《計(jì)算機(jī)信息技術(shù)》第二章計(jì)算機(jī)組成原理

第2章計(jì)算機(jī)組成原理12.1

計(jì)算機(jī)的組成和分類2.1.1

計(jì)算機(jī)的發(fā)展與作用計(jì)算機(jī)的發(fā)展人類最早利用手，后來利用石子、貝殼、繩結(jié)、木棒等作為計(jì)數(shù)工具，并用它們來統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)計(jì)數(shù)結(jié)果。計(jì)算機(jī)是信息處理(計(jì)算)工具，是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一2唐朝末年，中國人發(fā)明了世界上最早的計(jì)算

工具——算盤。

原始的算盤用小棒和石子排放在不同位置上，表示不同的位權(quán)?？梢娔菚r(shí)人類已經(jīng)具有了位權(quán)、進(jìn)位，借位的概念。3

1622年，英國數(shù)學(xué)家奧特瑞德

(William

Oughtred

)發(fā)明了計(jì)算尺。手動(dòng)計(jì)算尺手搖計(jì)算器4

1642年，法國數(shù)學(xué)家布萊斯

·

帕斯卡(

BaisePascal）發(fā)明了能夠做兩位十進(jìn)制數(shù)加減法的機(jī)械加法器。一個(gè)圓輪代表一位數(shù)，輪上等分刻有0～9十個(gè)數(shù)字,做加法時(shí)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圓輪,當(dāng)轉(zhuǎn)到0刻度時(shí)自動(dòng)將高位圓輪帶一格。帕氏加法器用機(jī)械運(yùn)動(dòng)代替人的思考和計(jì)數(shù)。程序設(shè)計(jì)語言Pascal就是為紀(jì)念Pascal而命名的。5

1822年，英國數(shù)學(xué)家查爾斯·

巴貝奇(CharlesBabbage)發(fā)明了稱之為“differential

analyzer”(差分機(jī))

的自動(dòng)機(jī)械計(jì)算工具。6

輸入部分——送入需處理的數(shù)據(jù)

存儲(chǔ)庫

——保存數(shù)據(jù)，以便使用

運(yùn)算室

——進(jìn)行各種實(shí)際運(yùn)算

機(jī)械器

——指揮機(jī)器按指定的順序工作

輸出部分——送出處理結(jié)果

據(jù)其思想120年后才發(fā)明了計(jì)算機(jī)。巴貝奇的發(fā)明由一位女伯爵、著名的女詩人AugustaAdaByron詳細(xì)地記載下來。為紀(jì)念她，著名的程序設(shè)計(jì)語言Ada以她的名字命名。

他指出，自動(dòng)計(jì)算工具必須具有5個(gè)獨(dú)立部分：7

1937年，英國數(shù)學(xué)家阿倫.圖靈

(AlanTuring)提出計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型（圖靈機(jī)）。

他在論文《論數(shù)字計(jì)算在決斷難題中的應(yīng)用》中，提出了一種十分簡單但運(yùn)算能力極強(qiáng)的理想計(jì)算裝置，可以用它來計(jì)算所有能想象得到的可計(jì)算函數(shù)。圖靈的思想奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)的理論基礎(chǔ)。8

17468個(gè)電子管，

60000個(gè)電阻，

10000個(gè)電容，

6000個(gè)開關(guān)，占地160平方米，重30噸，耗電150KW,研制期3年,耗資45萬美元，加法:5000次/s,乘法56次/s

1946年，美國賓州大學(xué)的艾克特J·Presper

Eckert)和毛其利(JohnMauchly

)研制出世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)——ENIAC

(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator

)注意:ENIAC并不具備現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的工作原理!9在計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)；把指令看成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)依次執(zhí)行;計(jì)算機(jī)由5個(gè)部分組成：控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。

馮·諾依曼同時(shí)指出：這種計(jì)算機(jī)有它的固有的“脆弱性”，但并沒有解釋其原因。直到80年代,人們才明白這句話的含義。

1952年,美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼(JohnVonNeumman）在他的論文《電子計(jì)算機(jī)裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探》中提出了3個(gè)主要論點(diǎn): （計(jì)算機(jī)病毒）（計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)體系）（工作原理）(二進(jìn)制)10

按馮.諾依曼思想設(shè)計(jì)的第一臺(tái)計(jì)算機(jī)稱之為EDVAC(

TheElectronicDiscrateVariableAutomaticComputer),運(yùn)算速度是ENIAC的240倍。迄今為止的計(jì)算機(jī)仍都是按馮.諾依曼的思想設(shè)計(jì)的——馮.諾依曼和他的EDVAC計(jì)算機(jī)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)11

60多年來，計(jì)算機(jī)發(fā)展速度之快，大大超出人們的預(yù)料：早期，每10年速度提高10倍，成本與體積卻是原來的1/10;

從70年代開始，由于集成電路技術(shù)和微處理器的發(fā)展,計(jì)算機(jī)的性能幾乎每3年提高4倍，成本下降一半?？傊?2性能不斷提高體積不斷變小功耗不斷降低價(jià)格越來越便宜軟件越來越豐富使用越來越容易應(yīng)用領(lǐng)域越來越普遍13到目前為止，計(jì)算機(jī)的發(fā)展共經(jīng)歷4代：

（以使用的電子元器件作為劃代的依據(jù)）代別年代使用的元器件使用的軟件類型主要應(yīng)用領(lǐng)域第1代20世紀(jì)40年代中期～50年代末期CPU：電子管內(nèi)存：磁鼓使用機(jī)器語言和匯編語言編寫程序科學(xué)和工程計(jì)算第2代20世紀(jì)50年代中、后期～60年代中期CPU：晶體管內(nèi)存：磁芯使用FORTRAN等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言開始廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域第3代20世紀(jì)60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內(nèi)存：SSI，MSI的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等開始使用在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用第4代20世紀(jì)70年代中期以來CPU：LSI、VLSI內(nèi)存：LSI、VLSI的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器軟件開發(fā)工具和平臺(tái)、分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)軟件等開始廣泛使用深入到各行各業(yè)，家庭和個(gè)人開始使用計(jì)算機(jī)14

現(xiàn)在的所有計(jì)算機(jī)都是第四代計(jì)算機(jī)，目前正在向第五代計(jì)算機(jī)過渡,但已不再沿用第幾代計(jì)算機(jī)的說法，而是稱為“新一代計(jì)算機(jī)”或“未來型計(jì)算機(jī)”（FGCS,FutureGenerationComputerSystem)

而FGCS究竟是什么樣的計(jì)算機(jī)？有許多不同的觀點(diǎn)和看法，但基本目標(biāo)是確定的：智能化知識(shí)處理為核心自然的人機(jī)通信能力（邏輯推理、具有人的智能活動(dòng)）15未來可能的新型計(jì)算機(jī)

基于量子效應(yīng)開發(fā)，利用一種鏈狀分子聚合物的特性來表示開關(guān)的狀態(tài)，利用激光脈沖來改變分子的狀態(tài)，使信息沿著聚合物移動(dòng)，從而進(jìn)行運(yùn)算量子計(jì)算機(jī)以光子代替電子，光互連代替導(dǎo)線互連，光硬件代替計(jì)算機(jī)中的電子硬件，光運(yùn)算代替電運(yùn)算。光子計(jì)算機(jī)16使用生物芯片構(gòu)造的計(jì)算機(jī)。生物芯片是由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白分子為主要原材料的芯片，能以波的形式傳輸信息。數(shù)據(jù)處理速度比當(dāng)今計(jì)算機(jī)要快百萬倍。而能量消耗僅為其10億分之一（10-9）。由于蛋白分子具有自我組合的特性，而可能使生物計(jì)算機(jī)具有自調(diào)節(jié)能力，自修復(fù)能力和再生能力，更易于模擬人的大腦的功能。不少科學(xué)家預(yù)測21世紀(jì)可能成為生物計(jì)算機(jī)時(shí)代。生物計(jì)算機(jī)17奧林巴斯光學(xué)工業(yè)公司開發(fā)出的生物計(jì)算機(jī)

18我國計(jì)算機(jī)的發(fā)展情況

1958年組裝調(diào)試成第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)(103或DJS-1型)

