三级偏软微机原理部分

1、1 n答疑时间：周五下午答疑时间：周五下午3：00-4：30 n第一部分答案第一部分答案 n阶六纠正阶六纠正 计算机微机原理计算机微机原理 计算机的组成计算机的组成 CPU 存储器存储器 输入输出设备输入输出设备 并行串行通信并行串行通信 3 1、计算机的组成、计算机的组成 4 计算机是一个复杂系统计算机是一个复杂系统 计算机硬件是计算计算机硬件是计算 机系统中所有实际机系统中所有实际 物理装置的总称物理装置的总称 计算机软件是指在计算机中计算机软件是指在计算机中 运行的各种程序及其处理的运行的各种程序及其处理的 数据和相关的文档数据和相关的文档 计算机系统计算机系统 计算机硬件计算机硬件计算

2、机软件计算机软件 运算器运算器 控制器控制器 输入设备输入设备 存储器存储器 输出设备输出设备 系统软件系统软件应用软件应用软件 操作系统操作系统 数据库管理系统数据库管理系统 程序语言处理系统程序语言处理系统 文字处理文字处理 通信通信 娱乐娱乐 5 计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构 1 n经典计算机的逻辑结构（经典计算机的逻辑结构（冯冯. .诺依曼计算机）诺依曼计算机） 运算器和控制器运算器和控制器 输入设备输入设备输出设备输出设备 存储器存储器 （注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构） 6 计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构

3、2 n现代计算机的逻辑结构现代计算机的逻辑结构 n与经典计算机结构相比的与经典计算机结构相比的3个变化：个变化： n集中控制集中控制分散控制分散控制 n存储器存储器内存储器外存储器内存储器外存储器 n通过通过CPU通信通信通过总线进行通信通过总线进行通信 中央处理器中央处理器 (运算器及其控制运算器及其控制) 外存储器外存储器 内存储器内存储器 输出设备输出设备 总线总线(bus) 输入设备输入设备 I/O接口接口I/O接口接口 外存储器接口外存储器接口 控制器控制器控制器控制器控制器控制器 CP U 控制器控制器 memor y storag e I/O设备通过设备通过I/O接接 口与各自的

4、控制器口与各自的控制器 连接，然后由控制连接，然后由控制 器与器与I/O总线相连总线相连 7 台式台式PC的物理组成的物理组成 台 式 机 台式台式PC 主机主机外部设备外部设备 机箱、电源机箱、电源 主板主板 CPU 内存条内存条 显示卡显示卡 芯片组芯片组 BIOS ROM CMOS PCI插槽插槽(I/O总线总线) 网卡网卡 输入设备输入设备 外存储器外存储器 键盘键盘 鼠标器鼠标器 麦克风麦克风 摄像头摄像头 输出设备输出设备 U盘、移动硬盘盘、移动硬盘 显示器显示器 打印机打印机 音箱音箱/耳机耳机 声卡声卡 插头和插座插头和插座(I/O接口接口) 硬盘、软驱硬盘、软驱 光盘驱动器光

5、盘驱动器 8 2、CPU 9 什么是中央处理器什么是中央处理器(CPU)？ n用于执行系统软件和应用软件的处理器称为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是计算机必不可少的核心组成部件 n多数个人计算机只有多数个人计算机只有1个个CPU，但有一些计算机包，但有一些计算机包 含有含有2个、个、4个、个、8个甚至成百上千个个甚至成百上千个CPU n将问题的解算步骤编制成为将问题的解算步骤编制成为程序程序，程序连同它所处理，程序连同它所处理 的数据都用的数据都用二进位表示二进位表示并预先并预先存放在存储器存放在存储器中中 n程序运行时，程序运行时，CPU

6、从内存中一条一条地取出指令和相从内存中一条一条地取出指令和相 应的数据，应的数据，按指令操作码的规定按指令操作码的规定，对数据进行运算处，对数据进行运算处 理，直到程序执行完毕为止理，直到程序执行完毕为止 10 指令是什么？指令是什么？ n指令就是命令，它用来规定指令就是命令，它用来规定CPU执行什么操作。指令是构执行什么操作。指令是构 成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的成程序的基本单位，程序是由一连串指令组成的 n指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组指令采用二进位表示，大多数情况下，指令由两个部分组 成：成： 操作码操作码操操 作作 数数 地地 址址 指出CPU应执行何

7、种操作的一 个命令词，例如加、减、乘、 除、取数、存数等 指出该指令所操作(处理)的数 据或者数据所在位置 举例举例: 10 02 06把把02存储单元和存储单元和06存储单元中的内存储单元中的内 容相加，和数保存在容相加，和数保存在02单元单元 11 CPU的结构和任务的结构和任务 nCPU主要由运算器、控制器和寄存器组主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成个部分组成 nCPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作的任务：取指令并完成指令所规定的操作 寄寄 存存 器器 组组 运运 算算 器器 中央处理器中央处理器 指令计数器指令计数器 指令寄存器指令寄存器 控制器 数数 据据 程序程序 指

