计算机体系结构

1、第三章 计算机体系结构 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或设备，或由它们组成的计算机部件或整个计算机硬件系统。 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等多种结构形式，其硬件主要包括: 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。 计算机体系结构计算机体系结构指的是构成计算机系统主要部件的总体布局、部件的主要性能以及这些部件之间的连接方式。 本章主要内容一、计算机系统的硬件结构 1 现代计算机结构的特点计算机硬件的典型结构微型计算机常见总线标准 二、计算机系统的硬件组成 1 中央处理器 2 存储器 3

2、 输入/输出设备 4 主机板三、计算机的主要技术指标 一、计算机系统的硬件结构 计算机系统包括大大型计算机、中小中小型计算机、微型微型计算机等各种不同的硬件结构，不同种类的计算机硬件结构具有不同不同种类的计算机硬件结构具有不同的硬件体系和结构特点的硬件体系和结构特点，本节简要介绍不同计算机的硬件结构。 3.1.1 现代计算机结构的特点现代计算机结构的特点3.1.2 计算机硬件的典型结构计算机硬件的典型结构 3.1.3 微型计算机常见总线标准微型计算机常见总线标准 3.1.1 现代计算机结构的特点 现代现代计算机的结构以存储器存储器为中心。 图3-1所示结构的计算机，其工作步骤为：首先首先输入输

3、入设备设备在控制器控制器的控制下将原始数据和计算步骤输入存储器，其次其次控制器从存储器读出计算步骤(指令系列)，然后然后控制器控制运算器和存储器依次执行每一个计算步骤(指令)，最后最后，控制器控制输出设备以各种方式从存储器输出计算结果。 与冯冯诺依曼型诺依曼型计算机结构样，图3-1所示结构的计算机也由5大部件组成。 其中，控制器控制器（简称CU）和运算器运算器 (又称算术逻辑单元，简称ALU)在计算机中直接完成信息处理的任务，合称中央处理器中央处理器(简称CPU)，输入设备输入设备和输出设备输出设备合称输入/输出设备(简称I/O设备设备)，加上主存储器主存储器(简称MM)构成现代计算机3大部分

4、。 中央处理器和主存储器构成了计算机主体，称为主机；相对地又把I/O设备称作外围设备或外部设备，简称外设。 于是，计算机又被看成是由主机和外设两大部分组成。但无论怎样划分，计算机的5大部件始终是相对独立的子系统，缺一不可。 3.1.2 计算机硬件的典型结构 计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构总线结构和通通道结构道结构，它们是各种大、中、小、微型计算机的典型结构体系。 1 1总线总线 所谓总线，就是CPU、内存储器和I/O接口之间相互交换信息的公共通路公共通路，各部件通过总线连成一个整体。所有的外围设备也通过总线与计算机相连。按传送信息的类别，总线可以分为三种：地址总线地址总线（Addr

5、ess Bus 缩写为AB）、数据总线数据总线（Data Bus 缩写为DB）和控制总线控制总线（Control Bus 缩写为CB）。地址总线传送存储器和外围设备的地址，数据总线传送数据，控制总线则是管理协调各部分的工作,图3-2所示。 2微型机的一般结构 图3-3是微型计算机的一般结构图，尽管把总线按信息类型分成了地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB，但仍然属于单总线结构单总线结构。图中将存储器分成两类芯片，只图中将存储器分成两类芯片，只读存储器读存储器ROM中固定存放一些系中固定存放一些系统程序（如监控程序等），随机统程序（如监控程序等），随机存储器存储器RAM用于存储用户程序和用于

6、存储用户程序和一些需要调入调出的系统程序。一些需要调入调出的系统程序。I/O接口芯片可以是若干块，各种接口芯片可以是若干块，各种I/O设备要通过设备要通过I/O接口接口与总线相与总线相连。连。 3 3小型机的总线型结构小型机的总线型结构 （1 1）单总线结构）单总线结构 图图3-4是单总线的计算机系统。中央处理器、是单总线的计算机系统。中央处理器、主存储器和主存储器和I/O设备（通过设备（通过I/O接口）以接口）以同等同等地位地位连接到系统总线上。连接到系统总线上。CPU与主存储器、与主存储器、主存储器与主存储器与I/O设备、设备、CPU与与I/O设备、设备、I/O设设备之间均可以通过备之间均

7、可以通过系统总线系统总线交换信息。交换信息。 这种结构的这种结构的优点优点是各种是各种I/O设设备的寄存器和主存储器的存储备的寄存器和主存储器的存储单元可以单元可以统一编址统一编址，CPU可以可以通过统一的传送指令像访问主通过统一的传送指令像访问主存储单元一样地访问存储单元一样地访问I/O设备。设备。既便于控制，又易于既便于控制，又易于扩充扩充系统系统需要添置的需要添置的I/O设备；当设备；当I/O设设备与主存储器交换信息时，备与主存储器交换信息时，CPU还可以继续处理默认的不还可以继续处理默认的不需要访问主存储器或需要访问主存储器或I/O设备设备的工作。的工作。缺点缺点是是同一时刻同一时刻只

8、允只允许连接到单总线上的某许连接到单总线上的某一对设一对设备备之间相互传递信息，限制了之间相互传递信息，限制了信息传送的信息传送的吞吐量吞吐量(或称速率或称速率)。此外，此外，单总线控制逻辑比专用单总线控制逻辑比专用的存储总线控制逻辑更为复杂的存储总线控制逻辑更为复杂，CPU通过单总线向主存储器存通过单总线向主存储器存取信息要比通过存储总线存取取信息要比通过存储总线存取稍慢些。这种结构广泛用在小稍慢些。这种结构广泛用在小型计算机和微型计算机中。型计算机和微型计算机中。 3小型机的总线型结构小型机的总线型结构（2）CPU为中心的双总线双总线结构 图图3-53-5是是以以CPUCPU为中心的双总线

