计算机硬件技术基础整理版同济大学

计算机硬件技术基础第一章微型计算机系统概论1.1节微型计算机发展一、计算机发展的阶段1.第一代电子管（vacuumtube)①世界上第一台电子计算机是在1946年由美国人JohnW.Mauchly和J.PresperEckert等人在宾夕法尼亚大学设计制造的。②ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)简称ENIAC③完全由电子管制作的的逻辑器件组装而成，大约占了一幢四层的楼房，用于高射炮瞄系统的弹道计算，运算速度约5000次/秒。④20世纪40年代末到50年代中期的计算机都是采用电子管组成的。例如：IBM公司的IBM701（1953.4）IBM公司的IBM605（1954.11）2.第二代晶体管transister①根据记录，世界上第一只晶体管的发明时间应该为1947年12月25日，地点在著名的BellLaboratory（贝尔实验室）。②根据小组成员对这项工作贡献的大小，推举JohnBardeen和WalterBrattain为发明人。其中巴丁做理论推算，布莱顿的实验技术出众。1947年WilliamShockly在此基础上提出了结型双极性晶体管理论。1956年，肖克利，巴丁和布莱顿三人共获当年诺贝尔物理奖。注：1972年巴丁去了伊利诺州大学当教授，再次因创立低温超导理论获诺贝尔奖。③1956年，诺贝尔物理奖得主威廉肖克利衣锦还乡，在加州旧金山附近的圣克拉拉山谷创办了肖克利半导体实验室。这山谷后来叫SiliconValley。同时还将八个知名的工程师及科学家招至麾下，其中其中有罗伯特诺伊斯（RobortNoyce），尤金克莱纳（EugeneKleiner），戈顿摩尔（GordonMoore）和安迪格罗夫（AndyGrove）等。后来，由于肖克利与这八位相处不融洽，加上折腾了两年没搞出什么名堂。这八个人决定一起离开，去寻找新的雇主。在一个偶然的机会里，罗克听说了这支不安分的工作团队。罗克认为，八个人团结在一起的最佳办法，是让他们组建一家自己的公司，专门开发尚未成熟的半导体零部件，而不是去某家大公司寄人篱下。补充内容：④但这也为他们提出了一个不小的难题:资金。“当时根本没办法成立公司。没有机制，也没有风险投资，”罗克回忆道。31岁的阿瑟·罗克（ArthurRock）是纽约市的一位证券分析师，他专门跟踪刚刚起步的电子行业，克莱纳的父亲是罗克所在的投资银行海登斯通（HaydenStone）的客户。于是，他灵机一动，提出了一个既简单又影响深远的融资计划。新公司唯一的资产是八个人共有的专业知识，他们每人将拥有公司资产的10%。海登斯通得到其余20%的资产。随后，罗克将寻找一家业已完善的技术公司，请它为这家新创公司提供150万美元贷款作为启动资本，用以开发第一个产品，同时答应投资公司今后有权出资买断这家新创公司。但有一个附加条件：如果新企业获得成功的话，Fairchild可以以两倍的价钱再将其买下。这次推销进行得非常艰难。但在1957年，罗克走访的第36家公司，位于纽约州Syosset的仙童相机与仪器公司（FairchildCamera&Instrument）同意这笔交易，于是仙童半导体公司（FairchildSemiconductor）诞生了。“这是一个重大的启示，也是一个重大的激励，”诺伊斯说。两年后，仙童相机与仪器公司行使了自己的期权，买下了这家公司，它向“八叛客”每人支付了近25万美元。罗克当时并没意识到，自己在偶然间发明了一种全新的公司构建方式，风险投资。这一方式也几乎成为了推动新技术快速发展、创造巨额个人财富的捷径。仅凭这一个灵感，罗克就创造了硅谷所必须的基本条件:风险资本、股票期权。⑤谢尔曼·费尔柴尔德（ShermanFairchild）曾赞助老汤姆·沃森建立IBM公司的前身，所以还是是IBM公司最大的股东。他去世了，仙童集团由新首席执行官约翰·卡特掌管。卡特的经营主张和仙童公司的两位主要研究人员罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔的主张相冲突。⑥摩尔和诺伊斯找到罗克，声称他们想建立自己的东西来研究和生产半导体存储器。罗克仅花了两天时间就从25位投资者手中筹集了250万美元投资于这家新的公司。这家新的公司就是英特尔公司。这家全球最大的微处理器生产厂家由不到550万美元的私募资金启动，其发展基础是一份只有一页半纸的商业计划书。罗克在英特尔公司的董事会待了30年之久。对计算机发展史上最重要的两家公司的投资足以奠定罗克在风险投资者殿堂中的位置，但是洛克在其英特尔公司之后又投资了另外一家萌芽中的计算机公司——苹果公司。罗克投资苹果公司，并担任董事会成员。但当苹果公司与摩托罗那联手与英特尔竞争的时侯，罗克退出苹果，因为英特尔是他的最大的孩子（如果不算仙童的话），他对英特尔更忠诚。另一个有名的TexasInstrument德州仪器从贝尔实验室获得了晶体管技术，大量生产了晶体管收音机和助听器。最后在1955年发明了IntergratedCircuit后来也获得了诺贝尔奖。3.第三代集成电路（IC）①20世纪60年代中期，计算机开始采用集成电路作为主要元件。（TTL电路）②典型的有IBM360（中型机）和370（大型机）。（用于了著名的阿波罗登月工程）4.第四代超大规模集成电路VLSIC①微型计算机属于第四代计算机产品。②微型计算机的发展主要有微机结构和微处理器两个方面发展决定的。二、微型计算机技术的发展1.微型计算机结构(structure)的发展①单板机：singleboardcomputer②单片机:mirocontroller③系统机:computersystem④工作站:workstation⑤网络:computernetwork2.微型计算机核心部件CPU的发展(Intel)三、微型计算机系统1.微处理器2.微型计算机3.微型计算机系统一般而言将主机（CPU,存储器，I/O口）加上输入输出设备（键盘，CRT,打印机），还包括系统软件（BIOS,OS)这样构成的微型计算机称为系统机。或计算机系统。补充注：系统机的典型特征①操作系统的存在是区别单板机，单片机的一个最重要的标志。(DOS,Windows)②有一种符合工业标准的系统总线存在。③具备海量存储(MassMemory)磁盘，光盘④标准的输入输出设备（键盘／显示器）⑤与外部设备信息交换的接口（串并口）4.微型计算机系统的概念结构书上p6的图1.2描述了微型计算机系统的概念结构。5.计算机系统的层次结构。书上p6的图1.3描述了微型计算机系统的层次结构。1.2节微型计算机硬件结构这里主要介绍的是冯.诺依曼结构型计算机，主要由五个部分组成。工作原理的要点：a.按序存放b.按序执行一、运算器1.又称为算术逻辑部件。ArithmaticLogicUnit,简称ALU。2.算术运算主要指对数字加减乘除四则运算。逻辑运算主要指对字符处理。比较相同不同等等。二、控制器是分析和执行指令的部件。主要在时钟控制下，协调部件的工作。它有三个主要功能。1.执行指令（分三步完成）①取指令从内部存储器里取出要执行的指令，放到CPU内部的指令寄存器。②指令译码CPU对指令寄存器里的指令进行识别。看看取出的是什么指令。这里不同的指令用不同的编码表示。指令内部有一张完整的编码表。③执行指令当指令译码完成后。CPU根据判别出来的指令编码，取出相应指令微控制序列。产生相应的控制信号动作。计算机就是一直循环做以上三步。注：程序的执行过程示意图2.