8、令指令1 指令指令2 指令指令k 指令指令n 数据数据1 数据数据2 数据数据m 数据数据 内存储器内存储器 指指 令令 指令地址指令地址 操作数地址操作数地址 存放待执行存放待执行 指令的地址指令的地址 已经启动运已经启动运 行的程序和行的程序和 数据数据 存放待执行的存放待执行的 指令并进行译指令并进行译 码码 完成规定的运完成规定的运 算算 暂存等待处暂存等待处 理的数据理的数据 操作命令操作命令 12 8086微处理器内部结构微处理器内部结构 13 指令及其格式指令及其格式 n指令采用二进位表示，大多数情况下由两个部分组成：指令采用二进位表示，大多数情况下由两个部分组成： 操作码操作码

9、操操 作作 数数 地地 址址 指出指出CPU应执行何种操作的一个命应执行何种操作的一个命 令词，例如加、减、乘、除等令词，例如加、减、乘、除等 指出该指令所操作指出该指令所操作(处理处理)的的 数据或者数据所在位置数据或者数据所在位置 n指令的格式：指令的格式： n操作码用几位表示？操作码用几位表示？(多少种不同的操作功能多少种不同的操作功能) n操作数地址是操作数地址是2个还是个还是3个？个？ nR1R3+R5 nR1R1-R3 n如何指出内存地址？如何指出内存地址？(寻址方式寻址方式) n指令长度是多少位，固定长度指令长度是多少位，固定长度/可变长度？可变长度？ ADDR1R3R5 SUB

10、R1R3 14 影响影响CPU性能的主要因素性能的主要因素(之一之一) nCPU的字长（位数）的字长（位数） n是是CPU中定点运算器的宽度中定点运算器的宽度 n目前目前PC使用的使用的CPU大多是大多是32位处理器，新一代的位处理器，新一代的PC机将机将 使用使用64位处理器位处理器 n主频（主频（CPU时钟频率）时钟频率） n指指CPU中电子线路的工作频率中电子线路的工作频率 n主频提高，主频提高，CPU的处理速度通常也会加快的处理速度通常也会加快 nCPU总线（前端总线）的速度总线（前端总线）的速度 nCPU总线速度决定了总线速度决定了CPU与内存间数据传输速度的快慢与内存间数据传输速度

11、的快慢 n高速缓存（高速缓存（cache）的容量与结构）的容量与结构 n程序运行过程中高速缓存有利于减少程序运行过程中高速缓存有利于减少CPU访问内存的次数访问内存的次数 ncache容量越大、级数越多，其效用就越显著容量越大、级数越多，其效用就越显著 15 影响影响CPU性能的主要因素性能的主要因素(之二之二) nCPU的指令系统的指令系统 n指令的格式和功能会影响程序的执行速度指令的格式和功能会影响程序的执行速度 nCPU的逻辑结构的逻辑结构 nCPU包含的定点运算器和浮点运算器数目包含的定点运算器和浮点运算器数目 n是否流水线结构，流水线的条数和级数是否流水线结构，流水线的条数和级数 n

12、有无指令预测和数据预测功能有无指令预测和数据预测功能 n是否具有数字信号处理功能是否具有数字信号处理功能 n是否多核，有几个内核是否多核，有几个内核 n 16 Pentium4的逻辑结构的逻辑结构 寄存器组与寄存器组与CPU字长字长 超标量结构超标量结构ALU 流水线处理技术流水线处理技术 SIMD技术技术 EM-64T 超线程技术超线程技术 双核与多核技术双核与多核技术 17 Pentium 4 处理器的逻辑结构处理器的逻辑结构 指令译码器指令译码器 整整 数数 寄寄 存存 器器 组组 L2 cache (255KB) L1数据数据cache(8KB) 浮浮 点点 寄寄 存存 器器 组组 慢

13、慢ALU 复杂指令复杂指令 2xALU 简单指令简单指令 2xALU 简单指令简单指令 2xAGU 存地址存地址 浮点存浮点存 浮浮 点点 取取 2xAGU 取地址取地址 MMX SSE/ SSE2 浮点加浮点加 浮点乘浮点乘 浮点除浮点除 跟踪跟踪cache 分支预测器分支预测器 执行跟踪执行跟踪cache (12000微操作微操作) 微码微码ROM 微操作队列微操作队列微操作队列微操作队列 指令预取部件指令预取部件动态分支预测器动态分支预测器 前前 端端 总总 线线 256位，时钟频率位，时钟频率 64位位,时钟频率时钟频率 总线总线 接口部件接口部件 预取预取 控制逻辑控制逻辑 总线接口