9、结构为中心的双总线结构，连接，连接CPUCPU和和主存储器主存储器的是的是存储总线存储总线，CPUCPU通过该总线从主存储器中取出指令和数据，通过该总线从主存储器中取出指令和数据，并把处理结果经该总线送回主存储器。并把处理结果经该总线送回主存储器。CPUCPU与与I/OI/O设备交换信设备交换信息的通路叫输入息的通路叫输入/ /输出总线输出总线(I(IO O总线总线) )，各种，各种I/OI/O设备通过设备通过I/OI/O接口连接在接口连接在I/OI/O总线上。总线上。 这种结构的这种结构的优点优点是控是控制线路简单，对制线路简单，对I/O总线的传输速率相对总线的传输速率相对地可降低一些要求。

10、地可降低一些要求。缺点缺点是是I/O设备与主设备与主存储器之间交换信息存储器之间交换信息一律要经过一律要经过CPU，将，将耗费耗费CPU大量时间，大量时间，降低了降低了CPU的工作效的工作效率。率。 3 3小型机的总线型结构小型机的总线型结构（3）以存储器为中心的双总线存储器为中心的双总线结构 图图3-63-6是以存储器为中心的双总线结构。这种结构既保持了是以存储器为中心的双总线结构。这种结构既保持了单总线单总线结构的优点，又在结构的优点，又在CPUCPU和主存储器之间设置了一组和主存储器之间设置了一组高高速存储总线速存储总线，供，供CPUCPU与主存储器交换信息。当主存储器通过与主存储器交换

11、信息。当主存储器通过存储总线和存储总线和CPUCPU交换信息时，主存储器还可以通过系统总线交换信息时，主存储器还可以通过系统总线和和I/OI/O设备交换信息，而不必经过设备交换信息，而不必经过CPUCPU控制，即减轻了系统控制，即减轻了系统总线的负担，又提高了传输速率。总线的负担，又提高了传输速率。缺点缺点是需要增加硬件。是需要增加硬件。 4 4大、中型计算机的通道型结构大、中型计算机的通道型结构图图3-73-7是大、中型计算机的通道型结构，是大、中型计算机的通道型结构，分主机分主机、通道通道、I/OI/O控制器控制器和和I/OI/O设备四级设备四级。组成大、中型计算机的目的。组成大、中型计算

12、机的目的是为了扩大系统的功能和提高系统的效率。扩大系统是为了扩大系统的功能和提高系统的效率。扩大系统的功能要求配备日益增多的硬件和软件资源，提高系的功能要求配备日益增多的硬件和软件资源，提高系统的效率则统的效率则强调合理地管理和调度资源强调合理地管理和调度资源。 软件资源的增多，软件资源的增多，信息存储信息存储问题就十问题就十分突出，促使由一分突出，促使由一级存储发展到级存储发展到多级多级存储存储，甚至在主存，甚至在主存储器一级也采用多储器一级也采用多存储体交叉访问技存储体交叉访问技术，出现了术，出现了以存储以存储系统为核心系统为核心的计算的计算机系统结构。机系统结构。 3.1.3 微型计算机

13、常见总线标准 计算机中总线按计算机中总线按层次层次结构可分为结构可分为内部总线内部总线、系统总线系统总线和和外部总线外部总线。内部总线内部总线 是计算机内部各是计算机内部各外围芯片外围芯片与与处理器处理器之间的总线，用于芯片一级的之间的总线，用于芯片一级的互联，与计算机具体的硬件设计相关。互联，与计算机具体的硬件设计相关。( (芯片组管理着芯片组管理着CPUCPU的连接。中断控的连接。中断控制器、存储控制器、制器、存储控制器、I/OI/O控制器，提供一个到控制器，提供一个到PCIPCI总线的总线的接口。总线的总线的接口。) )系统总线系统总线 是计算机中各是计算机中各插件板插件板与与系统板系统

14、板之间的总线，用于之间的总线，用于插件板一级插件板一级的互的互联。系统总线需要遵循统一的标准，常见的联。系统总线需要遵循统一的标准，常见的系统总线标准系统总线标准有有ISAISA、EISAEISA、PCIPCI、Future bus+Future bus+、AGPAGP等。等。外部总线外部总线 则是则是计算机计算机和和外部设备外部设备之间的总线，计算机通过该总线和外部设之间的总线，计算机通过该总线和外部设备进行信息与数据交换。外部总线也遵循统一的标准，常见的备进行信息与数据交换。外部总线也遵循统一的标准，常见的外部总线标外部总线标准准有有USBUSB、SCSISCSI、IEEE 1394IEE

15、E 1394等。等。在计算机的发展中，在计算机的发展中，CPU的的处理能力处理能力迅速提升，迅速提升，总线总线屡屡成为系统性能的屡屡成为系统性能的瓶颈，使得人们不得不改造总线。总线技术不断更新，从瓶颈，使得人们不得不改造总线。总线技术不断更新，从PC/XT到到ISA、MCA、EISA、VESA总线，发展到了总线，发展到了PCI、AGP、USB 、IEEE 1394总线，总线，目前还出现了目前还出现了EV6总线、总线、PCIX局部总线、局部总线、NGIO总线、总线、Future bus+等新等新型总线。型总线。 （1）PCI总线 PCI（Peripheral Component Intercon

