《计算机信息技术》第二章计算机组成原理

第2章计算机组成原理12.1

计算机的组成和分类2.1.1

计算机的发展与作用计算机的发展人类最早利用手，后来利用石子、贝壳、绳结、木棒等作为计数工具，并用它们来统计、存储计数结果。计算机是信息处理(计算)工具，是20世纪最伟大的发明之一2唐朝末年，中国人发明了世界上最早的计算

工具——算盘。

原始的算盘用小棒和石子排放在不同位置上，表示不同的位权。可见那时人类已经具有了位权、进位，借位的概念。3

1622年，英国数学家奥特瑞德

(William

Oughtred

)发明了计算尺。手动计算尺手摇计算器4

1642年，法国数学家布萊斯

·

帕斯卡(

BaisePascal）发明了能够做两位十进制数加减法的机械加法器。一个圆轮代表一位数，轮上等分刻有0～9十个数字,做加法时，顺时针转动圆轮,当转到0刻度时自动将高位圆轮带一格。帕氏加法器用机械运动代替人的思考和计数。程序设计语言Pascal就是为纪念Pascal而命名的。5

1822年，英国数学家查尔斯·

巴贝奇(CharlesBabbage)发明了称之为“differential

analyzer”(差分机)

的自动机械计算工具。6

输入部分——送入需处理的数据

存储库

——保存数据，以便使用

运算室

——进行各种实际运算

机械器

——指挥机器按指定的顺序工作

输出部分——送出处理结果

据其思想120年后才发明了计算机。巴贝奇的发明由一位女伯爵、著名的女诗人AugustaAdaByron详细地记载下来。为纪念她，著名的程序设计语言Ada以她的名字命名。

他指出，自动计算工具必须具有5个独立部分：7

1937年，英国数学家阿伦.图灵

(AlanTuring)提出计算机的数学模型（图灵机）。

他在论文《论数字计算在决断难题中的应用》中，提出了一种十分简单但运算能力极强的理想计算装置，可以用它来计算所有能想象得到的可计算函数。图灵的思想奠定了现代计算机科学的理论基础。8

17468个电子管，

60000个电阻，

10000个电容，

6000个开关，占地160平方米，重30吨，耗电150KW,研制期3年,耗资45万美元，加法:5000次/s,乘法56次/s

1946年，美国宾州大学的艾克特J·Presper

Eckert)和毛其利(JohnMauchly

)研制出世界上第一台电子数字计算机——ENIAC

(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator

)注意:ENIAC并不具备现代计算机的工作原理!9在计算机中采用二进制表示数据；把指令看成数据存储在计算机内部，由计算机自动依次执行;计算机由5个部分组成：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。

冯·诺依曼同时指出：这种计算机有它的固有的“脆弱性”，但并没有解释其原因。直到80年代,人们才明白这句话的含义。

1952年,美籍匈牙利数学家冯·诺依曼(JohnVonNeumman）在他的论文《电子计算机装置逻辑结构初探》中提出了3个主要论点: （计算机病毒）（计算机结构体系）（工作原理）(二进制)10

按冯.诺依曼思想设计的第一台计算机称之为EDVAC(

TheElectronicDiscrateVariableAutomaticComputer),运算速度是ENIAC的240倍。迄今为止的计算机仍都是按冯.诺依曼的思想设计的——冯.诺依曼和他的EDVAC计算机冯.诺依曼结构计算机11

60多年来，计算机发展速度之快，大大超出人们的预料：早期，每10年速度提高10倍，成本与体积却是原来的1/10;

从70年代开始，由于集成电路技术和微处理器的发展,计算机的性能几乎每3年提高4倍，成本下降一半。总之：12性能不断提高体积不断变小功耗不断降低价格越来越便宜软件越来越丰富使用越来越容易应用领域越来越普遍13到目前为止，计算机的发展共经历4代：

（以使用的电子元器件作为划代的依据）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14

现在的所有计算机都是第四代计算机，目前正在向第五代计算机过渡,但已不再沿用第几代计算机的说法，而是称为“新一代计算机”或“未来型计算机”（FGCS,FutureGenerationComputerSystem)

而FGCS究竟是什么样的计算机？有许多不同的观点和看法，但基本目标是确定的：智能化知识处理为核心自然的人机通信能力（逻辑推理、具有人的智能活动）15未来可能的新型计算机

基于量子效应开发，利用一种链状分子聚合物的特性来表示开关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行运算量子计算机以光子代替电子，光互连代替导线互连，光硬件代替计算机中的电子硬件，光运算代替电运算。光子计算机16使用生物芯片构造的计算机。生物芯片是由生物工程技术产生的蛋白分子为主要原材料的芯片，能以波的形式传输信息。数据处理速度比当今计算机要快百万倍。而能量消耗仅为其10亿分之一（10-9）。由于蛋白分子具有自我组合的特性，而可能使生物计算机具有自调节能力，自修复能力和再生能力，更易于模拟人的大脑的功能。不少科学家预测21世纪可能成为生物计算机时代。生物计算机17奥林巴斯光学工业公司开发出的生物计算机

18我国计算机的发展情况

1958年组装调试成第一台电子计算机(103或DJS-1型)

