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第2章 微型计算机硬件系统,2.1 微型计算机的主要性能指标 2.2 微处理器 2.3 存储器 2.4 常用外部设备 2.5 总线与接口,台式PC的物理组成,台式机,台式PC机(立式)的主机箱,(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 ROM BIOS：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）,例：华硕P4T主板照片,(2) 芯片组的作用,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,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）,2.1 微型计算机的主要性能指标,基本字长 指参与运算的数的基本长度，用二进制数位的长度来衡量 决定着寄存器、加法器、数据总线等部件的位数，直接影响着硬件的代价 主存容量 以字节为单位来计算 1B=8bit 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 运算速度 用每秒能执行的指令条数来表示 单位MIPS (Million Instructions Per Second, 每秒百万条指令),2.2 微处理器,2.2.1 微处理器的发展 2.2.2 微处理器的组成及其基本功能,2.2 微处理器,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，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),Intel 4004 chip,Intel 8080 chip,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？,什么是微处理器？,微处理器（P ）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:,P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P 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,2.2.1 微处理器的发展,第一代：8086和8088 （19781981年） 第二代：80286（19821984年） 第三代：80386（19851988年） 第四代：80486（1989年1992年） 第五代：Pentium（1993年1997年） 第六代：P6（1996年至今） 第七代：64位处理器P7 双核处理器,第一代：8086和8088,时间 19781981年 1978年- 8086 16位微处理器 寄存器和数据总线均为16位 地址总线为20位 设置了6字节的指令预取队列 1979年 8088 外部数据总线为8位 设置了4字节的指令预取队列。 1981年8月，IBM公司推出以8088为CPU的世界上第一台16位微型计算机IMB PC,第二代：80286,时间 19821984年 数据总线为16位 地址总线增加到24位，存储器寻址空间达到16MB。 1985年IBM公司推出以80286为CPU的微型计算机IBM PC/AT。,第三代：80386,时间 19851988年 内部寄存器、数据总线和地址总线都是32位的 微处理器与I/O之间传输为16位，也称为准32位微处理器,第四代：80486,时间 19891992年 组成 （1）主处理器 （2）数学协处理器 （3）高速缓冲存储器 80486的处理速度一般比80386快2到3倍,第五代：Pentium,时间 19931997年） 三个阶段 （1）工作频率为60MHz/66MHz （2）工作频率为90MHz/100MH （3）增加了57条多媒体指令,第六代：P6,时间 1996年至今 采用二级高速缓存，一个时钟周期可以执行3条指令 第6.5代 20段的超级流水线 高效的乱序执行功能 2倍速的ALU 新型的片上缓存 SSE2指令扩展集 400MHz的前端总线,第七代：64位处理器P7,工作频率 733MHz/800MHz。 内部/外部数据总线及地址总线 64位,双核处理器,2001年起出现了双核处理器。 在一块CPU基板上集成两个处理器核心 双核处理器产品 Pentium D Pentium Extreme Edition,微处理器的发展非常迅速,2.2.2 微处理器的组成及其基本功能,运算器 功能 （1）对二进制数进行加、减、乘、除等算术运算 （2）与、或、非等基本逻辑运算，实现逻辑判断 运算器在控制器的控制下实现其功能 控制器 组成 （1）指令寄存器 （2）译码器 （3）程序计数器 （4）操作控制器 基本功能：从内存中取指令和执行指令 在工作过程中，接受各部件反馈回来的信息,2.3 存储器,2.3.1 存储器的结构 2.3.2 内存 2.3.3 外存 2.3.4 高速缓存,2.3 存储器,内存储器 外存储器,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,CPU,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,2.3.1 存储器的结构,三级存储结构 （1）高速缓冲存储器 （2）主存储器 （3）外存储器 内存储器 （1）高速缓存存储器 （2）主存储器 CPU不能直接访问外存储器。,计算机中存储器的层次结构,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cache 3）如操作数不在cache，则访问RAM，如在RAM中，则取自RAM 4）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出RAM cache,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，1 ns = 10-9 s）,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,各级存储器之间的关系,2.3.2 主存储器,按功能分 只读存储器ROM 存储的信息只能读出，不能改写，断电后信息不会丢失 随机存取存储器RAM 可以读出，也可以改写。断电后，存储的内容立即消失,2.3.3 外存,外存储器（简称外存）又称辅助存储器。 组成 磁表面存储器 磁盘软盘、硬盘 磁带 光盘存储器 芯片存储器,2.3.4 高速缓存,为解决CPU和主存之间速度匹配问题而设置 原理 把CPU最近最可能用到的少量信息（数据或指令）从主存复制到Cache中 当CPU下次访问这些信息时，不必访问慢速的主存，而直接从快速的Cache中得到,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12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 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,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,8,9,14,3,4,4,4,10,10,10,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,输入设备 向计算机输入信息的装置，用于向计算机输入原始数据和处理数据 键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪等 输出设备 主要用于将计算机处理过的信息保存起来，或以人们能接受的数字、文字、符号、图形和图像等形式显示或打印出来。 显示器、打印机、绘图仪等,2.4 常用外部设备,2.5 总线与接口,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,总线分类,总线分类,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),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）,I/O设备接口,(安装在主板上的I/O设备接口),台式PC机箱背板照片,常用的I/O接口及其性能参数,关于USB接口,通用串行总线式接口（Universal Serial Bus ） 高速、可连接多个设备、串行传输 传输速率： USB的1.1版：1.5 Mb/s和12 Mb/s USB2.0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，100500 mA）。,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