计算机硬件体系结构

1、计算机科学与工程系计算机科学与工程系 计算机系统由两大部分组成，一部分是存储数据并执行各种运算和处理的电子设备，称为计算机的硬件；另一部分是指挥计算机一步一步完成任务的指令序列，称为计算机的软件。 本章介绍计算机硬件体系结构的基础知识。包括：计算机系统的构成；微型计算机主机结构；外部存储器；常用外部设备；并简单介绍计算机指令系统。第三章第三章 计算机硬件体系结构计算机硬件体系结构 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成 一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统组成。 计算机的硬件系统一般由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中： 中央处理器(简称CPU

2、)=运算器+控制器 主机=中央处理器+主存储器 软件是指各类程序和数据，计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成计算机系统的构成3.1.1 计算机的硬件系统计算机的硬件系统计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成计算机系统的构成 冯诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在存储器中，使计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令并执行。 根据冯诺依曼计算机体系结构，在执行程序和处理数据时必须将程序和数据先要从外存储器装入主存储器中，然后使计算机在工作时自动地从存储器中取出指令并加以执行，这

3、就是存储程序概念的基本原理。 3.1.2 冯冯诺依曼型计算机的结构诺依曼型计算机的结构计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1 计算机系统的构成计算机系统的构成典型的计算机硬件体系结构如下 ：地址总线（地址总线（AB）RAMI/O接口接口I/O设备设备ROM数据总线（数据总线（DB）控制总线（控制总线（CB）CPU（含运算（含运算器和控制器和控制器）器）计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1计算机系统的构成计算机系统的构成 冯诺依曼计算机体系结构的主要特点是： (1) 采用二进制形式表示程序和数据。 (2) 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成 。 (3)

4、 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。 (4) 控制器根据存放在存储器中的指令 (程序) 工作。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1.3 微型计算机的诞生与发展微型计算机的诞生与发展 微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机。 微型机与其它几类计算机并没有本质上的差别。所不同的是微机将组成计算机硬件系统的两大核心部分一运算器和控制器，集成在一片集成电路芯片上，即中央处理器CPU。 CPU按照处理信息的字长分为：4位或8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及64位微处理器等。现在微机的CPU一般是32位或64位的处理器。 3.1计算机系统的构成计算机

5、系统的构成计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 微型机基本是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有中央处理器CPU、主板、硬盘驱动器、CD ROM驱动器、软盘驱动器、电源、显示适配器(显示卡)等。主主 机机外部设备外部设备运算器运算器控制器控制器内存储器内存储器外存储器外存储器存储器存储器输出设备输出设备硬硬 件件CPU输入设备输入设备计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构3.2.1中央处理器中央处理器 CPU CPU：运算器部件、寄存器部件和控制器部件。 CPU的主要性能指标 ： (1) 主频/外频（主频=

6、外频倍频，即CPU工作频率） (2) 数据总线宽度（即字长，指CPU传输数据的位数） (3) 地址总线宽度（决定了CPU可访问的地址空间） (4) 工作电压（低电压可减少CPU过热，降低功耗） (5) 高速缓存Cache（加速CPU与其它设备间数据交换） (6) 运算速度（CPU每秒能处理的指令数）计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 1. 运算器 运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是: (1) 运算逻辑部件 (2) 寄存器部件 2. 控制器 控制器负责从存储器中取出

7、指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 控制器主要由以下部件组成： 程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址； 指令寄存器。在一条指令执行期间保存现在正在执行的指令； 指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求； 时序部件。产生计算机工作中所需的各种时序信号，以协调各部件的工作顺序； 微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列的微操作。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机

8、主机结构3.2.2 高级高级CPU技术技术 双核心CPU技术 ：由于组建双CPU系统的高成本和复杂性，桌面电脑上并未得到普及。用“双核心”技术，就是在单个CPU中真正集成两个物理运行核心，并且每个核心都使用自己独立的高速缓存，因此在实际使用中，这种“双核心处理器”和使用两个独立CPU组建的系统在工作原理和性能上基本没有区别。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构3.2.3 主板主板 主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了CPU、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。计算机科学与工程系计算

9、机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 主板的逻辑结构：计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 最早期的PC机主板连接简单，不足是由于快速的CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。CPU协处理器协处理器ROM BIOSDRAM控制器控制器RAM8253定时定时/计数器计数器8259中断控制器中断控制器8250串行通信控制串行通信控制器器8255 并行接口并行接口8237DMA控制器控制器DMA页面寄存页面寄存器器扩展总线缓冲扩展总线缓冲8个扩展插槽个扩展插槽PC总线总线计算机科学与工程系计算机科