1956年国家制定12年科学规划时，把发展计算机、半导体技术作为研究重点。与此相应相继筹建了中国科学院“计算机及计算技术研究所”及“半导体研究所”。机器字长：31位内存容量：1024字节运算速度：450次/s计算所与738厂生产（38台）191959年研制成功大型通用电子管计算机(104机)机柜个数:22个机器字长:39位内存容量：4K每秒运算速度：1万次/s占地面积：200平方米共用电子管:4200个晶体二极管:4000个无故障稳定运行时间:2小时201964年研制成功晶体管计算机(109乙,108乙,320)哈军工（国防科大前身）研制738厂等五家工厂生产(40台)我国第一颗原子弹1964.10.16下午3时新疆·罗布泊211971年研制成功集成电路计算机（150机）北京大学研制221997年研制成功向量计算机(130亿次,银河III)1992年研制成功向量计算机(10亿次,银河II)1983年研制成功向量计算机(亿次,银河I)2009年全球第5名天河一号巨型计算机性能:1.206千万亿次;6144个通用处理器;5120个加速处理器;内存总容量98TB;点点通信带宽40Gbps;共享磁盘总容量1PB;23计算机的特点

计算机之所以发展如此迅速，应用面如此之广，是因为作为一种工具，它具有很多显著的特点：运算速度快当今达到千万亿次!

PC机内存已达GB级，巨型机的内存达TB级，外存更是大得惊人，几片光盘就可以保存一座图书馆的全部藏书内容存储容量大24

可达到任意的计算精度。在计算机发明之前，π的计算只能算到小数点后几百位，而在ENIAC上很短时间便可算到2000位,在PII上，计算百位数的阶乘只要几分钟。计算精度高利用逻辑运算可实现推理和证明。如百年数学难题“四色问题”(任意复杂的地图，使相邻区域的颜色不同，最多只要四种颜色),1976年两位专家在IBM370上花了1200个小时便证明了该难题，震惊了数学界。具有逻辑判断能力25能自动执行处理问题的程序。如数控车床，通过程序控制可以达到任意加工精度，生产的零件不会有任何区别，保证质量。自动执行能力

不仅能进行数学运算，还能处理文字、图象、声音等多媒体信息。具有多媒体信息处理能力

现在的计算机越来越易于操作。方便的使用方式

计算机网络解决了信息传播与交流的时空障碍，实现了信息和设备的交流与共享。具有互连、互通、互操作特性

26计算机应用模式的变迁50～70年代依赖大型计算机应用模式80年代PC机为主的计算机应用模式

90年代以来的局域网和Internet为主的计算机应用模式。人们可以从这种应用模式中获得所需要的信息处理能力（硬件、软件和数据资源）

集中计算模式

分散计算模式

网络计算模式27计算机的发明对社会的影响进一步利用和开发了“信息”资源，促进了生产力的提高。增加了科学研究的“计算”手段。这种研究手段能够获得依赖传统的理论推导和科学实验手段难以得到的效果。拓宽了文化领域，计算机已成为人类必需的文化内容。引起了人类工作与生活方式的变化。积极影响28负面影响导致失业利用计算机犯罪(个人隐私、信息欺骗、知识产权保护、不良信息传播和泛滥等）计算机系统崩溃和病毒带来的严重后果教育的影响（沉迷于计算机游戏、网络聊天等影响青少年的成长）大量电子垃圾造成的环境污染……29计算机的作用与应用

现代社会的各行各业都离不开计算机，可把计算机的应用归纳为如下几个方面：科学计算（数值计算）数据处理（非数值计算，约占全部应用的2/3）过程控制（实时控制，指用计算机及时采集、信息，对被控制对象进行自动调节以提高效率、精度和质量。辅助系统（即用计算机辅助人类的各种设计、制造、教育等系统）如：30

CADComputerAidedDesignCAMComputerAidedManufacturingCAIComputerAidedInstructionCAEComputerAidedEngnerringCATComputerAidedTesting人工智能（AIArtificialIntelligence)；如机器人；专家系统ES；模式识别；语言识别。网络应用办公自动化（OA）电子商务312.1.2计算机的逻辑组成计算机系统构成计算机的所有实际物理装置的总称（完成基本功能、运行程序的基础）各种程序、数据及相关文档。(扩展硬件功能、提高效率)32

计算机系统中的硬件、软件相互依存，缺一不可。但它们在逻辑上有等价性，软件功能可以用硬件实现（代价昂贵），硬件功能也可以用软件模拟(节约硬件,减少成本,如软解压)。

具有硬件性质、又有软件特性的器件称之为“固件”（Firmware)。例如,BIOS

芯片。33经典的计算机逻辑结构(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中央处理器CPU(CentralProcessing

Unit)逻辑结构指概念(功能)上的结构主机34现代计算机的逻辑结构中央处理器CPU(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接口外存接口控制器控制器控制器控制器现代计算机与经典计算机结构相比有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I/O设备、CPU、存储器之间交换数据都必须经控制器，再通过系统总线交换(不能直接交换)主机35输入设备输入(input)把数据送入计算机(内存储器)的过程。输入设备(inputdevices)用来向计算机输入数据的装置。如：键盘—输入文字、符号和命令鼠标器—输入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：无论何种形式的原始信息，输入到计算机中都以二进位表示！36中央处理器什么是处理器(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。可将其看作为“运算控制器”。将处理器的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)37什么是中央处理器(CPU)现代计算机中一般包含有多个(微)处理器，它们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中央处理器(CPU),CPU是计算机必不可少的核心组成部件显卡中用于加速图形绘制的绘图处理器声卡中用于数字声音信号的处理器DSP……38存储器