1956年國家制定12年科學(xué)規(guī)劃時(shí)，把發(fā)展計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體技術(shù)作為研究重點(diǎn)。與此相應(yīng)相繼籌建了中國科學(xué)院“計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)研究所”及“半導(dǎo)體研究所”。機(jī)器字長：31位內(nèi)存容量：1024字節(jié)運(yùn)算速度：450次/s計(jì)算所與738廠生產(chǎn)（38臺(tái)）191959年研制成功大型通用電子管計(jì)算機(jī)(104機(jī))機(jī)柜個(gè)數(shù):22個(gè)機(jī)器字長:39位內(nèi)存容量：4K每秒運(yùn)算速度：1萬次/s占地面積：200平方米共用電子管:4200個(gè)晶體二極管:4000個(gè)無故障穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間:2小時(shí)201964年研制成功晶體管計(jì)算機(jī)(109乙,108乙,320)哈軍工（國防科大前身）研制738廠等五家工廠生產(chǎn)(40臺(tái))我國第一顆原子彈1964.10.16下午3時(shí)新疆·羅布泊211971年研制成功集成電路計(jì)算機(jī)（150機(jī)）北京大學(xué)研制221997年研制成功向量計(jì)算機(jī)(130億次,銀河III)1992年研制成功向量計(jì)算機(jī)(10億次,銀河II)1983年研制成功向量計(jì)算機(jī)(億次,銀河I)2009年全球第5名天河一號(hào)巨型計(jì)算機(jī)性能:1.206千萬億次;6144個(gè)通用處理器;5120個(gè)加速處理器;內(nèi)存總?cè)萘?8TB;點(diǎn)點(diǎn)通信帶寬40Gbps;共享磁盤總?cè)萘?PB;23計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)之所以發(fā)展如此迅速，應(yīng)用面如此之廣，是因?yàn)樽鳛橐环N工具，它具有很多顯著的特點(diǎn)：運(yùn)算速度快當(dāng)今達(dá)到千萬億次!

PC機(jī)內(nèi)存已達(dá)GB級(jí)，巨型機(jī)的內(nèi)存達(dá)TB級(jí)，外存更是大得驚人，幾片光盤就可以保存一座圖書館的全部藏書內(nèi)容存儲(chǔ)容量大24

可達(dá)到任意的計(jì)算精度。在計(jì)算機(jī)發(fā)明之前，π的計(jì)算只能算到小數(shù)點(diǎn)后幾百位，而在ENIAC上很短時(shí)間便可算到2000位,在PII上，計(jì)算百位數(shù)的階乘只要幾分鐘。計(jì)算精度高利用邏輯運(yùn)算可實(shí)現(xiàn)推理和證明。如百年數(shù)學(xué)難題“四色問題”(任意復(fù)雜的地圖，使相鄰區(qū)域的顏色不同，最多只要四種顏色),1976年兩位專家在IBM370上花了1200個(gè)小時(shí)便證明了該難題，震驚了數(shù)學(xué)界。具有邏輯判斷能力25能自動(dòng)執(zhí)行處理問題的程序。如數(shù)控車床，通過程序控制可以達(dá)到任意加工精度，生產(chǎn)的零件不會(huì)有任何區(qū)別，保證質(zhì)量。自動(dòng)執(zhí)行能力

不僅能進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，還能處理文字、圖象、聲音等多媒體信息。具有多媒體信息處理能力

現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)越來越易于操作。方便的使用方式

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解決了信息傳播與交流的時(shí)空障礙，實(shí)現(xiàn)了信息和設(shè)備的交流與共享。具有互連、互通、互操作特性

26計(jì)算機(jī)應(yīng)用模式的變遷50～70年代依賴大型計(jì)算機(jī)應(yīng)用模式80年代PC機(jī)為主的計(jì)算機(jī)應(yīng)用模式

90年代以來的局域網(wǎng)和Internet為主的計(jì)算機(jī)應(yīng)用模式。人們可以從這種應(yīng)用模式中獲得所需要的信息處理能力（硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源）

集中計(jì)算模式

分散計(jì)算模式

網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式27計(jì)算機(jī)的發(fā)明對(duì)社會(huì)的影響進(jìn)一步利用和開發(fā)了“信息”資源，促進(jìn)了生產(chǎn)力的提高。增加了科學(xué)研究的“計(jì)算”手段。這種研究手段能夠獲得依賴傳統(tǒng)的理論推導(dǎo)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)手段難以得到的效果。拓寬了文化領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)已成為人類必需的文化內(nèi)容。引起了人類工作與生活方式的變化。積極影響28負(fù)面影響導(dǎo)致失業(yè)利用計(jì)算機(jī)犯罪(個(gè)人隱私、信息欺騙、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、不良信息傳播和泛濫等）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)崩潰和病毒帶來的嚴(yán)重后果教育的影響（沉迷于計(jì)算機(jī)游戲、網(wǎng)絡(luò)聊天等影響青少年的成長）大量電子垃圾造成的環(huán)境污染……29計(jì)算機(jī)的作用與應(yīng)用

現(xiàn)代社會(huì)的各行各業(yè)都離不開計(jì)算機(jī)，可把計(jì)算機(jī)的應(yīng)用歸納為如下幾個(gè)方面：科學(xué)計(jì)算（數(shù)值計(jì)算）數(shù)據(jù)處理（非數(shù)值計(jì)算，約占全部應(yīng)用的2/3）過程控制（實(shí)時(shí)控制，指用計(jì)算機(jī)及時(shí)采集、信息，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)以提高效率、精度和質(zhì)量。輔助系統(tǒng)（即用計(jì)算機(jī)輔助人類的各種設(shè)計(jì)、制造、教育等系統(tǒng)）如：30

CADComputerAidedDesignCAMComputerAidedManufacturingCAIComputerAidedInstructionCAEComputerAidedEngnerringCATComputerAidedTesting人工智能（AIArtificialIntelligence)；如機(jī)器人；專家系統(tǒng)ES；模式識(shí)別；語言識(shí)別。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用辦公自動(dòng)化（OA）電子商務(wù)312.1.2計(jì)算機(jī)的邏輯組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成計(jì)算機(jī)的所有實(shí)際物理裝置的總稱（完成基本功能、運(yùn)行程序的基礎(chǔ)）各種程序、數(shù)據(jù)及相關(guān)文檔。(擴(kuò)展硬件功能、提高效率)32

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件、軟件相互依存，缺一不可。但它們?cè)谶壿嬌嫌械葍r(jià)性，軟件功能可以用硬件實(shí)現(xiàn)（代價(jià)昂貴），硬件功能也可以用軟件模擬(節(jié)約硬件,減少成本,如軟解壓)。

具有硬件性質(zhì)、又有軟件特性的器件稱之為“固件”（Firmware)。例如,BIOS

芯片。33經(jīng)典的計(jì)算機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)(馮·諾依曼計(jì)算機(jī))運(yùn)算器和控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)器中央處理器CPU(CentralProcessing

Unit)邏輯結(jié)構(gòu)指概念(功能)上的結(jié)構(gòu)主機(jī)34現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)中央處理器CPU(運(yùn)算器及其控制)外存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器輸出設(shè)備總線(bus)輸入設(shè)備I/O接口I/O接口外存接口控制器控制器控制器控制器現(xiàn)代計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)相比有3個(gè)變化：集中控制分散控制存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器＋外存儲(chǔ)器通過CPU通信通過總線進(jìn)行通信I/O設(shè)備、CPU、存儲(chǔ)器之間交換數(shù)據(jù)都必須經(jīng)控制器，再通過系統(tǒng)總線交換(不能直接交換)主機(jī)35輸入設(shè)備輸入(input)把數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)(內(nèi)存儲(chǔ)器)的過程。輸入設(shè)備(inputdevices)用來向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)的裝置。如：鍵盤—輸入文字、符號(hào)和命令鼠標(biāo)器—輸入位置信息及按鈕命令掃描儀—輸入圖片麥克風(fēng)—輸入聲音