16、nect）总线是当前常用的总线之一，该总线是由 Intel、IBM、DEC公司所定制的一种局部总线。PCI总线与CPU之间没有直接相连，而是经过桥接（Bridge）芯片组电路连接。该总线稳定性和匹配性稳定性和匹配性出色，提升了CPU的工作效率，扩展槽可达3个以上。它定义了32位数据总线位数据总线，且可扩展为64位位。 PCI总线主板插槽的体积体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA（视频电子标准视频电子标准）、ISA（接口转换装置接口转换装置）有极大的改善，支持突发读/写操作，最大传输速率可达132 MB/s，可同时支持多组外围设备。PCI局部总线不受制于处理器，是基于Pentium等新一

17、代微处理器而发展的总线。现有32位位和64位位两种，是目前个人计算机、服务器主板广泛采用的总线。 （2）AGP总线 AGP插槽（Accelerated-Graphics-Port，加速图形接口加速图形接口），它是为提高视频带宽而设计的总线结构视频带宽而设计的总线结构。AGP总线实质上是对PCI技术标准的扩充，它提高了系统实际数据传输速率和随机访问主内存时的性能。AGP总线的首要目的是： 将纹理数据置于主内存将纹理数据置于主内存，开通主内存到图形卡的高速传输通道，开通主内存到图形卡的高速传输通道，以减少图形存储器的容量以减少图形存储器的容量。 为此，它将显示卡与主板的芯片组直接相连进行点对点点对

18、点传输，让影像和图形数据直接传送到显示卡直接传送到显示卡而不需要经过PCI总线。但是它并不是正规总线，因为它只能和只能和AGPAGP显卡相连显卡相连，故不具有通用不具有通用性和扩展性性和扩展性。 AGP总线工作的频率为6666 MHz，是PCI总线的一倍，并且可为视频设备提供528 MB528 MB/s的数据传输率，所以实际上就是PCI的超集。AGP 1X的总线传输率为266 MB266 MB/s，工作频率为66 MHz；AGP 2X的总参传输率为532 MB/s，工作频率为133 MHz，电压为3.3V；AGP 4X的总线传输率为1.06 GB/s，工作频率为266 MHz，电压为1.5 V

19、。 （3）SCSI接口 SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统小型计算机系统接口接口）接口是由美国国家标准协会制定的。级接口SCSI也是系统，可与各种采用SCSI接口标准的外部设备相连外部设备相连，是一种并行并行I/O总线，已普遍用于内，外部设备两个方面。 如硬盘驱动器硬盘驱动器、扫描仪扫描仪和打印机打印机等。采用SCSI标准的这些外设本身必须配有相应的外设控制器相应的外设控制器。总线上的主机适配器和SCSI外设控制器最大为8个。SCSI可以按同步方式和异步方式传输数据。 SCSI-1在同步方式下的数据传输速率为4 MB /s，在异步方式下为

20、1.5 MB /s，最多可支持32个硬盘。SCSI-l接口的全部信号通过一根50线的扁平电缆传送，其中包含9条数据线及9条控制和状态信号线。其特点是操作时序简单，并具有仲裁功能。随后推出的SCSI-2标准增加了一条68线的电缆，把数据的宽度扩充为16/32位，其同步数据传送速率达到了20 MB/s。 SCSI总线上的设备没有主从之分没有主从之分，相互平等。启动设备和目标设备之间采用高级命令通信，不涉及外设特有的物理特性，因此使用十分方便，适应性强，便于系统集成。 （4）IEEE 1394总线 IEEE 1394IEEE 1394是一种串行接口标准串行接口标准，这种接口标准允许把计算机、外部设备

21、、家电等非常简单地连接起来，的外部总线是一种连接是一种连接外部设备外部设备。IEEE 1394总线的原型是运行在APPLE Mac计算机上的Fire Wire（火线），由IEEE（电气和电子工程师协会）采用并重新进行了规范。它定义了数据的传输协议及连接系统，可用较低的成本达到较高的性能，以增强计算机与外设（如硬盘、打印机、扫描仪）以及消费性电子产品（如数码摄像机、DVD播放机、视频电话）等的连接能力。 IEEE 1394IEEE 1394总线是一种目前为止最快的高速串行总线最快的高速串行总线，最高的传输速度达400 MB/s400 MB/s。它的支持性较好，对于各种需要大量带宽的设备提供了专门

22、的优化。IEEE 1394接口可以同时同时连接63个个不同设备，支持带电插拔设备。 IEEE 1394也支持即插即用即插即用，现在的Windows 98、Windows 2000、Windows Me、Windows XP都对IEEE 1394支持得很好，在这些操作系统中用户不用再安装驱动程序也能使用IEEE 1394设备。 （5）USB总线 通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）是由Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom七家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它和IEEE 13

23、94同样是一种连接外围设备的机外总线机外总线。从性能上看，USB总线在很多方面不如IEEE 1394，但是却拥有IEEE 1394无法比拟的价格优势价格优势，在一段时期内，它将和IEEE 1394总线并存，分别管理低速和高速外设。 优点优点：它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通使用串、并口的设备需要单独的供电系统。USB的最高传输率可达12 MB/s，比普通串口快100倍，比普通并口快近10倍，而且USB还能支持多媒体。 USB和IEEE 1394一样，目前都广泛地应用于计算机、摄像机、数码相机等各种信

