计算机体系结构

Cter4计算机体系结构

•学习要求

1、识别微机主板上的部件；

2、解释RAM、虚拟内存、CMOS和ROM之间

的区别；

3、解释CPU如何执行程序中的指令；

4、列出影响CPU性能的因素;

5、列出将计算机外围设备与计算机连接

所需要的部件。

<Back<

Cter4计算机体系结构

•4.1概述

>4.2存储器

>4.3中央处理器

♦4.4输入和输出

■4.5硬件配置指南

r□H>InformationWeb

⑨QuickCheck

<Bdck<

4.1概述

•Computerarchitecture(计算机体系结构)

referstothedesignandconstructionofa

computersystem.

(l)Whatthecomputerusesforpower

Mostmoderncomputersarepoweredby

electricity.

(2)Howthecomputerphysicallyrepresents5

processes,storesandmovedata

Moderncomputersuseelectricalsignalsand

circuitstorepresent,process,andmovedata.

4.1概述-系统内部

•系统内部(Insidethesystemunit)

4.1概述-集成电路

>（IntegratedCircuits"。集成电路

AnICisathinsliceofsiliconcrystal（硅晶

片）packedwithmicroscopiccircuitelement

suchaswires（电线），transistors（半导体）,

capacitors（电容）,andresistors（电阻）.

4.1概述

ADIP(dualin-linepin)hastworoxA®ofADIMM(dualin-linememorymodule)

connectingpins.Onceusedforisasmallcircuitboardcontaining

memory,DIPsnowcontainspecializedseveralchipstypicallyusedtor

supportcircuitry.memory.

APGA(pin-gridarray)isasquarechipAnSEC(singleedgecontact)cartridge

packagewithpinsarrangedinisapopularchippackageformanyof

concentricsquares,typicallyusedfortoday'smostpowerfulprocessors.

themainprocessingcircuitry.

4.1概述一主板

•（Themotherboard）主板

Themotherboardcontainstheprocessor

chip,thechipsfbrcomputermemory,and

chipsthathandlebasicinputandoutput.

Themotherboardcontainsexpansion

slots（扩展槽）thatallowyoutoconnect

peripheraldevice（夕卜围设备）tothe

computer.

|扩展卡端口port

4.1概述-数字数据表示

出计算机使用电脉冲信号表示数据。

•数字设备：使用离散的、不连续的数字

（如0和1）o

・模拟设备：连续变化的数据。

4.1概述-数据传输

>(DataTransport)数据传输

Datatravelsfromonelocationtoanother

onanelectronicpathwaycalledadata

bus(数据总线).Thebuscontainsdatalines、

addresslinesandcontrollines..

4.2存储器

Cache

厂内存V「随机存储器RAM

［主存Y

I只读存储器ROM

存储器（软盘

「磁盘

外存1磁带硬盘

・存储专用术语

I光盘

❷存储指标

•外存

,■＞内存

<Back

4.2存储器■存储专用术语

•Thewaythatacomputeractuallystores

dataonadiskisreferredtoas"physical

storage”（物理存储）.

•Aconceptualmodeloffilesandfolders

wouldbereferredtoas"logical

storage”（逻辑存储）.

•StorageTechnology（存储技术）referstoa

storagemedium（存储介质）anda

storagedevice（存储设备）.

4.2存储器■存储专用术语

珍Astoragemedium（存储介质）isthedisk,

tape,CD,DVD,paper,orothersubstance

thatcontainsdata.

❷Astoragedevice（存储设备）isthe

mechanicalapparatusthatrecordsand

retrievesdatafromastoragemedium.

•Storagedevicesincludefloppydisk

drives,harddiskdrives,CDdrives,DVD

drives,andtapedrives.

<Back<

4.2存储器■存储指标

・容量（Capacity）:isthemaximum

amountofdatathatcanbestoredona

storagemedium.

ItisusuallymeasuredinKB、MB、

GBandTB。

•速度（Speed）:Thespeedis

measuredbyitsaccesstime（访问时

间）anditsdatatransferrate（数据传

输速率）.

