工作站的特点：

服务器和工作站是IA-32Intel计算机中

性能最高的机种，通常采用对称多处理结构

SMP(SymmetricalMulti-Processing)。

从硬件结构上来说，二者极其相似，差

别仅仅在于工作站配有监视器(monitor),

服务器则不配监视器，而配客户机(client)

O所以，可以形象地说，服务器就是去掉头部

的工作站。

1-4

IA-32Intel计算机中的互连技术

计算机模块的功能及其所使用的信号

控制

CPU模块数据

地址

图2.1计算机模块及其所使用的信号

1-5

计算机的硬件功能模块有三种：

存储器模块、I/O模块和CPU模块。

各模块交换信息时所使用的信号是：

地址信号、控制信号、数据信号。

（注意：信号线上的箭头方向。）

1-6

存储器模块内部所存放的内容有两部分：

一是二进制的指令代码（程序），

二是二进制的数据，即原始数据和结果。

1-7

存储器的两种操作：

读操作：

把存储器模块中的二进制代码传送给CPU

或其他主控设备。

写操作：

把来自CPU或其他主控设备(master)的

二进制代码接收到存储器模块。

读/写操作的基本单位是存储单元(

location）。

1-8

存储器模块的组织方法是：

存储器模块必须以存储单元为单位

进行组织。

在IA-32Intel计算机中，无论哪种

型号的系统，存储器模块中存储单元的

长度均为一个字节。

1-9

存储器模块的访问方法是：

按存储单元所对应的地址进行读/写操

作。

存储单元的地址：

在设计存储器模块时，为每个存储单

元分配一个唯一的二进制代码，称之为

地址代码。以此来保证正确区分存储器

单元。

1-10

CPU的寻址能力：

台式机CPU或其他主控设备所发出的地址

信号可达32条，理论上可区分4GB的存储器单

兀，称之为寻址能力为4GB。

服务器和工作站CPU（带Xeon）的寻址能

力可达到64GB。

1-11

IA-32计算机的两个地址空间是：

存储器地址空间和I/0地址空间。

I/O模块中的寄存器种类：

数据寄存器、控制寄存器和状态寄

存器。

I/O模块中的端口：

•般地寄存器称为一个端口。

1-12

2.2.1总线与芯片组技术

/~\负载匹瓯/负载匹瓯/

数据总线存

C/双向切换、»双向切换、/

P储

U发送驱幻地址总线接收译耳)器

模

模

块、负载匹甑/、负载匹甑/~\

/控制总线

/信号变换J,信号变换\―/块

负载匹配接收译仅负载匹配

信号变换发送驱可双向切换

I/O模块

图2.2用总线技术互连计算机各功能模块

1-13

总线(bus)：

是一组公共的信号线，凡与总线相连的

功能模块，均可以经由总线传送信息。有的可

以发送信息，有的可以接收信息。

但同一时刻，发送信息的功能模块只能

有一个，否则会引起总线上的信息混乱。

1-14

系统中的总线可分为：

数据总线、.

地此总线、■

控制总线。

数据总线的宽度：

为所包含的信号线的数目。

数据总线为双向的。

1-15

地址总线是单向总线：

总是由CPU模块或其他的主控设备（即

DMA控制器）发出，由存储器模块或I/O模块接

收。

总线的高位地址信号经译码后用来选择

模块，而低位地址信号用来选择模块内的各个

单元。

1-16

芯片组的功能包括：

进行信号变换、负载匹配、译码驱动、

提供数据通路。

在现代的芯片组中还往往包含了许多I/O

控制器，即I/O接口的功能。

1-17

IA-32计算的总体结构

1-18

结

构CPUBSB总线二级Cache

图

AGP总线》(存储总线)

显示系MCH/GMCH存储器

(PCI总线,

IDE总线,用户扩展I/O模匕

USB总线)(AC，97总电

ICHx音频/Modem

(SMBus总装

SMBus设备

FWHLPC总

超级I/。

图2.3IA-32Intel结构计算机的总体结构

1-19

采用多级总线(hierarchicalbus)：

按速度的不同，对各功能模块进行分层

总线互连，以便使系统工作速度最佳化。

1-20

MCH(MemoryControllerHub)：

^^^存储器控制中心。

GMCH(Graphics&MemoryControllerHub)