24、息设备上，目前的普通普通PC都带有都带有26个个USB接口接口。 二、计算机系统的硬件组成 计算机系统中的硬件是由不同的硬件部件组成的，根据冯诺依曼理论我们知道计算机由5大部件组成，本节就这5大部件的结构组成和基本的工作原理进行较详细的分析。 1 中央处理器 2 存储器 3 输入/输出设备 4 主机板 1. 中央处理器 CPUCPU (Central Processing Unit)由运算器和控制器组成，是微型计算机的核心，它的主要功能是执行程序指令，完成各种运算和控制功能。 1. 运算器运算器：对数据进行基本的算术逻辑运算。 运算器与计算机性能运算器与计算机性能：运算器的性能是衡量计算机性能

25、的重要指标（单位：MIPSMIPS-Millions of Instructions Per Second)。 运算器与计算机字长运算器与计算机字长：运算器处理数据的位数代表计算机的字长。（8位机，16位机，32位机，64位机等）。 现代计算机的运算器中有多个寄存器多个寄存器，称为寄存器，寄存器的设置可以减少访问存储器的次数，以提高运算器的速度。 CPU工作的四个步骤：在CUP内部一切都按四个步骤进行 ：取数、译码、执行和存储。CPU的性能是由什么决定的呢？一个CPU的性能表现的决定性因素在于CPU内核的设计。超标量（Superscalar）CPU，就是在一个CPU中集成了多个ALU，多个FP

26、U（Fioat Point Unit），多个译码器和多条流水线的CPU，以并行处理的方式来提高性能。刀片式CPU；集群式；并行处理；2控制器 控制器是计算机的指挥中心，它使计算机各部件自动协调工作。控制器工作的实质就是解释程序实质就是解释程序，它每次从存储器读取一条指令，经过分析译码分析译码产生一串操作命令发给各个部件，控制各部件动作，使整个机器连续地、有条不紊地运行。 控制器提供指令执行所需要的控制信号，控制计算机各部分协调工作。达到执行指令的目的。暂存当前要执行的指令。对指令进行解释（译码）。生成执行该执行所需的控制信号。运算器和控制器合称为中央处理机（CPU-Central Proces

27、sing Unit) 控制信息的控制信息的发源地发源地是控制器。控制器产生控制信息是控制器。控制器产生控制信息的依据来自的依据来自3个方面：个方面： 一是一是指令指令，存储在指令寄存器中；，存储在指令寄存器中； 二是各部件的二是各部件的状态触发器状态触发器，存放反映机器运行状态，存放反映机器运行状态的有关信息；的有关信息； 三是三是时序电路时序电路，产生的各种时序信号保证整个机器，产生的各种时序信号保证整个机器协调地工作。协调地工作。一台计算机的微一台计算机的微操作序列操作序列是按照指令规定的功能，选是按照指令规定的功能，选择合适的算法并且结合计算机的结构来确定的。择合适的算法并且结合计算机的

28、结构来确定的。总之，实际执行一个微操作序列总之，实际执行一个微操作序列 ，存在着，存在着时间分配时间分配、定时定时及及同步配合同步配合的问题，即利用怎么样的时序方式来的问题，即利用怎么样的时序方式来形成微操作序列的问题。这些都是形成微操作序列的问题。这些都是时序控制逻辑时序控制逻辑所要所要完成的任务。完成的任务。3CPU的发展过程 CPU的类型标志着微型计算机类型。就Intel CPU而言，已从8088发展到P4。除Intel公司的CPU外，还有AMD、Cyrix、TI等公司的CPU，目前较为流行的CPU是Pentium (奔腾) CPU。 主频主频、总线宽度总线宽度、内部缓存内部缓存、外部缓

29、存外部缓存、协处协处理器理器、总线速度总线速度等参数是CPU的主要性能指标。CPU的内部结构可分为控制单元、逻辑单元和存储单元3大部分。 带宽：一个通信信道的容量就用带宽表示。在计算机带宽：一个通信信道的容量就用带宽表示。在计算机中用每秒传送的中用每秒传送的位数位数度量。度量。例如，某个指令系统的指令长度为例如，某个指令系统的指令长度为32位位，操作码长，操作码长度为度为8位位，地址长度也为，地址长度也为8位位，当收到一条：，当收到一条：00000010 00000100 00000001 00000110的指令时，的指令时，先取出前先取出前8位操作码，分析得出这是一个减法操作，位操作码，分析

30、得出这是一个减法操作，有有3个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地址。地址。CUP就到内存地址就到内存地址00000100处取出被减数，到处取出被减数，到00000001处取出减数，送到处取出减数，送到ALU中进行减法运算，中进行减法运算，然后把结果送然后把结果送00000110处。处。这只是一个相当简化的例子，实际情况要复杂得多。这只是一个相当简化的例子，实际情况要复杂得多。8086/8088 8位和位和16位位处理器，支持20位地址总线，可以直接访问1MB存储器I/O地址。80286 PC/XT 16位位处理器，集成了125000个晶体管。803

31、86 32 位位处理器，提供32位寄存器和32位地址、数据总线80486 ALU和协处理器单元以64位位传输数据，集成了1200000个晶体管。Pentium 处理器32/64位位，一条64位的数据总线，内部集成了3100000个晶体管。（66MHZ=66*8=528MB 带宽）Pentium II处理器 双重独立总线结构，一条总线连通二级缓存，一条总线连通主要内存。Pentium III 处理器 双重独立总线结构，一级缓存32KB，二级缓存512KB，主频速度450MHz。Pentium IV 一级高速缓存8KB，二级缓存256KB，主频速度1.4GHz。2 存储器 1计算机的存储体系 图图

