【大学】CPU的逻辑结构与原理

1、2.2 CPU的逻辑结构的逻辑结构与工作原理与工作原理2.2.1 CPU的逻辑结构的逻辑结构 2.2.2 指令与指令系统指令与指令系统2.2.3 CPU的性能指标的性能指标22.2 CPU的逻辑结构与原理2.2.1 CPU的逻辑结构的逻辑结构32.2 CPU的逻辑结构与原理冯冯诺依曼计算机的结构与原理诺依曼计算机的结构与原理(1) 计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令；算机理解和执行的操作命令；(2) 程序程序(指令指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中和数据均以二进制编码表示，均存放

2、在存储器中；(3) 存储器中存放的指令和数据按地址进行存取存储器中存放的指令和数据按地址进行存取 ；(4) 指令是由指令是由CPU一条一条顺序执行的。一条一条顺序执行的。中央中央处理器处理器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42.2 CPU的逻辑结构与原理“存储程序控制存储程序控制” 原理原理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，程序连同它所处理的数，程序连同它所处理的数据都用据都用二进位表示二进位表示并并预先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从内存中一条一条地取出指令和相应的从内存中一条一条地取出指令和

3、相应的数据，数据，按指令操作码的规定按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止程序执行完毕为止 CPU从内存中逐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外存储器外存储器内存储器内存储器CPU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从外存成批传送到内从外存成批传送到内存存指令1指令2指令k指令n程序程序数据1数据2数据m数

4、据数据CPU逐条逐条执行指令执行指令,按按指 令 要 求 完指 令 要 求 完成 对 数 据 的成 对 数 据 的运算和处理运算和处理52.2 CPU的逻辑结构与原理存储器存储器中央中央处理器处理器存储数据存储数据和指令和指令执行指令执行指令处理数据处理数据指令，数据指令，数据处理结果处理结果CPU的任务的任务nCPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作数据进行操作62.2 CPU的逻辑结构与原理指令是什么？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

5、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72.2 CPU的逻辑结构与原理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

6、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82.2 CPU的逻辑结

7、构与原理内存储器内存储器AC927BALU0 1 2 3 4 5 6 7运算器运算器(ALU)与通用寄存器与通用寄存器(GPR)n运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件辑部件 (ALU)，参加参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器运算的操作数通常来自通用寄存器GPR ，运算结果也送回运算结果也送回GPRSTORER1内存地址内存地址C例例3：存数指令：存数指令9例例2：加法指令：加法指令ADDR1R3R5(3寄存器内容与寄存器内容与5寄存器内容相加，寄存器内容相加，并把和数写入并把和数写入1寄存器寄存器)例例1:取数

8、指令取数指令LOADR3内存地址内存地址ALOADR5内存地址内存地址B27362793636通用寄存器通用寄存器GPR92.2 CPU的逻辑结构与原理2.2.2 指令与指令系统指令与指令系统instruction setsoftwarehardware102.2 CPU的逻辑结构与原理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

9、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？ADDR1R3R5SUBR1R3112.2 CPU的逻辑结构与原理指令在计算机中的执行过程指令在计算机中的执行过程1.取指令取指令：CPU的控制器从的控制器从存储器读取一条指令并放存储器读取一条指令并放入指令寄存器入指

10、令寄存器2.指令译码指令译码：指令寄存器中：指令寄存器中的指令经过译码，决定该的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作、操指令应进行何种操作、操作数在哪里作数在哪里3.执行指令执行指令3.1 取操作数取操作数3.2 进行运算进行运算4.修改指令计数器修改指令计数器，决定下，决定下一条指令的地址一条指令的地址1 取指令取指令4 修改指修改指令计数器令计数器3 执行指令执行指令2 指令译码指令译码指令执行周期指令执行周期问题：问题：CPU的时钟频率的时钟频率(主频主频)与指令执行速度是什么关系？与指令执行速度是什么关系？122.2 CPU的逻辑结构与原理关于指令系统关于指令系统nCPU可执行的全部

11、指令称为该可执行的全部指令称为该CPU的指令系统，的指令系统，即它的机器语言即它的机器语言n指令应该简单，简单才能提高速度指令应该简单，简单才能提高速度!1.操作功能要简单，不宜太多、太复杂操作功能要简单，不宜太多、太复杂2.指令的格式要统一：指令的格式要统一：固定长度、统一分段固定长度、统一分段3.操作数的来源要有限制：操作数的来源要有限制：n算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器算术逻辑运算指令的操作数只能来自寄存器nLOAD/STORE指令的操作数来自指令的操作数来自(或送到或送到)内存内存寄存器寄存器内存内存 内存内存寄存器寄存器132.2 CPU的逻辑结构与原理关于关于CPU的兼容性

12、的兼容性n不同公司生产不同的不同公司生产不同的CPU产品：产品：nIntel公司：公司：Pentium系列、赛扬系列系列、赛扬系列 、至强等、至强等nAMD公司：独龙、闪龙、炫龙等公司：独龙、闪龙、炫龙等nIBM公司：公司：Power5、Power6等（苹果的等（苹果的Macintosh使用）使用）nSUN公司：公司：Ultra SPARC处理器处理器nHP公司：公司： PA-RISC、Itanium 处理器处理器n同一公司同一系列的同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：具有向下（前）兼容性：nA计算机（使用新型号计算机（使用新型号CPU）的程序不能在）的程序不能在B计算机（使用老型号