14、总线接口 运算器运算器 寄存器组寄存器组 控制器控制器 18 Pentium 4 处理器的芯片布局处理器的芯片布局 L1数据数据cache L2 cache Trace cache (L1指令指令cache) 浮点运算器浮点运算器 MMX 超级流水线超级流水线 技术技术 前端总线前端总线 及其接口及其接口 定点运算器定点运算器 高级动态执行高级动态执行 19 Pentium 4的超标量结构运算器的超标量结构运算器 n采用超标量（采用超标量（superscalar）结构，一共包含）结构，一共包含9个个ALU，均可同时工作：，均可同时工作： n2个高速整数个高速整数ALU(每个时钟周期进行每个时钟

15、周期进行2次操作次操作)， 用于完成简单的整数运算用于完成简单的整数运算(如加、减法如加、减法) n1个慢速整数个慢速整数ALU(需要多个时钟周期才能完成需要多个时钟周期才能完成1次操作次操作)，用于完成整数乘、除法运算，用于完成整数乘、除法运算 n2个地址生成部件（个地址生成部件（AGU），用于计算操作数的有效地址，所生成的地址分别用于从内），用于计算操作数的有效地址，所生成的地址分别用于从内 存取操作数或向内存保存操作结果存取操作数或向内存保存操作结果 n1个个ALU用于完成浮点操作数地址的计算用于完成浮点操作数地址的计算 n1个个ALU用于完成浮点加法、乘法和除法运算用于完成浮点加法、乘

16、法和除法运算 n1个个ALU用于执行流式的用于执行流式的SIMD处理（处理（SSE/SSE2/SSE3指令）指令） n1个个ALU用于完成多媒体信号处理（用于完成多媒体信号处理（MMX指令）指令） 整整 数数 寄寄 存存 器器 组组 L1数据数据cache(8KB) 浮浮 点点 寄寄 存存 器器 组组 慢慢ALU 复杂复杂 指令指令 2xALU2xALU 简单简单 指令指令 2xAGU 存地址存地址 浮点浮点 存存 浮浮 点点 取取 2xAGU 取地址取地址 MMX SSE SSE2 SSE3 浮点加、减、浮点加、减、 乘、除等运乘、除等运 算算 简单简单 指令指令 20 T T0 T1 T2

17、 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 I6 I5 I4 I3 指令的流水线执行指令的流水线执行 指令指令1(I1)指令指令2(I2) 指令指令3(I3) I2 指令的顺序执行：指令的顺序执行： I1 指令的流水线执行：指令的流水线执行：Pentium 4的流水线分成的流水线分成20 级，每一级的操作都很简单级，每一级的操作都很简单, 执行速度极快，因而允许时执行速度极快，因而允许时 钟频率高达钟频率高达1GHz以上以上 21 超流水线超流水线(Hyper-pipeline)技术技术 nPentium 4有多条超流水线，每有多条超流水线，每 条流水线的级数均很长，定点运条流水线的级数均很长

18、，定点运 算达算达20级，浮点运算达到级，浮点运算达到29级，级， 处于执行状态的指令数最多可达处于执行状态的指令数最多可达 到到126条条 整数寄存器组整数寄存器组浮点数寄存器组浮点数寄存器组 n超级流水线中每步操作都非常简单，因此主频可以显著提高超级流水线中每步操作都非常简单，因此主频可以显著提高 取指阶段取指阶段译码阶段译码阶段执行阶段执行阶段保存结果保存结果,修改修改IP n Pentium 4 的的20级级超流水线结构的示意图：超流水线结构的示意图： 22 指令预取和分支预测指令预取和分支预测 n为了使流水线不中断，指令预取部件用于完成指令地址的计算，为了使流水线不中断，指令预取部件

19、用于完成指令地址的计算， 并从指令并从指令 cache中读取指令（一次中读取指令（一次64位），它还通过动态分位），它还通过动态分 支预测器对即将执行的指令提前进行预取，如果预测发生错误，支预测器对即将执行的指令提前进行预取，如果预测发生错误， 那么流水线就会中断，那么流水线就会中断，CPU的速度将会受到影响的速度将会受到影响 指令指令cache及指令预取部件及指令预取部件动态分支预测器动态分支预测器 指令译码器指令译码器 跟踪跟踪cache 分支预测器分支预测器 执行跟踪执行跟踪cache(12000微操作微操作) 微码微码ROM 控制整数控制整数ALU的微操作队列的微操作队列 控制浮点控制

20、浮点ALU的微操作队列的微操作队列 A=A+2; If (A10) B=A; 23 MMX/SSE/SSE2/SSE3指令指令 n所谓所谓SSE(扩展的单指令数据流扩展的单指令数据流 )指令，其特点是指令，其特点是1条指令可处条指令可处 理理128位的数据，它可以是下列情况之一：位的数据，它可以是下列情况之一： 4个单精度浮点数个单精度浮点数(各各32位位)2个双精度浮点数个双精度浮点数(各各64位位) 16个个8位整数位整数8个个16位整数位整数 4个个32位整数位整数2个个64位整数位整数 1个个128整数整数 n由于一条指令可以处理若干个整数或浮点数，因而大大提高了由于一条指令可以处理若