图形与存储器控制中心。

MCH/GMCH也称为主桥。

1-21

MCH和GMCH的主要区别是：

GMCH含有内置的图形加速器，而MCH则没

有。

因此，使用GMCH的主板上即便不设置AGP

接口，直接就可以和监视器（monitor）相连

接。使用MCH的主板上必须设置AGP接口，通过

外加的图形控制板，才可以和监视器相连接。

1-22

ICHx(I/OControllerHub):

I/O桥。

ICHx共包含有多种型号：

ICH、ICH2、ICH3-S.ICH4等(见表

2.2)o

1-23

800系列芯片组是由MCH/GMCH>ICHx

二者共同组成的一组超大规模集成电路。

1-24

系统总线：

指的是系统中主要的功能模块与系统之

间的互连总线。系统总线的实例如前端总线

(FSB)、存储总线。

1-25

局部总线：

是指与CPU相连的总线。这种总线一

般单独设置，其上不接其他功能模块，为

的是要保证系统中工作速度最高的CPU能

够全速工作。BSB总线属于局部总线。

双独立总线结构:

与CPU直接连接的BSB和FSBo

1-26

在IA-32计算机中，经常使用的存储器有：

SDRSDRAM(SingleDataRateSDRAM)、

DDRSDRAM(DoubleDataRateSDRAM)、

RDRAM(RambusDRAM),

(SDRAM：SynchronousDynamicRandomAccess

Memoryo)

AGP总线：专用于显示系统与系统之间互连的总

线。

1-27

IDE(IntegratedDriveElectronics)设备：

.通常把经由IDE接口接入系统的硬磁盘驱动器和

光盘驱动器称之为IDE设备。

IDE接口也称ATA接口。

PCI总线：

是以并行方式工作的总线。在IA-32计算机中

,通常用来把用户自行设计的或者从市场上购买的

符合PCI规范的I/O模块通过PCI插槽接入系统。

1-28

USB(UniversalSerialBus)总线：

■通用串行总线。

I经由USB总线，可以方便的把性能各异的I/O设

备，例如键盘、鼠标、打印机、扫描仪和磁盘驱

动器等，接入系统，数量最多可达127台。

使用方便、支持热插拔、占用系统资源少、传

输速度快、可以为I/O设备提供+5V电源。

所以USB总线已经成为I/O接口的发展方向。

1-29

AC'97(AudioCodec，97)总线：

.称音频编码总线或AC链路。以串行方式工作

□在此

基础上，可用软件方式实现声卡和modem卡的功能

O

LPC(LowPinCount)总线：以串行方式工作。

由ISA总线改进而来。总线上的信号线数目不

仅大为减少，而且也少占用了系统资源，从而更

有利于系统稳定工作。

1-30

FWH(FirmWareHub)：固件中心。

I以快闪存储器(flashmemory)为基础

的超大规模集成电路，其中特别适宜存放固

定的程序和数据。

在IA-32Intel计算机中，BIOS(Basic

InputandOutputSystems)就存储在FWH

中。

1-31

超级I/O(superI/O)：

是具有综合功能的I/O控制器。

经由LPC总线把低速I/O设备，诸如键盘、

鼠标、软磁盘驱动器并行打印机、调制解调器

等接入系统。

1-32

SMBus(SystemManagementBus)：

■系统管理总线，以串行方式工作。

经由SMBus总线，系统可以知道每个设

备的型号、规格、技术性能、制造厂商以

及工作状态等信息，便于系统实现设备管

理功能。

1-33

800系列芯片组及其主要技术特征

作业：

到www.intel,com网站上查阅D845EBT主

板的英文资料，就此写一篇技术报告,题

目是：D845EBT主板的技术性能介绍。

1-34

八八八八八

WWV

打印机|软磁盘|1RS-232c接］

键盘鼠标

图2.3IA-32计算机总体结构

1-35

本次课程内容

复习计算机中互连技术（图1、图2）；

IA—32计算机的总体结构；

复习:数制转换:

数的表示:

常用术语。

作业

该课程学习方法及特点

/MS

1-36

IA-32Intel计算机中的互连技术

控缶IJ)

存储器模块数据

地址)

控制)<——>I/。设备

I/O模块

地址)数据

控制

CPU模块数据

地址

图2.1计算机模块及其所使用的信号

佥

1-37

计算机的硬件功能模块有：

存储器模块、■■■■■■I

.i/o模块、

CPU模块。

各模块交换信息有：

地址信息、

控制信息、

数据信息。

（注意：信号线上的箭头方向。）

存储器存放的内容有：

二进制的指令代码（程序），

二进制的数据，即原始数据和结果。

佥

1-39

存储器的两种操作：

■读操作：

把存储器中的二进制代码传送给CPU或其

他主控设备。

写操作：

把来自CPU或其他主控设备(master)的

二进制代码接收到存储器模块。

心

1-40

存储器模块的组织方法：

以存储单元为单位进行组织。

在IA-32Intel计算机中，无论哪种

型号的系统，存储器模块中存储单元的

长度均为一个字节。

1-41

存储器模块的访问:

按存储单元所对应的地址进行读/写操

作。

存储单元的地址:

为每个存储单元分配一个唯一的二进

制代码，称之为地址代码。

1-42

CPU的寻址能力：

IA-32计算机台式机CPU或其他主控设备

所发出的地址信号可达32条，理论上可区分

4GB的存储器单元，称之为寻址能力为4GB。

服务器和工作站CPU（带Xeon）的寻址能

力可达到64GB。

佥

1-43

IA-32计算机的两个地址空间：

存储器地址空间

I/O地址空间。

I/O模块中的寄存器种类：

数据寄存器、

控制寄存器、

状态寄存器。

I/O模块中的寄存器又称为端口。

通过总线互连各功能模块

/——\负载匹配/负载匹酉［/——\

C\——/双向切小数据总线双向切换'——/

P

U——N发送驱承地耳1总线1接收译侑

模------//

块/——、负载匹酉t/-负载匹断/1~

控制总线\

\——/信号变接J/信号变换/

负载匹配接收译很负载匹配

信号变换发送驱幻双向切换

I/O模块

图2.2用总线技术互连计算机各功能模块

1-45

总线(bus)：

是一组公共的信号线，凡与总线相连的

功能模块，均可以经由总线传送信息。有的可

以发送信息，有的可以接收信息。

但同一时刻，发送信息的功能模块只能

有一个，否则会引起总线上的信息混乱。

1-46

系统中的总线可分为：

数据总线、.

地此总线、■

控制总线。

数据总线的宽度：

为所包含的信号线的数目。

数据总线为双向的。

1-47

地址总线是单向总线：

由CPU模块或其他的主控设备（即DMA控

制器）发出，由存储器模块或I/O模块接收。

总线的高位地址信号经译码后用来选择

模块，而低位地址信号用来选择模块内的各个

单元。

芯片组的功能包括：

进行信号变换、负载匹配、译码驱动、

提供数据通路。

在现代的芯片组中还往往包含了许多I/O

控制器，即I/O接口的功能。

1-49

IA—32计算机的总体结构

1-50

CPUBSB总线二级Cache

结

构(存储总线)

图显示系AGP总线MCH/GMCH存储器

(PCI总线,

IDE总线用户扩展I/O模块

(AC，97总电

USB总线ICHx音频/Modem

(SMBus总装

SMBus设备

FWHLPC总

超级I/O

/K

4/

键盘鼠标打印机软磁盘RS-232c接匚J

图2.3IA-32Intel结构计算机的总体结构返回佥

1-51

采用多级总线(hierarchicalbus)：

按速度的不同，对各功能模块进行分层

总线互连，以便使系统工作速度最佳化。

佥

1-52

MCH(MemoryControllerHub)：

^^^存储器控制中心。

GMCH(Graphics&MemoryControllerHub)