4.2存储器・存储指标

♦accesstime:istheaveragetimeittakesa

computertolocatedataonthestorage

mediumandreadit.（计算机定位存储介质

上的数据并读取它的平均时间）（ms-毫

秒,ns纳秒）

datatransferrate:istheamountofdata

thatastoragedevicecanmovefromthe

storagemediumtothecomputerper

second.（存储设备在每秒时间内从存储

介质传输到计算机的数据）（600KBps）

<Back<

4.2存储器■外存

多软盘存储

・硬盘存储

•移动磁盘存储

•磁带存储

❷光盘存储

“Bdck<

4.2存储器・软盘存储

磁盘标簟__写保护口

磁盘外壳

工

滑动窗

____

聚酯盘

*

1磁盘衬垫

_软盘_是随_机存取,★

(randomaccess)设备

4.2存储器・软盘存储

•Diskdensity（磁盘密度）referstothecloseness

andsizeofthemagneticparticlesonthedisk

Capacity1.2MB720KB1.44MB

Sectorsperside1518

Tracksperside808080

4.2存储器・软盘存储

磁道：磁头不动时，盘片转

动'一周被磁头扫过的^一圈。

扇区：每个磁道划分成的许

多小区段。____________

■存储容量：C=n*k*s*b

■n：总的盘面数・2面x80道/面x18扇

■k：每面的磁道数区/道x512字节/扇区

=1.44MB

■S：每道的扇区数

■b：每扇区记录的二进

制字节数

4B2存储器・软盘存储

“Bdck<

4.2存储器・硬盘存储

•Harddisksproviderandomaccess（随机存

储）tofiles.

硬盘表面粒子密

度和数据存储容

量都远远超过软

盘）访问时间也

比软盘快。

4.2存储器・硬盘存储

•Aharddisk（硬盘）isoneormoreplatters

andtheirassociatedread-writeheads.

磁盘旋转轴磁头

头磁盘驱动器

步

C

进

电

机

4B2存储器・硬盘存储

C:\>chkdsk

851,296,256bytestotaldiskspace-Totaldiskcapacity.；

28,332,5她bytesinXhiddenFiles

3,637.248bytesin220directories

岫

459,112,8bytesin7,697userFilesSpaceavailable

368,197,632bytesavailableondiskonthedisk

16.384bytesineachallocationunit

51.959totalallocationunitsondisk

22.473auailableallocationunitsondisk

655.360totalbytesnerwryThissectionprovides

“75,9gbytesFreeInformationabout

memaynotdisk

4B2存储器・硬盘存储

«Bdck4

4.2存储器■移动磁盘存储

•Removableharddisks（可移动硬盘）

containsplattersandread-writeheads

thatcanbeinsertedandremovedfrom

thedrivemuchlikeafloppydisk.

4.2存储器-移动磁盘存储

•U盘：采用快闪存储器(FlashMemory)

存储芯片为介质。快闪存储器简称闪存。

4B2存储器・磁带存储

•Taperequiressequentialaccess（顺序存取）.

4.2存储器■光盘存储

・光盘存储器通过激光的聚焦来获取和改变介质

的反射特性）从而实现读写。

•原理：写信息时，使用功率较强的激光照射到

介质表面，并用输入数据来调制光点强弱。读

信息时，光电检查电路根据介质对光的反射率

不同，便可读出所存储的信息。

4.2存储器■光盘存储

光驱托架

耳机插孔指示灯按钮

音量旋钮

4.2存储器■光盘存储

♦CD-R（只读型光盘）：可以使用特殊

记录设备将数据记录在CD-R光盘上。

一次记录后，不能再修改。一张盘

片可保存680MB数据。

•CD-RW（可重写光盘）：允许在CD上

写入数据，然后再改变这些数据。

•DVD-ROM（数字视频光盘）：数据由

制造商写入，不可更改。单面DVD

可保存4.7GB数据。

<Back<

4.2存储器

eCache

•RAM

・虚拟内存

♦ROM

•CMOS

<Bdck<

4B2存储器・Cache

•Cache（高速缓冲存储器）是内存中的一片特殊

空间，是高速存储器，可弥补主存速度的不足。

4.2存储器-RAM

＞随机访问存储器(Randomaccessmemory)