用以存储二进位形式表示的程序和数据。存储器分为内存储器与外存储器。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小(因成本较高)

大(因成本低)性质断电后信息消失断电后信息保持用途存放已启动运行的程序和数据长期存放计算机系统中几乎所有的信息与CPU关系CPU处理的指令及数据直接从内存中取出程序及数据必须先送入内存后才能被CPU处理39输出设备输出(output)把信息送出计算机的过程(内存外设）输出设备(outputdevices)用来从计算机中送出数据的装置。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)40总线(bus)

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

CPU总线(或前端总线)CPU与内存储器之间传输数据的总线

I/O总线内存储器与I/O设备(包括外存储器)之间传输数据的总线41巨型计算机（Supercomputer）

（超级计算机、并行阵列计算机）数万台处理器并行处理结构速度：数十～数千万亿次/s用于军事、气象、石油勘探等部门2.1.3计算机的分类计算机有多种分类方法，如按逻辑结构有单处理器计算机/多处理器计算机；16位/32位/64位计算机；RISC、SISC计算机等。但通常按计算机的性能、价格、用途进行分类：42NEC地球模拟器天河一号(千万亿次/秒)IBMASCIWhite神州（江南计算技术研究所）

银河（国防科技大学）曙光（中科院计算所）深腾（联想集团）43大型计算机(Mainframe)通常指支持许多用户、同时运行多个程序速度快(千万次以上)

、存储容量大、通信功能强、可靠性高有丰富的软件可能由多处理器组成，如4/8/16/32个处理器通常用于提供数据存储、管理、处理，作为主服务器。44小型计算机（Minicomputer）支持多用户、多任务(量少)各方面的性能比大型机低一般用作企业、公司、实验室的服务器，承担信息处理任务45卧式个人计算机

立式个人计算机

一体式个人计算机笔记本计算机个人数字助理(PDA)上网本个人计算机（PersonalComputer）

适合个人使用软件丰富、价格便宜、携带方便

TabletPC(平板式电脑)46速度快存储容量大网络通信功能强可靠性好服务器(Server)服务器是网络中运行专门的网络操作系统，为其他计算机提供服务和资源(数据、存储空间、处理能力、软件等)的一类计算机

原理上任何计算机都可以作为服务器,但由于网络中需要大量服务器，因此一些计算机厂家专门设计生产“服务器”产品，其特点是：47常见服务器的物理形式：48嵌入式计算机(Embeddedsystem)嵌入在其他设备（如数码相机、MP3播放器、手机、汽车等），把运算器、控制器、存储器、输入/输出控制、接口电路全部集成在一块集成电路芯片上的“单片计算机”。专用软件固化在芯片上，功能不能轻易改变用于实时信息处理容量小、功耗低、成本低、适应性好嵌入式计算机的特点：492.2

CPU的结构与工作原理

CPU的任务是执行指令，即按照指令的要求完成对数据的基本运算和处理。存储器中央处理器指令，数据处理结果存储数据和指令执行指令处理数据

CPU的任务50计算机工作原理——存储程序与程序控制指令与数据的存储、运算都采用二进制；把程序作为数据存储，要执行的程序必须时要先调入主存储器中；(存储程序)计算机自动依次执行由指令组成的程序,

计算机要执行何种操作完全由程序控制。51如此往复，直到程序的所有指令执行完为止；完成程序的一次运行。(程序控制)计算机执行程序时：分析指令的功能(指令译码)；按指令中的要求从内存取出数据(取数)；对数据进行运算处理(运算)；CPU依次从主存中取出各条指令(取指令)；保存运算结果52外存储器内存储器CPU①程序启动时，先将程序和数据从外存成批传送到内存⑤程序执行完成后，将处理得到的结果成批传送到外存以长久保存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③逐条执行指令,按指令要求完成对数据的运算和处理指令１指令2指令n…程序数据2数据１数据m…数据程序数据53CPU由寄存器、运算器、控制器等部件组成。数据

操作数地址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操作命令存放待执行指令的地址存放待执行的指令暂存待处理的数据完成规定的运算内存储器程序指令1指令2指令k指令n数据1数据2数据已经启动运行的程序和数据指令

指令地址2.2.1CPU的结构54

通用寄存器GPR

GPR是CPU中存放操作数、运算中间结果、运算结果的临时存储器

GPR是计算机中容量最少、存取速度最快的存储装置

GPR是程序中可直接使用的寄存器

CPU中通常有一组GPR，个数随机器而异通用寄存器组012345

……寄存器的大小(长度)决定了处理器可以操作数据的大小和精度。55运算器

进行算术运算和逻辑运算的部件，故称之为ALU(ArithmeticLogicUnit)，也称为“执行单元”在CPU中可能含有多个ALU（如ALU1、ALU2、浮点运算部件等）。

运算的结果可以存放在GPR、内存单元参加ALU运算的操作数通常来自：通用寄存器GPR内存储器单元指令本身56例1:取数指令LOADR3内存地址ALOADR5内存地址B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)STORER1内存地址C例3：存数指令通用寄存器GPR0123456736ALU279AB内存储器C2793657控制器控制器是CPU的指挥中心，主要作用是：控制ALU和其他部件的工作解释指令的含义记录机器内部的各种状态控制器中有两个重要的寄存器：

指令计数器指令寄存器

用来存放正在执行或下一条要执行的指令在主存中的存储地址。CPU按该地址取指令

用来存放正在执行或下一条要执行的指令58一台计算机可以有多个处理器（2，4，8或更多），若一台计算机有2个以上的处理器，并能同时地执行指令，实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。关于CPU的几个基本概念592.2.2