21、干个整数或浮点数，因而大大提高了 计算速度，这种做法称为单指令多数据技术（计算速度，这种做法称为单指令多数据技术（single- instruction, multiple-data，简称，简称SIMD） nSSE/SSE2/SSE3指令在完成指令在完成3D图形、语音识别、图像处理等图形、语音识别、图像处理等 多媒体应用的时候非常有效多媒体应用的时候非常有效 24 为什么需要为什么需要64位计算？位计算？ n原因：原因： n可以进行更大范围的整数运算可以进行更大范围的整数运算 n可以支持更大的内存可以支持更大的内存 n进行进行64位计算的条件：位计算的条件： n64位的处理器位的处理器 n64

22、位的操作系统位的操作系统(如如 Windows XP X64，Windows Vista) n64位的应用软件位的应用软件 n产品：产品： nRISC(UltraSparc 、IBM公司的公司的POWER5、HP公司的公司的Alpha) nIntel 安腾处理器安腾处理器( Itanium 和和 Itanium 2) nAMD64(Athlon 64系列、系列、Athlon FX系列和系列和Opteron系列系列) nIntel EM-64T(Extended Memory 64 Technology) n至强至强(Xeon)系列、系列、Pentium 4 6xx系列系列 和和 Pentium

23、 D系列、系列、 P4 至尊版至尊版 25 Pentium的的64位扩展技术位扩展技术(EM-64T) 整整 数数 寄寄 存存 器器 组组 P4 Pentium 80386 80486 8086 8088 指令计数器指令计数器 标志寄存器标志寄存器 64位处位处 理器的理器的 整数寄整数寄 存器组存器组 共共16个个64位寄存器，另外位寄存器，另外还增加还增加8个个128位的位的SSE寄存器寄存器 增加了处理增加了处理64位整数的指令位整数的指令 支持支持c语言中的语言中的“long int”数据类型，对应的是数据类型，对应的是64位整数位整数 Pentium 4 的的64位寄存器组位寄存器组

24、 26 超线程超线程(Hyper-Threading, HT)技术技术 n背景：背景： n实际应用中实际应用中CPU的执行单元没有被充分使用，性能未得到充分发挥的执行单元没有被充分使用，性能未得到充分发挥 n超线程超线程(HT)技术：把硬件模拟成两个处理器芯片，从技术：把硬件模拟成两个处理器芯片，从OS来看就像有两个来看就像有两个 CPU一样，可同时执行一样，可同时执行2个线程个线程 nP4处理器增加了一个逻辑处理器增加了一个逻辑CPU指针，而整数运算单元、浮点运算单元、指针，而整数运算单元、浮点运算单元、L2 Cache等均由等均由2个线程共享个线程共享 n处理器有两种运行模式：处理器有两种

25、运行模式： nSingle Task Mode（单任务模式）：系统只有（单任务模式）：系统只有1个逻辑处理器个逻辑处理器 nMulti Task Mode（多任务模式）：系统有（多任务模式）：系统有2个逻辑处理器个逻辑处理器 n分析：分析： n由于不是由于不是2个真正的个真正的CPU，它们需要共享，它们需要共享ALU、cache等资源，当两个线程等资源，当两个线程 同时需要使用某个资源时，一个线程必须暂停运行，直到该资源空闲后才能同时需要使用某个资源时，一个线程必须暂停运行，直到该资源空闲后才能 继续执行。因此超线程的性能达不到继续执行。因此超线程的性能达不到2个物理个物理CPU的性能的性能

26、n超线程技术需要芯片组、超线程技术需要芯片组、OS和应用软件支持，才能发挥该项技术的优势，和应用软件支持，才能发挥该项技术的优势， Windows2000就不支持双线程就不支持双线程 n当运行单线程应用软件时，超线程技术甚至会降低系统性能当运行单线程应用软件时，超线程技术甚至会降低系统性能 27 双核处理器出现的背景双核处理器出现的背景 n提高主频来提升处理器性能的瓶颈是散热问题：提高主频来提升处理器性能的瓶颈是散热问题： n3.2GHz 的的Pentium 4处理器功率超过处理器功率超过100W，内核，内核 温度达摄氏温度达摄氏70度度 n提升到提升到4.0GHz时功率会达到时功率会达到15

27、0W，散热问题更难，散热问题更难 处理处理 n超线程技术虽然可以提高执行部件的使用效率，超线程技术虽然可以提高执行部件的使用效率， 但有一定开销，对于单线程的软件反而降低了效但有一定开销，对于单线程的软件反而降低了效 率率 n集成电路制造及封装技术的进步，有能力把集成电路制造及封装技术的进步，有能力把2个甚个甚 至更多个处理器做在至更多个处理器做在1个芯片内个芯片内 28 双核处理器双核处理器 n1个芯片中有两个功能相同的处理器个芯片中有两个功能相同的处理器(内核内核)，在操，在操 作系统看来，系统中有作系统看来，系统中有2个物理处理器个物理处理器 n2个内核可以各有自己的个内核可以各有自己的