图形与存储器控制中心。

MCH/GMCH也称为主桥。

总结构图

1-53

MCH和GMCH的主要区别：

HGMCH内置图形加速器，而MCH则没有。■

使用GMCH的主板上即便不设置AGP接口，

直接就可以和监视器（monitor）相连接。

使用MCH的主板上必须设置AGP接口，通过

外加的图形控制板，才可以和监视器相连接。

总结构图

1-54

ICHx(I/OControllerHub):I/O桥。

ICHx共包含有多种型号：

ICH、ICH2、ICH3-S>ICH4等（见表）。

总结构图回

V55

芯片组是由MCH/GMCH.ICHx共同组成的

一组超大规模集成电路。

^总结构图佥

1-56

系统总线：

系统中主要的功能模块与系统之间的互

连总线。如前端总线(FSB)、存储总线。

^总结构图佥

1-57

局部总线：

与CPU相连的总线。这种总线一般单

独设置，其上不接其他功能模块，为的是

要保证系统中工作速度最高的CPU能够全

速工作。BSB总线属于局部总线。

双独立总线结构：

与CPU直接连接的BSB和FSBO

］总结构图3

1^58

IA-32中常用的存储器：

SDRSDRAM(SingleDataRateSDRAM)、

DDRSDRAM(DoubleDataRateSDRAM)、

RDRAM(RambusDRAM)，

(SDRAM：SynchronousDynamicRandomAccess

Memoryo)

总结构图佥

1-59

AGP总线：专用于显示系统与系统之间互连的总线。

IDE设备：通常把经由IDE接口接入系统的硬磁盘驱动I

器和光盘驱动器称之为IDE设备。IDE接口也称ATA接H

口。(IDE:IntegratedDriveElectronics)

PCI总线：

是以并行方式工作的总线。通常用来把用户自行设计

的或者从市场上购买的符合PCI规范的I/O模块通过

PCI插槽接入系统。

］总结构图目

V60

USB(UniversalSerialBus)：

I通用串行总线。

经由USB总线，可以方便的把性能各异的I/O设

备，例如键盘、鼠标、打印机、扫描仪和磁盘驱

动器等，接入系统，数量最多可达127台。

使用方便、支持热插拔、占用系统资源少、传

输速度快、可以为I/O设备提供+5V电源。

所以USB总线已经成为I/O接口的发展方向。

^总结构图佥

1-61

AU97(AudioCodec，97)总线：

称音频编码总线或AC链路。以串行方式工作

LPC(LowPinCount)总线：

以串行方式工作。

由ISA总线改进而来。总线上的信号线数目不

仅大为减少，而且也少占用了系统资源，从而更

有利于系统稳定工作。——

［总结构图Im

V62

FWH(FirmwareHub)：固件中心。

以快闪存储器(flashmemory)为基础的

超大规模集成电路，其中特别适宜存放固定的

程序和数据。

BIOS(BasicInputandOutputSystems

)就存储在FWH中。

^总结构图佥

1-63

超级I/。(superI/O)：

■是具有综合功能的I/O控制器。

经由LPC总线把低速I/O设备，诸如键盘、

鼠标、软磁盘驱动器并行打印机、调制解调器

等接入系统。

总结构图回

V64

SMB(SystemManagementBus)：

I系统管理总线，以串行方式工作。

经由SMB总线，系统可以知道每个设备

的型号、规格、技术性能、制造厂商以及

工作状态等信息，便于系统实现设备管理

功能。

^总结构图佥

1-65

800系列芯片组及其主要技术特征

作业：

到www.intel,com网站上查阅D845EBT主

板的英文资料，就此写一篇技术报告,题

目是：D845EBT主板的技术性能介绍。

佥

1-66

进位计数制

一个数由一定数目的数码排列在一起组成，每

个数码所具有的数值由该数码的位置决定一权

该位置称为数位；

数码的个数称为基值;

数位的权是基值的幕。

1-67

进位计数制

常见的进位计数制有：

十进制、八进制、十六进制、二进制等。

卜进制

数码为0、1、2、3、4、5、6、7、9之一;