指令与指令系统指令也是构成程序的基本单位

规定CPU执行的操作及操作对象的位置

CPU直接执行的基本操作单位，由一系列二进制数字组成的数字串。程序一个程序是指令的有序集合60指令的格式

一条指令一般由两部分组成：操作码操作数指出该指令所操作的数据或数据所在位置,可有多个，且可以是：主存地址寄存器名/号直接量操作数主存地址的地址指出执行何种作。如加、减、乘、除、取数、存数等。表示位数的多少决定有多少种不同的操作功能61指令的执行过程

CPU逐条执行完组成程序的指令串便完成了程序的功能。一条指令的执行大体如下：⒈取指令

CPU的控制器按指令计数器从内存中读取一条指令，并放入指令寄存器中⒉

指令译码分析指令、何种操作、操作数在哪里等62⒊

执行指令

按操作码的要求取操作数、执行指定的操作、并根据执行的结果设置一些状态（如数据错、溢出、条件码等）⒋修改指令计数器

决定下一条指令的地址取指令12

指令译码3

执行指令修改指令计数器463指令系统

CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统，也是这台计算机的“机器语言”。指令系统的设置原则操作功能要简单，不宜太多、太复杂指令的格式要统一，长度要固定操作数的来源要有限制（来自寄存器）精简指令集计算机(RISCReducedIinstrutionSetComputer)复杂指令集计算机(CISCComplexInstrutionSetComputer)64指令的种类转移指令按指令中给出的操作数的个数分：有单、双、多操作数指令；数据传送指令算术运算指令逻辑运算指令移位指令位（位串）操作指令输入/输出指令另外，按操作数的所在位置分：寄存器-寄存器型、

寄存器-存储器型、存储器-存储器型指令等。65指令系统的兼容问题

每种类型的CPU都有自己的指令系统，某一类计算机的可执行程序代码未必能在其他计算机上运行，这个问题称之为计算机的“兼容性”问题。

同一公司的微处理器产品，新型号通常“向下（兼容）”旧型号。老型号的处理器能执行的程序在新型号处理器中一定能够正确执行；反之则未必。66

总线接口部件负责控制、管理、协调系统总线的工作。一般来说：

接收预取指令的请求；接收执行单元传送数据的请求；接收对CPU中的多个部件同时提出的请求进行排队协调。67指令快存与数据快存（cache)

是一种高速缓冲存储器（简称缓存、快存）,读写速度几乎与CPU一样快。解决高速CPU(1ns)与慢速的主存储器(10ns)之间的速度差异。当计算机执行程序时，

CPU预测可能需要的数据和指令，并将这些数据和指令预先从主存读出送到cache。一旦需要时,首先检查

cache，若有就从cache中读取，若无再访问主存。是一种SRAM（StaticRandomAccessMemory)型存储器。由双极型电路或晶体管组成的易失性存储器件。68CPU性能的性能指标

计算机的性能在很大程度上由CPU决定。而CPU的性能主要由它的运算速度所体现。

运算速度通常用每秒钟可执行的指令数目衡量，度量单位是：

MIPS

(MillionInstructionsPerSecond)

百万条定点指令／秒

MFLOPS(MillionFLOatinginstructionsPerSecond）

百万条浮点指令／秒

TFLOPS(TrillionFLOatinginstructionsPerSecond

)

万亿条浮点指令／秒

69指通用寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数)字长

CPU在单位时间内一次处理的二进制数的位数。因此，位数越多传输越快。不同的CPU、字的宽度也不一样，通常有:

8/32/64位等。影响CPU性能的主要因素指令系统指令的类型、数目和功能等都会影响程序的执行速度。体系结构70逻辑结构

CPU包含的执行部件的数目、采用的流水线结构和级数、指令分支预测的机制等高速缓存（cache）的容量与结构

Cache的大小也直接影响CPU的性能。Cache容量越大访问Cache的命中率就越高，

执行指令的速度也就越快。逻辑实现71主频（CPU内部时钟频率）

指CPU芯片中电子线路(门、触发器)的工作频率，它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢

CPU总线速率CPU总线(前端总线)的传输速率：决定着CPU与内存之间传输数据的速度快慢物理实现72

提高CPU性能的3大措施提高IC速度(主频)增加CPU/(核)的数目改进CPU结构(增加逻辑复杂度)1980’1990’2005201020154核

80x86

Pentium

8核

双核年代性能增加逻辑复杂度提高主频增加内核数目性能与复杂性的平方根成正比,若复杂性提高一倍,至多能提高40%的性能散热是最大问题。如3.2GHz的P4的功耗超过100W，温度达70度！采用两个处理器构成一个双核处理器可以提高70%～80%的性能73双核/4核处理器概念

所谓双核心处理器，就是在一块CPU基板上集成两个功能完全相同的处理器，并通过并行总线将各处理器核心连接起来。是一种单芯片多处理器CMP(ChipMultiProcessors)

而将两个双核晶片封装在一起即成为4核处理器。双核处理器物理结构双核处理器逻辑结构74

双CPU计算机的概念

前面所说的双核心是在一个处理器芯片里拥有两个处理器核心，核心是两个，但是其他硬件还都是两个核心所共同拥有。而双CPU则是真正意义上的双核心，不光是处理器核心是两个，其他例如缓存等硬件配置也都是双份的。75为什么“多核”处理器可提高计算机性能？并行处理3.

