计算机科学第4章-计算机硬件系统

1、第4章 计算机硬件系统,计算机学科导论,本 章 教 学 目 的,了解计算机系统的硬件组成 了解CPU的原理和结构 理解存储器系统原理、组成和发展趋势 理解总线与接口的原理，了解其基本类型 了解输入输出设备的分类、原理和发展趋势,本 章 学 习 内 容,硬件系统组成 处理器 存储器 输入/输出设备 计算机总线与接口,本 章 学 习 重 点,熟悉冯诺依曼机原理和体系结构 掌握现代计算机处理器体系结构,第一节 概述,4.1 概述,4.1 概述,基于冯诺伊曼模型建造的计算机分为四个子系统：存储器、算术/逻辑单元、控制单元和输入/输出单元。而从现代的观点来看，计算机的硬件基本组成包括处理器、存储器、总线

2、、输入和输出设备。,第二节 处理器,4.2处理器,处理器也叫中央处理单元（Central Processing Unit，简称CPU），是计算机的核心部件。从体系结构上看，CPU包含了运算器和控制器，以及为保证它们高速运行所需的寄存（Register）。,图 41 英特尔（Intel）酷睿2双核与四核CPU,3.2.1 运算器,1. 运算器功能与组成 运算器也称作算术逻辑部件ALU（Arithmetic Logic Unit），是计算机中执行各种算术和逻辑运算的部件。其基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作。 （1）运算器的功能 运算器的首要

3、功能是完成对数据的算术运算和逻辑运算。 运算器的第二项功能，是暂存将参加运算的数据和中间结果。 （2）运算器的组成 运算器由加法器、移位器、多路选择器、通用寄存器组和一些控制电路组成。其中，通用寄存器组包括累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器。,4.2.1 运算器,2. 运算器工作原理,图 42 运算器工作示意图（左图）和一个运算周期中的各时间段（右图）,4.2.2 控制器,1. 控制器的功能 正确地分步完成每一条指令规定的功能，正确且自动地连续执行指令。 2.控制器的组成 控制器主要由CPU寄存器组、操作控制部件和时序部件组成，如图所示。,4.2.3 摩尔定律与处理器的发展,1. 摩尔

4、定律 摩尔定律（Moore law）源于1965年戈登摩尔（Gordon Moore，原英特尔(Intel)公司名誉董事长）的一份关于计算机存储器发展趋势的报告。 摩尔定律归纳起来包括以下几点： （1）芯片技术的发展具有周期性，每个周期是18-24个月； （2）集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔一个周期就翻一番； （3）处理器的性能每隔一个周期提高一倍，并且价格同比下降一倍。,戈登摩尔 Gordon Moore,4.2.3 摩尔定律与处理器的发展,2. 处理器的发展 综合起来看，处理器发展主要有以下几个方面： 处理字长增加，从最初的4位，增加到目前的64位； 晶体管数量快速增加，说明处理器

5、的结构日趋复杂，从最初的数千个，增加到目前的上十亿个，增加了上百万倍； 处理器的工作频率从不到1MHz，提高到近4GMHz以上，提高超过四千倍； 从单内核发展到现在的多内核。 发展多内核是借鉴了多处理器的思想，通过单纯提高工作频率来加快处理速度的做法已经接近极限，近几年通过多内核来不断提高处理器的整体处理能力，但工作频率并没有象20世纪那样快速提高。 可以预见，随着技术的不断进步，在上述几个方面的还会有所进步，其综合的结果是处理器的整体能力不断提高，从而使得计算机系统的能力不断提高。,第三节 存储器,4.3 存储器,存储器，是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，是冯诺依曼结构计算机的重

6、要组成部分。计算机中的全部信息，包括输入的数据、运行的程序、运算的中间结果和最终结果都保存在存储器中。 存储器的特性： （1）存储器是计算机中信息存储的核心。程序存储功能由存储器来承担； （2）内存是CPU与外界进行数据交换的窗口，CPU所执行的程序和所涉及的数据都由内存直接提供。CPU可以对内存进行直接读和写操作； （3）外存可以保存大量的程序和数据。,4.3.1 计算机的多级存储系统,按照与CPU的接近程度和CPU的访问方式，存储器分为主存储器（简称主存）和辅助存储器（简称辅存）。在早期的计算机中，由于主存储器通常与处理器集中配置在主机内部作为主机的一部分，所以俗称内部存储器（简称内存）；