控制程序、数据的输入和结果的输出3.对异常情况和特殊情况进行处理①异常情况Exception指的是CPU发生情况异常，主动打断指令连续执行循环。②中断Interupt指的是外部设备部件，有紧急情况要打断指令的连续执行循环。三、存储器：主要用来保存程序，数据。可分为两类。1.内部存储器（主存）CPU能直接访问处理的存储器称为内部存储器一般由半导体存储器组成。直接访问指用存储指令MOV完成。MOV要给出存储器地址。注１：内存的容量是有限的。由CPU的地址线引脚数决定。例:8086/808820条：存储容量220=1MB8028624条：存储容量224=16MB8038632条：存储容量232=4GB注2:内存又可以分为RAM和ROM两种①RAM:存放程序和数据，可读写，掉电信息易失。②ROM:存放基本输入输出系统(BIOS),只能读出，不能写入，掉电信息非易失。附：存储器的性能指标①.存储容量存储设备上可以存储数据的单元数，基本单元：bit.通常用字节(Byte)1Byte＝8bit千字节(KB)1KB＝1024Byte兆字节(MB)1MB＝1024KB千兆字节(GB)。1GB＝1024MBIBMPC机采用字节（Byte）作为计算机存储信息的基本计量单位。1个字节由八个二进制位(bit)来组成,可以表示1个英文字母、数字或符号。存贮一个汉字需要两个字节。②存取速度:数据读写传送方向是从CPU的视线为参照点a.把数据存入存储器称为写入，b.把数据从存储器取出称为读出。c.存取速度是指从读写操作命令发出，到数据读写操作完成所需的时间。也可用单位时间内传送数据文件的多少来衡量存取的快慢。2.外部存储器（辅存）①CPU不能直接访问。要把它当一个外部设备看待，用专门的输入输出指令访问。②主要由磁盘、光盘和半导体存储器组成。③无容量限制。容量大小只取决于设备本身。4.I/O设备①输入设备：输入程序，数据，人工干预。主要有键盘和鼠标两种。②输出设备：输出数据（程序），查看结果主要有显示器和打印机两种。1.3节计算机内部数据的表示一、计算机中的数制1.二进制：只有“0”和“1”，逢“2”进“1”2.八进制：这个数字制式已经很少采用了。3.十六进制：用于简化二进制数的书写与阅读。二、计算机中数的表示1.计算机中所有数据，都用二进制数表示。（因为双稳态电路或元件只能存储两个状态）2.机器数：指一个数在计算机内被表示成二进制的形式。这个二进制数又称为这个机器数的真值。①有固定的位数。即值有范围，超出范围为溢出）②机器数能表示数的符号。通常用一个符号位来表示的数的正负。③机器数中，可以用定点或浮点来表示小数点的位置。a.定点表示法小数点约定在机器的某个固定位置上。因此可以有，定点有纯小数，定点整数。再可以加上符号位。b.浮点表示法小数点位置不固定。由使用者定义。二进制浮点数D=R*2N注：这里R称为D的尾数，N称为D的阶码c.书上P19图1.17展示了一种浮点数的计算机内部表示。三、字符与汉字的编码1.字符的编码①计算机中的数据分为两类

a.数字：其值有大小含义。b.字符：只是表示文字信息，无大小含义。②西文字符少于128个，用一个8位二进制数就可以表示。（西文字符的二进制编码）③标准ASCII码书上P19表1.4(不完整）注1：凡是输入输出设备均使用ASCII码来交换信息。2.汉字的编码①汉字数目超过256个，用一个字节不够。所以要用两个字节。（216=65536）②为了有效地管理、使用汉字国家制定标准GB2310-80信息交换用汉字编码字符集a.全部汉字及符号组成94X94陈列行称为：区（高位字节）列称为：位（低位字节）“汉字区位码”③94个区分为4组a.1-15区为字符图形符号b.16-55区：一级汉字库，3755个，拼音c.56-87区：二级汉字库，3008个，部首d.88-94区：用户自定义。④汉字机内码a.为了和西文ASCII码兼容不冲突。不能在计算机内部用区位码存放汉字。b.区位码和机内码的转换高位机内码=区码+A0H低位机内码=位码+A0H1.4节微型计算机性能一、主要性能指标1.CPU的字长：数据总线的宽度。电脑中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。能并行处理8位数据的CPU就叫字长8位。8086CPU能并行处理16位。2.主频：主要时钟工作频率3.内存容量：主要的和CPU交换信息对象。容量有上限，与地址线数目有关。4.存取周期：存储器的读写时间5.总线类型与总线速度：二、CPU的性能1.主频：指CPU的实际工作频率，它和外部时钟频率及CPU的倍频数有关。主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运行速度。CPU的主频＝外频×倍频系数。2.内存总线速度内存实际的工作频率，与CPU匹配。3.工作电压①从奔腾CPU开始，CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种，通常CPU的核心电压小于等于I/O电压。②其中内核电压的大小是根据CPU的生产工艺而定，一般制作工艺越小，内核工作电压越低；I/O电压一般都在1.6-5V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。4.协处理器(主要指浮点运算）①CPU分为通用的和专用的两类，这类专用的CPU英文叫做co-processor，又称协处理器。②通用的CPU是8086/8088,专用的CPU叫8087/8089③8087专门用于浮点运算。8089用于高速I/O5.超流水线技术，超标量①流水线(pipeline)指令操作分为取指、译码、执行、写回结果，几个步骤。流水线是一种预取指技术。②超标量指一个时钟周期内CPU可以执行一条以上的指令。（只有在流水线技术后，才有可能）超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理，其实质是以空间换取时间。6.乱序执行和分支预测①由于跳转等指令的存在。有可能使预取的下一条指令落空。②乱序执行和分支预测就是为了弥补这种落空的问题。③跳转分为无条件转移和有条件转移，分支预测主要用于条件转移。7.L1高速缓存(cachememory)在CPU的内核（die）里面。内部更高速的SRAM8.L2高速缓存(cachememory)在cpu的内核die外面。但封装在一个IC块中。一般与CPU的工作频率相同。9.制造工艺(130,90,65,45nm)制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离。密度愈高的IC电路设计，意味着在同样大小面积的IC中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。现在主要的130，90，65nm。现在主要是45nm的制造工艺了。三、MIP和MFLOPS一般常用下列两个标准衡量：1.MIPS(MillionInstructionsPerSecond)：机器每秒钟执行的兆条指令数。2.MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPerSecond)：机器每秒钟兆次浮点操作的次数。第2章微处理器及其管理2.1节微处理器概述一、微处理器的功能结构1.控制器①指令寄存器②指令译玛器③时序和逻辑控制单元主要功能就是取出指令，分析执行，并对个主要部件进行运行控制。2.