輸入設(shè)備的共性：無論何種形式的原始信息，輸入到計(jì)算機(jī)中都以二進(jìn)位表示！36中央處理器什么是處理器(processor)？能高速執(zhí)行指令，完成二進(jìn)制數(shù)據(jù)的算術(shù)或邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送等操作的部件?？蓪⑵淇醋鳛椤斑\(yùn)算控制器”。將處理器的所有電路都制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾個(gè)平方厘米)，稱為“微處理器”(microprocessor)37什么是中央處理器(CPU)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中一般包含有多個(gè)(微)處理器，它們各有不同的分工和任務(wù)：

用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的處理器稱中央處理器(CPU),CPU是計(jì)算機(jī)必不可少的核心組成部件顯卡中用于加速圖形繪制的繪圖處理器聲卡中用于數(shù)字聲音信號(hào)的處理器DSP……38存儲(chǔ)器

用以存儲(chǔ)二進(jìn)位形式表示的程序和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器分為內(nèi)存儲(chǔ)器與外存儲(chǔ)器。內(nèi)存儲(chǔ)器(簡稱內(nèi)存或主存)外存儲(chǔ)器(簡稱外存或輔存)存取速度很快較慢存儲(chǔ)容量小(因成本較高)

大(因成本低)性質(zhì)斷電后信息消失斷電后信息保持用途存放已啟動(dòng)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)長期存放計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中幾乎所有的信息與CPU關(guān)系CPU處理的指令及數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存中取出程序及數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存后才能被CPU處理39輸出設(shè)備輸出(output)把信息送出計(jì)算機(jī)的過程(內(nèi)存外設(shè)）輸出設(shè)備(outputdevices)用來從計(jì)算機(jī)中送出數(shù)據(jù)的裝置。如：顯示器—輸出文字、符號(hào)和圖形打印機(jī)—打印文字、符號(hào)和圖形揚(yáng)聲器—輸出聲音輸出設(shè)備的共性:

把計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)位信息轉(zhuǎn)換成人可感知的形式(文字、符號(hào)、圖形、聲音等)40總線(bus)

用于連接CPU、內(nèi)存、外存和各種I/O設(shè)備并在它們之間傳輸信息的一組共享的傳輸線及其控制電路

CPU總線(或前端總線)CPU與內(nèi)存儲(chǔ)器之間傳輸數(shù)據(jù)的總線

I/O總線內(nèi)存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備(包括外存儲(chǔ)器)之間傳輸數(shù)據(jù)的總線41巨型計(jì)算機(jī)（Supercomputer）

（超級(jí)計(jì)算機(jī)、并行陣列計(jì)算機(jī)）數(shù)萬臺(tái)處理器并行處理結(jié)構(gòu)速度：數(shù)十～數(shù)千萬億次/s用于軍事、氣象、石油勘探等部門2.1.3計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)有多種分類方法，如按邏輯結(jié)構(gòu)有單處理器計(jì)算機(jī)/多處理器計(jì)算機(jī)；16位/32位/64位計(jì)算機(jī)；RISC、SISC計(jì)算機(jī)等。但通常按計(jì)算機(jī)的性能、價(jià)格、用途進(jìn)行分類：42NEC地球模擬器天河一號(hào)(千萬億次/秒)IBMASCIWhite神州（江南計(jì)算技術(shù)研究所）

銀河（國防科技大學(xué)）曙光（中科院計(jì)算所）深騰（聯(lián)想集團(tuán)）43大型計(jì)算機(jī)(Mainframe)通常指支持許多用戶、同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序速度快(千萬次以上)

、存儲(chǔ)容量大、通信功能強(qiáng)、可靠性高有豐富的軟件可能由多處理器組成，如4/8/16/32個(gè)處理器通常用于提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、處理，作為主服務(wù)器。44小型計(jì)算機(jī)（Minicomputer）支持多用戶、多任務(wù)(量少)各方面的性能比大型機(jī)低一般用作企業(yè)、公司、實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)器，承擔(dān)信息處理任務(wù)45臥式個(gè)人計(jì)算機(jī)

立式個(gè)人計(jì)算機(jī)

一體式個(gè)人計(jì)算機(jī)筆記本計(jì)算機(jī)個(gè)人數(shù)字助理(PDA)上網(wǎng)本個(gè)人計(jì)算機(jī)（PersonalComputer）

適合個(gè)人使用軟件豐富、價(jià)格便宜、攜帶方便

TabletPC(平板式電腦)46速度快存儲(chǔ)容量大網(wǎng)絡(luò)通信功能強(qiáng)可靠性好服務(wù)器(Server)服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行專門的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，為其他計(jì)算機(jī)提供服務(wù)和資源(數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)空間、處理能力、軟件等)的一類計(jì)算機(jī)

原理上任何計(jì)算機(jī)都可以作為服務(wù)器,但由于網(wǎng)絡(luò)中需要大量服務(wù)器，因此一些計(jì)算機(jī)廠家專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)“服務(wù)器”產(chǎn)品，其特點(diǎn)是：47常見服務(wù)器的物理形式：48嵌入式計(jì)算機(jī)(Embeddedsystem)嵌入在其他設(shè)備（如數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、手機(jī)、汽車等），把運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出控制、接口電路全部集成在一塊集成電路芯片上的“單片計(jì)算機(jī)”。專用軟件固化在芯片上，功能不能輕易改變用于實(shí)時(shí)信息處理容量小、功耗低、成本低、適應(yīng)性好嵌入式計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)：492.2

CPU的結(jié)構(gòu)與工作原理

CPU的任務(wù)是執(zhí)行指令，即按照指令的要求完成對(duì)數(shù)據(jù)的基本運(yùn)算和處理。存儲(chǔ)器中央處理器指令，數(shù)據(jù)處理結(jié)果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)

CPU的任務(wù)50計(jì)算機(jī)工作原理——存儲(chǔ)程序與程序控制指令與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算都采用二進(jìn)制；把程序作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，要執(zhí)行的程序必須時(shí)要先調(diào)入主存儲(chǔ)器中；(存儲(chǔ)程序)計(jì)算機(jī)自動(dòng)依次執(zhí)行由指令組成的程序,

計(jì)算機(jī)要執(zhí)行何種操作完全由程序控制。51如此往復(fù)，直到程序的所有指令執(zhí)行完為止；完成程序的一次運(yùn)行。(程序控制)計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序時(shí)：分析指令的功能(指令譯碼)；按指令中的要求從內(nèi)存取出數(shù)據(jù)(取數(shù))；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理(運(yùn)算)；CPU依次從主存中取出各條指令(取指令)；保存運(yùn)算結(jié)果52外存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器CPU①程序啟動(dòng)時(shí)，先將程序和數(shù)據(jù)從外存成批傳送到內(nèi)存⑤程序執(zhí)行完成后，將處理得到的結(jié)果成批傳送到外存以長久保存②CPU從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)④將指令的運(yùn)算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存③逐條執(zhí)行指令,按指令要求完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理指令１指令2指令n…程序數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)１數(shù)據(jù)m…數(shù)據(jù)程序數(shù)據(jù)53CPU由寄存器、運(yùn)算器、控制器等部件組成。數(shù)據(jù)

操作數(shù)地址寄存器組運(yùn)算器中央處理器指令計(jì)數(shù)器指令寄存器控制器操作命令存放待執(zhí)行指令的地址存放待執(zhí)行的指令暫存待處理的數(shù)據(jù)完成規(guī)定的運(yùn)算內(nèi)存儲(chǔ)器程序指令1指令2指令k指令n數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)指令

指令地址2.2.1CPU的結(jié)構(gòu)54

通用寄存器GPR

GPR是CPU中存放操作數(shù)、運(yùn)算中間結(jié)果、運(yùn)算結(jié)果的臨時(shí)存儲(chǔ)器

GPR是計(jì)算機(jī)中容量最少、存取速度最快的存儲(chǔ)裝置

GPR是程序中可直接使用的寄存器

CPU中通常有一組GPR，個(gè)數(shù)隨機(jī)器而異通用寄存器組012345

……寄存器的大小(長度)決定了處理器可以操作數(shù)據(jù)的大小和精度。55運(yùn)算器

進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的部件，故稱之為ALU(ArithmeticLogicUnit)，也稱為“執(zhí)行單元”在CPU中可能含有多個(gè)ALU（如ALU1、ALU2、浮點(diǎn)運(yùn)算部件等）。