每个CPU负责执行分配给它的线程中的指令注：“线程”可被理解为程序中可独立且并发地执行的一串指令1.“线程”排队等候CPU处理2.哪一个CPU空闲，就把等候的线程交给它执行76小结：提高CPU性能的具体措施扩展CPU的字长：32位－>64位扩充CPU指令系统提高CPU主频：从1.5GHz－>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率增大cache存储器容量、增加cache的级数改进CPU内部的逻辑结构超标量结构（多个执行部件）指令流水线执行技术超线程技术采用多内核结构77

微处理器

简称μP或MP。使用单片大规模或超大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的处理器。例如，Pentium

。从71年Intel生产出第一片微处理器4004至今，已推出了8代微处理器。各代微处理器的主要标志是：字长、结构、功能、晶体管数目、工作频率的变化。78

Intel公司微处理器产品的主要技术参数生产微处理器的著名公司有：Intel、AMD、AthlonXP、Duron、Sempron、Athlon64等。79

微控制器（Microcontroller)

把处理器、存储器、输入／输出接口电路等都集成在单块芯片上的大规模或超大规模集成电路芯片。微控制器一般以嵌入方式嵌入在智能仪表、玩具、计算机外围设备、家用电器、通信设备中，控制它们的工作。80

微处理器的应用目前微处理器有三个主要应用方面：

服务器应用服务器应用商用事务处理和Web服务器为主。这种应用的特点与关键点是：（１）系统的可用性（２）系统的可扩展性（３）系统的高吞吐率生产服务器的著名公司有：IBM、HP、SGI、SUN等81个人计算机应用个人计算机应用包括式计算机、笔记本电脑、高端工作站。这种应用的特点与关键点是：（１）多媒体应用（占90%以上）（２）交互性能（３）计算能力（４）性能／价格比82

嵌入式应用嵌入式应用指把微处理／微控制器作为各种系统或设备的核心控制部件的应用（如手机、数码照相机等）。这种应用的特点、要求、限制是：

(1)功耗小

(2)体积小

(3)成本低

(4)可靠性高

(5)速度快

(6)处理能力强

(7)电磁兼容性好83

L2Cache(48GB/s)L1数据cache(8KB)256位,时钟频率前端总线主存总线接口部件预取控制部件6４位,时钟频率指令预取部件动态分支预测器指令译码器微码ROM执行跟踪cache(1200微操作)执行跟踪cache

分支预测器微操作队列微操作队列整数寄存器组浮点数寄存器组复杂指令简单指令简单指令存地址取地址浮点数存/取浮点数加乘除SSE／SSE2MMX慢ALU2XALU2XALU2XAGU2XAGU

Pentium4微处理器

Pentium4的逻辑结构84

Pentium

微处理器内部主要部件的功能总线接口部件和处理器总线总线接口部件负责控制、管理、协调处理器总线的工作。处理器总线(FSB前端总线)是CPU和主存之间的数据通路。数据传输宽度64位（即一次可以传输8个字节），包含36根地址线(即CPU可访问的内存的最大地址为236，或者说最大内存空间可达64GB）。85流水线处理

P4采用了超流水线技术(hyperpipeline)，即同一时刻允许多条指令同时执行。P4的流水线上最多允许有126条指令同时进行处理。指令译码预取指令执行指令存储结果时间T时刻CPU同时处理4条不同的指令862.3PC主机的组成8788

主板主板上安装所有的电子器件、电路与连接件。主要部件有：CPU插座CPU调压器芯片组高速缓存(在CPU中)存储器插座

I/O端口CMOS芯片2.3.1主板、芯片组与BIOS

BIOS芯片总线扩展槽

时钟发生器,电池—存放最基础的软件(I/0系统)—存放硬件配置信息和系统参数892.3.1主板、芯片组与BIOS

主板主板上安装所有的电子器件、电路与连接件

为了便于不同PC机主板的互换，行业部门对主板的物理尺寸进行了标准化：

ATX规格

BTX规格主板的作用主板的物理尺寸标准90主板上安装的主要内容

处理器插槽

I/O接口光驱及硬盘IDE连接器电源连接器PCI总线槽CPU插座显示卡插槽南桥芯片组ROMBIOS内存储器插座CMOS北桥芯片组91

硬盘IDE连接器电源连接器CPU插座内存条插座

I/O接口

PCI总线插槽

芯片组

连接显示器、打印机、鼠标、键盘I/O端口部分主板实例92芯片组芯片组的作用芯片组是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽。芯片组决定主板的级别和档次；不同类型的CPU需要使用不同的芯片组。集中了主板上几乎所有的控制功能

(存储器控制、I/O控制等)提供各种I/O接口及控制实现了PC机系统总线功能决定所能安装的主存的最大容量、速度及可使用的内存条类型集成了网卡、显卡、声卡等功能93芯片组的结构与组成芯片组由北桥芯片与南桥芯片组成。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94CPUCPU(前端)总线主存储器显卡扩展槽PCI接口磁盘控制器以太网卡USB控制器和接口鼠标器键盘网线disk声卡视频卡光驱存储器总线I/O总线I/O总线南桥芯片北桥芯片芯片组的作用95注意：北桥芯片的发展变化更新速度比南桥芯片要快；北桥芯片更靠近CPU；北桥芯片支持的数据传输速度更快；利用北桥芯片的数据传输更频繁。96Intel芯片(如X48、P43、P45和G41、G43、