28、L2 cache，但必须保正其，但必须保正其 中的信息完全一致，否则就会出现运算错误中的信息完全一致，否则就会出现运算错误 (由由 955X芯片组中北桥芯片负责芯片组中北桥芯片负责)，也可以共享同一个，也可以共享同一个 L2 cache n用途：面向计算密集型应用和娱乐发烧友用途：面向计算密集型应用和娱乐发烧友 n产品：产品： nPentium D(不支持超线程技术不支持超线程技术) nPentium Extreme Edition(至尊版至尊版)支持支持HT， 最多可作为最多可作为4个处理器用个处理器用 n酷睿酷睿 (Core Duo)双核处理器双核处理器(嵌入式应用和嵌入式应用和 笔记本笔

29、记本)：不支持：不支持HT和和64位扩展位扩展 n酷睿酷睿2 (Core 2 Duo)双核处理器：支持双核处理器：支持EM64T n最新产品最新产品Core 2 quad (四核四核) 揭开外壳后的揭开外壳后的 Pentium D处理器处理器 独立独立 cache 共享共享 cache 29 Pentium4提高速度的措施提高速度的措施 n扩展扩展CPU的字长：的字长：64位存储扩展位存储扩展 n提高提高CPU的主频：已经从的主频：已经从1.5GHz逐步提高到逐步提高到3GHz以上，目前最高已经接以上，目前最高已经接 近近4GHz； n加快加快CPU前端总线的数据传输速度：前端总线的数据传输速

30、度： nCPU总线宽度增加为总线宽度增加为64128位位 nCPU总线频率从总线频率从400MHz、533 MHz提高到提高到800MHz和和1066MHz n因此，传输速率也相应地从因此，传输速率也相应地从3.2GB/s、4.3GB/s提高到提高到6.4GB/s和和8.6GB/s n采用采用cache存储器存储器 n增大增大cache容量：容量： L2 cache的容量从的容量从256KB也已经增大为也已经增大为1MB或或2MB n增加增加cache的级数：有些处理器采用的级数：有些处理器采用L3 cache n采用超标量运算器结构和超流水线技术采用超标量运算器结构和超流水线技术 n提供和支

31、持向量运算指令（提供和支持向量运算指令（SIMD指令）指令） n采用超线程技术，提高执行部件的工作效率采用超线程技术，提高执行部件的工作效率 n采用双采用双(多多)核处理器技术核处理器技术 30 主板、芯片组与主板、芯片组与BIOS 31 (1) 主板主板 n主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件 n主板安装内容：见上图主板安装内容：见上图 nROM BIOS：存放最基础的软件：存放最基础的软件基本输入基本输入/输出系统输出系统(BIOS) nCMOS存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等）存储器：存放系统的基本参数（日期、时间、口令等

32、） 存储器插座存储器插座 处理器处理器 插槽插槽 外部设备插口外部设备插口(I/O接口接口) 软驱及硬盘的软驱及硬盘的 IDE连接器连接器 电源连接器电源连接器 PCI总线槽总线槽 CPU插座插座 显示卡的显示卡的 AGP插槽插槽 南桥南桥 芯片芯片 ROM BIOS CMOS 存储器存储器 北桥北桥 芯片芯片 32 CPUCPU插座插座 内存条插座内存条插座 软驱、硬盘软驱、硬盘 IDEIDE连接器连接器 电源连接器电源连接器 PCIPCI总线插槽总线插槽 芯片组芯片组 I/O I/O端口端口 例：华硕例：华硕P4T主板照片主板照片 33 (2)芯片组的作用芯片组的作用 n芯片组的作用：芯片

33、组的作用： n是是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽机各组成部分相互连接和通信的枢纽 n北桥芯片：北桥芯片： 1. 存储器控制功能；存储器控制功能；2. 连接连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽 n南桥芯片：南桥芯片： 1. 多种多种I/O设备的控制功能；设备的控制功能；2. I/O总线总线(PCI总线总线) 功能；功能；3. 提供了各种提供了各种I/O接口接口 Pentium 4 CPU前端总线前端总线 北桥北桥 82865P MCH 图形卡接口图形卡接口 双通道双通道 南桥南桥 82801E ICH5USB 2.0接口接口(x8) 以太网接口以太网接口

