计算基础技术及导论 13

项目2硬件基础与体系结构知识目标1）熟悉数字电路的基础知识，熟悉内存的基本概念，熟悉不同内存的各自功用。2）熟悉计算机中央处理器以及微处理器的基础知识，了解什么是多核处理器。3）熟悉计算机输入/输出以及微控制器的基础知识。学习目标思政元素在硬件基础与体系结构课程中融入思政教育元素，旨在培养学生的全面发展，不仅教授技术知识，而且引导学生形成正确的价值观。以下是一些具体的融入方式：在本项目内容的教学中，不仅传授技术知识，还帮助学生在专业成长的同时，形成正确的世界观、道德观、人生观、价值观和社会责任感。学习目标（1）科技伦理教育：计算机硬件设计、制造过程时，讨论环保材料的使用、电子废弃物处理等，强调绿色设计和可持续发展的重要性，培养学生对环境的责任感。（2）创新与工匠精神：通过介绍硬件发展历程和关键技术突破，激发学生的创新意识和对工匠精神的尊崇，鼓励他们追求卓越，勇于探索未知。（3）国家安全意识：强调硬件安全对国家安全的重要性，比如芯片自主可控、供应链安全等，培养学生维护国家信息安全的责任感和防范意识。学习目标（4）法治观念：结合国内外硬件侵权、技术专利保护的案例，讲解知识产权的重要性，教育学生尊重和保护知识产权，遵守法律法规，培养守法意识。（5）社会服务意识：探讨计算机硬件在社会服务、公益项目中的应用，如医疗设备、教育信息化、灾害预警系统等，鼓励学生思考技术为社会进步贡献力量，增强服务社会的责任感。（6）职业伦理与道德：强调硬件工程师诚实守信、尊重用户隐私、公平竞争的职业道德，培养学生良好的职业操守。学习目标学习难点1）虚拟内存。2）中央处理器性能。学习目标计算机体系结构是指计算机系统的设计和构造。按冯氏定义，计算机的基本组成部件可以分为三大类（或子系统），即中央处理单元（CPU，又称处理器，主要包括运算器、控制器）、主存储器（内存）和输入/输出设备。