G45、B43、Q43、Q45；ICH7、ICH8、

ICH9和ICH10等）VIA（威盛，中国台湾）nVIDIA（美国）AMD（美国）生产芯片组的公司与厂家97BIOS

芯片BIOS是基本输入/输出系统(BasicInput/OutputSystem)的意思，是操作系统的最底层部分的可执行程序代码。BIOS的功能启动计算机诊断计算机故障控制基本外设(键盘、鼠标、磁盘、显示器等)的输入输出操作98BIOS存放在只读存储器芯片（ROM）中，一般情况下是不能被修改的，故称为只读存储器芯片。是一种固化软件。BIOS的特点99BIOS芯片中包含的程序自检程序（POSTPowerOnSelfTest)用于加电时时检测计算机硬件故障自举程序（Boot）,用于启动计算机系统CMOS设置程序,

设置系统参数。设备驱动程序,驱动键盘、显示器、软驱、硬盘等常用外部设备I/O操作的控制程序。100

PC机的启动过程(1)接通电源时，自动执行BIOS中的POST程序，测试各部件的工作状态是否正常，按CMOS中的内容来识别硬件的配置、测试和初始化CPU、内存、ROM、主板、CMOS、显示卡、键盘、软驱和硬盘等，若有错系统将不能继续工作。(2)执行自举（装入）程序。按照CMOS中预先设定的启动顺序，搜寻软、硬盘或CD-ROM，从中读出引导程序并装入到内存，然后将控制权交给引导程序，由引导程序继续安装操作系统。然后由操作系统控制使用计算机。101CMOS芯片

作用存放用户对计算机硬件所设置的一些参数(配置信息)，包括当前的日期和时间、显示卡的类型、cache的使用状况、从外存启动OS的设备顺序等。

特性CMOS是一种半导体存储器芯片，易失性存储器。使用电池供电,即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息。102

CMOS设置程序的使用加电时按住Del键便自动启动CMOS设置程序，用户便可以修改/配置系统硬件参数。修改/配置系统硬件参数的情况PC机组装好之后第一次加电；系统增加、减少或更换硬件或I/O设备；CMOS芯片因掉电、病毒侵害、放电等原因造成其内容丢失或被错误修改；用户希望更改或设置系统的口令；系统因某种需要而调整某些设置参数。1032.3.2内存储器

在计算机中用于存储程序和数据的部件统称之为存储器。在主板各个部件中的存储器称内存储器，在机器外部的存储器称外存储器。内存储器(简称内存)存取速度快成本高、容量相对较小直接与CPU连接，CPU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(临时性存储器)104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。属于非挥发性存储器(Nonvolatile),用于长久存放系统的所有信息(永久性存储器)105存取时间指从CPU给出存储地址开始到从存储器中取出数据并送给CPU所经历的时间。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)内存外存寄存器典型容量<1KB几个MB几个GB100GB~1TB10TB~100TB典型存取时间1ns2ns10ns10ms10s存储器的层次注：106内存储器分类内存储器都是半导体存储器，按能否读写分为两大类：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)

(用作主存储器)(用作BIOS等)107

RAM就是平时所讲的主存储器，可在任何时刻存/取它的任何位置的存储单元。可读可写、易失性是CPU的工作存储器，要执行的程序必须先调入其中。读(取)RAM，指从RAM中取出数据(取的仅是存储在其中数据的副本，原来的内容依然存在)；写(存)RAM，指改变RAM存储单元的内容(新的总是代替老的)。RAM

以存储单元(字节)为单位读/写。随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)108需要定时充电(刷新，约每隔15ms),以保持信息不会丢失。存取时间一般<10ns(比CPU慢得多),但是比ROM的速度快(ROM<20ns)。主存储器都使用DRAM(DynamicRAM)芯片用一个晶体管和一个电容表示一位二进位芯片小、功耗低、密度高109只能读出其中的数据和程序，不能写入；是一种永久保存数据的存储器(非易失性)或半永久(可通过特殊技术改写其中的内容)的存储器。因此，按内容是否能改写可分为：MaskROM

(掩膜ROM)

存储的数据由工厂在生产过程中直接在半导体芯片上制成的硬模硅片，此后无法进行修改。只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)110

可编程只读存储器，生产时为空(所有的位全为1)。此后可以用专用写入器(在芯片所需改变处加上高电压(12v)，将1变成0，加电时间几秒到几分钟。PROM(ProgrammableROM)只能写一次，不可回复。所以PROM芯片又称为OPT芯片（一次可编程芯片）。注意：111EPROM芯片(ErasablePROM)

可擦除、可编程只读存储器，通过紫外线照射芯片上的信息（发生化学反映，实际上是“熔结”，把0变成1）。因紫外线照射会擦除EPROM中的内容,而阳光中有紫外线，所以含有EPROM

的设备应避免在阳光下暴露太久。注意：EEPROM芯片

(ElectronicEPROM)

电可擦除、可编程只读存储器,可直接用电子线路擦除（如FlashROM）。112PC机中使用的ROM在PC机中有几个地方使用了ROM存储器：用于存放微程序（实现指令的程序）控制卡中的ROM用于存放相应设的备驱动程序（如显卡中的ROM）主板中的ROM用于存放BIOSCPU中的ROM