運(yùn)算的結(jié)果可以存放在GPR、內(nèi)存單元參加ALU運(yùn)算的操作數(shù)通常來自：通用寄存器GPR內(nèi)存儲(chǔ)器單元指令本身56例1:取數(shù)指令LOADR3內(nèi)存地址ALOADR5內(nèi)存地址B例2：加法指令A(yù)DDR1R3R5(3#寄存器內(nèi)容與5#寄存器內(nèi)容相加，并把和數(shù)寫入1#寄存器)STORER1內(nèi)存地址C例3：存數(shù)指令通用寄存器GPR0123456736ALU279AB內(nèi)存儲(chǔ)器C2793657控制器控制器是CPU的指揮中心，主要作用是：控制ALU和其他部件的工作解釋指令的含義記錄機(jī)器內(nèi)部的各種狀態(tài)控制器中有兩個(gè)重要的寄存器：

指令計(jì)數(shù)器指令寄存器

用來存放正在執(zhí)行或下一條要執(zhí)行的指令在主存中的存儲(chǔ)地址。CPU按該地址取指令

用來存放正在執(zhí)行或下一條要執(zhí)行的指令58一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以有多個(gè)處理器（2，4，8或更多），若一臺(tái)計(jì)算機(jī)有2個(gè)以上的處理器，并能同時(shí)地執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)超高速計(jì)算的技術(shù)稱為“并行處理”，采用這種技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。關(guān)于CPU的幾個(gè)基本概念592.2.2

指令與指令系統(tǒng)指令也是構(gòu)成程序的基本單位

規(guī)定CPU執(zhí)行的操作及操作對(duì)象的位置

CPU直接執(zhí)行的基本操作單位，由一系列二進(jìn)制數(shù)字組成的數(shù)字串。程序一個(gè)程序是指令的有序集合60指令的格式

一條指令一般由兩部分組成：操作碼操作數(shù)指出該指令所操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)所在位置,可有多個(gè)，且可以是：主存地址寄存器名/號(hào)直接量操作數(shù)主存地址的地址指出執(zhí)行何種作。如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等。表示位數(shù)的多少?zèng)Q定有多少種不同的操作功能61指令的執(zhí)行過程

CPU逐條執(zhí)行完組成程序的指令串便完成了程序的功能。一條指令的執(zhí)行大體如下：⒈取指令

CPU的控制器按指令計(jì)數(shù)器從內(nèi)存中讀取一條指令，并放入指令寄存器中⒉

指令譯碼分析指令、何種操作、操作數(shù)在哪里等62⒊

執(zhí)行指令

按操作碼的要求取操作數(shù)、執(zhí)行指定的操作、并根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果設(shè)置一些狀態(tài)（如數(shù)據(jù)錯(cuò)、溢出、條件碼等）⒋修改指令計(jì)數(shù)器

決定下一條指令的地址取指令12

指令譯碼3

執(zhí)行指令修改指令計(jì)數(shù)器463指令系統(tǒng)

CPU所能執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令系統(tǒng)，也是這臺(tái)計(jì)算機(jī)的“機(jī)器語言”。指令系統(tǒng)的設(shè)置原則操作功能要簡單，不宜太多、太復(fù)雜指令的格式要統(tǒng)一，長度要固定操作數(shù)的來源要有限制（來自寄存器）精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISCReducedIinstrutionSetComputer)復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISCComplexInstrutionSetComputer)64指令的種類轉(zhuǎn)移指令按指令中給出的操作數(shù)的個(gè)數(shù)分：有單、雙、多操作數(shù)指令；數(shù)據(jù)傳送指令算術(shù)運(yùn)算指令邏輯運(yùn)算指令移位指令位（位串）操作指令輸入/輸出指令另外，按操作數(shù)的所在位置分：寄存器-寄存器型、

寄存器-存儲(chǔ)器型、存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器型指令等。65指令系統(tǒng)的兼容問題

每種類型的CPU都有自己的指令系統(tǒng)，某一類計(jì)算機(jī)的可執(zhí)行程序代碼未必能在其他計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這個(gè)問題稱之為計(jì)算機(jī)的“兼容性”問題。

同一公司的微處理器產(chǎn)品，新型號(hào)通?！跋蛳拢嫒荩迸f型號(hào)。老型號(hào)的處理器能執(zhí)行的程序在新型號(hào)處理器中一定能夠正確執(zhí)行；反之則未必。66

總線接口部件負(fù)責(zé)控制、管理、協(xié)調(diào)系統(tǒng)總線的工作。一般來說：

接收預(yù)取指令的請(qǐng)求；接收?qǐng)?zhí)行單元傳送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求；接收對(duì)CPU中的多個(gè)部件同時(shí)提出的請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)協(xié)調(diào)。67指令快存與數(shù)據(jù)快存（cache)

是一種高速緩沖存儲(chǔ)器（簡稱緩存、快存）,讀寫速度幾乎與CPU一樣快。解決高速CPU(1ns)與慢速的主存儲(chǔ)器(10ns)之間的速度差異。當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序時(shí)，

CPU預(yù)測可能需要的數(shù)據(jù)和指令，并將這些數(shù)據(jù)和指令預(yù)先從主存讀出送到cache。一旦需要時(shí),首先檢查

cache，若有就從cache中讀取，若無再訪問主存。是一種SRAM（StaticRandomAccessMemory)型存儲(chǔ)器。由雙極型電路或晶體管組成的易失性存儲(chǔ)器件。68CPU性能的性能指標(biāo)

計(jì)算機(jī)的性能在很大程度上由CPU決定。而CPU的性能主要由它的運(yùn)算速度所體現(xiàn)。

運(yùn)算速度通常用每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目衡量，度量單位是：

MIPS

(MillionInstructionsPerSecond)

百萬條定點(diǎn)指令／秒

MFLOPS(MillionFLOatinginstructionsPerSecond）

百萬條浮點(diǎn)指令／秒

TFLOPS(TrillionFLOatinginstructionsPerSecond

)

萬億條浮點(diǎn)指令／秒

69指通用寄存器和定點(diǎn)運(yùn)算器的寬度（即二進(jìn)制整數(shù)運(yùn)算的位數(shù))字長

CPU在單位時(shí)間內(nèi)一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)。因此，位數(shù)越多傳輸越快。不同的CPU、字的寬度也不一樣，通常有:

8/32/64位等。影響CPU性能的主要因素指令系統(tǒng)指令的類型、數(shù)目和功能等都會(huì)影響程序的執(zhí)行速度。體系結(jié)構(gòu)70邏輯結(jié)構(gòu)

CPU包含的執(zhí)行部件的數(shù)目、采用的流水線結(jié)構(gòu)和級(jí)數(shù)、指令分支預(yù)測的機(jī)制等高速緩存（cache）的容量與結(jié)構(gòu)

Cache的大小也直接影響CPU的性能。Cache容量越大訪問Cache的命中率就越高，

執(zhí)行指令的速度也就越快。邏輯實(shí)現(xiàn)71主頻（CPU內(nèi)部時(shí)鐘頻率）

指CPU芯片中電子線路(門、觸發(fā)器)的工作頻率，它決定著CPU芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸與操作速度的快慢

CPU總線速率CPU總線(前端總線)的傳輸速率：決定著CPU與內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)的速度快慢物理實(shí)現(xiàn)72

提高CPU性能的3大措施提高IC速度(主頻)增加CPU/(核)的數(shù)目改進(jìn)CPU結(jié)構(gòu)(增加邏輯復(fù)雜度)1980’1990’2005201020154核

80x86

Pentium

8核

雙核年代性能增加邏輯復(fù)雜度提高主頻增加內(nèi)核數(shù)目性能與復(fù)雜性的平方根成正比,若復(fù)雜性提高一倍,至多能提高40%的性能散熱是最大問題。如3.2GHz的P4的功耗超過100W，溫度達(dá)70度！采用兩個(gè)處理器構(gòu)成一個(gè)雙核處理器可以提高70%～80%的性能73雙核/4核處理器概念

所謂雙核心處理器，就是在一塊CPU基板上集成兩個(gè)功能完全相同的處理器，并通過并行總線將各處理器核心連接起來。是一種單芯片多處理器CMP(ChipMultiProcessors)

而將兩個(gè)雙核晶片封裝在一起即成為4核處理器。雙核處理器物理結(jié)構(gòu)雙核處理器邏輯結(jié)構(gòu)74

雙CPU計(jì)算機(jī)的概念

前面所說的雙核心是在一個(gè)處理器芯片里擁有兩個(gè)處理器核心，核心是兩個(gè)，但是其他硬件還都是兩個(gè)核心所共同擁有。而雙CPU則是真正意義上的雙核心，不光是處理器核心是兩個(gè)，其他例如緩存等硬件配置也都是雙份的。75為什么“多核”處理器可提高計(jì)算機(jī)性能？并行處理3.