10、学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构486微机后到Pentium II期间，主板一般采用南北桥芯片结构主板。Pentium II处理器处理器Pentium II 处理器处理器CPU总线总线82443BX（北桥）（北桥）主存主存支持支持SDRAM 66/100MHz2AGP总线总线图形设备图形设备82371EB（PIIX4E）（南桥）（南桥）ISA插槽插槽 2个个IDE接口接口2个个USB接口接口I/OAPICPCI总线总线PCI插槽插槽 系统系统BIOSISA总线总线计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构Pentium II采用的南北

11、桥芯片结构主板。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构Pentium III以上的主板结构(采用中心结构的主板结构 )。键盘键盘鼠标鼠标串行口串行口并行口并行口处理器处理器8XX系列系列存储控制中心存储控制中心中心高速接口中心高速接口I/O控制中心控制中心固件中心固件中心PCI槽槽PCI总线总线IDE驱动器驱动器USB端口端口AC97编码编码Super I/OLPC I/FAGP图形控制器图形控制器主存储器主存储器处理器处理器CPU总线总线LAN连接连接计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构采用中心结构的主板结

12、构PCI-E :PCI Express的简称，是用来代替PCI、AGP接口规范的一种最新的总线和接口标准， 有1X、2X、4X、8X、16X信号通道 , 其中X1和 X16已成为PCI-E主流规格，用于取代AGP接口的PCI-E接口位宽为X16，能够提供5GB/s的带宽，远远超过AGP 8X的2.1GB/s的带宽。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 内存储器在主机内部(简称内存)，一般由半导体材料构成。内存储器可分为只读存储器和随机读写存储器。 内存储器分类3.2.4 内存储器内存储器 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构

13、微型计算机主机结构1. 只读存储器 特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。 ROM分类 (1) 掩膜式 ROM(Mask ROM) (2) 可编程 PROM(Programmable ROM) (3) 可擦除 EPROM (Erasable PROM) (4) 电可擦 EEPROM(Electrically EPROM) (5) 快擦写 ROM(Flash ROM)计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 2. 随机存取存储器 特点：随机存贮器(存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失)。 RA

14、M 分类: (1) SRAM：静态RAM。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般高速缓冲存储器。 (2) DRAM：动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整性，通常所说的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型： SDRAM-同步动态存储器 DDR-双倍速率内存 (DDR2-四倍速率内存DDR3)计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构计算机科学与工程系计算机科学与工程系存储单元地址存储单元地址0000H0001H0002HFFFFH存储体结构图示意存储体结构图示意存储位存储位存储单元存储单元（字节）（字节）存储体存储体 512 MB 2 GB

15、存储单元特点： 地址与存储单元是一一对应的 一个数据存放在一个或多个字节中 CPU通过单元地址访问存储单元中的数据 往存储单元放新数据原数据被覆盖计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 3. Cache(高速缓存 ) Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内Cache是集成在CPU芯片中，片外Cache是安插在主板上。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级，大体与CPU的处理速度相当。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 4.多级缓存 最早的C

16、PU缓存是个整体的，而且容量很低。当集成在CPU内核中的缓存已不足以满足CPU的需求，而制造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量时出现了集成在与CPU同一块电路板上或主板上的缓存，此时就把 CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二级缓存。 5.双核心CPU的二级缓存 双核心CPU的二级缓存比较特殊，和以前的单核心CPU相比，最重要的就是两个内核的缓存所保存的数据要保持一致。计算机科学与工程系计算机科学与工程系 6. 存储器的层次结构 既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求合理，在目前技术条件下这三项指标很难用单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。3.2 微型计算机主机结

17、构微型计算机主机结构计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构3.2.5 总线总线总线：总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。总线按所传输信号不同可分为：总线按所传输信号不同可分为： 数据总线数据总线 地址总线地址总线 控制总线控制总线。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 地址总线。地址总线。传输的是地址信号，一般是单向传输。当CPU需要访问某个外设时，它向地址总线发出相应外设的地址信号，以选择某个外设。 数据总线。数据总线。

18、传输的是数据，一般是双向传输。CPU进行“读”时，数据由外设流向CPU，当CPU进行“写”时，数据由CPU流向外设。 控制总线。控制总线。传输的是对外设进行控制和状态检测的信号，有的是CPU向内存或外部设备发出的信号；有的是内存或外部设备向CPU发出的信号。对每条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构总线按处于计算机硬件系统中的位置来分：总线按处于计算机硬件系统中的位置来分： 片内总线(又称内部总线)。是指CPU芯片内部的总线。 片间总线(又称局部总线)。是主板上各外围芯片与CPU之间的总线，用于芯片一级