图2-1计算机硬件基本结构项目2硬件基础与体系结构01数字电路02内存03中央处理器04输入输出目录/CONTENTS05微控制器PART01数字电路大部分的现代计算机都使用电作为能源，并且使用电信号和电路进行数据的表示、处理和移动。如下图所示，模拟信号是随时间连续变化的信号，处理模拟信号的电路就是模拟电路。数字信号是随时间不连续变化，而是离散变化的信号，处理数字信号的电路就是数字电路。数字电路利用电源电压的高电平和低电平分别表示1和0，进而实现信息的表达。图2-2模拟与数字信号2.1数字电路观察计算机系统的内部结构，它通常包含电路板、电源以及存储设备等单元。一些线缆把这些单元连接起来。相对于图示的台式机机箱，笔记本电脑内部的部件被压缩得很紧密，但各种计算机的主要部件都很类似。图2-3小型机箱内部结构2.1数字电路计算机内部的大部分电子部件都是集成电路（IC），这是一个充满了微小电路器件如电线、半导体、电容和电阻等的很薄的硅晶片，一个小于1/4in2的集成电路芯片可以含有超过一百万个微小的电路器件。通常集成电路芯片被封装在陶瓷陶瓷材料（其他还有塑料、金属和复合材料等）中，通过引脚与其他计算机部件相连。2.1.1集成电路主板是电脑中最重要的部件之一。在计算机内部，芯片都被安装在主电路板上。仔细观察会发现有些芯片是焊接在主板上的，而另外一些芯片则是插在主板上的。焊接的芯片是永久连接的，而那些能插拔的芯片则可以在需要的时候进行升级。2.1.2主板台式计算机的主板上要容纳处理器、内存条和基本输入输出处理芯片等，大致由以下几个部分组成：CPU插槽、内存插槽、高速缓存局域总线和扩展总线、硬盘、软驱或光驱、串口、并口等外设接口、时钟和CMOS主板BIOS控制芯片等。通常，购买主板部件是不包括CPU和内存的。主板上安装的CPU类型不同，采用的CPU的插座（槽）也就不同，主板的一个划分方法就是按CPU插座（槽）的类型进行的。2.1.2主板通常，计算机中的数据通过数据总线从一个位置移动到另外的位置，数据总线由一系列的连接主板上不同电子器件的电子线路组成。总线包含数据线和地址线。数据线传送表示数据的信号，地址线传送数据的地址，计算机依赖这个地址来寻找需要处理的数据。2.1.3数据传输PART02内存在计算机中，与处理器直接相连的存放数据的器件称为内存，内存用来保存数据和程序指令。主要有四种类型的内存，即随机存取存储器（RAM）、虚拟内存、CMOS存储器和只读存储器（ROM），它们根据保存的数据类型和使用的存储技术来分类。此外，不直接与处理器相连的介质如磁盘称为外存。2.2内存RAM是计算机系统单元内在处理前后临时性保存数据的区域。例如，当输入一篇文档时，输入的字符并不是立刻就得到处理，它们被保存在RAM中，只有当需要的时候，例如打印，才通过软件对它们进行处理。在RAM中，微型电容电子部件保存着使用ASCII、EBCDIC或二进制编码表示的数据的电信号。可以形象地把电容想象成可以打开和关闭的灯泡，充电的电容表示on，放电的电容表示off。每排电容有8位（1个字节），每排RAM地址可以帮助计算机定位这一排数据。2.2.1随机存取存储器（RAM）从某种意义上讲，RAM就像一个黑板，可以在黑板上写数学公式，擦除它们，再在上面写一个报告的大纲……。与之相似，使用电子表格的时候，RAM可以保存使用的数字和公式，当使用文字处理软件写文章的时候，RAM会保存用户的文章内容。可以通过改变电容的状态来改变RAM的内容，所以它是一个可重复利用的计算机资源。与硬盘不同，绝大部分的RAM都是不持久的。换句话说，如果计算机关机或者掉电，保存在RAM中的数据就会立刻丢失。2.2.1随机存取存储器（RAM）RAM保存了等待处理的数据以及将要用于处理数据的指令。例如，当使用理财软件来结算账目时，输入要处理的数据，它们被存放在RAM中；理财软件发出处理RAM中这些数据的指令，处理器使用这些指令来处理这些数据，并将结果送回RAM。通过RAM，可以将结果存到磁盘上、显示或打印出来。除了处理数据和软件指令外，RAM还存放控制计算机系统基本功能的操作系统指令。这些指令在每次启动计算机的时候被加载到RAM中，一直到关机才消失。2.2.1随机存取存储器（RAM）RAM的存储容量用MB来衡量，通常都有几个GB（1GB=1024MB）。通常计算机软件运行时所需要的最小内存容量都会有所说明。用户可以根据自己机器的情况，通过购买额外的RAM芯片来扩充其内存容量。RAM的速度非常重要。处理器一般以很高的速度在工作，但如果它要等待从RAM中读取数据的话，就会导致速度下降。2.2.1随机存取存储器（RAM）RAM通常被配置为固定于小电路板上的一系列芯片上，插在主板上特殊的RAM插槽中，这样就可以很容易地替换有缺陷的RAM或者添加RAM容量。2.2.1随机存取存储器（RAM）计算机可以通过使用硬盘空间来扩充内存，这种模拟内存的能力被称为虚拟内存。虚拟内存使没有足够实际内存的计算机能运行大的程序、操作大的数据文件，以及实时地运行复杂程序。因为磁盘是机械设备，因此计算机从虚拟内存中检索数据的运行速度不如RAM快。虚拟内存中的数据在计算机掉电时也无法访问。因为，虽然在掉电时虚拟内存中的数据并不会从磁盘上删除，但是指导计算机定位虚拟内存的指令存储在RAM中，在掉电时会丢失。2.2.2虚拟内存存放在ROM中的指令是永久性的，要改变这些指令只有将ROM芯片从主板上取出，使用另外的芯片来替换。当打开计算机时，CPU得到电能，开始准备执行指令。在ROM中保存了一个称为ROMBIOS（基本输入输出系统）的小型指令集合，BIOS中的指令告诉计算机如何访问磁盘驱动器和其他外围设备。CPU执行ROMBIOS中的指令来搜索磁盘上的操作系统主文件，并把这些文件调入RAM中，进行后面的计算工作。2.2.3只读存储器（ROM）计算机在将操作系统文件从硬盘复制到RAM后，准备好处理数据。而有了硬盘的格式化信息（如硬盘的柱面和扇区数目等）后，计算机才能访问硬盘上的数据。由于有可能对硬盘进行升级或者维护，所以不能把硬盘信息等存放在ROM中，必须使用一种灵活的特殊内存来保存引导数据，保存信息的时间比RAM长，但又可以更改，这就是CMOS（互补金属氧化物半导体）存储器，它只需要极少的电能就可以保持其中的数据。2.2.4