32、3-10 典型的存储器层次结构典型的存储器层次结构内存的速度用纳秒（ns）表示2内存储器 内存储器（简称内存）位于主机内部，是主机的一部分，它能够被CPU直接访问，是相对访问速度较快的一种存储器。内存储器主要由RAM（RandomAccess Memory，随机访问存储器）和ROM（Read-Only Memory，只读存储器）构成。 当要对存储器进行读写操作时，当要对存储器进行读写操作时，来自地址总线的信号经地址译来自地址总线的信号经地址译码器译码后，选中指定的存储码器译码后，选中指定的存储单元，而读写控制电路根据读单元，而读写控制电路根据读写命令实施对存储器的存取操写命令实施对存储器的存取

33、操作，数据总线用于传送写入或作，数据总线用于传送写入或读出内存的信息。读出内存的信息。存储器的材料：存储器的材料：内存：以半导体为主内存：以半导体为主外存：外存：磁盘、带等磁表面存储器。磁盘、带等磁表面存储器。光盘光盘由塑料等材料制成，通由塑料等材料制成，通过光学方式读写，发展较快。过光学方式读写，发展较快。由于外存设在主机外部，因此由于外存设在主机外部，因此通常归属外部设备。通常归属外部设备。内存内存地地址址译译码码器器地址总线地址总线数据总线数据总线读写控制电路读写控制电路读写命令读写命令内存：速度快，容量小内存：速度快，容量小外设：速度慢，容量大。外设：速度慢，容量大。1n-2n-1RO

34、M ROM的信息一般由出产厂家写入，使用时通常不能改变，只能读取，不能写人，所以用来存放固定的程序。存放在ROM中的信息是永久性的，不会在断电后消失。一般认为ROM是只能读取、不能擦写的，实际上也有一些ROM是可擦写的，但需要经过特殊的处理。RAM RAM主要用来临时存放各种需要处理的数据或信息等，而不是永久性存储信息。在计算机断电后，RAM中没有保存到硬盘或其他存储设备的数据或信息将会全部丢失。RAM又可分为静态静态RAM（Static RAM，SRAM）和动态动态RAM（Dynamic RAM，DRAM）。 SRAM在通电情况下，只要不写入新的信息新的信息，存储就始终保持不变。而DRAM必

35、须不断定时刷新不断定时刷新，以保证所存储的信息的存在。SRAM的速度较快，但价格较高，只适宜特殊场合的使用，例如前面介绍过的Cache一般用SRAM实现。 DRAM的速度相对较慢，但价格低，因此在PC机中普遍采用它做成内存条内存条。内存容量 微型计算机可达到的内存容量是由它的地址数决定的，8086/8088地址总线有20根，它的地址空间可达220=l MB，所以PC和PC/XT机的内存空间最大是1MB。 随着计算机技术的发展，计算机的CPU芯片从8088发展到286、386、486甚至P、P4，286和386SX有24根根地址线，最大内存空间可达16MB，386和486的地址线达32根根，其内

36、存空间可达4GB，P/P/P4有36根根地址线，所以内存空间可达64GB。 几种常见的微型机随机存储器 (1) SRAM 静态RAM (Static Random Access Memory，SRAM)制造工艺与DRAM相似，只是不需要定期刷新。SRAM比DRAM要快得多，但SRAM也比较贵。 随着Pentium CPU的不断升级，对与它匹配的RAM的要求也越来越高，因此也出现了许多特殊用途的RAM，如视频视频RAM、高速缓存高速缓存、EDO、SDRAM（同步动态随机存储器）等。 （2）SDRAM 同步动态随机存储器同步动态随机存储器SDRAM (Synchronous DRAM，SDRAM)

37、是目前Pentium机器普遍使用的内存。 该技术是将CPU和RAM通过一个相同的时钟信号锁在一起，使RAM和CPU能够共享共享一个时钟周期，以相同的速度同步工作，每一个时钟脉冲的上升边沿上升边沿便开始传递数据，速度比EDO内存提高50，从而彻底解决CPU和RAM之间的速度匹配速度匹配问题。通常SDRAM比一般DRAM要贵许多。SDRAM能节省执行指行者及数据传输的时间，故可提升计算机效率。 （3）RDRAM（2000年最新存储技术） RDRAM（Rambus DRAM）是Rambus公司提出的内存标准。作为新一代高速简单内存架构，是基于一种类RISC（精简指令集计算机精简指令集计算机）的理念，

38、这个理念就是: 通过减少每时钟周期可通过的数据来减少复杂性，再通过提高工作效率来弥补它的不足。由于RDRAM只有16位的数据传输带宽，总线结构简化，工作频率可以较高工作频率可以较高（如533 MHz），再结合一定的技术，可使数据传输率达到相当高的水平，因为这是一种新工艺，内存厂商生产RDRAM需要建立新生产线，所以RDRAM内存的价格相对较高，尽管这样，RDRAM已获得Intel的支持，并在Pentium 4主板中采用。 工作频率主要分为工作频率主要分为3 3种：种：300MHZ300MHZ、356MHZ356MHZ、400MHZ400MHZ、主频、主频高达高达533MHZ533MHZ的芯片已

39、研制成功。的芯片已研制成功。 (4)视频RAM 视频适配器使用的一种特殊RAM，也为VRAM。VRAM是双端口的，可以允许两个资源同时从中存取数据。PC机通过CPU写入VRAM把字符显示到屏幕上；同时同时，视频适配器上的显示电路以一定的间隔读取VRAM中的数据，从而决定何时布置屏幕。 (5)Cache存储器（亚微米尺寸零件） 所谓Cache存储器即高速缓存高速缓存，这种存储器位于CPU和主存储器DRAM之间，规模较小，但速度快。Cache存储器由一组SRAM芯片和Cache存储器控制电路组成。其具有与CPU相同相同的时钟速度。 Cache一般分为一级和二级。一级Cache一般集成在CPU内部。