7、而辅助存储器（简称辅存），由于体积较大，通常作为单独的外部设备配置，俗称外部存储器（简称外存）。CPU能够直接访问内存，但不能直接访问外存，访问外存的方式更接近于I/O设备的访问，外存的数据，必须通过内存才能为CPU所用。随着CPU速度的提高，有些计算机中还配置了高速缓冲存储器（chache），这时内存包括主存与高速缓存两部分。 选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、读写速度不同的多种存储介质，组成一个统一的存储器系统 ，称为多级存储系统。 多级存储体系是解决存储器性能与成本矛盾的理想技术途径。,4.3.1 计算机的多级存储系统,图 44 存储器容量、速度和价格之间关系,4.3.1 计算机

8、的多级存储系统,图 45 多级存储系统示意图,多级存储系统层次结构规律(从上到下)： 价格依次降低； 容量依次增加； 访问时间依次增长； CPU访问频度依次减小。,4.3.2 主存储器和高速缓存,主存储器 主存储器指的是计算机中存储正处在运行中的程序和数据(或一部分)的部件，通过地址、数据、控制三类总线与CPU等其他部件连通。,图 46主存储器组成,4.3.2 主存储器和高速缓存,2. RAM 随机存取存储器（Random-Access Memory，简称RAM）能随机地对存储器中的任何单元进行存取，且与存取的时间和该单元的物理位置无关。 半导体RAM元件分为静态（SRAM）和动态（DRAM）

9、两种。SRAM读写速度高而成本也高，DRAM比SRAM集成度高、功耗低，成本低，适于作大容量存储器。主内存通常采用DRAM，高速缓冲存储器（Cache）使用SRAM 。 内存的具体产品形式是内存条，内存条（Dual Inline Memory Module，简称 DIMM）是将RAM集成块集中在一起的一小块电路板，它做为功能模块插在计算机中的内存插槽上。市场常见的内存条有1GB32GB单条的产品。,4.3.2 主存储器和高速缓存,3. ROM 只读内存（Read-Only Memory，简称ROM）在机器运行过程中只能读出、不能写入信息的存储器，采用非易失性器件制造，在没有供电的情况下其存储的

10、信息也能长期保存。它所存储的信息用特殊方式写入的。主要用于存储器经常要用的一些固定信息。根据物理特性可将ROM分为如下几类： (1) ROM元件 这种ROM通常指MROM，采用二次光刻掩膜工艺一次制成，由厂家在生产时制成，出厂后再不可改变。这种元件可靠性高、集成度高、批量生产成本低，但其灵活性差，单个生产费用大。 (2) PROM和EPROM元件 PROM（可编程的ROM）元件是用户可以根据需要写入数据的器件，一旦写入数据就固定下来，不能再改变。 EPROM是一种可改写的ROM，可以对其内容进行多次改写，叫可擦除可编程ROM（erasable programmable ROM）。目前用得最多的

11、EPROM是用浮动栅雪崩注入型MOS管构成，称为FAMOS型EPROM。,4.3.2 主存储器和高速缓存,4.高速缓冲存储器 在计算机的发展过程中，主存器件速度的提高跟不上CPU处理速度的提高，且相对差距越来越大。统计表明，在摩尔定律一个周期中CPU的速度提高一倍，而主存的容量同比增加，但速度只提高几个百分点。为解决日益严重的主存与CPU速度不匹配的问题，在CPU与主存之间再增加一级或多级能与CPU速度匹配的高速缓冲存储器Cache，来提高主存储系统的性能价格比。 Cache的工作原理是基于程序访问的局部性的。即主存中存储的程序和数据并不是CPU每时每刻都在访问的，在一段时间内，CPU只访问其

12、一个局部。这样只要CPU当前访问部分的速度能够与CPU匹配即可，并不需要整个主存的速度都很高。为保证CPU的工作效率主存与Cache的数据交换成为关键，具体调度方法在全面的操作系统部分讨论。,4.3.3 辅助存储器,辅助存储器是主存储器的后援存储设备，用以存放当前暂时不用的程序或数据。对辅助存储器的基本要求是：1、容量大，成本低；2、记录信息可长时间不加电保存。 辅助存储器主要有磁记录、光记录两类，具体形式如磁盘、磁带、光盘、光磁盘等。需要说明：虽然外存通常也安装在主机箱内，但在逻辑结构上它不属于主机，它属于外部设备的一种。 1. 磁盘存储器 磁盘存储器是目前应用最广泛的辅助存储器，由磁盘、磁