CMOS和EEPROM由于耗电量极低，CMOS芯片利用集成在主板上的电池供电，即使在关机后，数据也不会（或者说不易）丢失。正因为如此，位于ROMBIOS芯片载体中的CMOS保存着计算机系统配置等重要数据。很多计算机都有即插即用的特征，当系统配置改变后，例如换了新的硬盘或者扩充了更大的内存等，CMOS中的数据会自动更新。2.2.4

CMOS和EEPROM由于CMOS技术需要用电以维持其中的信息，逐渐地，EEPROM技术取代了CMOS。EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）是一种非易失存性芯片，它不需要电力就能存放数据。在更改计算机系统的配置（例如添加内存）时，EEPROM上的数据会被更新。一些操作系统能识别这种更改并自动完成更新。在计算机引导时按下F1键可以访问EEPROM设置程序。2.2.4

CMOS和EEPROM在存储器中存取每个字都需要有相应的标识符。尽管程序员使用命名的方式来区分字（或一组字的集合），但在硬件层次上，每个字都是通过地址来标识的。所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称为地址空间。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。2.2.5地址空间PART03中央处理器计算机使用一系列电信号表示数据，使用数据总线传输数据，使用内存保存数据。但计算机的主要工作是处理数据，即执行算术运算、排序、制作文档等。中央处理器（CPU）是计算机中执行处理数据指令的器件。CPU从RAM中接收数据和指令、处理这些指令，再将处理结果送回到RAM中，处理结果可以显示和存储起来。2.3中央处理器以前，计算机的CPU非常庞大、不可靠，而且要使用大量的电能。1944年制造的ENIAC计算机，有20个处理单元，每个处理单元有2in宽，8in高，CPU的尺寸用英尺来计量。可是，今天的处理单元使用毫英寸（0.001in）来度量。大型机CPU通常包含许多集成电路和电路板，而微机CPU是一个称为微处理器的集成电路，由三部分组成：运算逻辑单元、控制器和寄存器，分别执行处理数据的特定任务。2.3.1

CPU体系结构运算逻辑单元（ALU，又称算术逻辑单元或运算器）执行加减等算术操作，以及比较数据是否相等这些逻辑操作。ALU使用寄存器来保存等待处理的数据。在运算中，算术操作或逻辑操作的结果暂时存放在累加器中。数据可以从累加器被发送到RAM，或者被进一步处理。2.3.1

CPU体系结构在CPU控制器的协调和控制下，运算器得到数据，并得知要执行的是逻辑运算还是算术运算。控制器使用指令指针来跟踪要处理的指令顺序。借助于指令指针，控制器顺序地从RAM中取出每个指令，并将它们放到特殊的寄存器——指令寄存器中。然后，控制器翻译指令以决定要实现的操作。按照指令解释，控制器向数据总线发送信号，从RAM中取数据，并发送信号到运算器进行处理。2.3.1

CPU体系结构控制器在很大程度上影响着处理器的处理效率，它要执行一系列的指令。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。寄存器包括数据寄存器、指令寄存器和程序计数器等。2.3.1