40、由于高档CPU的时钟频率很高，一旦出现一级Cache未命中的情况，就使用二级。二级Cache在CPU外部，通常认为Cache是内存CPU的真正缓冲。一级Cache容量比较小，如16KB，32KB，而二级Cache可达521KB。所以Cache容量大小将直接影响到CPU的执行速度。 因此，Cache通常可作为衡量CPU的重要指标。 (6)EDO EDO (Extended Data Out)即即扩展的数据输出随机存储器。扩展的数据输出随机存储器。通常通常在一个在一个DRAM (或或SRAM、VRAM)阵列中读取一个存储器单元数阵列中读取一个存储器单元数据时，首先对数据所在的据时，首先对数据所在的

41、行行进行充电，然后再对数据所在的进行充电，然后再对数据所在的列列进进行充电，这些需要一定的时间，制约了行充电，这些需要一定的时间，制约了RAM的读写速度。的读写速度。 EDO存储器假设下一个要读写的单元地址和当前读写的单存储器假设下一个要读写的单元地址和当前读写的单元地址是元地址是连续连续的的(一般情况确实如此一般情况确实如此)，在读写周期内便启动下一，在读写周期内便启动下一个读写周期，个读写周期，EDO存储器取消了主板与内存两个周期之间的时间存储器取消了主板与内存两个周期之间的时间间隔，它每隔间隔，它每隔2个时钟脉冲周期传输一次数据，大大地缩短了存个时钟脉冲周期传输一次数据，大大地缩短了存取

42、时间，从而将取时间，从而将RAM的速度提高了的速度提高了30，达到，达到60ns。 EDO技术只需要在普通技术只需要在普通DRAM外部增加外部增加EDO逻辑控制电路，几逻辑控制电路，几乎没有增加成本。乎没有增加成本。 因此，因此，EDO存储器是目前存储器是目前Pentium机器中使用得最多的一种机器中使用得最多的一种内存。内存。 (7)CMOS存储器 CMOS是一种耗电极省的存储器，它是集成在主板上的一块可读写的RAM芯片，存储日期、时间、软硬盘规格等参数。 CMOS通常有一个SETUP程序，可以设置和修改系统的日期、时间、系统参数等。CMOS中的内容如果丢失，就不能启动机器。 CMOS一般靠

43、一个电池供电。 （8）DDR SDRAM DDR SDRAM（Dual Date Rate SDRSM）简称DDR，即即双倍速率双倍速率SDRAM，它可以说是，它可以说是 SDRAM技术的延续。从技术上分析，技术的延续。从技术上分析，DDR SDRAM最重要的改变是在数据传输上，它在时最重要的改变是在数据传输上，它在时钟信号钟信号上升上升沿和沿和下降下降沿时各传输一次数据，这使沿时各传输一次数据，这使得无需提高工作效率就能让得无需提高工作效率就能让DDR的数据传输速率的数据传输速率为传统为传统SDRAM的的两倍两倍。DDR在价格方面也有优在价格方面也有优势，因为只需对原有的势，因为只需对原有的

44、SDRAM生产线进行小范生产线进行小范围的改造就能转入围的改造就能转入DDR内存生产，因此生产成本内存生产，因此生产成本上同传统的上同传统的SDRAM相比只是略有提高。相比只是略有提高。DDR内内存已经得到许多主板厂商支持，因此，存已经得到许多主板厂商支持，因此， 目前目前DDR是内存条采用的主要技术标准是内存条采用的主要技术标准。 常见的单条容量有常见的单条容量有16MB16MB，32MB32MB，64MB64MB，128MB128MB 2只读存储器 只读存储器 (Read Only Memory)的特点是只能读数据，不能写。其刷新原理与SRAM类似，但消耗能量少，所以通常关闭计算机电源之后

45、，其中的数据还能保留。 常见的ROM存储器有ROMBIOS、键盘BIOS和影子ROM等。 (1)ROM BIOS ROM BIOS (Basic Input-Output System，基本输，基本输入输出系统入输出系统)是是集成在主板上的一块集成在主板上的一块ROM芯片芯片，用，用来存储机器的基本输入输出程序。来存储机器的基本输入输出程序。 这些程序包括：上电自检这些程序包括：上电自检POST(Power On System Test)：程序、装入引导程序、外部设备：程序、装入引导程序、外部设备(如键盘、如键盘、显示器、磁盘驱动器、打印机和异步通信接口等显示器、磁盘驱动器、打印机和异步通信接

46、口等)驱动程序和时钟控制程序。驱动程序和时钟控制程序。 这些程序永久地保留在这些程序永久地保留在ROM芯片中，不会因掉电芯片中，不会因掉电而丢失。而丢失。ROM BIOS又称为又称为System BIOS，在主板，在主板上的上的ROM BIOS芯片印有芯片印有BIOS字样。字样。 (2)键盘键盘BIOS PC机本身除了机本身除了System BIOS外，键盘也有专外，键盘也有专用的用的Keyboard BIOS。不过该。不过该BIOS并不是并不是ROM，而是一块芯片而是一块芯片，有自己的，有自己的CPU在内。在内。Keyboard BIOS除了接收来自键盘的信息外，除了接收来自键盘的信息外，还