13、盘驱动器及其适配器3部分组成。磁盘存储器主要分为软磁盘和硬磁盘两大类。软盘已基本被淘汰。 现代硬盘俗称“温盘”，源于采用温彻斯特(Winchester)技术制成。其核心是：“盘体密封，盘片固定并高速旋转，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”。温盘的体积小、容量大、防尘性能好、可靠性高，对使用环境要求不高。,一些典型的辅助存储器,光盘,软盘,闪存,硬盘,硬盘,4.3.3 辅助存储器,4.3.3 辅助存储器,2. 光盘存储器 光盘存储技术的特点如下： 采用非接触方式读/写，没有磨损，可靠性高； 可长期（60100年）保存信息； 成本低廉，易于大量复制； 存储密度高

14、，体积小，能自由更换盘片； 误码率低，从光盘上读出信息时，出现的差错位的比率约为10-1210-17。 光盘的类型很多，很多类型用于媒体节目的录制出版发行以替代磁带，用于计算机存储数据的主要是CD-ROM和DVD-ROM两大类。,4.3.3 辅助存储器,光盘作为存储器有： 只读式光盘（Read Only）：盘片由厂家预先写入数据或程序，出厂后用户只能读取，不能写入和修改。 只写一次光盘（Write Once Only）：由用户写入信息，只能写一次，写入后不能修改，可以多次读出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修改和重写的的数据追记在空白区内。也称刻录盘。 可擦写式光盘（Rewrit

15、eable）：用户可以写入信息，并能擦除信息。写入与擦除的速度通常较慢。,光盘存储器,4.3.3 辅助存储器,3. 闪存 闪存（Flash Memory）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的电子器件存储器。其数据删除不是以单个的字节为单位而是以一定大小的区块为单位，区块大小一般为256KB到20MB不等。闪存是电子可擦除只读存储器（EEPROM）的发展，与EEPROM不同的是，闪存在进行删除或重写操作时不需要整个芯片擦写，这样闪存比EEPROM更新速度快。,闪存的基本特点是： 1、存储密度高，记录容量一般； 2、存取速度快于光盘和磁盘； 3、介质寿命长； 4、抗震动

16、、体积小、功耗低 ； 5、单位存储单元成本高，价格昂贵。,4.3.3 辅助存储器,3. 闪存,CF卡,一些典型的闪存产品,U盘,SD卡,4.3.3 辅助存储器,4. 外存接口 硬盘在功能属于存储器，在管理上属于外部设备，其可以配置在主机内部，也可以外接，其接口主要有IDE、SATA、SCSI等形式，光驱的接口形式类似。IDE接口采用并行接口技术，由于技术限制，IDE接口的数据传输速度最高为133MBps，目前已经基本不用于硬盘。SATA接口作为一种新型硬盘接口目前广泛使用。闪存主要使用USB形式，SCSI和USB属于I/O总线，我们在后面的3.5节详细讨论这些接口类型。,第四节 输入输出设备,

17、4.4 输入输出设备,计算机系统中主机以外的硬设备，是计算机系统的重要组成部分，也称为输入输出设备。输入/输出设备是计算机基本功能部件，由于其通常作为单独的设备配置在主机之外，又称为计算机外围设备（简称外设或I/O设备）。它们是计算机与人和计算机与其他机器之间建立关系的设备。 外部设备是计算机与外部世界或计算机与人进行信息交换的设备，是人机联系的界面和桥梁，常见的输入输出设备有键盘，显示器，打印机等。,4.4.1 I/O设备的分类,1. 机-机通信设备 机-机通信设备是一台计算机与其他计算机或别的系统之间通信的设备。如调制解调器（Modem）或组网用的网卡以及用计算机进行实时控制时的数/模和模

18、/数转换设备等。 2. 计算机信息的存储设备 计算机的外存储设备，如磁盘、光盘等。 3. 人-机交互设备 人和计算机间交流信息的设备，把人类感官识别的信息媒体与计算机可以识别的信息进行相互转换，可细分为输入设备和输出设备两类。,4.4.1 I/O设备的分类,（1）输入设备 输入设备是将程序，数据，命令，图形，图象等，按一定的要求转换成主机能够接收的代码信息，并送入主机内进行处理的设备。包括纸介质输入设备、光介质、磁介质、光学识别、语音识别、键盘输入等设备。最常用的是磁介质和键盘输入设备。 （2）输出设备 输出设备是将主机处理信息的中间结果和最后结果，以人们通常能识别的字符、图形等形式表示出来的

