计算机硬件体系结构

1、计算机系统由两部分组成，一部分是存储数据并执行各种操作和处理的电子设备，称为计算机硬件；另一部分是指导计算机逐步完成任务的指令序列，称为计算机软件。本章介绍计算机硬件体系结构的基本知识。包括计算机系统的组成；微机主机结构；外部记忆；公共外部设备；并简要介绍了计算机教学系统。第三章，计算机硬件体系结构，3.1计算机系统的组成一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统组成。计算机的硬件系统一般由五部分组成：运算单元、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中，中央处理器(简称中央处理器)=运算单元控制器主机=中央处理器主存储器软件是指各种程序和数据，而计算机软件包括计算机本身所需的系统软件和用户完成任

2、务所需的应用软件。3.1计算机系统组成3.1.1计算机硬件系统3.1计算机系统组成冯诺依曼计算机预先在存储器中存储程序和数据，以便计算机在工作时能自动从存储器中取出指令并执行它们。根据冯诺依曼的计算机体系结构，在执行程序和处理数据时，程序和数据必须先从外部存储器装入主存储器，然后计算机才能自动从存储器中取出指令并在工作时执行它们。这是存储程序概念的基本原则。3.1.2冯诺依曼计算机的结构，3.1计算机系统的结构，以及典型的计算机硬件体系结构如下：3.1计算机系统的结构，冯诺依曼计算机体系结构的主要特点是：(1)程序和数据以二进制形式表示。(2)计算机硬件由五部分组成：运算单元、控制器、存储器、

3、输入设备和输出设备。(3)程序和数据以二进制形式存储在存储器中。(4)控制器根据存储在存储器中的指令(程序)工作。微型计算机的诞生和发展微型计算机属于第四代电子计算机产品，即大规模和超大规模集成电路计算机。微型计算机和其他类型的计算机没有本质的区别。不同的是，微机将计算机硬件系统的两个核心部分，即运算单元和控制器，集成在一个集成电路芯片上，即中央处理器。根据处理信息的字长，中央处理器分为4位或8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器和64位微处理器。目前，微机的中央处理器一般是32位或64位处理器。3.1、计算机系统结构，3.2微机主机结构，微机基本上由显示器、键盘和主机组成。主机箱中有中

4、央处理器、主板、硬盘驱动器、光驱、软盘驱动器、电源、显示适配器(显卡)等。3.2微机主机结构、3.2.1中央处理器中央处理器中央处理器运算单元组件、寄存器组件和控制器组件。中央处理器的主要性能指标：(1)主频率/外部频率(主频率=外部倍频，即中央处理器工作频率)；(2)数据总线宽度(即字长，指中央处理器传输的数据位数)；(3)地址总线宽度(它决定了中央处理器可访问的地址空间)；(4)工作电压(低电压可以减少中央处理器过热，降低功耗)(5)高速缓存(加速中央处理器和其他设备之间的数据交换)(6)操作速度(中央处理器每秒可以处理的指令数)，3.2微机主机结构，1。算术单元算术单元是完成算术和逻辑运

5、算的组件，也称为算术和逻辑运算单元。计算机完成的所有操作都是在算术单元中完成的。算术单元的核心组件是： (1)算术逻辑单元(2)寄存器单元。2.控制器负责从存储器中取出指令，对指令进行解码，并根据解码结果按照指令的顺序向其他组件发送控制信号，以保证所有组件协调完成各种操作。3.2、微机主机结构，控制器主要由以下部件组成：程序计数器。将下一条要执行的指令的地址存储在存储器中；指令寄存器。在指令执行期间保存当前正在执行的指令；指令解码器。用于识别指令的功能和分析指令的操作要求；顺序组件。生成计算机工作所需的各种时序信号，以协调各部件的工作顺序；微操作控制电路。指令的执行可以分解成一系列微操作。3.