运算器(ArithmeticLogicUnit)用于算术逻辑运算。算术运算用于处理数字，逻辑运算用于处理字符。3.寄存器：主要用于临时存放程序运行的各种中间数据。分为两大类。①第一类用户不可以访问的寄存器称为内部专用寄存器。对用户透明的。例如：指令寄存器，专门用于存放取出的指令。它在内部工作，用户不可干预。②第二类是用户可以访问寄存器主要是程序员通过来使用这些寄存器，又称为可编程寄存器。以Intel的8086CPU为例这些可编程寄存器还可以分为三大组。a.通用寄存器组。可以存放任何类型的临时数据。其中部分寄存器在乘除运算充当关键角色。b.地址寄存器除了可以存放临时数据，其中部分寄存器可以存放地址用于指令的寻址操作。c.标志寄存器（FlagRegister)用于保存程序的各种运行状态。（溢出）又称为ProgramStatusWord，状态寄存器。注：8086CPU一共有14个用户可访问的寄存器。4.8086CPU的内部结构①执行单元（ExecutingUnit)主要指令的分析，运算执行。②总线接口单元(BusInterfaceUnit)主要负责与外部进行数据交换。注：P36图2.25.8086与8088区别①外部数据总线宽度。a.808616位数据总线宽：D15–D0b.80888位数据总线宽：D7–D0②总线接口单元BIU中指令队列长度不同。a.80866字节b.80884字节二、微处理器的指令系统1.定义指令就是指控制计算机执行某种操作的命令，也称为机器指令。我们将一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。2.指令助记符。①.最早的指令用二进制代码来表示。②.后来用简单的英文缩写来表示。注：两者之间的关系，类似于Internet的IP地址和域名关系。3.指令操作码和操作数指令有一个操作码和若干个操作数组成。例如：ADDAX,1234H①.操作码表示完成的动作功能。用助记符表示。这里ADD表示做加法。②.操作数表示动作的对象。这里有两个(a)源操作数：1234H只提供参与运算的数据来源(b)目的操作数：AX目的操作数除了参与运算以外，还负责保存运算结果。AX+1234AX（目的操作数）4.指令的分类①数据传送指令②算术运算指令③逻辑运算和移位指令④字符串操作指令⑤控制转移指令⑥处理器控制指令三、微处理器的转接口(Socket)1.Socket370奔腾３(P3)2.Socket478奔腾４(P4)3.LGA775附：奔腾4CPU外观2.2节IntelCPU技术结构一、提高计算机处理能力的基本思路1.提高制作工艺。2.改进CPU的系统结构。使CPU工作流程更合理，提高单位时间内的执行效率。①早期的CPU指令的顺序执行②重叠进行的取指令和执行操作二、指令流水线结构１.指令流水线（InstructionsPipeline）将指令的执行过程分为可独立执行的多个子过程，各个子过程都可以在一个专门的操作部件上完成，各个部件可以同时工作。（并行概念）２.指令流水线结构图（P46图2.16)三、奔腾超标量流水线技术１.奔腾CPU中采用了双流水线的超标量结构。SuperScalar。一个指令周期可以执行两条指令。超标量的要点就是通过内置多条流水线来同时执行多个处理任务，其实质是以空间换取时间。２.其主要目的也是提高并行处理能力。四、P3的动态执行技术指提高并行处理能力的一系列技术总称。１.乱序执行（out-of-orderexecution）是指CPU允许将多条指令不按程序规定的顺序，而是按系统实际情况。分开发送给各相应电路单元处理的技术。它将能提前执行的指令立即发送给相应电路单元执行，在这期间不按规定顺序执行指令，然后重新将各执行单元结果按指令顺序重新排列。（注：这和考试中先做会做的题目极其相似）2.分枝预测和推测执行技术①分支预测（BranchPrediction)指在指令结果出来前预测指令是否产生分支转移。②推测执行(SpeculationExecution)指在分支预测后，进行的推测执行。注：预测执行的本质是避免流水线空闲。假如预测错误，需要额外几个时钟周期刷新流水线。2.3节精简指令集一、CISC和RISC1.复杂指令集计算CISC（ComplexInstructionSetComputing）①在CISC微处理器中，指令数量很多，编程很方便。几乎每种想要的操作都有现成的指令可供使用。一般的指令系统都有几百条指令。②CISC特点a.指令代码长短不一致。执行时间周期也不一样。b.程序设计方便，相对比较短小，功能强大。c.在80%的工作情况下，只使用其中20%的指令。只在20%的情况下，才使用其余80%的指令。注：多流水线的出现，这个大小不一成了问题。２.精简指令集计算RISC(ReducedInstructionSetComputing)①只使用占20%的使用率达80%的常用指令。②精简其余80%的不常用指令。③硬件简化，优化。(Intel不是完全RISC)二、RISC技术要点1.精简了指令数目。用多条指令完成复杂指令的功能。2.统一指令的长度简化的译码，便于流水线操作。3.增加了寄存器数量简化了指令寻找操作数的寻址方式。４.优化了指令流水线技术。指令结构简单，指令长度固定，寻址方式简单，执行时间一致，为优化指令的流水线结构提供了可能。注：常用的IntelCPU不是纯RISC。三、PowerPCIBM公司在MCA结构的PS/2系统失败后。被迫退出PC市场后，1991年再和Apple、Motorola结盟。2.Motorola生产的采用RISC结构的CPU，用于和奔腾竞争。

3.技术上先进。市场很失败的东西。4.目前在中档以上服务器中普遍采用RISC指令系统的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU。5.RISC指令系统更加适合高档服务器的操作系统UNIX，现在Linux也属于类似UNIX的操作系统。6.RISC型CPU与Intel和AMD的CPU在软件和硬件上都不兼容。7.目前在中高档服务器中采用RISC指令的CPU主要有以下几类：PowerPC处理器、SPARC处理器、PA-RISC处理器、MIPS处理器、Alpha处理器。2.4节奔腾的多媒体和超线程技术一、MMX技术(MultiMediaExtension)1.针对windows图形界面的兴起，增加了5７条多媒体指令。2其关键技术是单指令多数据。适合处理图形的填充处理。二、SSE技术1.单指令多数据的扩展。（StreamingSingleinstructionmultipledata-Extensions)2.在MMX基础上增加了70条指令。3.增加了指令用于图形图像处理的浮点运算操作。主要是为了3D动画。4.使得多媒体信号的软件解压缩码成为可能。注：在这个之前，处理声音、视频信号都需要硬件来完成的。三、超线程技术1.是一种将物理处理器分成逻辑处理器单元的技术。一个物理处理器，虚拟成两个处理内核。又称为逻辑双核处理器。2.进程与线程。①进程：当多个任务共同执行时，一个程序按多任务进行组织。系统要为不同任务生成一个程序的多个拷贝。使得这些任务得以并行执行，这些任务的拷贝就是进程。a.进程是同一程序的不同体现，并且能并发执行。各进程间的指令是独立的。b.进程是计算机系统中分配和管理资源的单位。c.进程的特征书上P53d.每个进程都可以对系统资源（CPU，MEM，IO）等支配。仿佛是独占的，称为进程虚拟机。②线程a.进程内的基本调度和分配单位。它是指可以和其他进程共享的资源。（Active概念）b.