CPU体系结构计算机通过执行一系列简单的步骤（指令）来完成一个复杂的任务。指令控制着计算机执行特定的算术、逻辑或控制运算。一条指令可以分为两部分：操作码和操作数。操作码就是一个类似累加、比较或跳转等操作的控制字。指令的操作数给出了需要处理的数据或数据的地址。例如，在JMPM1指令中，操作码是JMP，操作数是M1。JMP意思是跳转到另外一条指令，M1是将要执行的指令的内存地址。指令JMPM1只有一个操作数，也有很多指令会有多个操作数，例如：指令ADDREG1REG2就包含了两个操作数：REG1和REG2。2.3.2指令与指令周期CPU可以执行的指令集合称为指令集，计算机要执行的任务必须由指令集中有限的指令通过组合而得到。“指令周期”是指计算机执行一条指令的过程。每当计算机执行一条指令时都会重复指令周期。指令周期中的步骤是：①获取指令，②解释指令，③执行指令，④指令指针加1。表2-1给出了一个简单的指令集，计算机使用这些指令来完成所有的任务。2.3.2指令与指令周期表2-1简单指令集2.3.2指令与指令周期集成电路技术是制造计算机CPU的基本技术，它的发展使计算机的速度和能力有了极大的改进。1965年，英特尔（Intel）公司的创始人戈登·摩尔提出了著名的“摩尔定律”，他预测芯片上的晶体管数量每隔18~24个月就会翻一番。让所有人感到惊奇的是，这个定律非常精确地预测了芯片30年的发展。1958年第一代集成电路仅仅包含两个晶体管，但是1999年奔腾III处理器已经包含了950万个晶体管，而2008年酷睿45纳米7200处理器集成的晶体管数量已经达到4.1亿个。2.3.3

CPU的性能因素集成的晶体管数量越大，就意味着芯片的计算能力越强。各种CPU的速度不一样，它受到以下几个因素的制约，即时钟频率、字长、高速缓冲存储器，以及指令集的大小。当然，使用高性能CPU的计算机系统并不意味着它在各方面都能够提供较高的性能。计算机系统也有它的薄弱环节，即使计算机配备了高性能CPU，但如果硬盘速度很慢、没有高速缓冲，且RAM容量小，则执行某些任务也会很慢。2.3.3

CPU的性能因素（1）时钟频率。计算机有一个系统时钟。与保存日期和时间的“实时时钟”不同，系统时钟用来定时发出脉冲，以控制所有系统操作的同步（节奏），设置数据传输和指令执行的速度或频率。系统时钟的频率决定了计算机执行指令的速度，限制了计算机在一定时间内所能够执行的指令数。衡量时钟频率的单位是兆赫（MHz）。最初IBMPC的微处理器的时钟频率是4.77MHz。CPU的时钟频率越高，就意味着处理速度越快。2.3.3

CPU的性能因素（2）字长。是CPU可以同时处理的位数，由CPU寄存器的大小和数据线个数所决定。例如，字长为32位的CPU被称为32位处理器，它的寄存器是32位的，可以同时处理32位数据。字长较长的计算机在一个指令周期中要比字长短的计算机处理更多数据。单位时间内处理的数据越多，处理器的性能就越高。2.3.3

CPU的性能因素（3）高速缓冲存储器。这个特别的存储器是影响CPU性能的另一个因素。由于CPU的速度非常快，所以它的大部分时间都在等待与RAM传送数据。使用高速缓冲存储器可以使CPU一旦请求就可以迅速访问到数据。图2-7高速缓冲存储器2.3.3

CPU的性能因素当启动某个任务的时候，计算机预测CPU可能会需要哪些数据，并将这些数据预先送到高速缓冲存储器区域。当指令需要数据的时候，CPU首先检查高速缓冲存储器中是否有需要的数据，如果有，就从高速缓冲存储器中直接读取而无须访问RAM。在其他条件相同的情况下，高速缓冲存储器越大，处理速度就越快。2.3.3

CPU的性能因素（4）指令集的复杂性。随着计算机指令集的扩充，程序员开始使用越来越多的复杂指令，这些指令占用很多内存空间，执行它们所需要的时钟周期也更多。基于使用复杂指令集的CPU的计算机被称为复杂指令集计算机（CISC）。2.3.3

CPU的性能因素1975年，IBM的一位科学家约翰·科克发现微处理器中的大部分工作实际上只需要指令集中的一小部分就可以完成。进一步研究发现，只要CISC的20％的指令就可以完成80％的工作。科克的研究结果导致了精简指令集微处理器（RISC）的开发。精简指令集计算机的指令数量有限，但是这些指令的执行速度很快。因此，在理论上，RISC计算机要比CISC计算机快。2.3.3