19、设备。包括显示设备、印刷设备、语音响应、纸介质设备、磁介质设备、光介质设备。其中显示器和打印机是两种主要的输出设备。,4.4.2 常见输入设备,图 49 常见输入设备,4.4.2 常见输入设备,一些常见的输入设备,4.4.3 常见输出设备,图 410 常见输入设备,4.4.3 常见输出设备,一些常见的输出设备,第五节 总线与接口,4.5 总线,4.5.1 总线 计算机系统中存储器、CPU等功能部件之间必须互联，才能组成计算机系统。 总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传输线，它的主要特征就是多个部件共享传输介质。一个部件发出的信号可以被连接到总线上的其他所有部件所接收。总线通常由许多传

20、输线或通路构成，在并行传输条件下，总线可同时传输多位二进制信息。 总线结构的两个主要优点是： 灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总线上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统之间互换 低成本 现代计算机普遍使用总线互联结构。,4.5.1 总线,1. 总线的分类 计算机系统中含有多种总线，在各个层次上提供部件之间连接和信息交换的通路。 根据所连接部件的不同，总线通常被分成三种类型： 内部总线：CPU 内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。 系统总线：指连接CPU、存储器和各种I/O模块等主要部件的总线。 I/O总线：主机和I/O设备之间或计算机系统之间的通信。I/O总线的种类很多。,4.5.1

21、总线,2. 系统总线 系统总线位于计算机主机内部，是各主要功能部件的连接方式。系统总线包含有三种不同功能的总线，即数据总线DB（Data Bus）、地址总线AB（Address Bus）和控制总线CB（Control Bus）。 数据总线DB用于传送数据信息。数据总线的宽度是计算机系统的重要指标，指总线上能同时传送的数据位数，通常与处理器的字长相一致。数据总线是双向传输的。 地址总线AB是专门用来传送地址的，地址只能从CPU传向存储器或I/O端口，地址总线总是单向的。地址总线的位数决定了CPU直接寻址的内存空间大小，如32位的地址总线最大可寻址空间为2324GB。 控制总线CB用来传送控制信号

22、和时序信号。控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。,4.5.1 总线,3. I/O总线 由于外设种类丰富，型号繁多，每种设备设计一种连接方式，即不方便也不经济，因此借鉴总线思想，发展出专门为外设服务的I/O总线。I/O总线是我们可以直接观察到的，比如显卡、声卡等就是接到I/O总线上，而I/O总线本身作为一个输入/输出部件连接到系统总路线上，与CPU和主存进行数据交换。 目前常见的I/O总线包括显卡用的AGP总线、一般外设使用PCI总线和多功能的SCSI、USB等。,4.5.1 总线,3. I/O总线 （1）PCI总线 外设组件互连标准P

23、CI（Peripheral Component Interconnect）总线是Intel公司于1991年底提出一种高性能32位局部总线，PCI规范受到许多微处理器和外围设备生产商的支持。 PCI有独立的控制器，独立于玉处理器运行，主要用于高速外设的I/O接口和主机相连，如图形显示适配器、网络接口控制卡、磁盘控制器等。 PCI总线可以在主板上和其他总线（如ISA、EISA或MCA） 相连接，这样使得系统中的高速设备挂接在PCI总线，而低速设备仍然通过ISA、EISA等低速I/O总线支持。,4.5.1 总线,3. I/O总线 （2）AGP总线 AGP（Accelerated Graphics P

24、ort）加速图形端口，是新一代局部图形总线技术。 AGP总线是一种专用的显示总线，将显示卡与其他外设独立出来，使得PCI声卡、SCSI设备、网络设备等的工作效率随之得到提高，其根本目的是提高系统图形显示的水平，特别是满足3D显示的需要。 现在的AGP是其早期版本速度的2至8倍；其中，AGP 4x使用32-bit传输通道，传输量为1066MB/s；而AGP 8x传输量2133MB/s。,4.5.1 总线,3. I/O总线 （3）PCI Express PCI Express是新一代的总线接口，被称之为第三代I/O总线技术。2002年7月正式公布了PCI Express 1.0规范，并于2007年