每個(gè)CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行分配給它的線程中的指令注：“線程”可被理解為程序中可獨(dú)立且并發(fā)地執(zhí)行的一串指令1.“線程”排隊(duì)等候CPU處理2.哪一個(gè)CPU空閑，就把等候的線程交給它執(zhí)行76小結(jié)：提高CPU性能的具體措施擴(kuò)展CPU的字長：32位－>64位擴(kuò)充CPU指令系統(tǒng)提高CPU主頻：從1.5GHz－>3GHz以上，目前最高已經(jīng)接近4GHz；加快CPU前端總線的數(shù)據(jù)傳輸速率增大cache存儲(chǔ)器容量、增加cache的級(jí)數(shù)改進(jìn)CPU內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)（多個(gè)執(zhí)行部件）指令流水線執(zhí)行技術(shù)超線程技術(shù)采用多內(nèi)核結(jié)構(gòu)77

微處理器

簡稱μP或MP。使用單片大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路制成的、具有運(yùn)算和控制功能的處理器。例如，Pentium

。從71年Intel生產(chǎn)出第一片微處理器4004至今，已推出了8代微處理器。各代微處理器的主要標(biāo)志是：字長、結(jié)構(gòu)、功能、晶體管數(shù)目、工作頻率的變化。78

Intel公司微處理器產(chǎn)品的主要技術(shù)參數(shù)生產(chǎn)微處理器的著名公司有：Intel、AMD、AthlonXP、Duron、Sempron、Athlon64等。79

微控制器（Microcontroller)

把處理器、存儲(chǔ)器、輸入／輸出接口電路等都集成在單塊芯片上的大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路芯片。微控制器一般以嵌入方式嵌入在智能儀表、玩具、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、家用電器、通信設(shè)備中，控制它們的工作。80

微處理器的應(yīng)用目前微處理器有三個(gè)主要應(yīng)用方面：

服務(wù)器應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)用商用事務(wù)處理和Web服務(wù)器為主。這種應(yīng)用的特點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)是：（１）系統(tǒng)的可用性（２）系統(tǒng)的可擴(kuò)展性（３）系統(tǒng)的高吞吐率生產(chǎn)服務(wù)器的著名公司有：IBM、HP、SGI、SUN等81個(gè)人計(jì)算機(jī)應(yīng)用個(gè)人計(jì)算機(jī)應(yīng)用包括式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、高端工作站。這種應(yīng)用的特點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)是：（１）多媒體應(yīng)用（占90%以上）（２）交互性能（３）計(jì)算能力（４）性能／價(jià)格比82

嵌入式應(yīng)用嵌入式應(yīng)用指把微處理／微控制器作為各種系統(tǒng)或設(shè)備的核心控制部件的應(yīng)用（如手機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)等）。這種應(yīng)用的特點(diǎn)、要求、限制是：

(1)功耗小

(2)體積小

(3)成本低

(4)可靠性高

(5)速度快

(6)處理能力強(qiáng)

(7)電磁兼容性好83

L2Cache(48GB/s)L1數(shù)據(jù)cache(8KB)256位,時(shí)鐘頻率前端總線主存總線接口部件預(yù)取控制部件6４位,時(shí)鐘頻率指令預(yù)取部件動(dòng)態(tài)分支預(yù)測器指令譯碼器微碼ROM執(zhí)行跟蹤cache(1200微操作)執(zhí)行跟蹤cache

分支預(yù)測器微操作隊(duì)列微操作隊(duì)列整數(shù)寄存器組浮點(diǎn)數(shù)寄存器組復(fù)雜指令簡單指令簡單指令存地址取地址浮點(diǎn)數(shù)存/取浮點(diǎn)數(shù)加乘除SSE／SSE2MMX慢ALU2XALU2XALU2XAGU2XAGU

Pentium4微處理器

Pentium4的邏輯結(jié)構(gòu)84

Pentium

微處理器內(nèi)部主要部件的功能總線接口部件和處理器總線總線接口部件負(fù)責(zé)控制、管理、協(xié)調(diào)處理器總線的工作。處理器總線(FSB前端總線)是CPU和主存之間的數(shù)據(jù)通路。數(shù)據(jù)傳輸寬度64位（即一次可以傳輸8個(gè)字節(jié)），包含36根地址線(即CPU可訪問的內(nèi)存的最大地址為236，或者說最大內(nèi)存空間可達(dá)64GB）。85流水線處理

P4采用了超流水線技術(shù)(hyperpipeline)，即同一時(shí)刻允許多條指令同時(shí)執(zhí)行。P4的流水線上最多允許有126條指令同時(shí)進(jìn)行處理。指令譯碼預(yù)取指令執(zhí)行指令存儲(chǔ)結(jié)果時(shí)間T時(shí)刻CPU同時(shí)處理4條不同的指令862.3PC主機(jī)的組成8788

主板主板上安裝所有的電子器件、電路與連接件。主要部件有：CPU插座CPU調(diào)壓器芯片組高速緩存(在CPU中)存儲(chǔ)器插座

I/O端口CMOS芯片2.3.1主板、芯片組與BIOS

BIOS芯片總線擴(kuò)展槽

時(shí)鐘發(fā)生器,電池—存放最基礎(chǔ)的軟件(I/0系統(tǒng))—存放硬件配置信息和系統(tǒng)參數(shù)892.3.1主板、芯片組與BIOS

主板主板上安裝所有的電子器件、電路與連接件

為了便于不同PC機(jī)主板的互換，行業(yè)部門對(duì)主板的物理尺寸進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化：

ATX規(guī)格

BTX規(guī)格主板的作用主板的物理尺寸標(biāo)準(zhǔn)90主板上安裝的主要內(nèi)容

處理器插槽

I/O接口光驅(qū)及硬盤IDE連接器電源連接器PCI總線槽CPU插座顯示卡插槽南橋芯片組ROMBIOS內(nèi)存儲(chǔ)器插座CMOS北橋芯片組91

硬盤IDE連接器電源連接器CPU插座內(nèi)存條插座

I/O接口

PCI總線插槽

芯片組

連接顯示器、打印機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤I/O端口部分主板實(shí)例92芯片組芯片組的作用芯片組是PC機(jī)各組成部分相互連接和通信的樞紐。芯片組決定主板的級(jí)別和檔次；不同類型的CPU需要使用不同的芯片組。集中了主板上幾乎所有的控制功能

(存儲(chǔ)器控制、I/O控制等)提供各種I/O接口及控制實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)系統(tǒng)總線功能決定所能安裝的主存的最大容量、速度及可使用的內(nèi)存條類型集成了網(wǎng)卡、顯卡、聲卡等功能93芯片組的結(jié)構(gòu)與組成芯片組由北橋芯片與南橋芯片組成。北橋芯片1.存儲(chǔ)器控制功能；2.連接CPU、存儲(chǔ)器、顯卡、南橋芯片的樞紐南橋芯片1.多種I/O設(shè)備的控制功能；2.I/O總線(PCI總線)功能；3.提供了各種I/O接口94CPUCPU(前端)總線主存儲(chǔ)器顯卡擴(kuò)展槽PCI接口磁盤控制器以太網(wǎng)卡USB控制器和接口鼠標(biāo)器鍵盤網(wǎng)線disk聲卡視頻卡光驅(qū)存儲(chǔ)器總線I/O總線I/O總線南橋芯片北橋芯片芯片組的作用95注意：北橋芯片的發(fā)展變化更新速度比南橋芯片要快；北橋芯片更靠近CPU；北橋芯片支持的數(shù)據(jù)傳輸速度更快；利用北橋芯片的數(shù)據(jù)傳輸更頻繁。96Intel芯片(如X48、P43、P45和G41、G43、