6、2微机主机架构，3.2.2高级中央处理器技术双核中央处理器技术：由于构建双中央处理器系统的高成本和复杂性，台式计算机尚未普及。借助“双核”技术，两个物理运行内核真正集成在一个CPU中，每个内核都使用自己独立的缓存。因此，在实际使用中，这种“双核处理器”与由两个独立的处理器构成的系统在工作原理和性能上基本没有区别。3.2微机主机结构，3.2.3主板，主板是计算机中各种设备的连接载体。它为硬盘、软盘驱动器和光盘驱动器提供中央处理器、各种接口卡、存储芯片和插槽。其他外部设备也将通过主板上的输入/输出接口连接到计算机。3.2微机主机结构，主板逻辑结构：3.2微机主机结构，最早的PC机主板连接简单，不足

7、之处是快速CPU、中速内存和慢速外设都连接在一条总线上，这使得系统的整体性能没有得到优化。3.2微机主机结构，从486微机到奔腾II，主板一般采用具有南北桥芯片结构的主板。3.2微机主机结构，主板采用奔腾II采用的南北桥芯片结构。3.2微机主机结构，主板结构在奔腾III之上(主板结构与中央结构相同)。3.2微机主机结构，主板结构，中央结构，简称PCI-E :PCI Express，是一种新的总线和接口标准，用于取代PCI和AGP接口规范，具有1X、2X、4X、8X和16X信号通道，其中X1和X16已成为主流PCI-E规范，用于取代AGP接口的PCI-E接口的位宽为X16，可提供5GB/s 3.

8、2微机主机结构，内部存储器在主机内部，一般由半导体材料制成内存可分为只读存储器和随机读写存储器。内存分类，3.2.4内存，3.2微机主机结构，1。只读存储器特点：存储的信息只能读出，不能重写或随机存储，断电后信息不会丢失，可靠性高。只读存储器分类(1)屏蔽只读存储器(2)可编程只读存储器(3)可擦除可编程只读存储器(4)电可擦除可编程只读存储器(5)闪存只读存储器，3.2微机主机架构，2。随机存取存储器特性：随机存取存储器(ram)在启动前是空的，断电后数据消失。内存分类： (1)静态内存：静态内存。无需充电即可保持数据完整性、高成本、低集成度和通用高速缓存。动态随机存取存储器：动态随机存取存

9、储器。有必要定期充电以保持数据的完整性，而所谓的“记忆”主要是由它组成的。一般指以下两种类型：同步动态存储器DDR-双速率存储器(DDR2 -四倍速率存储器DDR3)，3.2微机主机结构，存储单元地址，0000h001h002hffffh，存储单元结构图，存储位，存储单元(字节)，存储单元512 MB 2 GB，存储单元特征：地址与存储单元一一对应，一个数据存储在一个或多个字节中。中央处理器通过单元地址访问存储单元中的数据，并将新数据放入存储单元。原始数据被覆盖。3.2微机主机结构。3.缓存是缓存的一种，是解决CPU和主存速度不匹配的一项重要技术。其中，片上高速缓存集成在中央处理器芯片中，片外

10、高速缓存插在主板上。高速缓冲存储器的存取速度比主存储器快一个数量级，大致相当于中央处理器的处理速度。、3.2微机主机架构、4 .多级高速缓存最早的中央处理器高速缓存是一个整体，其容量非常低。当集成在中央处理器内核中的高速缓存不能满足中央处理器的需求，并且制造过程不能大大增加高速缓存容量时，集成在与中央处理器相同的电路板或主板上的高速缓存就会出现。此时，集成在CPU内核中的缓存称为一级缓存，而外部缓存称为二级缓存。双核处理器的二级缓存双核处理器的二级缓存非常特别。与以前的单核CPU相比，最重要的是存储在两个内核的缓存中的数据应该是一致的。6.存储器的分层结构不仅需要高速，还需要大容量和合理的价格

11、。在目前的技术条件下，很难用单一的内存实现这三个索引。妥协是采用等级结构。3.2微机主机结构，3.2微机主机结构，3.2.5总线，总线：它是一组连接各种部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的重要组成部分。根据传输信号的不同，总线可分为数据总线地址总线控制总线。3.2、微机主机结构、地址总线。地址信号通常是单向传输的。当中央处理器需要访问外围设备时，它将相应外围设备的地址信号发送到地址总线以选择一个外围设备。数据总线。传输的是数据，通常是双向传输。当中央处理器读取时，数据从外围设备流向中央处理器，当中央处理器写入时，数据从中央处理器流向外围设备。控