13、计算机（使用老型号CPU）上运行，上运行， B计算机的程序却能在计算机的程序却能在A计算机上运行计算机上运行n不同公司的不同不同公司的不同CPU产品其指令系统不同，它们互相不兼容：产品其指令系统不同，它们互相不兼容：nA计算机的程序不能在计算机的程序不能在B计算机上直接运行，计算机上直接运行， B计算机的程序也不能在计算机的程序也不能在A计算机上直接运行计算机上直接运行互相兼容互相兼容142.2 CPU的逻辑结构与原理2.2.3 CPU的性能指标的性能指标152.2 CPU的逻辑结构与原理如何衡量如何衡量CPU的性能？的性能？n计算机的性能主要表现在程序执行速度的快慢，计算机的性能主要表现在程

14、序执行速度的快慢，它由许多因素决定，例如它由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显、内存、硬盘、显卡等，但通常卡等，但通常CPU是主要因素是主要因素nCPU性能高低的主要指标是性能高低的主要指标是CPU的速度的速度，有，有2种种衡量方法：衡量方法：1.计算每秒钟可执行的指令数目（单位：计算每秒钟可执行的指令数目（单位：MIPS、MFLOPS）2.使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和使用常用软件（办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等）的运行速度来衡量游戏等）的运行速度来衡量CPU的性能的性能 162.2 CPU的逻辑结构与原理影响影响CPU性能的主要因素性能的主要因素(之一之一)nCP

15、U的字长（位数）的字长（位数）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机将使用机将使用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与内存间数据传输速度的快慢慢n高速缓存（高速缓存（cache）的容量与结构）的容量与结构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 172.2 CPU的逻辑结构与原理影响影响CP

16、U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n182.2 CPU的逻辑结构与原理Pipelining and Parallel ProcessingInstructionsResult

17、s aresequenced1. 指令排队等指令排队等候进入候进入CPU处处理理并行处理并行处理提高计算机速度的有效途经提高计算机速度的有效途经3. 每个每个CPU负负责完成分配给责完成分配给它的指令它的指令2. 哪一个哪一个CPU空闲，就把等空闲，就把等候的指令交给候的指令交给它执行它执行(包含包含3个内核个内核)2.3 PC机的主机机的主机2.3.1 主板、芯片组与主板、芯片组与BIOS 2.3.2 内存储器内存储器2.3.3 I/O总线和总线和I/O接口接口202.2 CPU的逻辑结构与原理台式台式PC的物理组成的物理组成台式机台式台式PC主机主机机箱、机箱、电源电源主板主板芯片芯片组组

18、BIOS ROMCMOSPCI插槽插槽(I/O总线总线)CPU内存内存条条显示显示卡卡网卡网卡外部外部设备设备输入输入设备设备键盘键盘鼠标鼠标器器麦克麦克风风摄像摄像头头输出输出设备设备显示显示器器打印打印机机音箱音箱/耳机耳机外存外存储器储器U盘、盘、移动移动硬盘硬盘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、软驱光盘驱动器光盘驱动器212.2 CPU的逻辑结构与原理1 音箱音箱 5 CPU 2 调制解调器调制解调器 6 键盘键盘3 麦克风麦克风 7 鼠标器鼠标器 4 内存条内存条 8 CD驱动器驱动器9 软驱软驱10 硬盘驱动器硬盘驱动器11 打印机打印机12 I/O接口

19、接口13 CRT显示器显示器14 扩展卡扩展卡222.2 CPU的逻辑结构与原理2.3.1 主板、芯片组与主板、芯片组与BIOS232.2 CPU的逻辑结构与原理台式台式PC机机(立式立式)的主机箱的主机箱扩展扩展空间空间242.2 CPU的逻辑结构与原理(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

20、间、口令等） 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252.2 CPU的逻辑结构与原理例：华硕例：华硕P4T主板照片主板照片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/OI/O端口端口显卡插槽显卡插槽262.2 CPU的逻辑结构与原理(2) 芯片组的

21、作用芯片组的作用yALU寄存器组寄存器组CPU总线接口总线接口R6CPU(前端前端)总线总线I/O 总线总线主板扩展槽主板扩展槽PCI接口接口南桥芯片南桥芯片I/O 总线总线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磁盘控制器磁盘控制器以太网卡以太网卡USB控制器和接口控制器和接口鼠标器鼠标器键盘键盘网线网线disk声卡声卡视频卡视频卡光驱光驱主存储器主存储器0A北桥芯片北桥芯片y存储器总线存储器总线显卡272.2 CPU的逻辑结构与原理芯片组举例芯片组举例n芯片组：芯片组： 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