线程的特征书上P54注：线程是进程共享的资源。原来是采用分时轮流使用的方式。2.超线程(Hyper-Threading)①超线程技术就是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高的CPU的运行效率。②超线程就是改变了线程分享概念，仿佛是独占了一个线程（CPU资源）。（逻辑独占）③超线程技术理论上，在一个CPU内部可以像两颗CPU一样在同一时间执行两个线程，P4处理器需要多加入一个LogicalCPUPointer（逻辑处理单元）。因此新的P4超线程die的面积比老的P4增大了5%。而其余部分如ALU（整数运算单元）、FPU（浮点运算单元）、L2Cache（二级缓存）则保持不变，这些部分是被分享的。④虽然采用超线程技术能同时执行两个线程，但它并不象两个真正的CPU那样，每个CPU都具有独立的资源。当两个线程要同时需要某些共享的资源时，其中一个还是要暂停，并让出资源，直到这些资源闲置后才能继续。因此超线程的性能并不等于两颗CPU的性能。⑤IntelP4超线程有两个运行模式SingleTaskMode（单任务模式）b.MultiTaskMode（多任务模式）注：当程序不支持Multi-Processing（多处理器作业）时，系统会停止其中一个逻辑CPU的运行，把资源集中于单个逻辑CPU中，让程序不会因其中一个逻辑CPU闲置而减低性能。c.但由于被停止运行的逻辑CPU还是会等待工作,占用一定的资源，因此Hyper-ThreadingCPU运行SingleTaskMode程序模式时，有可能低于不带超线程功能的CPU性能，但性能差距不会太大。注：你可以在BIOS中关闭超线程模式。这样就和不带超线程的CPU一样了。第3章内部存储器3.1节内部存储器概述一、存储系统的概念1.存储器计算机系统中一种具有记忆功能的部件，用来存放程序和数据等信息。①内部存储器（主存）通常存放当前正在使用或经常被使用的程序和数据。②外部存储器存放当前处于不被使用或不活动状态的程序和数据。注1：在程序的执行过程中，CPU直接从内部存储器中，取得程序和数据，然后执行或运算。最后保存结果，或将结果输出。注2：外部存储器中的程序和数据，只有调入内存中，才能被CPU取得并使用。2.存储系统①由两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器，用硬件、软件或两者结合的方法连接起来就构成一个系统。②系统的存储速度接近较快的存储器，容量接近较大的存储器。3.现代微机（PC机）的两种存储系统①Cache存储器系统Cache和主存储器构成的。②虚拟存储系统主存储器和硬盘构成的。注1：这里专指Windows系统的虚拟内存。注2：前者主要是提高内存的速度。后者为了增加内存的容量。（以价格杠杆考量）二、存储系统的性能指标1.存储容量①位bit②字节Byte③字WORD④双字DWORD注：这里提的是存储类型的概念。2.存取速度①存储器访问时间(MemoryAccessTime)从收到读/写命令，到数据从存储器读出/写入操作完成，所需要的时间，用TA表示。注1：主存由半导体存储器构成。注2：CPU将数据存入存储器的操作（写），CPU从存储器取出数据的操作（读）。注3：CPU提供的进行读写操作的时间，必须大于存储器的额定存取时间。数据才能稳定读出或安全写入。注4：外存储器一般由磁盘构成。在访问外面磁道和里面磁道的区域，访问时间不同，要用“平均访问时间”表示。②存取周期（MemoryCycleTime)存储器连续访问操作过程中，一次完整的存储器存取操作所需要的全部时间。用Tc表示。这里主要是动态DRAM，每个2毫秒左右需要刷新操作。刷新就是一次伪读操作。存储器能进行连续访问所允许的最小时间间隔TC,这里Tc>TA③存储器的带宽指存储器的数据传输率（DataTransferRate）单位时间内数据的传输量，单位为Mb/s3.价格4.可靠性三、存储器的体系结构1.存储器的分级结构①CPU的发展比存储器快很多,为了访问存储器，CPU必须插入等待周期TW。CPU到存储器之间成了数据传输的主要瓶颈。②容量、速度、价格关系。见P63图3.1③目前可用的存储器的特点a.速度快的容量小、价格高.b.容量大、价格低的速度慢。④采用多级存储器体系结构是个解决办法a.将速度、容量、价格不同的存储器组合在一起。形成一个速度接近最快，容量接近最大，价格接近最低的存储系统。b.典型的就是PC机上的。Cache存储系统和虚拟存储系统。⑤存储系统的分级结构示意图2.存储器访问的局部性①时间局部性(temporallocality)若一项数据被引用,很可能不久它会被再次使用。②空间局部性(spatiallocality)若一项数据被引用,则与它相连的数据可能很快也会被引用。注：访问的局部性是保证存储系统层次结构技术可行性的基础。3.多级存储系统的性能①访问速度采用层次结构的多级存储系统中。存储器的访问效率由所有层次存储器的有效存取时间EffectiveAccessTime决定。a.相邻层次存储器的命中率(HitRatio)b.访问频率(AccessFrequencies)c.CPU对高层次存储器的访问次数远大于低层存储器。d.当系统命中率很高时。整个存储系统有效存取时间接近于最快的存储器存取时间t1。e.结论实际上M1的命中率越高越好。这样可以避免对下一级的存储器的访问。f.提高M1命中率的途径3.2节典型的内部存储器存储介质的三个条件1.两种稳定的状态。2.外部信号下。两种状态可以任意转换。3.在外部信号下，可以读出当前状态。一、存储器分类1.按存储介质①半导体存储器②磁介质存储器③光介质存储器2.按与CPU关系①高速缓冲存储器②内部存储器（主存储器）③外部存储器（辅助存储器）3.按存取特性①随机访问存储器RAM②只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）③顺序存储器④直接访问存储器附加：存储器的分类表二、随机存储器RAM1.静态随机存储器SRAM（StaticRandomAccessMemory）①特点书上P70②分类书上P70③SRAM元件构成SRAM存储器由存储体、地址译码电路、读写和输入输出控制电路等组成，其结构如P71图3.4所示。a.存储体（多少个X多少位）存储体是存放信息的场所，由触发器电路构成。其规模的大小直接决定存储器芯片的存储容量。SRAM内部结构图b.地址译码器存储器不同的存储单元是按不同地址来区分的。由CPU提供要访问的存储单元地址。地址译码器将CPU提供的访问的存储单元地址翻译成驱动指定存储器单元控制信号。注：地址译码器地址输入线多少和存储器容量大小有关。这里的地址用来指定访问单元。例如：1024个单元的存储器需要有1024个地址来区分。芯片上的地址线有10根：A9,A8，。。。，A0所以芯片内部有一个10-1024的地址译码器。给出一个10位地址，芯片自动会译码找到这1024个地址中的一个。c.读写和片选，及输入输出电路(a)读/RD和写/WR用于控制被选中的单元数据流向（读出或写入）。(b)由于单片存储器芯片的存储容量有限，达不到主存储器系统容量的要求，因此一个存储空间总需要一定数量的存储芯片组成。在选择存储单元时，首先要选片。片选/CS解决多片存储器芯片同时使用时的选片问题。注：只有当/CS有效时，才能选中某一芯片，与此片相连的地址线才能将地址编码送入此片的地址译码器进行译码，然后可以对此存储芯片中的单元进行读/写操作。