34、PCI 插槽插槽(6个个) ROM BIOS 硬盘接口硬盘接口(x2) 音频音频Codec Super I/O 键盘键盘,鼠标鼠标,软驱软驱, 并口并口,串口等串口等 电话电话Modem DDR 2 电源管理、时钟生成电源管理、时钟生成 DDR 2 存储器存储器 CPU 34 关于芯片组的一些说明关于芯片组的一些说明 n芯片组与芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的芯片同步发展，有什么样功能和速度的 CPU，就有什么样的芯片组与之配套，就有什么样的芯片组与之配套 n由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片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

35、能，包括网卡、显卡、声卡等组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等 功能功能 35 (3) BIOS n什么是什么是BIOS （Basic Input/Output System） ？ n中文名为中文名为“基本输入基本输入/输出系统输出系统”，它是存放在主板它是存放在主板 上只读存储器（上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序）芯片中的一组机器语言程序 n功能：功能： n诊断计算机故障诊断计算机故障 n启动计算机工作启动计算机工作 n控制基本的输入输出操作控制基本的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、键盘、鼠标、磁盘读写、 屏幕显示等屏幕显示等) nBIOS 芯片芯片 n保存保存

36、BIOS的只读存储器的只读存储器(ROM)芯片芯片 36 BIOS 芯片中包含的程序芯片中包含的程序 n加电自检程序（加电自检程序（POST） (Power On Self Test)用于检测计算机硬件故障用于检测计算机硬件故障 n系统自举程序（系统自举程序（Boot） 启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态 nCMOS设置程序设置程序 设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等 n常用外部设备的驱动程序（常用外部设备的驱动程序（Driver） 实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输实现对键盘、显示

37、器、软驱和硬盘等常用外部设备输 入输出操作的控制入输出操作的控制 37 PC机的启动工作过程机的启动工作过程 n接通电源时接通电源时CPU自动执行自动执行BIOS中的中的POST程程 序序 1.1 按按CMOS中的内容来识别硬件的配置中的内容来识别硬件的配置, 测试各部件的工作状测试各部件的工作状 态态 (发现错误则报错发现错误则报错) 1.2 初始化初始化CPU、内存、内存、ROM、主板、主板、CMOS、显示卡、键盘、显示卡、键盘、 软驱和硬盘等设备软驱和硬盘等设备 nCPU自动执行自举程序自动执行自举程序 按照按照CMOS中预先设定的启动顺序，搜寻外存储器（软、中预先设定的启动顺序，搜寻外

38、存储器（软、 硬盘或光盘）硬盘或光盘） n从外存储器读出引导程序，然后由引导程序从外存储器读出引导程序，然后由引导程序 读出操作系统并装入内存读出操作系统并装入内存 n最后，将控制权交给操作系统，整个计算机最后，将控制权交给操作系统，整个计算机 由操作系统所控制由操作系统所控制 38 关于关于CMOS 芯片芯片 n这是一个容量很小的这是一个容量很小的RAM存储器，由电池供存储器，由电池供 电，即使计算机关机后也不会丢失所存储的信电，即使计算机关机后也不会丢失所存储的信 息息 n作用：作用： n存放计算机硬件的参数（称为存放计算机硬件的参数（称为“配置信息配置信息”），包括日期和），包括日期和

39、时间、口令、时间、口令、软盘软盘/硬盘硬盘/光盘驱动器的数目、类型及参数、光盘驱动器的数目、类型及参数、显显 卡类型、卡类型、cache使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供 BIOS程序使用程序使用 n设置和修改设置和修改CMOS参数的方法：参数的方法： n在开机启动在开机启动BIOS工作时，按下工作时，按下Del键键(或或F2或或F8健健)，即可进，即可进 入入BIOS中的中的CMOS设置程序设置程序 39 3、存储器、存储器 40 内存与外存的关系及比较内存与外存的关系及比较 n内存储器内存储器(简称内存或主存简称内存或主存) n存取速度快存取速

40、度快 n成本高、容量相对较小成本高、容量相对较小 n直接与直接与CPU连接，连接，CPU(指令指令)可以可以 对对内存中的指令及数据进行读、写内存中的指令及数据进行读、写 操作操作 n属于挥发性存储器属于挥发性存储器( (volatile) )，用于，用于 临时存放正在运行的程序和数据临时存放正在运行的程序和数据 内存储器内存储器 外存储器外存储器 CPU 指令指令1 指令指令2 指令指令k 指令指令n 程序程序 数据数据1 数据数据2 数据数据m 数据数据 任务启动时，执行任务启动时，执行 该任务的程序和数据该任务的程序和数据 将从外存成批传送到将从外存成批传送到 内存内存 CPU从内存中逐

41、条从内存中逐条 读取该程序的指令及读取该程序的指令及 相关的数据相关的数据 将指令的运算处理将指令的运算处理 结果送回内存保存结果送回内存保存 任务完成后，将处任务完成后，将处 理得到的全部结果成理得到的全部结果成 批传送到外存以长久批传送到外存以长久 保存保存 逐 条 执 行逐 条 执 行 指 令 ， 按 指指 令 ， 按 指 令 要 求 完 成令 要 求 完 成 对 数 据 的 运对 数 据 的 运 算和处理算和处理 n外存储器外存储器(简称外存或辅存简称外存或辅存) n存取速度慢存取速度慢 n成本低、容量很大成本低、容量很大 n不与不与CPU直接连接，直接连接，计算机运行程序计算机运行程