权为10的塞；

逢十进一，借一当十。

如：(245.25)10=

佥

1-69

二进制

数码为0、1之一；

权为2的累；

逢二进一，借一当二。

如：(11110101.01)2=

1-70

八进制

数码为0、1、2、3、4、56、7之一;

权为8的累;

逢八进一，借一当八。

如：(365.2)8=

1-71

十六进制

数码为0、1、2、3、4、5、6、7、9、

A、B、C、D、E、F之一;

权为16的幕；

逢十六进一，借一当十六。

如：(F5.4)16=

1-72

计算机中一切信息的存储、处理

与传送均使用二进制数，由于：

二进制实现容易，任何具有两种稳定状态的物

理器件都可以表示一位二进制数。如：开关

的接通与断开，电灯的亮与灭，晶体管的导

通与截止，电路中的高低电平等。

二进制运算规则简单，易应用于逻辑代数（真

假判断、处理与二进制运算相结合，。表示

“假”，1表示“真”）O

窗

1-73

由于二进制位数多、书写与阅读数据、指

令时很不方便，为此，人们在阅读与书写

时通常用十六进制或八进制来表示，这是

因为十六进制和八进制与二进制之间有着

非常简单的对应关系。

1-74

二进制以(Binary)、

八进制以O(Octad)、

十六进制以H(Hexadecimal)、

十进制以D(Decimal)来表示，

(而十进制的D经常被省略)

1-75

如：24525=245.25D

=11110101.01B

=365.2O

=F5.4H

或：(245.25)10=(11110101.01)2

=(36508

=(F5.4)16

1-76

不同数制间的转换

任意进制数转换成十进制数：

方法：一个任意进制表示的数，都可以按权的

形式展开，然后计算得到十进制数。

例：(11110101.1)2=(?)10

(1BC.F)16=(?)10

1-77

十进制数转换成任意进制数

整数部分采用“除以基值取余数倒排列”的方

法

例：(215)=(?)B

余数二进制位数

21371

2|；118

0

才9

1

'140

12

0

2[-11

0商为0,

转蜥束

(37)10=(b§b?b?b[b。)?

于是，结果是余数的倒排列：（37）10=（b5b4b3b2btb0）2=（100101）2

囹

1-79

小数部分采用“乘以基值取整数顺排列”

的方法

例：0.5625=(?)B

1-80

0375

X2整数部分余下的小数部分

0.7500,即也=0,0.75

X2

一「L5001,即3=1,0.5

X2

1.000b即1)产1,0

最后结果丸(0.375)『(Ohb-2b.3)2

=(0.011)2

1-81

乘法整数部分

0.32X2=0.640,即卜尸0,

0.64X2=1.281,即b.2=1,

1.28X2=0.560,即b-3=0,

056X2=1.121,BPb.4=b

1.12X2=0240,即b-5=0.

保留至小数点后第四位，对第5位进行舍入操作，结果为:

:、八、十六进制数之间的转换

二进制的权2、八进制的权却二2八十六进制的

权16』2组具有整指数倍数的关系,

即：一位八进制数相当于三位二进制数，

一位十六进制数相当于四位二进制数，

即：用三位二进制可表示一位八进制数，

用四位二进制数可表示一位十六进制数。

1-83

糊计败制的对赫

十进制二进制魁制十六进制十进制二进制八进制十六进制

000091001119

111110101012A

2102211101113B

3113312110014C

41004413110115D

51015514111016E

61106615111117F

71117716100002010

81000108*,

表1-4为部分二进制数与十进制裁的对应关系

二进制十进制二进制十进制

001000016=2’