RAM是计算机系统单元内在处理

数据前后临时性保存数据的区域。

RAM还存放控制计算机系统基本

功能的操作系统指令。

计算机关机或掉电，保存在RAM

中的数据会丢失。

4.2存储器-RAM

•在RAM,称为电容的微型电子部件保

存表示数据的电信号。

RAM

■iMl

ODOOOOO

AddressM4

0oOD；DH

4.2存储器■RAM

•RAM存储容量用MB衡量，通常有

64〜256MB的存储容量。

・大多数RAM配备称为DIMM的小电路板，这

样可以插到主板上的特殊插槽中。

«Bdck4

4B2存储器■VirtualMemory

•虚拟内存

通过某种策略，把辅存中的信息一部分一部

分地调入主存，给用户提供一个比实际主存

容量大的地让空间。

1.Yourcomputerisrunninga

wordprocessingprogramthat

takesupmostoftheprogram

areainRAM,butyouv^entto

runaspreadsheetprogramat

thesametime

2.Theoperating

systemmovesthe

Ieast-used

3.Thespreadsheetsegmentofthe

programcannowbeWDrdprocessing

loadedintotheRAMprogramInto

vacatedbytheleast-virtualmemoryon

usedsegmentofthedisk

wordprocessing

programDISK

RAM

«Bdck4

4.2存储器■ROM

・只读存储器(Readonlymemory)

ROM芯片中的信息一旦写入就不能更改。

ROM中的指令是永久的。

ROM保存ROMBIOS(基本输入输出系统)

小型指令集合，告诉计算机如何访问磁盘驱动

器和其他外围设备。

«Back4

4.2存储器■CMOS

•CMOS存储器

CMOS保存系统硬件配置信息和用户设定的某

些参数，如日期和时间、硬盘容量、软驱数目

和RAM容量。

nowPCVISABIOS(2A37IBOBJ

STANDARDCMOSSE-TUR

Oele[mn■:ddiyy]二£△，.2>ep131SS>H

TimeZ14：25:S6

HARDDISKSTYVtSI23ECVUSHHAOPRECOMPLAHDNSECTORMODE

ooQ

Rrim«ryMetier：A<rtooou

PrimarySlarve7Ntinttooo

ScBcJarytMaster:Noneooo

SecondarySi-eve:Mortr

OrtveA1.4CM・3.5in.

OliveBHone

B4rseMemory：

Video:EOA/VOAExlendcclMemory：31744K

Pow^<MonngementCOioobfcdOtiicrMeinoiv-3d4K

FotBlMemoryZ3276日牝

CSC：Quit1T―：SelectttemPU^PO/.J•:Modify

rI:Help(StiitflF?：CltangcColor

«Bdck4

4.3中央处理器（centralProcessingUnit)

CPU由运算器、控制器等组成

・CPU结构

•指令

•指令周期

•CPU的性能因素

•流水线和并行处理

4.3中央处理器■CPUarchitecture

•CPU是计算机中执行处理数据指令的器

件.

L---------------------------Ceotnl

RAMOauProcessing

I,...............--------------

ProcessedDats

CPUarchitecture

•In1945,thesizeofaCPUwasmeasuredin

fbet（英寸\whereastodayitismeasuredin

mils（0.001inch）（毫英寸）

4.3中央处理器■CPUarchitecture

•CPUhastwomainparts:thearithmeticlogic

unit（ALU-运算器）andthecontrolunit（控制

器）.

•ALUperformsarithmeticoperations（算术运

算）suchasadditionandsubtraction.Italso

performslogicoperations（逻辑运算）suchas

comparingtwonumberstoseeiftheyarethe

same.

•ControlUnit（控制器）实现计算机本身运算过

程的自动化，指挥、协调计算机的工作。

4.3中央处理器■ALU

wALU使用寄存器(registers)来保存等待处

理的数据，而运算结果暂时存放在累加器

(accumulator)中.