42、序 时，外存中的程序及相关数据必须先时，外存中的程序及相关数据必须先 传送到内存，然后才能被传送到内存，然后才能被CPU使用。使用。 n属于不挥发性存储器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用于长久存放系统中几乎所有的信息 41 计算机中存储器的层次结构计算机中存储器的层次结构 cache存储器存储器 主存储器主存储器(RAM和和ROM) 外存储器（软盘、硬盘、光盘）外存储器（软盘、硬盘、光盘） 后备存储器（磁带库、光盘库）后备存储器（磁带库、光盘库） 内存储器内存储器 外存储器外存储器 寄存器寄存器 典型容量典型容量 1KB 1MB 256

43、MB-1GB 40GB-200GB 10TB-100TB 典型存取时间典型存取时间 1 ns 2 ns 10 ns 10 ms 10 s 分析：速度越快，成本较高。分析：速度越快，成本较高。 为了获得好的性能为了获得好的性能/价格比，计算机中各价格比，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：工作过程： 1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器运行时，需要的操作数大部分来自寄存器 2）如需要从）如需要从(向向)存储器中取存储器中取(存存) 数据时，先访问数据时，先访问cache，如在，取自，如在，取自cac

44、he 3）如操作数不在）如操作数不在cache，则访问，则访问RAM，如在，如在RAM中，则取自中，则取自RAM 4）如操作数不在）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出RAM cache 42 内存储器的分类及应用内存储器的分类及应用 n内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型：内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型： 半导体半导体 存储器存储器 只只 读读 存储器存储器 (ROM) 随机存取随机存取 存储器存储器 (RAM) 静态随机存取存储器静态随机存取存储器SRAM 动态随机存取存储器动态随机存取存储器DRAM 不可在线改写内容的不可在

45、线改写内容的ROM 快擦除存储器（快擦除存储器（Flash ROM） （用作（用作Cache存储器存储器） （用作（用作主存储器）主存储器） 每个存储单元每个存储单元(cell)由由6个晶体管组成个晶体管组成 只要加上电源，信息就能一直保持只要加上电源，信息就能一直保持 对电器干扰相对不很敏感对电器干扰相对不很敏感 比比DRAM更快，也更贵更快，也更贵 每个存储单元由每个存储单元由1个电容和个电容和1个晶体管组成个晶体管组成. 每每10-100 ms必须刷新一次必须刷新一次 对电器干扰比较敏感对电器干扰比较敏感 比比SRAM慢，但便宜慢，但便宜 （用作（用作BIOS存储器）存储器） (数码相机

46、存储卡、数码相机存储卡、U盘盘) 43 主存储器主存储器(RAM)的功能与原理的功能与原理 n主存是主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令和数据处理的指令和数据 n特点：特点： n以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节（个字节（8个二进位）个二进位） n存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：MB或或GB） n存取时间：从存取时间：从CPU送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到CPU

47、 （或者是把（或者是把CPU数据写入主存）所需要的时间（单位：数据写入主存）所需要的时间（单位：ns，1 ns = 10-9 s） 存存 储储 内内 容容 00001 00000 00010 00011 00100 11110 11111 存储存储 单元单元 地址地址 地址码地址码 存储单元 地址寄存器 地址译码器 读写控制电路 读读/写的数据写的数据 读读/写控制信号写控制信号 (64位) (36位) 44 存储器与存储器与CPU速度差距愈来愈大速度差距愈来愈大 nDRAM, 硬盘与硬盘与CPU 之间的速度差距愈来愈大：之间的速度差距愈来愈大： 问题：由于问题：由于CPU工工 作速度很快，内

48、存作速度很快，内存 速度比较慢（差速度比较慢（差 12个数量级），个数量级）， 从内存取数或向内从内存取数或向内 存写数时，存写数时，CPU往往 往需要等待往需要等待 关于关于cache存储器存储器 45 什么是什么是cache(高速缓存高速缓存)？ ncache是一种小容量高速缓冲存是一种小容量高速缓冲存 储器，它由储器，它由SRAM组成组成 ncache直接制作在直接制作在CPU芯片内，芯片内， 速度几乎与速度几乎与CPU一样快一样快 n程序运行时，程序运行时，CPU使用的一部分使用的一部分 数据数据/指令会预先成批拷贝在指令会预先成批拷贝在 cache中，中，cache的内容是主存的内容

