计算机硬件体系结构PPT课件

。1.计算机系统由两部分组成。一部分是存储数据并执行各种操作和过程的电子设备。它被称为计算机硬件。另一部分是一系列指令，指示计算机一步一步地完成任务，称为计算机软件。本章介绍计算机硬件体系结构的基本知识。包括以下组件：计算机系统的组成；微机主机结构；外部记忆；公共外部设备；简要介绍了计算机教学系统。第三章计算机硬件体系结构计算机系统的组成一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成。计算机的硬件系统一般由五部分组成：运算单元、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中：中央处理器(简称CPU)=算术单元控制器主机=中央处理器主存储器软件是指各种程序和数据，而计算机软件包括计算机本身运行所需的系统软件和用户完成任务所需的应用软件。冯诺依曼型计算机预先将程序和数据存储在存储器中，这样计算机就可以自动从存储器中提取指令，并在工作时执行它们。根据冯诺依曼的计算机体系结构，当执行程序和处理数据时，程序和数据必须首先从外部存储器装入主存储器，然后计算机将自动从存储器中取出指令并在工作时执行它们。这是存储程序概念的基本原则。3.1.2冯诺依曼计算机的结构，5，3.1计算机系统的结构，典型的计算机硬件结构如下：6，3.1计算机系统的结构，冯诺依曼计算机体系结构的主要特点是：(1)用二进制形式表示程序和数据。(2)计算机硬件由五部分组成：运算单元、控制器、存储器、输入设备和输出设备。(3)程序和数据以二进制形式存储在存储器中。(4)控制器根据存储在存储器中的指令(程序)工作。微型计算机的诞生和发展属于第四代电子计算机产品，即大规模和超大规模集成电路计算机。微型计算机和其他类型的计算机没有本质区别。不同之处在于，微型计算机将计算机硬件系统的两个核心部分运算单元和控制器集成在一个集成电路芯片上，即中央处理器中央处理器。根据处理信息的字长，中央处理器分为4位或8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器和64位微处理器。目前，微型计算机的中央处理器一般是32位或64位处理器。3.1计算机系统的组成，8、3.2微机主机结构，微机基本上由显示器、键盘和主机组成。在主机箱中，有中央处理器、主板、硬盘驱动器、光驱、软盘驱动器、电源、显示适配器(显卡)等。9、3.2微机主机结构，3.2.1中央处理器：运算单元、寄存器单元和控制器单元。中央处理器的主要性能指标有：(1)主频率/外部频率(主频率=外部倍频，即中央处理器工作频率)(2)数据总线宽度(即字长，指中央处理器传输的数据位数)(3)地址总线宽度(决定中央处理器可访问的地址空间)(4)工作电压(低电压可降低中央处理器过热，降低功耗)(5)高速缓存(加快中央处理器与其他设备之间的数据交换)(6)运行速度(中央处理器每秒可处理的指令数)。嘿。10、3.2微机主机结构。1.算术单元是执行算术和逻辑运算的组件，也称为算术和逻辑运算单元。所有由计算机完成的操作都是以算术单位进行的。算术单元的核心组件是：(1)算术逻辑组件(2)寄存器组件。2.控制器负责从存储器中取出指令并对指令进行解码。根据指令的解码结果，负责按照指令的顺序向其他组件发送控制信号，以保证所有组件协调完成各种操作。微型计算机的主要结构如下：程序计数器。将该地址存储在要执行的下一条指令的存储器中；(2)指令寄存器。在指令执行期间保存当前正在执行的指令；(3)指令解码器。用于识别指令的功能和分析指令的操作要求；定时组件。产生计算机操作所需的各种定时信号，以协调各部件的工作顺序；微操作控制电路。指令的执行可以分解成一系列微操作。12、3.2微机主机结构、3.2.2高级中央处理器技术双核中央处理器技术：由于构建双中央处理器系统的高成本和复杂性，台式计算机并不流行。使用“双核”技术意味着两个物理操作内核真正集成在一个CPU中，并且每个内核使用自己独立的缓存。因此，在实际使用中，“双核处理器”和由两个独立的处理器组成的系统在工作原理和性能上基本没有区别。13、3.2微机主机结构，3.2.3主板，主板是计算机中各种设备的连接载体。它为中央处理器、各种接口卡、存储芯片、硬盘、软盘驱动器和光盘提供插槽。