4.3中央处理器■ControlUnit

ControlUnit

------

InstructionPointer

RAM指令指针

AddressM1

___________________

nstructionRegister

指令寄存器

AddressM2

一尸一丁—―，

AddressM3ALU

----------------

«Bdck4

4.3中央处理器■Instructions

•指令(instruction)控制计算机执行特定

的算术、逻辑或控制运算的命令。

・一条指令可以分两部分：操作码(op

code)和地址码(operands).

•0110000010000001

•ADDREG2REG1

•CPU可以执行的全部指令称为

Instructionset(指令集).

4.3中央处理器・Instructions

操作码操作范例

INP将给定值放到指定内存INP7M1

MMR将指定内存中的值取到寄MMRM1REG1

存器

MAR将累加器中值取到指定寄MARREG1

存器

ADD两个寄存器中值相加，结ADDREG1REG2

果放在累加器中

JMP跳转到指定内存中的指令JMPP2

HLT停止程序执行HLT

一个简单的微机指令集（部分）«Back<

4.3中央处理器・Instructioncycle

•Instructioncycle（指令周期）：计算机执行一条

指令的过程

ZJnterpret

instruction

1.Fetch|

instruction

4Increment

instructionpointer

4.3中央处理器■Instructioncycle

•以下图例介绍运算器、控制器和RAM如何一起

处理指令

1、指令给出第二条指令的地址Ml。

RAMControlUnitALU

MlMMRM6R1指令指针］累加器

M2MMRM7R2

M3ADDMlK1

M4

M5指令寄存器R2

M6100

M7200

4.3中央处理器■Instructioncycle

2、取出指令，放到指令寄存器中。

ControlUnit

MlMMRM6R1指令指针

Ml

指令寄存器

MMRM6R1

4.3中央处理器■Instructioncycle

3、执行该指令，将M6中

的内容取到ALU中的寄

存器R1中。ControlUnitALU

累加器

R1

1)1100

指令寄存器

R2

MMRM6R1

M6100

4.3中央处理器■Instructioncycle

4、指令指针指向下一条指令的地址M2。

ControlUnit

MlMMRM6RI

指令指针

M2MMRM7R2

M2

4.3中央处理器■Instructioncycle

5、计算机取出该指令，将它放在指令寄存器中。

ControlUnit

MlMMRM6R1指令指针

M2MMRM7R2M2

指令寄存器

MMRM7R2

4.3中央处理器■Instructioncycle

6、执行该指令，将M7中的内容取到

ALU中的寄存器R2中。

ControlUnitALU

累加器

指令寄存器Rl

100

MMRM7R2

M6100R2

200

M7200

4.3中央处理器■Instructioncycle

7、指令指针指向下一条指令的地址M3。1

ControlUnit

指令指针

M3

4.3中央处理器■Instructioncycle

〔8、计算机取出该指令，将它放在指令寄存器中。

ControlUnit

MlMMRM6R1指令指针

M2MMRM7R2M3

M3ADD指令寄存器

ADD

4.3中央处理器■Instructioncycle

9、计算机执行该指令，将结果放在累加器中。

ControlUnitALU

累加器

300

RI

指令寄存器100

ADD

R2

200

<Back<

4.3中央处理器—CPUperformancefactors

•CPU的速度有以下几个因素制约着:

■时钟频率(Clockrate)

•字长(Wordsize)

❷高速缓冲寄存器(Cache)

◎指令集的大小(Instructionsetsize)

4.3中央处理器-CPUperformancefactors

⑧时钟频率(Clockrate)

・计算机的系统时钟(systemclock)定时发出脉冲

以控制所有系统操作的同步。系统时钟设置

数据传输和指令执行的速度或频率。

•系统时钟频率决定计算机执行指令的速度)

其衡量单位是MHZ,也叫主频，如PII/233的主

频为233MHzo

•如果其他条件一样，贝［CPU的时钟频率越高，

处理速度越快。

4.3中央处理器-CPUperformancefactors

•字长(Wordsize):计算机的运算部

件一次能处理的二进制数据的位数。

•字长越长，单位时间内处理的数据

越多，处理器的性能就越高。

4.3中央处理器-CPUperformancefactors

③高速缓冲寄存器(Cache)

•Cache(RAMcacheorcachememory)

isspecialhighspeedmemorythat

givestheCPUmorerapidaccessto

data.