G45、B43、Q43、Q45；ICH7、ICH8、

ICH9和ICH10等）VIA（威盛，中國臺(tái)灣）nVIDIA（美國）AMD（美國）生產(chǎn)芯片組的公司與廠家97BIOS

芯片BIOS是基本輸入/輸出系統(tǒng)(BasicInput/OutputSystem)的意思，是操作系統(tǒng)的最底層部分的可執(zhí)行程序代碼。BIOS的功能啟動(dòng)計(jì)算機(jī)診斷計(jì)算機(jī)故障控制基本外設(shè)(鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤、顯示器等)的輸入輸出操作98BIOS存放在只讀存儲(chǔ)器芯片（ROM）中，一般情況下是不能被修改的，故稱為只讀存儲(chǔ)器芯片。是一種固化軟件。BIOS的特點(diǎn)99BIOS芯片中包含的程序自檢程序（POSTPowerOnSelfTest)用于加電時(shí)時(shí)檢測計(jì)算機(jī)硬件故障自舉程序（Boot）,用于啟動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)CMOS設(shè)置程序,

設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,驅(qū)動(dòng)鍵盤、顯示器、軟驅(qū)、硬盤等常用外部設(shè)備I/O操作的控制程序。100

PC機(jī)的啟動(dòng)過程(1)接通電源時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行BIOS中的POST程序，測試各部件的工作狀態(tài)是否正常，按CMOS中的內(nèi)容來識(shí)別硬件的配置、測試和初始化CPU、內(nèi)存、ROM、主板、CMOS、顯示卡、鍵盤、軟驅(qū)和硬盤等，若有錯(cuò)系統(tǒng)將不能繼續(xù)工作。(2)執(zhí)行自舉（裝入）程序。按照CMOS中預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)順序，搜尋軟、硬盤或CD-ROM，從中讀出引導(dǎo)程序并裝入到內(nèi)存，然后將控制權(quán)交給引導(dǎo)程序，由引導(dǎo)程序繼續(xù)安裝操作系統(tǒng)。然后由操作系統(tǒng)控制使用計(jì)算機(jī)。101CMOS芯片

作用存放用戶對(duì)計(jì)算機(jī)硬件所設(shè)置的一些參數(shù)(配置信息)，包括當(dāng)前的日期和時(shí)間、顯示卡的類型、cache的使用狀況、從外存啟動(dòng)OS的設(shè)備順序等。

特性CMOS是一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片，易失性存儲(chǔ)器。使用電池供電,即使計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后它也不會(huì)丟失所存儲(chǔ)的信息。102

CMOS設(shè)置程序的使用加電時(shí)按住Del鍵便自動(dòng)啟動(dòng)CMOS設(shè)置程序，用戶便可以修改/配置系統(tǒng)硬件參數(shù)。修改/配置系統(tǒng)硬件參數(shù)的情況PC機(jī)組裝好之后第一次加電；系統(tǒng)增加、減少或更換硬件或I/O設(shè)備；CMOS芯片因掉電、病毒侵害、放電等原因造成其內(nèi)容丟失或被錯(cuò)誤修改；用戶希望更改或設(shè)置系統(tǒng)的口令；系統(tǒng)因某種需要而調(diào)整某些設(shè)置參數(shù)。1032.3.2內(nèi)存儲(chǔ)器

在計(jì)算機(jī)中用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的部件統(tǒng)稱之為存儲(chǔ)器。在主板各個(gè)部件中的存儲(chǔ)器稱內(nèi)存儲(chǔ)器，在機(jī)器外部的存儲(chǔ)器稱外存儲(chǔ)器。內(nèi)存儲(chǔ)器(簡稱內(nèi)存)存取速度快成本高、容量相對(duì)較小直接與CPU連接，CPU可以對(duì)內(nèi)存中的指令及數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作屬于揮發(fā)性存儲(chǔ)器(volatile)，用于臨時(shí)存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)(臨時(shí)性存儲(chǔ)器)104外存儲(chǔ)器(簡稱外存或輔存)存取速度慢成本低、容量很大不與CPU直接連接,計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序時(shí),外存中的程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先傳送到內(nèi)存，然后才能被CPU使用。屬于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器(Nonvolatile),用于長久存放系統(tǒng)的所有信息(永久性存儲(chǔ)器)105存取時(shí)間指從CPU給出存儲(chǔ)地址開始到從存儲(chǔ)器中取出數(shù)據(jù)并送給CPU所經(jīng)歷的時(shí)間。cache存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器(RAM和ROM)外存儲(chǔ)器(軟盤、硬盤、光盤)后備存儲(chǔ)器(磁帶庫、光盤庫)內(nèi)存外存寄存器典型容量<1KB幾個(gè)MB幾個(gè)GB100GB~1TB10TB~100TB典型存取時(shí)間1ns2ns10ns10ms10s存儲(chǔ)器的層次注：106內(nèi)存儲(chǔ)器分類內(nèi)存儲(chǔ)器都是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，按能否讀寫分為兩大類：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器(ROM)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM

不可在線改寫內(nèi)容的ROM快擦除存儲(chǔ)器FlashROM(用作Cache)

(用作主存儲(chǔ)器)(用作BIOS等)107

RAM就是平時(shí)所講的主存儲(chǔ)器，可在任何時(shí)刻存/取它的任何位置的存儲(chǔ)單元。可讀可寫、易失性是CPU的工作存儲(chǔ)器，要執(zhí)行的程序必須先調(diào)入其中。讀(取)RAM，指從RAM中取出數(shù)據(jù)(取的僅是存儲(chǔ)在其中數(shù)據(jù)的副本，原來的內(nèi)容依然存在)；寫(存)RAM，指改變RAM存儲(chǔ)單元的內(nèi)容(新的總是代替老的)。RAM

以存儲(chǔ)單元(字節(jié))為單位讀/寫。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM(RandomAccessMemory)108需要定時(shí)充電(刷新，約每隔15ms),以保持信息不會(huì)丟失。存取時(shí)間一般<10ns(比CPU慢得多),但是比ROM的速度快(ROM<20ns)。主存儲(chǔ)器都使用DRAM(DynamicRAM)芯片用一個(gè)晶體管和一個(gè)電容表示一位二進(jìn)位芯片小、功耗低、密度高109只能讀出其中的數(shù)據(jù)和程序，不能寫入；是一種永久保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器(非易失性)或半永久(可通過特殊技術(shù)改寫其中的內(nèi)容)的存儲(chǔ)器。因此，按內(nèi)容是否能改寫可分為：MaskROM

(掩膜ROM)

存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)由工廠在生產(chǎn)過程中直接在半導(dǎo)體芯片上制成的硬模硅片，此后無法進(jìn)行修改。只讀存儲(chǔ)器ROM(ReadOnlyMemory)110

可編程只讀存儲(chǔ)器，生產(chǎn)時(shí)為空(所有的位全為1)。此后可以用專用寫入器(在芯片所需改變處加上高電壓(12v)，將1變成0，加電時(shí)間幾秒到幾分鐘。PROM(ProgrammableROM)只能寫一次，不可回復(fù)。所以PROM芯片又稱為OPT芯片（一次可編程芯片）。注意：111EPROM芯片(ErasablePROM)

可擦除、可編程只讀存儲(chǔ)器，通過紫外線照射芯片上的信息（發(fā)生化學(xué)反映，實(shí)際上是“熔結(jié)”，把0變成1）。因紫外線照射會(huì)擦除EPROM中的內(nèi)容,而陽光中有紫外線，所以含有EPROM

的設(shè)備應(yīng)避免在陽光下暴露太久。注意：EEPROM芯片

(ElectronicEPROM)

電可擦除、可編程只讀存儲(chǔ)器,可直接用電子線路擦除（如FlashROM）。112PC機(jī)中使用的ROM在PC機(jī)中有幾個(gè)地方使用了ROM存儲(chǔ)器：用于存放微程序（實(shí)現(xiàn)指令的程序）控制卡中的ROM用于存放相應(yīng)設(shè)的備驅(qū)動(dòng)程序（如顯卡中的ROM）主板中的ROM用于存放BIOSCPU中的ROM