19、互连。 系统总线(又称输入/输出总线)。是微机中各插件板与系统主板之间的总线，用于插件板一级的互连。 外部总线(又称通信总线)。是微机和外部中低速外部设备之间或外设与主机连接的总线。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构微机各级总线的简易关系 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构微机系统三层总线示意简图北桥北桥CPU内存内存Cache南桥南桥PCI接口（网卡、声卡等）接口（网卡、声卡等）键盘、鼠标、接口键盘、鼠标、接口USB前端总线前端总线AGP总线总线存储器总线存储器总线AGP显卡显卡PCI-E显卡显卡计算

20、机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、PCI Express三个阶段。 ISA总线。是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。 PCI总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。 AGP总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。 PCI Express总线。是新一代的总线接口。 系统总线标准 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构ISA PCI AGP 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构P

21、CI Express 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 常见的I/O总线种类：USB总线、IEEE1394总线等。 USB总线 属串行接口总线。该总线是一种最多可连接127个设备的外部总线。具有支持热拔插，即插即用的优点，所以USB接口已经成为许多外设的标准接口。USB有两个规范，即USB1.1和USB2.0。 IEEE1394总线 一种高效的串行总线接口标准，主要用于连接DV产品。外部总线标准计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 I/O接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由I/O接口电路、连接器(

22、一般为连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。3.2.6 接口接口计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 微型计算机主机结构微型计算机主机结构 根据I/O接口是否内嵌在主板中，可将I/O接口分为内置I/O接口和外置I/O接口两类。 (1) 内置I/O接口 将I/O接口电路内嵌在主板中，由主板直接提供外设接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、USB接口、串行接口、并行接口及软盘和硬盘接口等。 (2) 外置I/O接口 将I/O接口集成到一块独立的电路板上，此时称为接口卡接口卡必须插在总线扩展插槽(如PCI、PCI Express等插槽)上。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.3 外部存储

23、器外部存储器 外部存储器通常用来存放需要永久保存的或相对来说暂时不用而需要长期保护的各种程序和数据的存储器。当需要执行外存中的程序或处理外存中的数据时，必须将其调入RAM中才能被CPU执行处理， 所以外存实际上属于输入输出设备。 目前微机常用的外存储器是软磁盘存储器、硬磁盘存储器和光盘存储器、U盘等。 79计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.3 外部存储器外部存储器3.3.1 软盘软盘 79计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.3 外部存储器外部存储器3.3.2 硬盘硬盘 硬盘存储器是微机最重要的外部存储器，常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件，以及存储存储大量数据。硬盘由一个盘片

24、组和硬盘驱动器组成，被固定在一个密封的金属盒内。 柱面柱面磁头臂磁头臂计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.3.3 光盘存储器光盘存储器 1只读型光盘 只读光盘中的数据是在制作时写入的，用户只能读数据，而不能写入或修改光盘中的数据。最常见的只读光盘为CD-ROM光盘，当然，数字音频光盘CD-DA、VCD、DVD等也都属于只读式光盘。 2一次写入光盘 这种光盘允许用户一次写入数据，不能修改和擦除数据。 如 CD-R。 3可擦写光盘 这种光盘具有和磁盘一样的可擦写性，可多次写入或修改光盘上的数据。如CD-RW。3.3 外部存储器外部存储器计算机科学与工程系计算机科学与工程系 从光盘中读取数据的设

25、备我们称之为光盘驱动器，简称光驱。光驱把经过聚焦后的激光投射到光盘上，利用光盘的凹坑或非凹坑边缘反射的激光强度不同而将其表示为不同的电信号。 光驱倍数是指光盘的数据传输率（150KB/s为单倍，以此类推）。CD-ROM光盘驱动器能读CD-ROM、CD-DA、CD-R、CD-RW、VCD盘等，但不能读DVD。而DVD光盘要用DVD驱动器才能读，DVD驱动器兼容CD-ROM所能读的光盘。3.3 外部存储器外部存储器计算机科学与工程系计算机科学与工程系 DVD光盘光盘 常规的 CD盘只使用一个面并且只用一个记录层来记录信息。为了提高存储容量 ，DVD盘可分为单面单层、单面双层、双面单层以及双面双层

26、4 种结构。 单面单层(4.7GB) 单面双层(8.5GB) 双面单层(8.5GB) 双面双层(17GB) 3.3 外部存储器外部存储器计算机科学与工程系计算机科学与工程系 DVD按用途可细分为5大类。 DVD-ROM（只读DVD）用途类似CD-ROM，可存放任何数据信息，容量大。 DVD-Video（视频DVD）用途类似VCD，用于存储影音信息。采用MPEG-2压缩标准，高分辩率画面和5.1声道环绕立体声效果，是目前应用最广的DVD格式。 DVD-Audio（音频DVD） 用途类似CD，较新的一种高质量音频格式。 3.3 外部存储器外部存储器计算机科学与工程系计算机科学与工程系 DVDR（可