•Allotherfactorsbeingequal,more

cachemeansfasterprocessing.

4.3中央处理器-CPUperformancefactors

•指令集的大小(Instructionsetsize)

•CISC:基于使用复杂指令集的CPU的计

算3机被称为复杂指令集计算机

(ComplexInstructionSetComputer)

•RISC:精简指令集计算机(Reduced

InstructionSetCompliter)只有一个数

量有限的指令集合，但是这些指令的执

行速度很快。

<Back<

413中央处理器-Pipelining

•Computerswithasingleprocessor

executeinstructions"serially”（串行）.

•Usingatechnologycalledpipelining（流

水线），theprocessorcanbeginexecuting

aninstructionbeforeitcompletesthe

previousinstruction.

4a3中央处理器-Pipelining

•Pipeliningspeedsupprocessing.

RAM

Instructions

1MAMM30

ControlRegistersAccumulator

Unit

MOVM10R1

2MOVM10R1MAMM30

3MOVM11R2

控制器对指令3将指令2的数据指令1完成

解码送到寄存器

4H3中央处理器-ParallelProcessing

•Acomputerthathasmorethanoneprocessor

canexecutemultipleinstructionsatthesame

time.

•Parallelprocessing（并行处理）increasesthe

amountofprocessingthatacomputercan

accomplishinaspecificamountoftime.

•Acomputerthatiscapableofparallelprocessing

iscalledaparallelcomputer（并行计算机）or

"non-vonNeumannmachine”（非冯・诺依曼计

算机）

4B3中央处理器—ParallelProcessing

3、每个处理器对数据

2.Thecontrol进行处理。

1.Instructions

unitsendsan

arequeued

instructionto

andwaitingto

thenextavail­

entertheCPU.

ableprocessor.

4.Theresultsare

ComroiProcessorplacedinthecorrect

litttmctiMSInstrucbonResults

Unit2sequenceandsent

outoftheCPU

Dau

«Back<

4.4输入和输出

•I/Oreferstocollectingdataforthe

microprocessortomanipulate,and

transportingresultstodisplay,print,

andstoragedevices.

•Thesegmentofthedatabus（数据总线）

thattransportsdatabetweenRAMand

peripheraldevices（夕卜围设备）iscalled

theexpansionbus（扩展总线）.

4.4输入和输出

•I/Oofteninvolvesalongpaththatmovesdataover

theexpansionbus,slots（扩展槽），cards（扩展卡）,

ports,andcables.3、扩展槽把扩展总线

扩展到某扩展卡

1、数据来

源于RAM4、扩展卡

有端口

2.Theexpansion

bustransportsdata

alongcircuitsonthe

motherboard

5、数据电缆插

I入到端口，再引

4.4输入和输出

④扩展卡和扩展槽(ExpansionSlotsandcards)

Anexpansioncardisasmallcircuitboard.

Anexpansionslotisalong,narrowsocketonthe

motherboardintowhichyoucanpluganexpansion

4・4输入和输出

•ISA（Industrystandardarchitecture-工业标准

结构）:是一种较老的技术，现在主要用于

Modem或其他速度较慢的设备。

•PCI（Peripheralcomponentinterconnect-夕卜

设部件互连）:可以提供更快的传输速率和64

位数据总线。常用于图形卡、声卡、视频捕

捉卡或者网卡。

eAGP（acceleratedgraphicsport-加速图形端

口）：主要用于图形卡，速率比PCI更快，适

合3-D图形的高速数据传输。

4.4输入和输出

4・4输入和输出

•扩展端口和电缆

・扩展端口(expansionport)是计算

机与外围设备之间交换数据的连接

器.