113主存儲(chǔ)器CPU可通過FSB直接存取其中的數(shù)據(jù)；用來存放正在執(zhí)行和已進(jìn)入主存等待執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，是一種工作存儲(chǔ)器；以字節(jié)為單位編址，字節(jié)訪問的基本單位，

CPU可按地址訪問主存儲(chǔ)器的任意單元；包括ROM和RAM(由兩者組成)；

存取時(shí)間一般小于10ns114地址碼存儲(chǔ)單元地址寄存器地址譯碼器地址線讀寫控制電路數(shù)據(jù)線控制線讀/寫的數(shù)據(jù)讀寫控制信號(hào)

(64位)(36位)115PC機(jī)主存儲(chǔ)器的物理結(jié)構(gòu)

在物理上，主存儲(chǔ)器由若干“內(nèi)存條”組成。“內(nèi)存條”是將一些RAM芯片焊接在一小條印刷電路板上的部件。目前流行的是DDR2和DDR3內(nèi)存條：均采用雙列直插式(DIMM)均有240個(gè)引腳，但不可互換使用PC機(jī)主板中一般都配備有2～4個(gè)DIMM插槽DoubleDataRateSynchronousDynamicRAM116DDR存儲(chǔ)器的類型、速率及相關(guān)參數(shù)存儲(chǔ)器時(shí)鐘頻率存儲(chǔ)器芯片名稱存儲(chǔ)器內(nèi)部頻率內(nèi)存條名稱每秒傳輸次數(shù)最大傳輸速率100MHzDDR-200100MHzPC-1600200M1.6GB/sDDR2-400200MHzPC2-3200400M3.2GB/sDDR3-800400MHzPC3-6400800M6.4GB/s133MHzDDR-266133MHzPC-2100266M2.1GB/sDDR2-533266MHzPC2-4200533M4.2GB/sDDR3-1066533MHzPC3-85001066M8.5GB/s167MHzDDR-333167MHzPC-2700333M2.7GB/sDDR2-667333MHzPC2-5300667M5.3GB/sDDR3-1333667MHzPC3-106001333M10.6GB/s200MHzDDR400200MHzPC-3200400M3.2GB/sDDR2-800400MHzPC2-6400800M6.4GB/sDDR3-1600800MHzPC3-128001600M12.8GB/s117

內(nèi)存條使用注意事項(xiàng)：25次插/拔次數(shù)；但內(nèi)存條必須定期插/拔，長期氧化會(huì)導(dǎo)致讀/寫錯(cuò)誤；內(nèi)存條有鍍金引腳和鍍錫引腳之分，插槽也是這樣，材料不同“腐蝕效應(yīng)”也不同，氧化物表面會(huì)形成不同的電阻值，導(dǎo)致讀/寫錯(cuò)誤；內(nèi)存條必須一致，不能混用。118高速緩存(cache)因CPU工作速度快(1ns),內(nèi)存存取速度慢(10ns),速度的差異導(dǎo)致CPU存取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)往往需要等待，影響系統(tǒng)性能。解決辦法設(shè)立一個(gè)名為cache的高速緩沖存儲(chǔ)器：cache

CPURAM…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….預(yù)拷貝一部分若cache中有待執(zhí)行指令…….…….…….下一部分若cache中沒有待執(zhí)行指令…….119利用cache能提高性能的原理

cache速度快，與CPU速度匹配

并行工作原理。從RAM中將指令與數(shù)據(jù)送入cache

與CPU從cache中取指令及執(zhí)行指令的動(dòng)作是同時(shí)進(jìn)行的

程序的局部執(zhí)行原理(這是最重要的!

)…….…….…….…….…….…….…….…….程序在這段范圍內(nèi)反復(fù)執(zhí)行。而這段程序只需送cache一次！120cache的特性物理上由SRAM芯片組成，是易失性存儲(chǔ)器電路復(fù)雜、集成度低、功耗大、成本高。直接制作在CPU芯片內(nèi)(與CPU封裝在同一個(gè)芯片中)，速度幾乎與CPU一樣快cache的內(nèi)容是主存儲(chǔ)器中部分內(nèi)容的映象cache不能由程序直接訪問，即cache對(duì)程序是“透明”（看不見）的。一個(gè)程序的指令可能多次進(jìn)入cache，而不是一次。121關(guān)于cache的命中率

cache的命中率是CPU從cache中獲得指令與數(shù)據(jù)的成功概率。概率越高則請(qǐng)求訪問主存儲(chǔ)器的機(jī)會(huì)就越小，程序執(zhí)行時(shí)間就越短。如何提高cache的命中率？增大cache容量采用快速的cache查找算法(判定是否命中)采用有效的淘汰算法采用多級(jí)cache技術(shù)(2級(jí)或3級(jí)等)編寫、優(yōu)化程序（cache-friendly的程序）1222.3.3I/O控制與I/O接口I/O控制設(shè)備主存儲(chǔ)器設(shè)備上的數(shù)據(jù)(輸入)主存中數(shù)據(jù)(輸出)注：I/O操作與CPU的運(yùn)算可同時(shí)進(jìn)行I/O操作概念123

I/O設(shè)備

I/O設(shè)備(包括外存儲(chǔ)器)是一個(gè)獨(dú)立的物理實(shí)體，通過不同的I/O接口與主機(jī)連接。系統(tǒng)中的I/O設(shè)備之間都可以同時(shí)工作。

DMA控制器（DirectionMemoryAccess）

實(shí)現(xiàn)設(shè)備與主存儲(chǔ)器之間的直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤?/p>

I/O設(shè)備控制器I/O設(shè)備都有相應(yīng)的控制器(即適配器、適配卡）,如聲卡、網(wǎng)卡等，由一組電子線路組成，用于控制設(shè)備的I/O操作，具體功能是：124向CPU反映設(shè)備的工作狀態(tài)速度匹配數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換接收啟動(dòng)設(shè)備的命令獨(dú)立于CPU控制設(shè)備工作

鍵盤、鼠標(biāo)器、打印機(jī)等設(shè)備的控制器比較簡單，已集成在芯片組內(nèi)。顯示器之類的設(shè)備其控制器比較復(fù)雜，通常制成擴(kuò)充卡插在主板的擴(kuò)充槽內(nèi)。隨著集成度的提高，各種擴(kuò)充卡的功能也越來越多地被集成在芯片組內(nèi)。125I/O操作的過程CPUI/O指令DMA地址計(jì)數(shù)控制盤控制器緩沖區(qū)硬盤主存儲(chǔ)器6

I/O操作完成2

請(qǐng)求傳輸4

數(shù)據(jù)傳輸

1要求控制I/O操作3應(yīng)答總線5126

總線

總線(bus)是CPU、內(nèi)存、外存、及各種I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通路，由一組公用的信號(hào)線（數(shù)據(jù)線、地址線、控制線)及控制線路組成?？偩€的基本概念………………數(shù)據(jù)線地址線控制線127總線的特點(diǎn)共享高速總線的性能數(shù)據(jù)通路寬度；總線工作頻率；每秒傳輸次數(shù)128總線的類型CPU總線（前端總線FSB）CPU與芯片組(北橋芯片)之間的數(shù)據(jù)通路。北橋芯片CPUCPU(前端)總線存儲(chǔ)器總線主存儲(chǔ)器與芯片組(北橋芯片)之間的數(shù)據(jù)通路。存儲(chǔ)器總線主存儲(chǔ)器129I/O總線I/O總線

I/O總線南橋芯片北橋芯片

也稱主板總線，是各類I/O設(shè)備控制器與CPU、存儲(chǔ)器之間傳輸數(shù)據(jù)的通路。130當(dāng)前正在使用的I/O總線標(biāo)準(zhǔn)：PCI

工作頻率：33MHz

數(shù)據(jù)線寬度：32/64

傳輸速率：132MB/s或266MB/s早期的I/O總線標(biāo)準(zhǔn)：

PC總線

ISA

MCA

EISA

VESAPCI性能已跟不上實(shí)際應(yīng)用需求。131新一代I/O總線標(biāo)準(zhǔn)：PCI-EPCI-E由英特爾提出，原名為“3GIO”（即第3代I/O總線標(biāo)準(zhǔn)的意思）,后改名為“PCI-Express”,簡寫為PCI-E或PCIe。