47、得负责还得负责A20地址线的切换。地址线的切换。CPU从实模式从实模式到保护模式便是通过到保护模式便是通过A20地址线的切换来实地址线的切换来实现的。现的。 平常平常A20为为0，CPU工作在工作在DOS的实模的实模式，当式，当A20切换为切换为1时，便可进入保护模式。时，便可进入保护模式。 A扫描码表扫描码表1E A30 B2E CBIOS扫描码扫描码1E敲击敲击A按键按键Intel 8048缓冲区缓冲区OA S1 2 3 4TabWEShift ZZ Ctrl Alt缓冲区缓冲区8048以每秒几百以每秒几百HZ频率扫描键盘线路，当某键按下时，便产生一扫描码，频率扫描键盘线路，当某键按下时，

48、便产生一扫描码，8048一方面将扫描码送缓冲区，一方面将扫描码送到一方面将扫描码送缓冲区，一方面将扫描码送到BIOS端口处，然后向端口处，然后向CPU发中发中断请示，断请示，BIOS从端口读取该扫描码，从端口读取该扫描码，8048清缓冲区中内容。清缓冲区中内容。BIOS将扫描码送缓将扫描码送缓冲区及显示器。以上操作完成时，冲区及显示器。以上操作完成时，OS和应用程序从缓冲区中取走这些代码。和应用程序从缓冲区中取走这些代码。 (3)影子影子ROM 影子内存影子内存(Shadow ROM)是为了提高系统效率而采用是为了提高系统效率而采用的一种专门技术。影子内存的一种专门技术。影子内存占用系统内存占

49、用系统内存中的中的786KBlMB区域区域(地址范围为地址范围为C000C7FFF)，这个区，这个区域称为域称为内存保留区内存保留区，16KB大小的尺寸分为块，由用户大小的尺寸分为块，由用户设定是否使用。设定是否使用。C000427FFF这两个这两个16KB块用作显卡块用作显卡ROM BIOS的影子区。的影子区。C8000EFFFF这这10个个16KB可可作为其他适配器的作为其他适配器的ROM BIOS影子区。影子区。F000FFFFF共共64KB规定为系统规定为系统ROM BIOS的影子区。的影子区。 影子内存的主要用途是影子内存的主要用途是将一些频繁使用的程序将一些频繁使用的程序(如如RO

50、M BIOS复制到该区域，系统要用到这些程序时，复制到该区域，系统要用到这些程序时，直接到该区域中调用，从而提高速度。直接到该区域中调用，从而提高速度。这是因为，访这是因为，访问问ROM BIOS代码的速度约为代码的速度约为200ns，而访问影子内存，而访问影子内存的速度为的速度为50l00ns。高速缓存高速缓存(cache)：为解决高速为解决高速CPU和低速内存之间矛盾而采取的技术。和低速内存之间矛盾而采取的技术。特点特点:速度快，容量小，存放当前正在执行的程序块和数据块。速度快，容量小，存放当前正在执行的程序块和数据块。以接近以接近CPU的速度提供程序指令和数据。加快了指令执行速度。的速度

51、提供程序指令和数据。加快了指令执行速度。它与它与CPU封装在一块芯片内。封装在一块芯片内。虚拟存储技术：虚拟存储技术：将主存和部分外存空间构成一个整体，提供比实际物理存储器将主存和部分外存空间构成一个整体，提供比实际物理存储器大的多的存储器，解决在较小的内存中运行较大的程序。大的多的存储器，解决在较小的内存中运行较大的程序。虚拟存储器的虚拟存储器的工作原理工作原理：将正要执行的程序代码调入内存，将正要执行的程序代码调入内存，OS根据一定算法进行管理。根据一定算法进行管理。页进：即将执行到的那段程序代码由外存调入物理内存。页进：即将执行到的那段程序代码由外存调入物理内存。页出：如内存已满，系统将

52、暂时不执行的代码送回到外存。页出：如内存已满，系统将暂时不执行的代码送回到外存。OS通过页进页出保证程序段都在内存。通过页进页出保证程序段都在内存。虚拟存储器如同物理存储器，但比物理存储器慢，虚存技术实虚拟存储器如同物理存储器，但比物理存储器慢，虚存技术实际上是用时间（变慢）换取了空间（增大）。际上是用时间（变慢）换取了空间（增大）。高速缓存高速缓存主主存存储储器器CPU页进页进页出页出辅助存储器（外存）辅助存储器（外存）虚拟存储器虚拟存储器I/O（输入输出）（输入输出）4外存储器 外存储器（简称外存）存放着计算机系统几乎所有的主要信息，其中的信息要被送入内存后才能被使用，即计算机通过内外存之

53、间不断的信息交换来使用外存中的信息。它是访问速度相对较慢速度相对较慢的存储器，容量很大容量很大但CPU不能直接访问不能直接访问。外存主要有磁带、光盘、磁盘（软盘和硬盘）、可移动硬盘以及U盘等。 （1）软盘 软盘是一种可插人驱动器内的塑料圆片，其表面磁层用来记录数据与信息。软盘驱动器是驱动软盘旋转并同时向软盘写人数据或从软盘读出数据的设备。 软盘的规格主要由盘片的直径直径决定，现在最常见的是3.5英寸盘，其容量为 1.44MB。盘片被分为许多半径不同的同心圆，每个圆周称为一个磁道。磁道的编号是从外边的磁道向内磁道编号，从0，l，2，逐次增大，3.5英寸盘的磁道编号为079。各磁道均划分为等量的存