11=2°10000032=25

102=2]••♦••••

11310000000000=1K1024=210

1004=221M220

10151G230

11061T240

1117

10008=23

1-85

1-86

二进制转换成十六进制数

方法：

从二进制数的小数点开始分别向左（整数部

分井口向右（小数部分）每四位分成一组,不足四

位时用“0”补足四位，然后写出相应的十六

进制数。

例：1110101.1010011B=(?)H

1-87

十六进制转换成二进制数

方法：

把该数的每位用四位二进制数表示。

例：ABC.5H=(?)B

1-88

二进制转换成八进制数

方法：

从二进制数的小数点开始分别向左（整数

部分）和向右（小数部分）每三位分成一组，不

足三位时用“0”补足三位，然后写出相应

的八进制数。

例：(1110101.1010011)2=(?)8

1-89

八进制转换成二进制数

方法：

把该数的每位用三位二进制数表示。

例：(756.4)8=(?)2

1-90

数的符号表示

计算机中的数是用二进制表示的O

数码“0”和“1”可由二值器件（具有

两种稳定状态的物理器件）来表示。

一数的符号也只能用这两种不同的状态来

表不。

一般地，是在数的最高位之前增设一位

符号位，该符号位为0表示正数，为1表示负数

o佥

1-91

例：N1=+0101011B

N2=-0101011B

在机器中表示为

00101011和

10101011

将符号数码化了的数叫做机器数，

机器数所代表的数的本身叫真值。

窗

1-92

带符号数与不带符号数

计算机中字长是一定的，因此在表示

带符号数与不带符号数是数值范围是有区

别的。

不带符号数，则机器字长的所有位都

参与表示数值。

带符号数，则要留出机器字长的最高

位做符号位，其余位表示数值。

1-93

原码、补码、反码

机器数一般有原码、补码、反码三种表示法

佥

1-94

原码表示法

真值是带“+”、"J号的二进制数，若

将其符号“+”用0表示，“J用1表示，即

为原码表示法。

例：x1=+1010110B,[X1]M=01010110B

x2=-1010110B,[x2]^=1101011OB

1-95

补码表示法

通过原码求补码，方法是:

对于正数，其补码和原码相同；

对于负数，将原码的符号位保持不变,

数值位逐位求反最末位加1即可得到其补码。

例：接上题：[x1]#=01010110B

[x2]补=1010101OB

反码表示法

通过原码求反码，方法是：

对于正数，其反码和原码相同；

对于负数，将原码的符号位除外，数值

位逐位求反即可得到其反码。

例：接上题：[x1]反=01010110B

[x2]^=10101001B

字符的编码

国际上通用的字符有128个，它们是十进

制数字符号。〜9,大小写的英文字母，各种

运算符、标点符号，通用控制字符等。在计

算机中，这些字符以约定的二进制形式来表

ZjSO

字符的编码常用的是国际通用的ASCII(

AmericanStandardCodeforInformation

Interchange)码。它采用七位二进制代码表

示每一个字符。

直

1-98

赛1-6ASCII码编码衰

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计算机中常用术语

1.位(bit)

位是计算机中最小的数据单位，它是二进

制数中的一个位(Binarydigit)。

一个二进制数的位只能表示0和1两种状

态，两个二进制数的位可表示为00、01、10

、11四种状态。

佥

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2.字(Word)

字是计算机内部进行数据处理的基本

单位，通常它也是输入/输出设备和存储器

之间传送数据的基本单位。

佥

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3-字节(Byte)

通常把8位二进制数叫做一个字节，而4

位二进制数叫做半个字节，16位二进制数叫

做双字节。

在双字节中，左边的8位叫做高字节,

右边的8位叫做低字节。

每个字节最右边的一位叫做字节的最低

位，而最左边的一位叫做字节的最高位，从

右到左依次为：b0>brb2>b3>b4>b5>

b6>b7o

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4.字长(Wordlength)

是计算机的每个字所含的位数。

32位微机的字长是32位，依此类推。

微机中的字长是由该计算机的算术逻辑单元一

次可以并行处理的二进制数的位数来决定的。

字长是计算机性能的一个重要标志。

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5.存储量

存储量是指计算机存储信息的容量，它

的单位是“B〃、''KB〃、''MB〃等。

其换算公式如下:

1024B=210B=1KB1024KB=220B=1MB

1024MB=230B=1GB1O24GB=24OB=1TB

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