113主存储器CPU可通过FSB直接存取其中的数据；用来存放正在执行和已进入主存等待执行的程序和数据，是一种工作存储器；以字节为单位编址，字节访问的基本单位，

CPU可按地址访问主存储器的任意单元；包括ROM和RAM(由两者组成)；

存取时间一般小于10ns114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)115PC机主存储器的物理结构

在物理上，主存储器由若干“内存条”组成。“内存条”是将一些RAM芯片焊接在一小条印刷电路板上的部件。目前流行的是DDR2和DDR3内存条：均采用双列直插式(DIMM)均有240个引脚，但不可互换使用PC机主板中一般都配备有2～4个DIMM插槽DoubleDataRateSynchronousDynamicRAM116DDR存储器的类型、速率及相关参数存储器时钟频率存储器芯片名称存储器内部频率内存条名称每秒传输次数最大传输速率100MHzDDR-200100MHzPC-1600200M1.6GB/sDDR2-400200MHzPC2-3200400M3.2GB/sDDR3-800400MHzPC3-6400800M6.4GB/s133MHzDDR-266133MHzPC-2100266M2.1GB/sDDR2-533266MHzPC2-4200533M4.2GB/sDDR3-1066533MHzPC3-85001066M8.5GB/s167MHzDDR-333167MHzPC-2700333M2.7GB/sDDR2-667333MHzPC2-5300667M5.3GB/sDDR3-1333667MHzPC3-106001333M10.6GB/s200MHzDDR400200MHzPC-3200400M3.2GB/sDDR2-800400MHzPC2-6400800M6.4GB/sDDR3-1600800MHzPC3-128001600M12.8GB/s117

内存条使用注意事项：25次插/拔次数；但内存条必须定期插/拔，长期氧化会导致读/写错误；内存条有镀金引脚和镀锡引脚之分，插槽也是这样，材料不同“腐蚀效应”也不同，氧化物表面会形成不同的电阻值，导致读/写错误；内存条必须一致，不能混用。118高速缓存(cache)因CPU工作速度快(1ns),内存存取速度慢(10ns),速度的差异导致CPU存取内存中的数据时往往需要等待，影响系统性能。解决办法设立一个名为cache的高速缓冲存储器：cache

CPURAM…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….预拷贝一部分若cache中有待执行指令…….…….…….下一部分若cache中没有待执行指令…….119利用cache能提高性能的原理

cache速度快，与CPU速度匹配

并行工作原理。从RAM中将指令与数据送入cache

与CPU从cache中取指令及执行指令的动作是同时进行的

程序的局部执行原理(这是最重要的!

)…….…….…….…….…….…….…….…….程序在这段范围内反复执行。而这段程序只需送cache一次！120cache的特性物理上由SRAM芯片组成，是易失性存储器电路复杂、集成度低、功耗大、成本高。直接制作在CPU芯片内(与CPU封装在同一个芯片中)，速度几乎与CPU一样快cache的内容是主存储器中部分内容的映象cache不能由程序直接访问，即cache对程序是“透明”（看不见）的。一个程序的指令可能多次进入cache，而不是一次。121关于cache的命中率

cache的命中率是CPU从cache中获得指令与数据的成功概率。概率越高则请求访问主存储器的机会就越小，程序执行时间就越短。如何提高cache的命中率？增大cache容量采用快速的cache查找算法(判定是否命中)采用有效的淘汰算法采用多级cache技术(2级或3级等)编写、优化程序（cache-friendly的程序）1222.3.3I/O控制与I/O接口I/O控制设备主存储器设备上的数据(输入)主存中数据(输出)注：I/O操作与CPU的运算可同时进行I/O操作概念123

I/O设备

I/O设备(包括外存储器)是一个独立的物理实体，通过不同的I/O接口与主机连接。系统中的I/O设备之间都可以同时工作。

DMA控制器（DirectionMemoryAccess）

实现设备与主存储器之间的直接数据传输的控制。

I/O设备控制器I/O设备都有相应的控制器(即适配器、适配卡）,如声卡、网卡等，由一组电子线路组成，用于控制设备的I/O操作，具体功能是：124向CPU反映设备的工作状态速度匹配数据格式转换接收启动设备的命令独立于CPU控制设备工作

键盘、鼠标器、打印机等设备的控制器比较简单，已集成在芯片组内。显示器之类的设备其控制器比较复杂，通常制成扩充卡插在主板的扩充槽内。随着集成度的提高，各种扩充卡的功能也越来越多地被集成在芯片组内。125I/O操作的过程CPUI/O指令DMA地址计数控制盘控制器缓冲区硬盘主存储器6

I/O操作完成2

请求传输4

数据传输

1要求控制I/O操作3应答总线5126

总线

总线(bus)是CPU、内存、外存、及各种I/O设备之间的数据传输通路，由一组公用的信号线（数据线、地址线、控制线)及控制线路组成。总线的基本概念………………数据线地址线控制线127总线的特点共享高速总线的性能数据通路宽度；总线工作频率；每秒传输次数128总线的类型CPU总线（前端总线FSB）CPU与芯片组(北桥芯片)之间的数据通路。北桥芯片CPUCPU(前端)总线存储器总线主存储器与芯片组(北桥芯片)之间的数据通路。存储器总线主存储器129I/O总线I/O总线