54、储单位，称为扇区。扇区是磁盘存储的基本单位，每个扇区存储等量的数据字节。3.5英寸盘的每个扇区存储的数据为512 Byte。 软盘转速较慢，但价格低廉、携带方便，比较适用于小容量数据的保存。可以对已经使用过的软盘重新进行格式化，再次利用。格式化就是对一个盘片进行磁道和扇区的划分，登记各扇区地址标志。没有格式化的盘片是无法使用的，格式化工作一般由专门的格式化程序来完成。现在的软盘在出厂前一般已经过格式化，可以直接使用。 （1）硬盘存储器的类型和性能硬盘存储器的类型和性能 硬盘的性能指标：盘径、磁道数、硬盘的性能指标：盘径、磁道数、柱面数、扇区数等。柱面数、扇区数等。 硬盘容量硬盘容量=柱面数柱面

55、数磁头数磁头数 扇区数扇区数512字节字节（2）数据传输率数据传输率硬盘的运行速度是购买者最关心的。硬盘的硬盘的运行速度是购买者最关心的。硬盘的数据传输率是衡量硬盘速度的一个重要参数。数据传输率是衡量硬盘速度的一个重要参数。（3）平均寻道时间平均寻道时间 平均寻道时间是指计算机在发出一个寻址命平均寻道时间是指计算机在发出一个寻址命令，到相应目标数据被找到所需时间，令，到相应目标数据被找到所需时间， 我们常以它来描述硬盘我们常以它来描述硬盘读取数据的能力。读取数据的能力。（4）硬盘高速缓存硬盘高速缓存 与计算机的其他部件相似，硬盘也通过将数与计算机的其他部件相似，硬盘也通过将数据暂存在一个比其磁

56、盘速度快得多的缓冲区来提高速度，据暂存在一个比其磁盘速度快得多的缓冲区来提高速度， 这个这个缓冲区就是硬盘的高速缓存缓冲区就是硬盘的高速缓存 （CACHE）。）。 硬盘存储器硬盘存储器硬盘存储器q硬盘存储器硬盘存储器（5）硬盘主轴转速硬盘主轴转速较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时较高的转速可缩短硬盘的平均寻道时间和实际读写时间，从而提高硬盘的运行速度。间和实际读写时间，从而提高硬盘的运行速度。 一般硬盘的主一般硬盘的主轴转速为轴转速为3600RPM12000RPM（转（转/每每 分钟）。分钟）。 IBM 10MB硬盘的内部结构图硬盘的内部结构图q硬盘存储器硬盘存储器（6）根据硬盘的标签看信息根据

57、硬盘的标签看信息型号为型号为WD200BB，如下图，如下图 所示。从型号上所示。从型号上可以判断，它是一款容量为可以判断，它是一款容量为20GB的的7200RPM高速硬盘，产品序列号为高速硬盘，产品序列号为 WMA9L1203351，产地为马来西亚，出厂日期是，产地为马来西亚，出厂日期是2001年年8月月15日。日。 硬盘存储器q磁盘区间的划分和优化存储磁盘区间的划分和优化存储1.主分区、扩展分区、逻辑分区主分区、扩展分区、逻辑分区一个硬盘的主分区也就是包含操作系统启动所必需的文件和数据的一个硬盘的主分区也就是包含操作系统启动所必需的文件和数据的硬盘分区，要在硬盘上安装操作系统，则该硬盘必须得

58、有一个主分区。硬盘分区，要在硬盘上安装操作系统，则该硬盘必须得有一个主分区。扩展分区也就是除主分区外的分区，但它不能直接使用，必须再将它扩展分区也就是除主分区外的分区，但它不能直接使用，必须再将它划分为若干个逻辑分区才行。逻辑分区也就是我们平常在操作系统中划分为若干个逻辑分区才行。逻辑分区也就是我们平常在操作系统中所看到的所看到的D、E、F等盘。等盘。2.分区格式分区格式“格式化就相当于在白纸上打上格子格式化就相当于在白纸上打上格子”，而这分区格式就如同这，而这分区格式就如同这“格子格子”的样式，不同的操作系统打的样式，不同的操作系统打“格子格子”的方式是不一样的，目的方式是不一样的，目前前W

59、indows所用的分区格式主要有所用的分区格式主要有FAT16、FAT32、NTFS，其中几，其中几乎所有的操作系统都支持乎所有的操作系统都支持FAT16。但采用。但采用FAT16分区格式的硬盘实际分区格式的硬盘实际利用效率低，因此如今该分区格式已经很少用了。利用效率低，因此如今该分区格式已经很少用了。 FAT32采用采用32位的文件分配表，使其对磁盘的管理能力大大增强，位的文件分配表，使其对磁盘的管理能力大大增强，它是目前使用得最多的分区格式，它是目前使用得最多的分区格式，Win98/Me/2000/XP都支持它。一都支持它。一般情况下，在分区时，阿般情况下，在分区时，阿King建议大家最好

60、将分区都设置为建议大家最好将分区都设置为FAT32的的格式，这样可以获得最大的兼容性。格式，这样可以获得最大的兼容性。 2.5.硬盘存储器q磁盘区间的划分和优化存储3.分区原则不管使用哪种分区软件，我们在给新硬盘上建立分区时都要遵循以下的顺序：建立主分区建立扩展分区建立逻辑分区激活主分区格式化所有分区2.分区格式。硬盘存储器q磁盘区间的划分和优化存储磁盘区间的划分和优化存储一、磁盘空间的划分一、磁盘空间的划分进行格式化时候，除了对磁盘划分磁道，扇区外，还要分进行格式化时候，除了对磁盘划分磁道，扇区外，还要分4个个区：引导扇区、文件分配表、文件目录表和数据区。区：引导扇区、文件分配表、文件目录表