(c)输入输出电路(I/O)用于被选的存储单元内容的读出与写入的通道。I/O数目称为芯片的数据位数（或字长）2.动态随机存储器DRAM①DRAM特点书上P75②DRAM的种类a.FPMDRAM，(FastPageModeDRAM)快页DRAM，其接口多为72线的SIMM类型。在386时代很流。b.EDODRAM（ExtendedDateOutDRAM）扩充数据DRAM。EDODRAM与FPMDRAM相似，72线的SIMM/168线的DIMM类型。486以及早期的奔腾电脑。c.MDRAM（Multi-BankDRAM）多段式DRAM.应用于高速显示卡或加速卡.d.SDRAM（SynchronousDRAM）同步DRAM，结构的增强型DRAM。e.DDRSDRAM(DoubleDataRateSDRAM),双数据速率同步DRAM.允许时钟脉冲的上升沿和下降沿都可以读/写数据.三、只读存储器1.掩模只读存储器（MaskReadOnlyMemory,MROM）①由厂家采用光刻掩模方法制作。②大量生产，价格便宜。2.一次性可编程只读存储器(ProgrammableROM,PROM)①芯片出厂时，存储的初始内容为全“0”或全“1”，由用户根据自己的需要，用过载电压来写入信息，但只能写一次。②PROM分为二极管破坏型和熔丝式两种。3.可擦除只读存储器(ErasablePROM)①紫外线可擦除只读存储器是一种可进行多次改写的ROM，一般可重复擦写数十次。其中UVEPROM（UltraVioletEPROM）是一种广泛应用的可编程只读存储器。注：因为陶瓷封装，价格很高，被淘汰。②电可擦除只读存储器(E2PROM)a.电信号方法擦除存储内容。b.更加方便、灵活，注:可以是塑料封装，价格便宜。4.闪烁存储器(FlashMemory)①特点a.和EEPOM类似，但采用按页面方式写入。②闪烁存储器的可靠性主要有两个指标a.耐久性是指FlashMemory反复擦写的能力，通常要求FlashMemory可以反复擦写10万次以上；b.保持性是指存储在FlashMemory中的数据可以长期保持的能力，FlashMemory中的信息至少可以保存10年。3.3节微型计算机的存储管理一、扩展存储器及其管理1.存储器扩展（容量不够时候）①位向扩展法a.当存储器芯片的数据位数（字长）小于所需内存单元的位数时，则需要进行位扩展，使每个单元满足位数要求。b.特点:(Ⅰ)各个位扩展存储芯片的地址线、片选线和读写控制线并联，数据端单独引出。(Ⅱ)每次访问存储器时，所有位扩展芯片同时访问。(Ⅲ)存储器的单元数不变，位数增加。C.位扩展实例用8片2164A（64K×1位DRAM）芯片构成64KB存储器。②字向扩展法a.芯片的数据位数（字长）能满足每个单元中的要求，但单元数不满足。又称地址空间的扩展。例如书上P83,芯片16KX8位，存储系统为64KX8位，b.扩展特点：每个芯片的地址线、数据线、控制线并联，仅片选端分别引出，以实现每个芯片占据不同的地址范围。c.字向扩展实例

例：用8K×8的SRAM芯片构成32K×8=32KB的存储器地址空间分配表A15A14A13A12。。。。A0地址范围0#芯片000X。。。X0-8K1#芯片001X。。。X8-16K2#芯片010X。。。X16-24K3#芯片011X。。。X24-32K③字位同时扩展a.当存储器芯片的数据位数（字长）和单元数都不满足时候，采用两者结合的方法。b.根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；c.进行位扩展以满足字长要求；d.进行字扩展以满足容量要求。e.若已有存储芯片的容量为L×K，要构成容量为M×N的存储器，需要的芯片数为：（M/L）×（N/K）2.存储芯片的地址分配和片选①线选法a.线选法就是高位地址不经过译码，直接与存储器芯片的片选端相连。这些片选信号线（即高位地址线）在每次寻址时，必须保证其中只有一根线上的信号位有效。b.线选法不仅会造成地址重叠，而且芯片之间的地址一般也是不连续的。c.书上P86图3.16例子②全地址译码法a.全译码方式是指用于片内寻址多余的全部高位地址都参与译码，接到外部译码器的输入端，外部译码器的输出作为芯片的片选信号。b.全译码法的优点是每个存储器芯片的地址范围是唯一确定的，且各芯片之间的地址是连续的，没有地址重叠现象。③部分码法a.即只使用完成片内寻址所余下地址的部分高位地址，经译码器译码产生各芯片的片选信号。b.在这种方式中，部分译码法实现起来比较简单，但存在地址空间的重叠使用情况。注：实际很少使用，现在由于译码器电路普及，基本上都用全地址译码。只有少数简单例外。3.存储管理①存储分配和回收多个程序（进程）要共享内存空间，就要有一套动态分配内存的机制，进行内存的分配与回收。②地址变换用软件进行存储空间管理。③内存扩充这里指的是通过内存管理程序使得用户使用的内存比实际的内存空间要大。(虚拟内存）④内存保护各个程序（进程）之间互不干扰和破坏。二、DOS/Windows环境下的内存管理1.DOS环境下的内存管理①存储空间的分配。书上P89表3.4②存储器的实地址方式和保护工作方式。2.Windows下的内存管理（虚拟存储器）①虚拟存储器原理虚拟存储器是建立在主存-辅存物理结构基础上的，在附加的存储管理硬件装置MMU及操作系统存储管理软件的支持下，将主存-辅存的地址空间统一编址，形成一个庞大的存储空间。②虚拟存储器管理方式。3.4节高速缓冲存储器一、高速缓冲存储器的原理与结构1.Cache的基本结构(P102图3.28)①Cache存储体a.Cache存储体用于存放主存调入的指令和数据。b.Cache存储体和主存之间的信息传送以块为基本单位。P102图３.28CPU,Cache和主存的关系Cache/主存结构②地址转换部件(见P103图3.29)a.主要是用来进行主存地址到缓存地址的转换。用的是索引查询的方法。b.原理是建立一个登记表或目录表，当主存信息调入内存时候，它在此登记表中记录下主存中的块，存入缓存的块地址。当信息访问时候，就先到该登记表中去查找，若找到主存地址对应的块在缓存中的对应块，则表示命中。可以直接从缓存中读出该内容。找不到就是不命中，要求助cache替换部件了。登记表有两个字段，主存地址和缓存地址。主存地址是索引值，查到的表值就是缓存地址③替换部件功能是在缓存已满时,进行数据块的替换。首先按照一定的策略决定哪些块被替换掉，然后将主存中新的块调入缓存，并修改地址转换部件的登记表。附：Cache的组成（P102图3.1９)2.地址的映象及转换①地址映象为了能把主存中信息放到Cache中。必须用某种函数把主存内容对应的主存地址映射到Cache中对应内容的缓存地址的定位。②地址变换将主存地址变成Cache地址。（缓存地址）③地址映象方式主存中的数据块是按一种确定的规则存放到缓存中去的，有了这种规则，很容易将主存地址转换成缓存地址。这样的规则就叫地址映像方式。A.全相联方式b.直接相联方式c.组相联映象方式二、Cache与主存DRAM的一致性1.Cache保存的数据块是主存中相应数据块的一个副本，因此要保持Cache和主存中数据的一致性。2.Cache写操作当CPU向Cache写入新的数据时，就会出现不一致的问题。a.全写法(WT法--Write_Through），CPU对Cache进行写操作的同时，也将内容写入主存中相对应的数据块。在地址转换登记表中不记录该块是否被修改过，在该块被替换时候，也不考虑将cache内容回写到主存的问题。