工学讲义5计算机硬件1基本组成课件

Chapter5ComputerOrganization计算机组成Afterreadingthischapter,thereadershould

beableto:OBJECTIVES了解三种计算机硬件之间的区别；了解三种计算机硬件的功能；理解存储器寻址和计算方法；了解不同存储器之间的区别；理解输入输出设备是如何工作的。计算机的组成部分可以分成三大类（或子系统）；中央处理单元、主存储器和输入/输出子系统。CENTRALPROCESSINGUNIT

(CPU)中央处理单元5.1Figure5-2CPUCPU(CentralProcessingUnit)

中央处理器CPU是计算机控制和处理数据以产生信息的计算元件。在微型计算机中，是一块大约1.5英寸见方、封装有成千上万个晶体管的集成电路芯片，称为“microprocessor”（微处理器),简记MPU。Thearithmeticlogicunit(ALU)算术逻辑单元用于进行算术运算和逻辑运算。ALU算术逻辑单元1.算术运算最简单的一元运算是增量（加1）和减量（减1）运算。最简单的二元运算是加、减、乘、除运算。2.逻辑运算最简单的一元逻辑运算是非，最简单的二元逻辑运算是与、或和异或。Registers寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。CPU的运算离不开多个寄存器。如图所示Registers寄存器DataRegister数据寄存器:R1R2R3Instructionregister指令寄存器:IProgramCounter程序计数器:PC控制单元类似于人脑中控制身体各部分的区域。控制是通过线路的开（高电平）或关（低电平）来实现。主要功能是取指令、解释和翻译指令代码，并产生各种控制信号，完成指令需要完成的任务。控制器是在时钟控制下按一定的时间关系有序地工作。控制器分为组合逻辑控制器和微程序控制器。ControlUnit控制单元MAINMEMORY主存储器5.2主存储器：CPU的工作存储区主存储器又称“主存”或“内存”，或称RAM（随机存取存储器）。其功能有三项：存放将要处理的数据；存放数据处理用的程序指令；存放处理好的数据（有用的信息）以供输出。主存的大小决定了计算机能够运行的软件规模。足够的内存是组装计算机必须重点考虑的一个问题。主存具有易失性（volatile），即断电将丢失所存全部信息。所以要养成经常存盘的好习惯（如每隔3-5分钟存盘一次）。关于内存的几个重要概念CPU本身并不存放任何与系统管理或应用的程序或数据，只固化了一些与CPU进行简单二进制运算有关的指令。开机前所有与系统管理或应用有关的程序或数据，除了BIOS存放在主存储器的ROM芯片中，其余都存放在各种辅助存储器中。启动的过程，就是把辅助存储器上的操作系统核心程序调入内存的过程。运行软件的过程，就是把辅助存储器上软件程序调入内存并由CPU根据进入内存的程序指令逐条执行的过程。字长（WordSize）“字长”是CPU处理能力的重要衡量指标。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。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。当前市场上出售的个人计算机都使用32位的CPU，但是字长的增加是CPU发展的一个趋势。Intel的“安腾”和IBM的PowerPCG5都是64位的CPU。字长处理器的“能力”可以用“字长”表示。单位：位（bit）CPU的发展

40044位

8008-80808位

8028616位

80386～Pentium32位

Itanium64位总线、内存和寄存器亦可用字长来表示其“能力”。Figure5-3Mainmemory主存内存容量容量单位:

最小存储单位是Byte(字节)

个人计算机MB

大型计算机GB

超级计算机TB内存大小决定了程序运行的规模计算机内存主要是指RAM的大小Table5.1Memoryunits存储单位Unit

-----------kilobytemegabytegigabyteterabytepetabyteexabyteExactNumberofbytes

-----------------------210bytes220bytes230bytes240bytes250bytes260bytesApproximation

------------103bytes106bytes109bytes1012bytes1015bytes1018bytes内存容量的配置目前个人电脑新机的标准配置是128MB或256MB。部门级网络服务器的标准配置一般应不小于512MB。企业级网络服务器的标准配置一般为1～2GB。大型机和某些超级计算机的内存一般以GB为单位。大部分超级计算机的内存以TB为单位。单片机的内存一般以kB为单位。5.2.1地址空间每一个存储单元都有惟一的标识符成为地址。所有在存储器中可标识的独立地址单位的总数称之为地址空间。例如，一个64K字节，字长为1字节的存储器的地址空间的范围为0到65535。存储地址用无符号二进制整数定义。

Note:Example1一台计算机有32MB(megabytes兆字节)主存（内存）。需要多少位来寻址内存中的任意一个字节?Solution内存地址空间是32MB,即225(25x220).这意味着需要