CPU的性能因素单处理器的计算机以串行方式执行指令，也就是说一个时刻只执行一条指令。通常处理器必须完成指令周期中的四个步骤后才执行下一条指令。使用流水线技术，处理器就可以在完成上一条指令前开始执行另外一条指令，加快了处理速度。图2-8流水线允许计算机同时处理多条指令2.3.4流水线和并行处理有多个处理器的计算机可以同时执行多条指令，并行处理方式增加了计算机单位时间内可以完成的任务。能够执行并行处理的计算机称为并行计算机。串行操作每次执行一条指令，流水线计算机在处理完一条指令之前就开始处理下一条指令，并行处理则可以同时执行多条指令。2.3.4流水线和并行处理英特尔公司是当今世界上最大的芯片制造商。1971年，英特尔公司推出世界上第一个微处理器4004。英特尔的8088处理器曾为早期的IBMPC机带来了强大性能，此后，英特尔不断推出为多数计算机生产商所选用的微处理器。AMD是英特尔在芯片市场上最大的对手，通常AMD处理器要比同性能的英特尔处理器便宜，而且在某些方面会有一些性能优势。通常当要进行计算机三维动画游戏、桌面出版、多曲目声音录制和视频编辑等需要大量使用微处理器的应用时，要考虑使用高端、更快的处理器。2.3.5现代微处理器虽然对计算机的微处理器进行升级在技术层面上说是可行的，但是很少有人这样做。因为只有计算机中所有部件都以高速工作时，微处理器才能达到较高功效。有时我们会听说“超频”技术。超频是指提高计算机部件（如处理器、显卡、主板或内存）速度的技术。在超频成功后，能将较慢的部件的处理能力提升到与速度更快、价格更贵的部件相当。希望榨取计算机所有处理速度的游戏玩家就会对计算机进行超频。但是，超频具有风险，加在部件上的额外的电能也会产生更多的热量，甚至可能因过热而引起火灾。2.3.5现代微处理器所谓双核处理器，简单地说，就是在一块CPU基板上集成两个处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来，从而提高计算能力。