采用高速串行傳輸,以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式與主機(jī)通信；多通道(1～32個(gè))，對(duì)應(yīng)的傳輸速率規(guī)格為x1、x4、x8、x16、x32；

支持熱插拔；132PCI-E分1.0版、2.0版、3.0版。后兩版的速率分別是1.0版的2倍、4倍。如各版本的x1的速率分別為250MB/s，500MB/s,1GB/s；

目前,北橋芯片已支持PCI-Ex16(5GB/s）取代AGP(2.1GB/s),南橋芯片支持PCI-E

x1。PCI-Ex1PCIPCI-Ex16AGP133顯卡插槽

(PCI-Ex16)(16個(gè)串行傳輸通道；最高傳輸速率:5GB/s)

PCI-Ex1插槽(1個(gè)串行傳輸通道；最高傳輸速率:250MB/s)PCI插槽134

I/O總線控制器（ICH）位于主板的芯片組中，協(xié)調(diào)與管理I/O總線操作。I/O總線的帶寬總線帶寬＝通路寬度×工作頻率×傳輸次數(shù)

/8(B)/8/1000(KB)/8/1000/1000(MB)(最高傳輸速率)135總線帶寬(數(shù)據(jù)傳輸速率)＝32b×33MHz×1

＝32×33000000×1

＝1056000000b/s

＝132000000B/s＝132MB/s

PCI有32根數(shù)據(jù)線,總線工作頻率33MHz，每個(gè)總線周期傳輸1次，則：例如：136I/O接口（Interface)

I/O設(shè)備與主機(jī)之間的連接器。包括插頭/插座及通信規(guī)程和電氣特性。聲音輸入聲音輸出麥克風(fēng)顯示器接口鍵盤接口并行口USB接口以太網(wǎng)接口串行口鼠標(biāo)接口主板上的I/O設(shè)備接口137I/O接口分類按傳輸方式串行接口并行接口一次傳送一個(gè)字節(jié)，但每次僅傳送一個(gè)比特(一個(gè)字節(jié)分8次傳送)，用于連接鼠標(biāo)、MODEM等慢速設(shè)備。

一次傳送一個(gè)字節(jié)，但8位同時(shí)傳送。138串行口一個(gè)字節(jié)...............一個(gè)字節(jié)并行口一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)注意：按傳統(tǒng)概念并行接口比串行接口快，但現(xiàn)在這個(gè)概念已發(fā)生了變化。（未必！因?yàn)檫€存在傳輸速率問題）139按是否能連接多個(gè)設(shè)備獨(dú)占式接口總線式接口按是否符合標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)接口專用接口只能連接專門設(shè)備。如視頻口只能連接一個(gè)設(shè)備。可連接多個(gè)設(shè)備通用接口，可連接多種設(shè)備，例如

USB140常用的重要I/O接口

IDE/EIDE

ATA接口

(IntegratedDriveElectronics/Enhance)

(ATAATAttachment,AT嵌入式接口)

硬盤接口規(guī)范最大傳輸速率(MB/s)ATA-1

3.3ATA-2

16.6ATA-3

16.6ATA-4

33UltraATA/100

100UltraATA/133133141USB的特性

高速、串行傳輸；

即插即用P&P

(PlugandPlay)，熱插拔；

自動(dòng)識(shí)別外設(shè)；

使用USB集線器，最多連接127個(gè)設(shè)備；

可外設(shè)提供電源(＋5V，100～500mA)。USB

接口（UniversalSerialBus）

通用串行總線式接口。142USB的版本及其數(shù)據(jù)傳輸速率USB

1.0版：低速

0.1875MB/sUSB

2.0版：60MB/s高速

1.5MB/s

USB

1.1版：USB

3.0版：400MB/s

USB標(biāo)識(shí)USB3.0SS連接器外設(shè)接線器電纜長度5米143

USB的引腳信號(hào)黑地GND4綠數(shù)據(jù)＋＋DATA3白數(shù)據(jù)－－DATA2紅電源VCC1導(dǎo)線顏色名

稱信

號(hào)引

腳144

i.Link

(SONY)或FireWire(Apple)接口

即IEEE-1394。是用于連接需要高速傳輸大量數(shù)據(jù)的音頻和視頻設(shè)備,也是串行傳輸。1394的特點(diǎn)

傳輸速度快

即插即用，熱插拔；

級(jí)聯(lián)方式連接,最多可以連接63個(gè)設(shè)備；

最大電纜長度5米。

12.5、25、50MB/s100MB/s（1394a）（1394b）145

IEEE1394的插座形式連接器共有6根導(dǎo)線（4根傳送數(shù)據(jù)，2根傳導(dǎo)電源）1394數(shù)據(jù)線146紅外線數(shù)據(jù)傳輸接口IrDA(InfraredData)

使用紅外線通信不需要連接線。只需將兩設(shè)備的距離、方向放置在一定的范圍內(nèi)就可以實(shí)施通訊。紅外線接口標(biāo)準(zhǔn)SIR(SerialInfrared，串行紅外)9.6K～115.2KbpsFIR(FastInfrared，快速紅外)1.152M和4MbpsVFIR(VeryFastInfrared，超速紅外)16Mbps147紅外適配器148

PC機(jī)常用I/0接口的性能、參數(shù)及作用名稱數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)插頭/插座形式可連接的設(shè)備數(shù)目通常連接的設(shè)備串行口串行,雙向50～19200b/sEIA-232或EIA-422DB25F或DB9F1鼠標(biāo)器，MODEM并行口(增強(qiáng)式)并行,雙向1.5MB/sIEEE1284DB25M1打印機(jī)，掃描儀USB(1.0)USB(1.1)串行,雙向1.5Mb/s(慢速)1.5MB/s(全速)USB-IFA型，B型最多127鍵盤，鼠標(biāo)器，數(shù)碼相機(jī)，移動(dòng)盤等USB(2.0)串行,雙向60MB/s(高速)USB-IFA，B，Mini型最多127外接硬盤，數(shù)字視頻設(shè)備，掃描儀等IEEE1394a1394b

串行,雙向50MB/s,100MB/s,200MB/sFireWire(i.Link)最多63數(shù)字視頻設(shè)備IDE并行,雙向100MB/s133MB/sUltraATA/100UltraATA/133(E-IDE)1~4硬盤，光驅(qū)，軟驅(qū)SATA串行,雙向150MB/s300MB/sSATA1.0SATA2.07針插頭/插座1硬盤顯示器輸出接口并行,單向200～500MB/sVGAHDB151顯示器PS/2接口串行,雙向低速IBM1鍵盤或鼠標(biāo)器紅外線接口(IrDA)串行,雙向115,000bps或4Mbps紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)不需要1鍵盤，鼠標(biāo)器，打印機(jī)等149

I/O總線、I/O控制器、I/O接口與I/O設(shè)備之間的關(guān)系機(jī)箱打印機(jī)掃描儀顯示器麥克風(fēng)網(wǎng)線

I/O總線I/O接口硬盤光驅(qū)I/O設(shè)備CPU主板I/O控制器(擴(kuò)充卡)機(jī)箱插座板卡插座PCI插槽內(nèi)存主板插槽芯片組IDE機(jī)箱插座I/O設(shè)備鍵盤鼠標(biāo)器I/O控制器I/O設(shè)備CPU1502.4

常用輸入設(shè)備數(shù)字和文字輸入設(shè)備(鍵盤、寫字板等)位置和命令輸入設(shè)備(鼠標(biāo)器、觸摸屏等)圖形輸入設(shè)備(掃描儀，數(shù)碼相機(jī)等)聲音輸入設(shè)備(話筒，MIDI演奏器)視頻輸入設(shè)備(攝像機(jī))輸入設(shè)備是計(jì)算機(jī)中必不可少的部分,按設(shè)備功能分，有如下幾大類：溫度壓力輸入設(shè)備(溫度、壓力傳感器)1512.4.1鍵盤（Keyboar