其他外部设备也通过主板上的输入/输出接口连接到计算机。14、3.2微机主机结构、主板逻辑结构：最早的PC机主板连接简单，但缺点是快速CPU、中速内存和慢速外设都连接在一条总线上，系统的整体性能无法得到优化。16、3.2微机主机结构，486微机到奔腾II时期，主板一般采用南北桥芯片结构主板。17、3.2微机主机结构，PentiumII采用南北桥芯片结构主板。18，3.2微机主机结构，五层以上主板结构(具有中央结构的主板结构)。19，3.2微机主机结构，主板结构，带中央结构，是PCI-E:PCIExpress的简称，是用于取代PCI和AGP接口规范的最新总线和接口标准。它有1X、2X、4X、8X、16X信号通道，其中X1和X16已经成为PCI-E的主流规格，用来代替AGP接口的PCI-E接口的位宽为X16，可提供5GB/s的带宽，远远超过AGP8X的2.1GB/s带宽。微型计算机的主要结构是内部存储器在主计算机内部(简称存储器)，通常由半导体材料制成。内部存储器可分为只读存储器和随机存取存储器。内部存储器分类，3.2.4内部存储器，21，3.2微机主机结构，1。只读存储器特点：存储的信息只能读出，不能随意改写或存储，断电后信息不会丢失，可靠性高。只读存储器分类(1)屏蔽只读存储器(2)可编程只读存储器(3)可擦除可编程只读存储器(4)电可擦除可编程只读存储器(5)闪速只读存储器(闪速只读存储器)。22，3.2微机主机结构，2。随机存取存储器特性：随机存储器(存储原始数据、中间结果和最终结果)。启动前为空，断电后数据消失)。内存分类：(1)静态内存：静态内存。维护数据完整性、高成本和低集成度、通用高速缓存不需要任何费用。动态随机存取存储器：动态随机存取存储器。需要定期充电来保持数据的完整性，通常所说的“存储器”主要由它组成。一般指以下两种类型：同步动态存储器双速率存储器(DDR2四倍速率存储器)。23，3.2微机主机结构，24，存储单元地址，存储体结构图，存储位，存储单元(字节)，存储体512MB2GB，存储单元特征：地址与存储单元一一对应，一个数据存储在一个或多个字节中，中央处理器通过单元地址访问存储单元中的数据，将新数据放入存储单元，覆盖原始数据。25，3.2微机主机结构，3。高速缓存是高速缓存的一种，是解决中央处理器和主存速度不匹配的一项重要技术。片上高速缓存集成在中央处理器芯片中，片外高速缓存插入主板。高速缓冲存储器的存取速度比主存储器快一个数量级，大致相当于中央处理器的处理速度。多级缓存的第一个CPU缓存是一个整体，容量很低。当集成在中央处理器内核中的高速缓存不再足以满足中央处理器的要求，并且制造过程的限制不能大大增加高速缓存容量时，集成在与中央处理器相同的电路板或主板上的高速缓存就会出现。此时，集成在CPU内核中的缓存称为一级缓存，而外部缓存称为二级缓存。双核处理器的二级缓存双核处理器的二级缓存是特殊的。与以前的单核CPU相比，最重要的是存储在两个内核的缓存中的数据应该是一致的。存储器的分层结构要求高速、大容量和合理的价格。在目前的技术条件下，这三个指标很难用单一类型的内存来实现。妥协是采用等级结构。3.2微机主机结构，28，3.2微机主机结构，3.2.5总线，总线：连接各种部件的一组公共通信线路，用于内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的重要组成部分。总线可分为：数据总线地址总线控制总线。(1)地址总线。地址信号被传输，这通常是单向传输。当中央处理器需要访问外围设备时，它向地址总线发送相应外围设备的地址信号以选择外围设备。(2)数据总线。数据通常是双向传输的。当中央处理器读取时，数据从外围设备流向中央处理器，当中央处理器写入时，数据从中央处理器流向外围设备。控制总线。传输的是控制和检测外围设备状态的信号，有些是由中央处理器发送到内存或外部设备的信号。有些是通过内存或外部设备发送给中央处理器的信号。对于每条控制线，信号都是单向传输的，但总体上是双向的。30，3.2微机主机结构，总线按在计算机硬件系统中的位置划分：片上总线(也称内部总线)。指的是中央处理器芯片内部的总线。片间总线(也称为局部总线)。它是主板上每个外围芯片和中央处理器之间的总线，用于芯片的主要互连。