I/O总线南桥芯片北桥芯片

也称主板总线，是各类I/O设备控制器与CPU、存储器之间传输数据的通路。130当前正在使用的I/O总线标准：PCI

工作频率：33MHz

数据线宽度：32/64

传输速率：132MB/s或266MB/s早期的I/O总线标准：

PC总线

ISA

MCA

EISA

VESAPCI性能已跟不上实际应用需求。131新一代I/O总线标准：PCI-EPCI-E由英特尔提出，原名为“3GIO”（即第3代I/O总线标准的意思）,后改名为“PCI-Express”,简写为PCI-E或PCIe。

采用高速串行传输,以点对点的方式与主机通信；多通道(1～32个)，对应的传输速率规格为x1、x4、x8、x16、x32；

支持热插拔；132PCI-E分1.0版、2.0版、3.0版。后两版的速率分别是1.0版的2倍、4倍。如各版本的x1的速率分别为250MB/s，500MB/s,1GB/s；

目前,北桥芯片已支持PCI-Ex16(5GB/s）取代AGP(2.1GB/s),南桥芯片支持PCI-E

x1。PCI-Ex1PCIPCI-Ex16AGP133显卡插槽

(PCI-Ex16)(16个串行传输通道；最高传输速率:5GB/s)

PCI-Ex1插槽(1个串行传输通道；最高传输速率:250MB/s)PCI插槽134

I/O总线控制器（ICH）位于主板的芯片组中，协调与管理I/O总线操作。I/O总线的带宽总线带宽＝通路宽度×工作频率×传输次数

/8(B)/8/1000(KB)/8/1000/1000(MB)(最高传输速率)135总线带宽(数据传输速率)＝32b×33MHz×1

＝32×33000000×1

＝1056000000b/s

＝132000000B/s＝132MB/s

PCI有32根数据线,总线工作频率33MHz，每个总线周期传输1次，则：例如：136I/O接口（Interface)

I/O设备与主机之间的连接器。包括插头/插座及通信规程和电气特性。声音输入声音输出麦克风显示器接口键盘接口并行口USB接口以太网接口串行口鼠标接口主板上的I/O设备接口137I/O接口分类按传输方式串行接口并行接口一次传送一个字节，但每次仅传送一个比特(一个字节分8次传送)，用于连接鼠标、MODEM等慢速设备。

一次传送一个字节，但8位同时传送。138串行口一个字节...............一个字节并行口一个字节一个字节一个字节注意：按传统概念并行接口比串行接口快，但现在这个概念已发生了变化。（未必！因为还存在传输速率问题）139按是否能连接多个设备独占式接口总线式接口按是否符合标准标准接口专用接口只能连接专门设备。如视频口只能连接一个设备。可连接多个设备通用接口，可连接多种设备，例如

USB140常用的重要I/O接口

IDE/EIDE

ATA接口

(IntegratedDriveElectronics/Enhance)

(ATAATAttachment,AT嵌入式接口)

硬盘接口规范最大传输速率(MB/s)ATA-1

3.3ATA-2

16.6ATA-3

16.6ATA-4

33UltraATA/100

100UltraATA/133133141USB的特性

高速、串行传输；

即插即用P&P

(PlugandPlay)，热插拔；

自动识别外设；

使用USB集线器，最多连接127个设备；

可外设提供电源(＋5V，100～500mA)。USB

接口（UniversalSerialBus）

通用串行总线式接口。142USB的版本及其数据传输速率USB

1.0版：低速

0.1875MB/sUSB

2.0版：60MB/s高速

1.5MB/s

USB

1.1版：USB

3.0版：400MB/s

USB标识USB3.0SS连接器外设接线器电缆长度5米143

USB的引脚信号黑地GND4绿数据＋＋DATA3白数据－－DATA2红电源VCC1导线颜色名

称信

号引

脚144

i.Link

(SONY)或FireWire(Apple)接口

即IEEE-1394。是用于连接需要高速传输大量数据的音频和视频设备,也是串行传输。1394的特点

传输速度快

即插即用，热插拔；

级联方式连接,最多可以连接63个设备；

最大电缆长度5米。

12.5、25、50MB/s100MB/s（1394a）（1394b）145

IEEE1394的插座形式连接器共有6根导线（4根传送数据，2根传导电源）1394数据线146红外线数据传输接口IrDA(InfraredData)

使用红外线通信不需要连接线。只需将两设备的距离、方向放置在一定的范围内就可以实施通讯。红外线接口标准SIR(SerialInfrared，串行红外)9.6K～115.2KbpsFIR(FastInfrared，快速红外)1.152M和4MbpsVFIR(VeryFastInfrared，超速红外)16Mbps147红外适配器148

PC机常用I/0接口的性能、参数及作用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)USB-IFA型，B型最多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)USB-IFA，B，Mini型最多127外接硬盘，数字视频设备，扫描仪等IEEE1394a1394b

串行,双向50MB/s,100MB/s,200MB/sFireWire(i.Link)最多63数字视频设备IDE并行,双向100MB/s133MB/sUltraATA/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149

I/O总线、I/O控制器、I/O接口与I/O设备之间的关系机箱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控制器(扩充卡)机箱插座板卡插座PCI插槽内存主板插槽芯片组IDE机箱插座I/O设备键盘鼠标器I/O控制器I/O设备CPU1502.4

常用输入设备数字和文字输入设备(键盘、写字板等)位置和命令输入设备(鼠标器、触摸屏等)图形输入设备(扫描仪，数码相机等)声音输入设备(话筒，MIDI演奏器)视频输入设备(摄像机)输入设备是计算机中必不可少的部分,按设备功能分，有如下几大类：温度压力输入设备(温度、压力传感器)1512.4.1键盘（Keyboar