图2-9双核之间协调工作2.3.5现代微处理器双核心并不是一个新概念，而只是CMP（单芯片多处理器）中最基本、最简单、最容易实现的一种类型。CMP最早是由美国斯坦福大学提出的，其思想是在一块芯片内实现SMP（对称多处理）架构，且并行执行不同的进程。其实在RISC处理器领域，双核心甚至多核心都早已经实现。之所以推出双核心处理器，最重要的原因是原有的单核处理器的频率难于提升，性能没有质的飞跃。2.3.5现代微处理器多核处理器是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎（内核），此时处理器能支持系统总线上的多个处理器，由总线控制器提供所有总线控制信号和命令信号。多核技术的开发源于工程师们认识到了处理器产生的热量，其性价比也令人难以接受。2.3.5现代微处理器PART04输入输出购买计算机并使用一段时间之后，用户就会关心如何对它进行升级，从而可以不断扩展它的能力。而理解了计算机系统的输入/输出（I/O），就会了解如何对其进行扩充。I/O的主要功能就是为微处理器搜集数据（输入），并将处理结果送到显示器、打印机或存储设备等（输出）。2.4输入输出数据总线一般在RAM和CPU之间传输数据，其在RAM和外围设备之间传输数据的路段被称为扩展总线。I/O通常包括了扩展总线、扩展槽、扩展卡、端口和电缆上移动数据等内容。2.4输入输出用于显示文本和图像的计算机显示设备（显示器）通常属于输出设备。然而，触摸屏属于输入和输出设备，因为它们能接收输入并显示输出。液晶显示器（LCD，图2-11）通过过滤经过一层液体晶状单元的光线产生图像。与昔日的CRT显示器相比，现代的LCD技术减小了显示器的大小和重量，并且更加易于阅读。LCD是笔记本电脑的标准设备。独立的LCD称为“LCD显示器”或“平板显示器”。LCD显示器的优点是显示清晰、辐射低、便于移动且结构紧凑。2.4.1显示器图2-11LCD显示器（左）和LED显示屏2.4.1显示器透过LCD的光的来源被称为背光。在标准LCD显示器中，光源通常是一些冷阴极荧光灯管，但这种灯管不环保。现在，背光技术正逐渐被低功耗的发光二极管（LED）所替代，即LED显示器。显示设备可以装备NTSC（美国国家电视标准委员会）或HDTV（高清晰电视）线路，这样就可以从天线或电缆中接收电视信号了。这项技术让用户能在计算机桌面和电视之间切换，使用分割屏幕或画中画的形式在同一显示设备上同时观看计算机数据和电视节目。2.4.1显示器显示器的图像质量取决于屏幕尺寸、点距、视角宽度、响应速率、分辨率和色深。屏幕尺寸是从屏幕的一个角到其对角的长度，用英寸度量。屏幕的尺寸各异，小至上网本的11英寸，大到家庭娱乐系统的60英寸甚至以上（1英寸等于2.54厘米）。点距是度量图像清晰度的一种方式。点距越小意味着图像越清晰。从技术角度来讲，点距是带有颜色的像素点之间的距离，点距以毫米为单位，而像素是形成图像的小光点。现在显示设备的点距一般为0.23~0.26毫米。2.4.1显示器显示设备的视角宽度指出了观察者在距离显示器侧面多远的地方仍能够清晰地看到屏幕图像。有了170度或更大的视角宽度，就可以在不妨碍图像质量的情况下从多种位置观看屏幕。响应速率是指一个像素点从黑色变为白色再变回黑色所需的时间。有着较快响应速率的显示设备在显示运动物体时图像也很清晰，基本不会出现模糊或“拖影”现象。响应速率是按毫秒（ms）度量的。对游戏系统而言，响应速率要在5ms或者以下。2.4.1显示器显示器可以显示的颜色数量称为色深或位深。大多数PC机的显示设备能显示数百万种颜色。将色深设为24位（有时称为“真彩色”）时，PC机可以显示1600多万种颜色．并且可以产生被视为照片级质量的图像。屏幕分辨率是指显示设备屏幕上水平像素和垂直像素的总数目。标准分辨率是为4:3的宽高比（宽度略大于高度）优化的。而宽屏显示器的宽高比是16:9，在其称号中会带有W字样。HDTV广播系统使用的分辨率是1280×720（720p）或1920×1080（1080p）。为了HDTV兼容性，请确保自己的计算机显示器能兼容这些分辨率。2.4.1显示器分辨率越高，文本和其他对象就显得越小，而计算机就可以显示更大的工作区，比如整页文档。分辨率越低，文本就显得越大，不过工作区就会更小。放大的文本有时候看起来会很模糊，因为需要一排像素点显示的字母现在可能需要更多像素点来填充了。大多数显示器都有推荐分辨率，在该分辨率下图像和文本是最清晰的。2.4.1显示器除了显示器外，计算机显示系统还需要用图形电路生成用来在屏幕上显示图像的信号。“集成图形”是一种内置在计算机主板上的图形电路。第二种选择是独享图形，就是位于小型电路板上、被称为图形卡（显卡、视频卡）的图形电路。

图2-12显卡是插在主板上的小型电路板2.4.1显示器显卡一般会含有图形处理单元和专用的视频内存（显存）。显存可以存储正在处理而未被显示的屏幕图像。大量的显存是进行快速的动作游戏、三维建模和图形密集型桌面出版时快速更新屏幕的关键。除了显存外，多数的显卡还含有专用的图形加速器技术以增强其性能。2.4.1显示器在主板上，扩展总线终止于扩展槽。扩展槽是主板上用于固定扩展卡并将其连接到系统总线上的插槽。扩展卡是一些小型电路板，能够向计算机提供控制存储器、输入或者输出设备的能力，这是一种添加或增强电脑特性及功能的方法。例如，如果不满意主板整合显卡的性能，可以添加独立显卡；不满意主板所集成声卡的音质，可以添加独立声卡以增强音效。计算机中空的扩展槽的类型和数目表明了它的扩充能力。扩展卡是为特定类型的插槽设计的。如果计划添加或者升级计算机中的某类卡，必须首先确保计算机的插槽与希望安装的卡的类型相匹配。2.4.2扩展端口和电缆要将外围设备和扩展卡连接起来，只需将连接外围设备的电缆