•通过查看电缆(cable)连接器和端口

的外观是否匹配就可以确定将它插

在何处。

4.4输入和输出

Povver(g)

al39

sockel

Keyboard

port

USBports

DB-9serial

portsPar^llelport

uMonitor/craphicsport

Speakerandmicrophonejacks

Network

port

4.4输入和输出

串行DB-9鼠标或调制解调器

并行DB-25打印机

USB最多支持127个设备

SCSIc-50F扫描仪

IEEE1394视频照相机

VGADB-15显示器

4.4输入和输出

「输入设备：键盘、鼠标、扫描仪、摄像机等

输出设备：打印机、绘图仪、显示器等

外围设备《外存储器

多媒体设备

I网络与通信设备

«Bdck4

4.5硬件配置指南

・选择微处理器

•RAM,IntelPentium550MHzwith

512Kcache

■128MBSDRAMexpandableto

・软盘、硬盘384MB

・3.5"1.44MBfloppydrive

③CD和DVD・13GBUltraATAharddrive

・40XvariableCD-ROMdrive

■TurtleBeachMontegoSound

・输入设备BIaster-compatiblePCIsound

card

声音系统■Stereospeakers

♦・16MBDiamondViperAGP

graphicscard

❷显示系统,56KV.90PCIdata4axmodem

・15M(13.8vis).26dpmonitor

1024x768max.res

•图形卡■7-baymid-towercase

・2USB,1parallelport

■Multifunctionkeyboardand

多寸丁印机mouse

・Windows98

・MicrosoftOffice2000

・MicroPlusEdutainmentPak«Bdck4

4.5硬件配置指南■选择微处理器

・制造商：Intel和AMD。pentium^j.

•处理器型号：Intel生产的：80286（16位）、80386（32

位）、80486、Pentium（64位）—PentiumPro、

PentiumMMX、PentiumII、PentiumIIXeon、

PentiumIII等。Intel也生产“Celeron”。

AMD生产的K6和Athlon。

・速度：处理器速度是其时钟频率的度量，可以说明

每秒处理的指令数量。如550MHZ。

・高速缓存容量：可以提高处理速度。一级高速缓存

(LIcache)内置到处理器芯片中。二级高速缓存(L2

cache)是单独的芯片。

•处理器型号的高速缓存容量通常是固定的，如

PentiumHI处理器通常有512KB高速缓存。

<Back<

4.5硬件配置指南■RAM

・计算机需要的RAM数量依赖于所使用的操作

系统和应用软件。

■ForWindows95orWindows98:

16MBofRAMfortheoperatingsystem,plus

anadditional4MBofRAMforeachapplica­

tionrunningsimuttaneoudy(8MBTorOutlook.

Access,orFrontpage;16MBforPhotoDrav^)

・ForWindowsNTWorkstation:

32MBofRXMvlfortheoperatingsystemeplus

anadditional4MBofRAMforeachapplica­

tionrunningsimuttaneousiy(SMBforOutlook,

Access,orFrontpage;16MBforPhotoDrawO_

«Bdck4

4.5硬件配置指南■软盘、硬盘

❷大多数微机配备一个3.5英寸的软盘驱动器。

寻硬盘容量使用GB。

・硬盘速度可以用“访问时间”或者“磁盘旋转

速度”来指定。访问时间在6ms到Hms之间。

每分钟的旋转次数(rpm),如5400rpm或者

7200rpm等。

•硬盘上有一个称为控制器的电路板，根据该控

制器的类型可对硬盘分类。如UltraATA硬盘常

见于现在的PC中；SCSI硬盘常见于高性能的

工作站和服务器中。

<Back<

4.5硬件配置指南・CD和DVD

•CD-ROM常见于普通配置的计算机系统，而

DVD-ROM一般配置在更加昂贵的系统中。

速度CD-ROM(KBps)DVD-ROM(KBps)

1X1501250

2X3002500

4X6005000

8X120010000

16X2400

20X3000

40X6000

48X7200

<Back<

4・5硬件配置指南■输入设备

•大多数桌面计算机提供标准键盘和鼠标。

・大多数笔记本电脑使用可以替代的其他指示设

备。

跟踪键跟踪球触摸板