49、是主存 储器中部分内容的映象储器中部分内容的映象 n当当CPU需要从内存读需要从内存读(写写)数据或数据或 指令时，先检查指令时，先检查cache中有没有，中有没有， 若有，就直接从若有，就直接从cache中读取，中读取， 而不用访问主存储器而不用访问主存储器 0123 4567 891011 12131415 89143 4 4 410 10 10 主存中的部分信息拷主存中的部分信息拷 贝在贝在cache存储器中存储器中 Cache存储器存储器 主存储器主存储器 关于关于cache存储器存储器 46 4 、I/O控制与控制与I/O接口接口 47 n 输入的任务：输入的任务： n将输入设备输入

50、的信息送到内存储器的指定区将输入设备输入的信息送到内存储器的指定区 域域 n 输出的任务：输出的任务： n将内存储器指定区域的内容送出到输出设备将内存储器指定区域的内容送出到输出设备 n I/O操作也包括将外存储器的内容传输到内操作也包括将外存储器的内容传输到内 存，或将内存中的内容传输到外存储器存，或将内存中的内容传输到外存储器 I/O操作的任务操作的任务 48 I/O 操作的特点操作的特点 nI/O操作与操作与CPU的运算可并行进行的运算可并行进行 n多个多个I/O设备可同时进行工作设备可同时进行工作 n配置的配置的I/O设备数量和品种可经常增减或变换设备数量和品种可经常增减或变换 n每类

51、每类I/O设备都有各自的控制器，它们按照设备都有各自的控制器，它们按照 CPU的的I/O操作命令，独立地控制操作命令，独立地控制I/O操作的操作的 全过程全过程 49 关于总线关于总线 n总线的定义：总线的定义： n用于在用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个、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。共享的信息传输通路及其控制部件。 n总线的特点：总线的特点： 1 共享共享 ； 2 高速高速 n总线的性能：数据通路宽度；总线工作频率；传输次数总线的性能：数据通路宽度；总线工作频率；传输次数 n总线带宽总线带宽(数据通路宽度数据通路宽

52、度/8) x 总线工作频率总线工作频率 x 传输次数传输次数 n总线的类型：总线的类型： nCPU总线总线 n存储器总线存储器总线 nI/O总线总线 50 关于关于I/O总线总线 nI/O总线是各类总线是各类I/O控制器与控制器与CPU、内存之间传输数、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（扩展槽中插入的扩展卡（I/O控制器）直接连接。控制器）直接连接。 n目前目前PC机使用的机使用的I/O总线总线 nPCI总线总线 nPCI-Express(高速高速PCI总线总线) nI/O总线的带宽总线的带宽 n总线

53、的数据传输速率总线的数据传输速率(MB/s) = 数据线位数数据线位数/8总线工总线工 作频率（作频率（MHz） 每个总线周期的传输次数每个总线周期的传输次数 51 PCI总线扩展槽总线扩展槽 52 关于关于I/O接口接口 nI/O接口：接口：I/O设备与设备与I/O控制器之间的连接器控制器之间的连接器 包括：插头包括：插头/插座的形式、通讯规程和电器特性等插座的形式、通讯规程和电器特性等 n分类：分类： n从数据传输方式来分：从数据传输方式来分： n串行（一次只传输串行（一次只传输1位）位） n并行（多位一起进行传输）并行（多位一起进行传输） n从是否能连接多个设备来分：从是否能连接多个设备

54、来分： n总线式（可连接多个设备）总线式（可连接多个设备） n独占式（只能连接独占式（只能连接1个设备）个设备） n从是否符合标准来分：从是否符合标准来分： n标准接口标准接口 （通用接口）（通用接口） n专用接口专用接口 （专用接口）（专用接口） 53 I/O设备接口设备接口 串行口串行口 9针针 并行口并行口 VGA 视频口视频口 键盘接口键盘接口 双绞线接口双绞线接口 PS/2接口接口 串行口串行口 25针针 同轴电缆网同轴电缆网 络接口络接口 显示器显示器 接口接口 麦克风麦克风 音音 箱箱 键盘接口键盘接口并行口并行口 USB 接口接口 以太网以太网 双绞线接口双绞线接口 串行口串行

55、口 鼠标器鼠标器 接口接口 (安装在主板上的安装在主板上的I/O设备接口设备接口) 54 常用的常用的I/O接口及其性能参数接口及其性能参数 名名 称称数据传数据传 输方式输方式 数据传输速率数据传输速率标标 准准插头插头/插座插座 形式形式 可连接的可连接的 设备数目设备数目 通常连接的设备通常连接的设备 串行口串行口串行串行, 双向双向 5019200 b/sEIA-232 或或EIA-422 DB25F或或 DB9F 1鼠标器，鼠标器，MODEM 并行口并行口 (增强式增强式) 并行并行, 双向双向 1.5MB/sIEEE 1284DB25M1打印机，扫描仪打印机，扫描仪 USB(1.0) USB(1.1) 串行串行, 双向双向 1.5Mb/s(慢