27、写DVD） 用途类似CD-R，具有比CD-R更高的记录容量。 DVD-RAM或DVDRW （可擦写DVD） 用途类似CD-RW。DVD-RAM盘片最大特点就是重复擦写到10万次（DVDRW只可以重写到1000次），DVD-RAM格式化好后不需特殊的软件就可进行写入和擦写，但只供有相关驱动器的电脑专用。在DV等数码产品上，它可以取代小型DV录像带。3.3 外部存储器外部存储器计算机科学与工程系计算机科学与工程系 光盘刻录机 是指可读写的光盘和光盘驱动器。包括CD和DVD两种刻录机。3.3 外部存储器外部存储器 CD刻录机既具有CD-ROM光驱的功能，也能够向可刻录CD光盘刻写数据。其传输速率一般

28、标注为 A/B/C 的形式（如 20/10/40），其中A表示写CD-R盘的倍速，B表示写CD-RW盘的倍速，C表示读盘的倍速，并且3个倍速的基准速率都为 150KB/s。 DVD刻录机既具有DVD-ROM光驱的功能，也能够向可刻录DVD光盘和可刻录CD光盘刻写数据。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系 3.3.4 USB盘盘 通过USB接口与电脑连接，实现即插即用，具有小巧、可靠、易于操作等特点。闪存盘体积很小，重量极轻，特别适合随身携带。闪存盘中无任何机械式装置，抗震性能极强。 U盘中的存储模块其实就是Flash-ROM。 移动硬盘一般由笔记本硬盘和硬盘盒组成。 3.3 外部存储器外部存

29、储器计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.常用的外部设备常用的外部设备3.4.1 输入设备输入设备 (1) 键盘 (2) 鼠标 (3) 扫描仪 3.4.2 输出设备输出设备 (1) 显示器 (2) 打印机 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.常用的外部设备常用的外部设备 (1) 显示器 CRT显示器在工作时，电子枪发出电子束轰击荧光粉层上的某一点，使该点发光，每个像素有红、绿、蓝三基色组成，通过对三基色的强度的控制就能合成各种不同颜色。 液晶显示器LCD的优点在于： 图像稳定。由于只有在画面内容发生变化时才需要刷新，因此没有闪烁感； 液晶底板整体发光，真正的完全平面； LCD显示器基本上

30、没有辐射； 能耗低。约为CRT显示器的三分之一。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.常用的外部设备常用的外部设备 显示器的性能参数主要有： 显示器的点距。点距指屏幕上相邻两个像素单元之间的距离，点距越小，显示效果就会越好。 像素和分辨率。分辨率指屏幕上像素的数目，一个像素是组成图像的最小单位，它是一个发光点。一般分辨率越高，则屏幕上能显示的内容越多。 刷新率。一秒钟内完成屏幕刷新次数，即垂直扫描频率，也叫刷新频率。当刷新率比较高时，人眼就能看到持续、稳定的画面。 显示器大小。显像管的大小通常以对角线的长度来衡量，以英寸单位。计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.常用的外部设备常用的外部设

31、备 (2) 打印机 常用的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等。 针式打印机特点。利用钢针击打色带把色带上的墨打印在纸上形成文本或图形。缺点是打印质量差、速度慢、噪声大；优点是可以打多联纸，消耗材料相对较便宜。 喷墨打印机特点。打印头上有若干个喷头，打印时，墨水以每秒近万次的频率喷射到纸上。与其它两类打印机相比，在打印质量、速度噪声及成本方面处于中等层次。 激光打印机特点。利用激光可以形成很细的光点，将碳粉固着在纸上，加热后碳粉固定，最后印出精美文字和图片。优点是打印速度快、噪音低、质量好，缺点是价格及打印成本较高。 对三种打印机的打印效果对比来说，激光最好，喷墨其次，而针式相对较差。 计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.常用的外部设备常用的外部设备 激光打印机工作原理简介 a. 感光鼓俗称为“硒鼓”，它是一个表面涂覆有机材料且带正电荷的圆筒状物体。当表面被激光照射时，将导致照射点位置的正电荷减弱或消失，而未消失的部分吸附带负电荷的碳粉，形成潜影。 b. 送纸机构将打印纸送入，在这个过程中打印纸会带上很强的正电荷。打印纸与感光鼓墨粉影像区域接触后，墨粉会在更强的静电作用力下转移到纸张上面，形成打印影像。之后，感光鼓继续转动，表面残余墨粉会被一个清洁器清除干净。 c.热转印单元加热纸张，墨粉被熔化永久性固定，完成一个扫描行的打印。由于工