22、的枢纽,存储器控制、存储器控制、I/O接口控制功能几乎都集成接口控制功能几乎都集成在芯片组内，它即实现了在芯片组内，它即实现了PC机总线的功能，又提供了各种机总线的功能，又提供了各种I/O接口及相关的控制。没接口及相关的控制。没有芯片组，有芯片组，CPU就无法与内存、扩充卡、外设等交换信息。就无法与内存、扩充卡、外设等交换信息。Pentium 4CPU前端总线前端总线北桥北桥MCH图形卡接口图形卡接口双通道双通道南桥南桥ICH5USB 2.0接口接口(x8)以太网接口以太网接口PCI 插槽插槽(6个个)ROM BIOS硬盘接口硬盘接口(x2)音频音频CodecSuper I/O键盘键盘,鼠标鼠

23、标,软驱软驱,并口并口,串口等串口等电话电话ModemDDR 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CPU282.2 CPU的逻辑结构与原理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 n芯片组产品：芯片组产品：nIntel

24、芯片芯片(如如865、915、945、955、975系列等）系列等）nVIA（威盛，中国台湾）（威盛，中国台湾）nnVIDIA（美国）（美国）nATI（加拿大）（加拿大）nAMD（美国）（美国）292.2 CPU的逻辑结构与原理(3) BIOSn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上只读存储器只读存储器（ROM）芯片中的芯片中的一组机器语言程序一组机器语言程序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

25、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BIOS的只读存储器的只读存储器(ROM)芯片芯片302.2 CPU的逻辑结构与原理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程序程序（POST） (Power On Self Test)用于用于检测计算机硬件故障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

26、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312.2 CPU的逻辑结构与原理PC机的启动工作过程机的启动工作过程1.接通电源时接通电源时CPU自动执行自动执行BIOS中的加电自检程序中的加电自检程序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, 测试各部件的工作测试各部件的工作状态状态 (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、显示卡、键盘、软驱和硬

27、盘等设备盘、软驱和硬盘等设备2.CPU自动执行自动执行自举程序自举程序 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，搜寻外存储器（软、硬盘或光盘）硬盘或光盘）3.从外存储器读入引导程序，然后由引导程序读出操作从外存储器读入引导程序，然后由引导程序读出操作系统并装入内存系统并装入内存4.最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系最后，将控制权交给操作系统，整个计算机由操作系统所控制统所控制322.2 CPU的逻辑结构与原理关于关于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，由电池供电存储器，由电池供电，即使计，即使计算机关机后也不会

28、丢失所存储的信息算机关机后也不会丢失所存储的信息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），包括日期和时间、口令、和时间、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、显卡类型、显卡类型、cache使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，使用状况、启动机器时访问外存的顺序等，供供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

29、程序332.2 CPU的逻辑结构与原理2.3.2 内存储器内存储器342.2 CPU的逻辑结构与原理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

30、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(简称简称外存

31、外存或辅存或辅存)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352.2 CPU的逻辑结构与原理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

32、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1KB1MB256MB-1GB40GB-200GB10TB-100TB典型存取时间典型存取时间1 ns2 ns10 ns10 ms10 s 分析：速度越快，成本较高。分析：速度越快，成本较高。 为了获得好的为了获得好的性能性能/价格比价格比，计算机中各，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

33、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cache3）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RAM4）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 cache362.2 CPU的逻辑结构与原理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

34、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

35、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）(图形卡、硬盘控制器图形卡、硬盘控制器)372.2 CPU的逻辑结构与原理主存储器主存储器(RAM)的功能与原理的功能与原理n主存是主存是CPU可直接访问的可直接访问的存储器，用于存放供存储器，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以字节为单位进行以字节为单位进行连续编址连续编址，每个存储单元为，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：存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：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

36、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（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）0110100110101010存存储储内内容容00001000000001000011001001111011111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)382.2 CPU的逻辑结构与原理PC机主存储器的物理结构机主存储器的物理结构n主存储器由主存

37、储器由1 14 4个内存条组成个内存条组成n内存条的组成：内存条的组成：把若干片把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成芯片焊装在一小条印制电路板上制成n内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用n目前流行的是目前流行的是DDR2和和DDR3内存条：内存条：n均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面nDDR2 和和DDR3均有均有240个引脚，但不可互换使用个引脚，但不可互换使用nPC机主板中一般都配备有机主板中一般都配备有2个或个或4个个DIMM插槽插槽 392.2 CPU的逻辑结构与原理什么是什么

38、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

39、器而不用访问主存储器012345678910111213141589143444101010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402.2 CPU的逻辑结构与原理2.3.3 I/O控制与控制与I/O接口接口412.2 CPU的逻辑结构与原理n 输入的任务：输入的任务：n将输入设备输入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

40、输到内存，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422.2 CPU的逻辑结构与原理I/O 操作操作的特点的特点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 432.2 CPU的逻辑结构与原理关于总线关于总

41、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442.2 CPU的逻辑结构与原理关于关于I/O总线总

42、线nI/O总线总线是各类是各类I/O控制器与控制器与CPU、内存之间传输数据的、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（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总线工作频率总线工作频率（MHz） 每个总线周期的传输次数每个总线周期的传输次数452.2 CPU的逻辑结构与原理PCI总线扩展槽总线扩展槽462.2 CPU的逻辑结构与原理关于关于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