可以直接将新块装入。b.写回式(BT法--Write_Back）。CPU执行写操作时候，只写入Cache，不写入主存。当需要替换Cache中的数据块时，才把修改过的数据块写入主存相应单元。要在地址转换部件登记表选项中增加一个块修改位。每次替换时候要检查这个修改位。以决定是否更新主存的相应块。c.写一次法是基于写回法同时结合全写法的写策略。3.Cache读操作在CPU的读操作中，Cache中的数据与主存中的数据是一致的，不会发生不一致情况。但是，由于存在不命中的工况，所以读操作也要有策略。a.贯穿读出式(P111图3.37)CPU对主存的所有数据请求都首先送到Cache，由Cache在自身查找。若命中，则切断CPU对主存的请求，并将数据送出；如果不命中，则将主存新的数据装入cache。再传给CPU。b.旁路读出式(P111图3.28)CPU向Cache和主存同时发出数据请求。如果命中，则Cache将数据回送给CPU，并同时中断CPU对主存的请求；若不命中，则Cache不做任何动作，由CPU直接访问主存。三、Cache的分级体系结构1.Cache的分体①采用多体并行存储技术②指令Cache和数据Cache2.Cache的分级①采用预取技术，多级cache②某块数据调入内存时，把访问地址相邻的块也预选取到Cache四、微型计算机中的cache替换技术1.Cache速度快、容量小，只能存放主存中当前最活跃(active)的那部分数据，当程序不断运行时候，要将最新即将用到的数据调入。如果此时cache已满，则要替换出去一块。当不命中的时候，也要替换其中的数据块。2.Cache选用何种替换策略，最主要的决定因素是命中率。局部性原理为替换策略提供了理论依据。3.5节内存封装形式一、内存条的主要标准1.DIP双列直插式DualIn-linePackage2.SIP单排直插内存条SingleIn-linePackage3.SIMM内存条SingleIn-lineMemoryModule4.DIMM内存条DualIn-lineMemoryModule168pin5.RIMM内存条①DirectRamBusDRAM184pin（早奔４）②SDRAM+MTH芯片184pin(奔３）③SDRAM168pin+带MTH转换卡(socket)④DDRDRAM⑤DDRⅡDRAM二、内存条的选用１.内存类型的选择①SDRAM②DDR③RDRAM注１：主要和主板套片有关。注２：常见的外型P118图3.43２.容量的选择３.内存容量和性能①时钟速度内存能稳定运行的最大频率例：DDR200(PC-1600)DDR266(PC-2100)内存时钟内存传输速率②存取时间读写数据需要的访问时间③CAS延迟时间纵向地址脉冲的反应时间。用CASLatency这个指标来衡量。上课公用信息邮箱：上面有讲课PPTEmail:tju101@163.comPassword:tju101tju101第四章输入输出技术4.1节输入输出系统概述一、输入输出系统的特点1.多样性2.复杂性①隐藏在操作系统中的输入/输出复杂性②处理器本身和操作系统所产生的一系列随机事件也要调用输入/输出系统来处理3.异步性:外设相对于处理器的异步性和时间上的任意性4.实时性:多种工作方式,程序控制方式、中断方式、直接存储器存取方式。5.与设备无关性：独立于具体设备的标准接口，并行、串行、SCSI接口。二、输入输出接口的基本功能书上P126图4.11.数据缓冲：匹配各种设备速度上的差2.数据转换：如串-并、并-串转换等3.控制功能:控制外围设备的启动与停止4.传送命令与状态信息：CPU向外设传送命令，外设向CPU反馈状态信息。5.程序中断：外设向CPU请求某种服务，发请求信号。6.地址译码：每个外设都有一个地址编码，以决定选择哪一个设备。三、I/O端口1.I/O端口的寻址方式①统一编址:与存储单元统一编址，只有一个地址空间。②独立编址:把I/O端口看成是独立于存储空间的I/O空间，采用专用的I/O指令。2.I/O端口地址的译码①固定式端口地址译码:端口地址不改变。②可选式地址译码:开关式可选地址译码,使I/O接口芯片的地址号能适应不同场合进行地址分配以及为系统以后的扩展留有余地。3.微型计算机(PC)中I/O端口布局①I/O端口寻址布局注：PC机只用10根中的10根地址线，A9-A0a.端口地址210=1024个=1Kb.使用专门的控制信号(IO/M)c.使用I/O指令对端口进行编程②PC机I/O端口的地址分配（1024个）a.前256个（000H–0FFH)专供主板上的I/O接口芯片使用。b.后768个（100H–3FFH)专供扩展板上的I/O接口芯片使用。4.2节常用输入/输出方法一、程序控制方式1.CPU与外设之间的数据交换在程序控制下进行,直接利用I/O指令(IN或OUT)实现数据输入/输出。①直通方式（无条件传送）a.处理时间已知b.适用于总是处于准备好状态的外设c.优点：软件及接口硬件简单d.缺点：只适用于简单外设，适应范围较窄e.无条件传送的例子(a)输入读取开关的状态；(b)输出显示，使发光二极管点亮②查询工作方式a.处理时间未知或不确定b.适用外设并不总是准备好传输的情况c.要求外设及接口应提供设备状态控制信息。（Busy/Ready,Strobe)二、中断控制方式1.外设在需要时向CPU提出请求，CPU再去为它服务。服务结束后或在外设不需要服务时，CPU可继续执行自己的程序。2.优点：CPU效率高，实时性好，速度快。3.缺点：中断程序编制较为复杂。三、直接存储器存取方式1.DMA的基本概念：数据交换在内存与外设之间直接进行，CPU不再担当数据传输的中介者。由DMA控制器完成。①DMA的一般步骤a.外设向CPU发DMA请求b.CPU响应DMA请求，交出总线控制权。c.由DMA控制器负责直接传送。d.向CPU报告，DMA操作结束。CPU收回总线控制权。2.DMA的特点①DMA控制器建立了外设直接与内存之间数据交换的直接通道。②由DMA控制器（DMAC）控制数据传送。DMA方式以内存为中心的。③主存中需要开辟专用缓冲区④为了解决CPU和DMA同时访问内存发生的冲突，DMA采用周期挪用方式。3.DMA的三种传送方式①CPU暂停方式CPU响应DMA请求后，直到一组数据传送完毕，DMA控制器才将总线控制权交还给CPU。②CPU周期窃取方式DMA控制器传送一个数据，占用窃取一个CPU周期，即CPU暂停工作一个周期。然后继续执行程序。③直接访问存储器工作方式数据传送时，CPU正好不占用存储总线。若DMA和CPU同时需要访问存储总线。则DMA优先级别高于CPU。4.DMA控制器的组成①内存地址计数器②字数计数器③数据缓冲寄存器④DMA请求标志⑤控制/状态逻辑⑥中断控制逻辑5.DMA的操作过程①DMA传送前的预处理②DMA的数据传送③DMA数据传送后的处理工作四、I/O通道控制方式1.通道是一个特殊功能处理器，它具有自己的指令系统和专门负责数据输入输出的传输控制。2.通道和CPU分时使用内存，实现了CPU内部运算与I/O设备的并行工作。3.通道是DMA的进一步发展。4.3节中断技术一、中断的一般概念CPU执行程序时，出现了某种特殊情况（事件），使得CPU暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序，该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行，这一过程称为中断。二、中断响应的工作过程1.