log2225

即25位来标识每一个字节。Example2一台计算机有

128MB内存。计算机字长为8字节，需要多少位来寻址内存中的任意一个字节?Solution内存地址空间是

128MB（227）。但是，每个字是8（）字节，那也意味着需要

个字，也就是

log2224

即24个位来标识每一个字。两种类型：

RAMandROM.1.RAM(randomaccessmemory):(1)RAM用户可读写。(2)RAM是volatile易失的。5.2.2存储器类型RAM保存CPU正在执行的程序和数据，是计算机中所谓“临时的”或“易失的”存储区域。之所以称为暂存区域，是因为当计算机断电后，它所存放的内部会全部丢失：就象教师上课所用的黑板。SRAM和DRAM1）SRAM静态RAM技术是用传统的触发器门电路（有0和1两个状态的门）来保存数据。当通电时数据始终存在，不需要刷新，SRAM速度快但价格昂贵。2）DRAM动态RAM技术使用电容器。如果电容器充电，则这时的状态是1，如果放电状态是0。因为电容器随时间而漏掉一部分电，所以内存单元需要周期性地刷新，DRAM速度慢，但是便宜。主板上的重要芯片：CMOSCMOS芯片：CMOS是电脑主板上的一块可读写的SRAM芯片，用它来保护当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。现在的厂商们把CMOS程序做到了BIOS芯片中，当开机时就可按特定键进入CMOS设置程序对系统进行设置。所以又被人们叫做BIOS设置。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。如果主板上没有CMOS芯片，每次开机时都要重新设置机器的各项工作参数，如日期、硬盘参数、键盘响应、节能方式、即插即用等等。主存使用CMOS（互补金属氧化物半导体）技术制造。常见类型有——DRAM(动态随机存取内存）六年前最流行,72线通常使用一个晶体管和一个电容器来代表一个比特，通过不断充电刷新保持数据。SDRAM(同步动态随机存取内存)三年前最流行,168线，数据传输速度可以快到和CPU的时钟频率同步。常见SDRAM有PC-100和PC-133，数字表示其时钟频率。DDR(双倍速率SDRAM)当前正流行

DDR内存又分成很多型号：DDR266、DDR300、DDR333和DDR400。新的DDR-III内存将拥有400-、533、667MHz等不同的时钟频率，高端的DDR-II内存据称甚至将拥有800和1000MHz两种频率。

2ROM(只读存储器)芯片

与RAM中保存的内容会被不断写入和擦除的情况不同，而ROM（又称为“firmware”,固件）中保存的内容不会被用户修改。换言之，RAM用于暂存用户程序提供的信息，而ROM用于永久保存硬件制造商提供的程序：就象老师上课所用的书本。ROM中保存的内容不会因系统断电而丢失，通常保存的是与键盘、磁盘和显示器等硬件有关的基本操作指令。ROM:(Read-onlymemory)(1)用户只能读不能写。(2)ROM非易失性。PROM:EPROM:EEPROM:MemoryTypesROM的三种变型…PROM（可编程只读存储器）空白芯片，用户可使用特殊的设备将程序内容一次性写入其中，之后便永久保存不可修改。EPROM（可擦除型PROM）同PROM，但写入的内容可以通过紫外线擦除后重写。EEPROM（电可擦除型PROM）同上，但写入的内容可通过电脉冲擦除后重写。与EPROM相比，优点是改写时不必将芯片从计算机上拆下，而且可以通过键盘操作重新写入新的内容，而不需要特殊的可编程设备。Figure5-4Memoryhierarchy存储器的层次高速缓冲存储器(Cache)

一种特殊的高速RAM。由于CPU直接存取的内存容量越来越大，且工作速度越来越快，通常可达到几亿分之一秒的时间执行一条指令的水平，而RAM的工作速度一般是千万分之一秒读取一次。为此，人们在CPU和RAM之间使用cache来解决CPU与内存之间速度不相匹配的矛盾。Cache对提高CPU的性能影响极大，同类型标准CPU和赛扬型CPU的主要区别就在于CPU中配备的cache存储器大小不同。CPU内部的cache存储器称为“片内cache“。现代CPU内部一般都有二级的片内cache。Figure5-5Cache实际上cache是计算机中用于解决各个部件间存取速度不匹配的一种高速缓冲技术。计算机系统一般都采用多级存储器结构，如寄存器、主存、磁盘、光盘、磁带等。这种多级存储器的特点是从外存储器到CPU中的寄存器逐级向上，存储容量逐级减小，而存取速度逐级提高。由于上下两级存储器的速度可以相差l～2个数量级或者更高，因此，上一级和下一级存储器的数据交换常常成为系统瓶颈，大大降低了系统的性能。为了解决这个问题，通常采用的办法是在两级存储器之间增加一个高速缓冲存储器Cache。

Cache原理所谓Cache是一个速度等于或者接近上一级存储器访问速度的小容量存储器，其中保存了下级存储器中部分当前所需的数据，因此CPU可以直接从Cache中取得所需的数据，而不必访问下一级存储器。由于Cache的速度与上一级存储器相当，因此保证了系统效率不会降低。Cache的设计依据是程序存取局部性原理，通常程序存取的一批数据总是存放在存储器相邻的单元中，只要把这一批数据同时调入cache中，即可保证近期内需要的数据都能在Caclle中访问成功。

现代cache系统现代的Cache系统常常采用分级组织的方法，在CPU中集成了一级Cache(L1)，也称为片内Cache；在主板上配置二级Cache(L2)。CPU中的片内Cache虽然容量较小，但是能够以CPU相同的工作频率工作，因此速度极快。一般情况下在L1未命中时，才在L2中查找。从赛扬处理器开始，已经普遍把L2集成到CPU内部了。这时相应的主板上的二级缓存就成为“三级”缓存了

硬盘cache为了匹配硬盘和主存在数据传送速度上的矛盾，微机系统中毫无例外地采用了硬盘高速缓存，或称为硬盘Cache。硬盘高速缓存分为两种：硬件高速缓存和软件高速缓存。软件高速缓存是利用软件工具(如SmartDrive)在系统主存中开辟的一块区域作为数据传送缓冲区，硬件高速缓存则是在磁盘控制器中安装的一块RAM，通过RAM缓冲区读写数据可以得到更高的访问速度。早期硬盘中的cache很小，只有数十KB到数百KB，目前新型硬盘的高速缓存均达到2MB。在选购硬盘时除了注意容量、带宽、转速等参数外，还应该考虑Cache的容量，越大越好。

KeytermsMainmemory(主存储器)：存储单元的集合。Address(地址)：用来区别每一个存储单元的唯一的标识符。Addressspace(地址空间)：所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数。Bitpattern(位模式)：由二进制数0和1组成的一个序列。KeytermsRandomaccessmemory(随机存取存储