25、初推出2.0规范（Spec 2.0），将传输率由PCI Express 1.1的2.5GB/s提升到5GB/s。 PCI Express采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽。 PCI Express的双单工连接能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。用于取代AGP接口的PCI Express接口位宽为X16，将能够提供5GB/s的带宽，即便有编码上的损耗但仍能够提4GB/s左右的实际带宽，远远超过AG

26、P 8X的2.1GB/s的带宽。,4.5.2 接口,接口（interface） 是连接两个设备之间的端口，由两侧特性所定义的共享边界。接口可以在物理级、在软件级或作为纯逻辑运算来描述。实际上前面讨论的总线也可以作为接口的一类，只是现在人们通常将接口用做对外连接的地方，而对于系统内部的连接采用其他名称。由于设备是多种多样的，所以接口形式也各异；即使是同一类设备，由于技术的发展，也会出现多种接口规格。与接口相对应的控制软件，被称为驱动程序。下面我们讨论几种最为常见的接口形式。,4.5.2 接口,1. 硬盘接口 硬盘是最常用的设备，通过硬盘接口与主机系统连接。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连

27、接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。从整体的角度上，硬盘接口分为IDE/ATA、SATA、SCSI和光纤通道四种类型，IDE接口是硬盘早期使用的并行类接口，多用于桌面产品中，部分应用于服务器，在市场上已逐步被S-ATA取代；SCSI接口的硬盘则主要应用于服务器市场，而光纤通道只在高端服务器上，价格昂贵。S-ATA是一种较新的硬盘接口类型，是目前PC市场的主流产品。,4.5.2 接口,1. 硬盘接口 RAID技术 磁盘阵列（Redundant Arrays of Inexpensive Disks，RAID是利用数组方式来组织磁盘组，配合数据分散排列的设计，

28、提升数据的安全性。磁盘阵列是由很多便宜、容量较小、速度较慢磁盘，组合成一个大型的磁盘组，其比单个磁盘容量大、速度快、可靠性高，即使部分磁盘故障，仍能读出数据，用户在逻辑上得到一个高性能的硬盘系统。 磁盘阵列有“软阵列”(Software Raid)与“硬阵列”(Hardware Raid)两种方式。软阵列通过操作系统的磁盘管理功能将系统中的多块硬盘配置成逻辑阵列。软阵列可以提供数据冗余功能，但是磁盘子系统的性能会有所降低。硬阵列使用专门的磁盘阵列卡，提供在线扩容、动态修改阵列级别、自动数据恢复、驱动器漫游、超高速缓冲等功能。硬阵列成本较高，常用于对可靠性要求较高的场所。 RAID主要包含RAI

29、D 0RAID 7等几个等级。,4.5.2 接口,2. 数据传输接口 数据传输接口并不特定用于连接某种设备，在实际应用中可以连接多种设备。 (1)串口 串口即串行通讯端口，也称为COM口。是早期出现在计算机上的常用接口，最常见的是采用RS-232(ANSI/EIA-232)标准的，有时也称为232口。其数据是一位一位地传送的。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成；成本低但传送速度慢。 (2)并口 并口是并行接口的简称，指采用并行传输方式来传输数据的接口标准。并口能够同时双向收发数据。并口在实际中并没有获得广泛使用，主要用于打印机和绘图仪，其他方面只有的少量设

30、备应用，这种接口一般被称为打印接口或LPT接口。并口基本被USB取代。,4.5.2 接口,2. 数据传输接口 (3)USB 通用串行总线USB（Universal Serial Bus）虽然名字叫总线，但严格地说它不是一种总线标准，而是计算机应用领域的接口技术。USB通用串行总线是一种通用万能插口，几乎可以将任何一种外设接入主机：显示器、键盘、鼠标、调制解调器、网卡、游戏杆、扫描仪、打印机、数码相机、手机等。还可以将一些USB外设进行串接，即一大串设备共用主机的一个USB端口。USB总线可提供电源，但如将多个耗电量大的外设串接起来有可能使总线过载，此时可使用一个自供电的集线器来补充功耗。另外USB外设可以热插拔。,4.5.2 接口,2. 数据传输接口 (4) IEEE 1394 IEEE1394接口是苹果公司开发的串行接口，其基本数据传输率为800Mbps。同USB类似，IEEE1394也支持外设热插拔，可为外设提供电源，省去了外设自带的电源，能连接多个不同设备，支持同步数据传输。IEEE1394通常用在连接数码摄像机等外部设备