中断源和响应中断的条件①引起CPU中断的事件，发出中断请求的来源。②CPU开放中断。③CPU只有在现行指令结束后响应中断。2.中断响应的过程①关中断②保留断点③保护现场④执行中断服务程序⑤恢复现场⑥开中断与返回三、8088/8086的中断系统1.向量中断通过中断向量来寻找中断入口地址进而转向中断服务程序的一种方法。中断向量是个地址指针。（DWORD类型，四个字节）2.中断优先权当多个中断源，CPU任何时候只能处理其中的一个中断。这里有中断响应先后的问题。3.8086/8088中断源类型①外部中断（由电信号引起）a.不可屏蔽中断NMIb.可屏蔽中断INTR②内部中断（由指令执行引起）a.指令中断b.异常中断补充：8086中断系统的中断向量表1.向量表位于地址00000H～003FFH的内存单元。大小为1KB，共256个表项。2.每个表项占用4Bytes，是双字类型的数据。代表一个指针。低字为偏移地址，高字为段地址址。段地址：偏移地址是内存逻辑地址格式。3.指针指向各个中断的服务程序的入口位置。四、保护模式下的中断响应1.80286以上CPU具备保护模式。2.保护模式使用中断描述符表（IDT)3.其长度由中断描述符表寄存器中的基地址给出长度限制。4.4节常用接口标准一、并行接口标准1.并行通信的定义实现同时传送两位以上的数据。2.Centronics标准接口（并行打印机接口）①打印机端36引脚，主要有11根。2.PC端口使用25引脚。见P137表4-13.并行接口的工作原理用时序图Timingdiagram表示二、RS-232-C串行接口标准1.串行通信系统组成。①数据终端设备(DTE)②数据通信设备(DCE)2.RS-232-C串行接口标准①由美国电子工业协会EIA推荐的接口标准。用于DTE和DCE之间的串行数据交换标准接口。②PC端25引脚见P138图4.9和P139表4.2注：常用的是其中的9根信号。所以有简化的9引脚的插座。4.5节实例：计算机中的接口信息①②③④⑤⑥⑦上课公用信息邮箱：上面有讲课PPTEmail:tju101@163.comPassword:tju101tju101第五章总线5.1节总线的概述一、概念1.总线的定义总线是一种支持两个或多个模块之间传输信息的公用通路，它是一组信号线的集合。二、总线标准的四个特性1.物理特性：总线的物理连接尺寸，主要是机械尺寸、形状。2.功能特性：总线的每根信号线功能用途。主要指电气功能。3.电气特性：总线信号的有效电平范围，传递方向。4.时间特性：定义了每根信号之间在时间上的关系。一般是通过时序图描述。(TimingDiagram)三、总线的分类1.片内总线：又称元件级总线。是芯片内部的总线2.主板局部总线：指在印刷线路板（PCB）上连接个元件的公共通路。3.系统总线：指计算机内部模块之间的总线。4.通讯总线：又称外部总线或设备总线。主要用于微机和外设之间的信息传输。附加补充：总线的分类1.内部总线：板内总线，指板上的DB,AB,CB。2.系统总线：板间总线。连接各扩展模块。3.外部总线：通讯总线。指串口，并口等。5.2节总线的系统结构一、单总线结构系统的各个部件都接在单一总线上，所有设备均通过专一总线来交换信息。书上P146图5.1二、面向CPU的双总线结构1.设置一条CPU和存储器的专用总线，称为存储总线。2.在CPU和I/O之间的数据交换，通道称I/O总线三、面向存储器的双总线结构1.保留单总线结构的优点。所有设备都可均可以通过总线来交换信息。2.又提供了专门的高速总线为CPU和存储器之间提供交换通路。（双口RAM,结构复杂）四、多总线结构系统中拥有两个以上的总线。①前端总线、PCI、ISA、AGP、USB2.MultiBus总线①真正的支持多CPU的总线。5.3节总线技术一、概述1.总线上部件的工作方式有两种：①主方式：Master（类似于会话的发起者）可以控制总线并启动数据传送。②从方式：Slave（类似于会话的接受者）只能按主部件要求工作。注：有的设备既可以工作于主方式，也可以工作于从方式。但不能同时工作于两种方式。二、总线的基本功能1.总线数据传送2.总线仲裁控制3.出错处理4.总线驱动三、总线数据传送数据来源部件2.数据目的地部件3.在时序信号的控制下，完成传送。4.有三种时序控制方法（详细见P149)①同步方式②异步方式③半同步方式四、总线的仲裁控制1.总线是多个部件共享的。但是在某个时刻只有一个总线主控部件控制总线。2.当有多个部件同时要求使用总线，则要一套机构确定谁来使用总线。3.根据总线控制部件的位置，总线仲裁控制可以分为集中式和分散式两大类。（P151）五、总线驱动及出错处理1.总线驱动总线设备上很多，每个设备都有功耗，要消耗总线的驱动电流。驱动不足时，要增加额外的驱动。2.出错处理：增加冗余数据，比如校验位。纠错能力六、总线的性能指标1.总线宽度指数据总线的宽度。单位：bit2.总线的带宽指总线上的传输速度。单位：MBytes/s3.总线的工作频率单位：MHz4.总线设备的数量5.4节常见的局部总线一、PCI总线(PeripheralComponentIntnetconnect)1.常规的系统总线。在局部总线出现之前，最常见主流系统总线是工业标准体系总线，ISA总线。（IndustryStandardArchitecture）注：它是随80286CPU的PC/AT机而出现的，最早称为AT总线，以区别于XT总线。注：ISA总线和PCI总线插槽外型注：PC机中CPU与外设的信息交换，主要通过系统总线进行。按设计惯例，新的设计必须和原有的设计保持向下兼容。这就带来了一个问题，老的总线限制了新的系统总线的性能发展。二、局部总线（PCI总线）１.Windows图形界面（GUI）的出现，导致了对总线性能的新要求。(体现在带宽要求）２.在CPU和传统的系统总线之间插入了一个中间层，由一个桥接电路来实现和CPU的连接。注：①局部总线将需要快速响应的部件，从主要的系统总线中取出，采用了33MHz的总线时钟，可以传输32或64位数据，相对于主要总线，它是一种局部总线。②常见的局部总线有两种a.VESA总线b.PCI总线③目前PCI总线有4个主要的标准规格，a.分别支持32位与64位，b.其下又细分成3.3V和5V两种信号。④PCI的含意是周边部件互连（PeripheralComponentInterconnect）。能让CPU以接近自身总线全速的速度访问各适配器。３.PCI总线的特点①32位的数据传输宽度。可扩展到64位。总线时钟频率为33MHz，传输速度可达132MB/S到264MB/S②③。。。（参见书上Page154相应内容）三、图形加速端口（AGP)1.为了提高图形（3D)和视频性能，在PCI总线的基础上改进得到的一种高带宽总线。2.早期有PCI接口的显示卡，但是1024x768x16的3D图形，纹理传输要200MB/s带宽，早期的PCI只能提供132MB/s的传输速度。3.AGP在电气特性和逻辑上与PCI不同。但仍然从北桥(NB)接入。结构图见P156图5.12注：1.AGP接口在主存和显示卡之间提供了一条直接的通道。使的3D性能PCI接口的显卡。2.AGPV1.0以PCIV2.1为基础，工作频率66MHz，电压3.3V，分为1X和２X模式，传输速率分别达到266MB/s和533MB/s。3.AGPV2.0，工作频率66MHz，电压1.5V，增加了4X模式，传输速率达到1066MB/s。5.5节外部设备总线一、通用串行总线（UniversalSerialBus）1.