(3)系统总线(也称为输入/输出总线)。它是微型计算机中每个插件板和系统主板之间的总线，用于插件板级的互连。外部总线(也称为通信总线)。它是微机与外部中低速外部设备之间或外设与主机之间的总线。31、3.2微机主机结构，各级微机总线之间的简单关系，32、3.2微机主机结构，微机系统三层总线示意图，北桥、中央处理器、存储器、高速缓存、本地总线、南桥、PCI接口(网卡、声卡等)。)，键盘、鼠标、接口、通用串行总线、通用串行总线、前端总线、AGP总线、内存总线、AGP图形卡、PCI-E图形卡、系统总线、33、3.2微机主机结构，系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、PCIExpress三个阶段。ISA总线。这是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人电脑的基础。PCI总线。其主要特点是传输速度快，在现代微型计算机中得到广泛应用。AGP公交车。一种专门为系统中的图形显示卡设计的总线。PCIExpress总线。这是新一代总线接口。系统总线标准， 34，3.2微机主机结构，ISAPCIAGP，35，3.2微机主机结构，PCIExpress，36，3.2微机主机结构，常用输入输出总线类型：通用串行总线，IEEE1394总线等。通用串行总线属于串行接口总线。该总线是一条外部总线，最多可连接127台设备。由于支持热插拔的优势，USB接口已经成为许多外设的标准接口。USB有两种规格，即USB1.1和USB 2.0。(2)IEEE 1394总线是一种高效的串行总线接口标准，主要用于连接DV产品。外部总线标准。37、3.2微机主机结构中，输入/输出接口是连接主机和外部设备的逻辑部件，由输入/输出接口电路、连接器(通常是连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。根据输入输出接口是否嵌入主板，输入输出接口可分为内部输入输出接口和外部输入输出接口。(1)内置输入输出接口输入输出接口电路嵌入主板。主板直接提供外围接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、USB接口、串行接口、并行接口、软盘和硬盘接口等。(2)外部输入/输出接口将输入/输出接口集成到单独的电路板中。在这种情况下，接口卡必须插入总线扩展槽(如PCI、PCIExpress等)。)。外部存储器，通常用于存储各种需要永久存储或相对临时未使用且需要长期保护的程序和数据。当需要在外部存储器中执行程序或处理外部存储器中的数据时，必须将其转移到内存中由中央处理器执行，因此外部存储器实际上属于输入/输出设备。目前，微机常用的外部存储器有软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器、u盘等。79、40，3.3外部存储器，3.3.1软盘，79，41、3.3外部存储器、3.3.2硬盘硬盘存储器是微型计算机最重要的外部存储器，通常用于安装微型计算机运行所需的系统软件和应用软件，并存储大量数据。硬盘由磁盘组和硬盘驱动器组成，它们固定在一个密封的金属盒中。42，3.3.3光盘存储，1。只读光盘中的数据是在制造时写入的，用户只能读取数据，但不能写入或修改光盘中的数据。最常见的光盘是光盘。当然，数字音频CD-DA，VCD，DVD等。也是光盘。这种光盘允许用户一次写入数据，不能修改或擦除数据。这种光盘具有与磁盘相同的可擦除性，可以多次在光盘上写入或修改数据。如光盘只读存储器。3.3外部存储器，43是从光盘读取数据的设备，我们称之为光盘驱动器，简称为光驱。光驱将聚焦的激光投射到光盘上，并利用光盘的凹坑或非凹坑边缘反射的不同强度的激光将其表示为不同的电信号。光驱倍数是指光盘的数据传输速率(150千字节/秒是单次，依此类推)。光驱可以读取光驱、CD-DA、光驱、读写光盘和光盘，但不能读取DVD。然而，dvd只能用与光盘兼容的DVD驱动器来读取。3.3外部存储器，传统的光盘只使用一个面和一个记录层来记录信息。为了提高存储容量，DVD光盘可分为四种结构：单面单层、单面双层、双面单层和双面双层。单面单层(4.7GB)、单面双