12、制总线。传输的是控制和检测外围设备状态的信号，有些是由中央处理器发送到内存或外部设备的信号；内存或外部设备向中央处理器发出信号。对于每条控制线，信号都是单向传输的，但总的来说，它是双向的。3.2、微机主机结构，总线按在计算机硬件系统中的位置划分：片上总线(也称内部总线)。指的是中央处理器芯片内部的总线。芯片间总线(也称为本地总线)。它是主板上的外围芯片和中央处理器之间的总线，用于芯片级互连。系统总线(也称为输入/输出总线)。它是微型计算机中每个插件板和系统主板之间的总线，用于插件板级的互连。外部总线(也称为通信总线)。它是微型计算机与外部中低速外部设备或外围设备与主机之间的总线。3.2微机主机

13、结构，各级微机总线的简单关系，3.2微机主机结构，微机系统三层总线示意图，北桥，中央处理器，内存，高速缓存，本地总线，南桥，PCI接口(网卡，声卡等。)，键盘、鼠标、接口、USB、外部(通信)PCI-E图形卡、系统总线、3.2微机主机结构和系统总线标准可大致分为三个阶段：ISA总线、PCI总线和PCI Express。ISA总线。是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。PCI总线。其主要特点是传输速度快，在现代微型计算机中得到广泛应用。AGP巴士。一种专门为系统中的图形显示卡设计的总线。快速总线。是新一代总线接口。系统总线标准、3.2微型计算机主机体系结构、AGP

14、国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局3.2微型计算机主机体系结构、国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准局国际标准USB总线是一种串行接口总线。该总线是一条外部总线，最多可连接127台设备。由于支持热插拔的优势，USB接口已经成为许多外设的标准接口。通用串行总线有两种规格，即总线1.1和总线2.0。IEEE 1394总线是一种高效的串行总线接口标准，主要用于连接数字视频产品。外部总线标准，3.2微机主机

15、结构，输入/输出接口是连接主机和外部设备的逻辑部件，它由输入/输出接口电路、连接器(通常是连接电缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。3.2.6接口，3.2微机主机结构，根据输入输出接口是否嵌入主板，输入输出接口可分为内置输入输出接口和外置输入输出接口。(1)内置输入输出接口输入输出接口电路嵌入主板，主板直接提供外围接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、USB接口、串行接口、并行接口、软盘和硬盘接口。(2)外部输入/输出接口将输入/输出接口集成到一个独立的电路板中。此时，接口卡必须插入总线扩展槽(如PCI、PCI Express和其他插槽)。3.3外部存储器，通常用于存储需要永久保存或暂时不用但

16、需要长期保护的各种程序和数据。当需要在外部存储器中执行程序或处理外部存储器中的数据时，必须将其转移到内存中由中央处理器处理，因此外部存储器实际上属于输入输出设备。目前，微机常用的外部存储器有软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器、u盘等。79、3.3外部存储器、3.3.1软盘、79、3.3外部存储器、3.3.2硬盘存储器是微型计算机最重要的外部存储器，它们通常用于安装微型计算机所需的系统软件和应用软件，并存储大量数据。硬盘由磁盘组和硬盘驱动器组成，它们固定在一个密封的金属盒中。3.3.3光盘，1只读光盘光盘光盘中的数据是在生产过程中写入的。用户只能读取数据，但不能在光盘中写入或修改数据。最常见的光

17、盘是光盘。当然，数字音频光盘，如CD-DA，VCD和DVD也是只读光盘。一次写入光盘这种光盘允许用户一次写入数据，但不能修改或擦除数据。例如光盘机.可擦除光盘这种光盘与磁盘具有相同的可擦除性，可以多次在光盘上写入或修改数据。例如光盘只读存储器。3.3外部存储器，一种从光盘上读取数据的设备，我们称之为光盘驱动器。光学驱动器将聚焦的激光投射到光盘上，根据从光盘的凹坑或非凹坑边缘反射的激光的不同强度，该激光被表示为不同的电信号。光驱倍数是指光盘的数据传输速率(150千字节/秒是单次，依此类推)。一个光盘驱动器可以读取光盘，CD-DA，光盘只读存储器，光盘只读存储器，光盘只读存储器等。但无法读取DVD。而影碟只能由影碟驱动器读取，该驱动器与光盘兼容。3.3外部