采用4芯电缆：①+5V外接的电源供电②GND地线③DATA数据信号线④CLK时钟信号线（采用同步方式）2.有USB1.1和USB2.0两个版本。主要是传输速度不同。分别为1.512MB/s和480MB/s3.USB的两大特点①具有热即插即用功能。②采用级联方式连接各外部设备。注：最多5个HUB级联，最长30米（5米x6)距离，127个外设。二、IEEE1394总线1.在AppleMac机器上的FireWire基础上发展起来的一种串行接口标准。2.主要用于高性能的消费性电子产品。3.出现在USB之前，早期的笔记本电脑上很常见。被认为是一种比较昂贵的高性能设备的接口。（注：现在几乎完全被USB击败）4.IEEE1394主要特点①有三种标准传输速率：a.100MB/sb.200MB/sc.400MB/s注：比较一下USB1.1的1.512MB/s，可以看出它当时的性能有多高。②不需要HUB就可以连接63台设备。可以用网桥将这些独立的子网连接起来。③支持异步和同步两种传输模式。④基于内存的地址编码方式。⑤采用点对点P2P(PeertoPeer)结构。设备可以直接相连，不需要计算机介入。⑥支持带电插拔和即插即用⑦使用6芯电缆：4根信号线，电源／地线或４芯电缆：4根信号线，无电源三、IDE接口和SCSI接口1.IDE接口：（又称ATA接口）①用于连接硬盘、软盘、光盘。②需要专门的适配卡，不支持高速的DMA传输，硬盘容量限制528MB。③扩展型IDE（又称EIDE).集成在主板的控制套片（Chipset)里。这样的主板有EIDE１,EIDE２两个接口，每个接口可连接2个硬盘（主/从）。并支持高速的DMA传输。硬盘容量无限制，由主板BIOS决定。④标准IDE（硬盘）使用40芯数据电缆。EIDE设备使用80芯电缆才能实现DMA66以上传输速度。注：新的、性能更好的串行ATA(又称SATA)，正在取代EIDE。附加补充：IDE数据传输方式：一、PIO方式：1.PIO0～PIO4（3.3MB/s～16.6MB/s）2.使用40芯电缆接口，硬盘最大容量528MB二、DMA方式：1.DMA0～DMA2（11MB/s～16.6MB/s）2.使用40芯电缆，硬盘最大容量8.4GB三、UDMA方式：1.UDMA3～UDMA6（33.3MB/s～133MB/s）2.使用80芯电缆，增加的40根是地线，用于和信号线交叉排列，增强抗干扰能力。3.通过特殊的扩展BIOS，可支持200GB以上的硬盘。2.SCSI接口①SCSI是指小型计算机系统接口，（SmallComputerSystemInterface)，②是早期的PC机为了使用某些高性能的设备而专门设计的接口。③需要用专门的SCSI适配卡，才能使用。现已经不多见了，在服务器上可以看到。第六章常用外部设备6.1节键盘一、键盘的工作原理及接口1.工作原理:①.键盘的结构:a.按矩阵排列开关键盘。b.单片计算机用于识别按下的键。c.键盘接口电路②单片计算机将扫描到的按键的位置码。转换成串行数据方式，送到键盘接口。2.键盘的接口：（P167图6.26.4)①AT键盘接口：②PS/2键盘接口：③USB键盘接口：3.键盘和扫描码①.键盘按下或释放时，分别产生两个扫描编码，称接通和断开码。（它们相差80H)。②单片机根据接通和断开码来得到扫描位置码。③有的按键可以用ASCII码表示，有的不行。那些没有ASCII码表示的键，用扫描位置码来表示。二、键盘的特点1.PC机上键盘最基本的键盘可分为83键、后来扩展到84/101/102/104/108键等。2.现在的键开关的都是导电橡胶结构。3.非固定编码方式键盘。6.2节鼠标一、鼠标的工作原理二、鼠标的类型1.机械式.光电式三、鼠标的接口：1.串行接口：2.PS/2鼠标接口：3.USB接口：6.3节显示器一、CRT显示器1.性能指标①尺寸和可视面积a.对角线长度，单位是英寸b.去除玻璃壳部分尺寸，实际可以看到的面积。②点距和栅距a.荫罩式：相邻的两个同色点之间的距离。b.荫栅式：平行光栅的间距③行频和场频a.水平刷新率：单位时间内扫描的行数b.垂直刷新率：单位时间内扫描的页数④像素和分辨率a.屏幕上每个发光的点。b.屏幕上的发光点的总数。⑤带宽a.单位时间内扫过的发光点总数。⑥扫描方式a.逐行扫描：b.隔行扫描：带宽不够，为了保证场频。⑦调节方式:模拟式和数字式二、液晶显示器(LiquidCrystalDisplay)1.当前主流的LCD是TFT-LCD.ThinFilmTransistorLCD2.性能指标①可视角度②亮度和对比度③响应时间三、数字光处理技术四、显卡1.显卡的主要组成部分：①图形处理器：GPU②视频RAM:又称显存（DDR/DDR2/DDR3)。供用户控制显示器屏幕上的内容。③视频BIOS:a.各种显示器的驱动控制子程序。④接口电路：a.与系统总线的接口：ISA,PCI,AGP.b.与显示器的接口：五、显示器接口1.VGA接口①15芯的D型插口，D15的信号定义见P176的表6.2。②最基本的信号是RGB、H和V，这５个模拟制式信号。2.DVI接口①数字视频接口(DigitalVideoInterface)②使用24＋４芯的D型插口。很多新的显示卡都配有DVI接口。③主要用于LCD显示器。6.4节打印机一、打印机的分类1.针式打印机2.喷墨打印机3.激光打印机二、打印机的工作原理针式打印机三、打印机的性能指标1.分辨率和打印头针数：喷墨用dpi(dotperinch)表示每英寸打印点数。针式打印头针数有9针和24针两种。2.打印宽度（针式）和打印幅面（喷墨和激光）：打印宽度指打满一行的字数（charperline，cpl）,一般为132cpl和80cpl。打印幅面有A4或A3等。3.打印机接口：早期有并行和串行两种接口。现在主要是USB接口。４.打印速度用每分钟打印的页数衡量。6.5节网卡一、网卡的工作原理(略）二、网卡的分类1.按网卡总线接口类型分类①ISA总线网卡:a.8位/16位宽度,10MB/s,b.CPU资源占用高，非即插即用。c.安装、配置困难。②PCI总线网卡a.32位/64位宽度,132MB/s,b.CPU资源占用低，即插即用。c.安装、配置容易。③USB接口网卡④PCMCIA接口网卡6.6节调制解调器6.7节扫描仪与OCR一、平板扫描仪1.工作原理：2.接口：①USB接口②并行接口③SCSI接口3.性能指标①感光元件：CCD或CIS②分辨率：600dpi或1200dpi③色彩位数：24位或48位④扫描幅面：A4或A36.8节高技术输入/输出设备一、数码相机DC二、全球定位系统GPS三、指纹识别系统四、语音识别原理。上课公用信息邮箱：上面有讲课PPTEmail:tju101@163.comPassword:tju101tju101第七章外部存储器7.1节磁盘存储器一、磁盘存储原理1.电磁原理①介质：a.塑料软片，磁头接触读写。b.铝合金片，磁头悬浮读写。②磁头：薄膜磁头。2.主要技术指标①记录密度②存储容量二、软盘驱动器1.软盘存储器概述①软盘片：1.44MB/3.5英寸a.面：两个磁头，双面b.磁道：18扇区/磁道，都是同心圆。c.扇区：512字节/扇区三、硬盘驱动器1.硬盘的基本结构和分类①盘片：铝合金涂磁性材料②磁头：薄膜磁头。③主轴电机及磁头定位系统④控制及接口电路注：主要类型是采用密封盘体的温盘。2.硬盘信息分布①磁头：多个盘片，多个磁头。②磁道（柱面）：③扇区：四、提高磁盘速度和存储量的主要技术。1.磁盘压缩2.文件压缩3.磁盘碎片整理7.2节光盘一、概述1.定义