三級偏軟微機(jī)原理部分.ppt

1、,答疑時間：周五下午3：00-4：30 第一部分答案 階六糾正,計算機(jī)微機(jī)原理,計算機(jī)的組成 CPU 存儲器 輸入輸出設(shè)備 并行串行通信,1、計算機(jī)的組成,計算機(jī)是一個復(fù)雜系統(tǒng),計算機(jī)硬件是計算機(jī)系統(tǒng)中所有實(shí)際物理裝置的總稱,計算機(jī)軟件是指在計算機(jī)中運(yùn)行的各種程序及其處理的數(shù)據(jù)和相關(guān)的文檔,計算機(jī)硬件的邏輯結(jié)構(gòu) 1,經(jīng)典計算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)（馮.諾依曼計算機(jī)）,（注：邏輯結(jié)構(gòu)意指概念上（即功能上）的結(jié)構(gòu)）,計算機(jī)硬件的邏輯結(jié)構(gòu) 2,現(xiàn)代計算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu),與經(jīng)典計算機(jī)結(jié)構(gòu)相比的3個變化： 集中控制分散控制 存儲器內(nèi)存儲器外存儲器 通過CPU通信通過總線進(jìn)行通信,臺式PC的物理組成,臺式機(jī),2、CPU

2、,什么是中央處理器(CPU)？,用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的處理器稱為CPU，CPU是計算機(jī)必不可少的核心組成部件 多數(shù)個人計算機(jī)只有1個CPU，但有一些計算機(jī)包含有2個、4個、8個甚至成百上千個CPU 將問題的解算步驟編制成為程序，程序連同它所處理的數(shù)據(jù)都用二進(jìn)位表示并預(yù)先存放在存儲器中 程序運(yùn)行時，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止,指令是什么？,指令就是命令，它用來規(guī)定CPU執(zhí)行什么操作。指令是構(gòu)成程序的基本單位，程序是由一連串指令組成的 指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下，指令由兩個部分組成：,指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操

3、作的一個命令詞，例如加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等,指出該指令所操作(處理)的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置,舉例: 10 02 06,把02存儲單元和06存儲單元中的內(nèi)容相加，和數(shù)保存在02單元,CPU的結(jié)構(gòu)和任務(wù),CPU主要由運(yùn)算器、控制器和寄存器組3個部分組成 CPU的任務(wù)：取指令并完成指令所規(guī)定的操作,存放待執(zhí)行指令的地址,已經(jīng)啟動運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù),存放待執(zhí)行的指令并進(jìn)行譯碼,完成規(guī)定的運(yùn)算,暫存等待處理的數(shù)據(jù),操作命令,8086微處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu),指令及其格式,指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下由兩個部分組成：,指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個命令詞，例如加、減、乘、除等,指出該指令所操作(處理)的數(shù)

4、據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置,指令的格式： 操作碼用幾位表示？(多少種不同的操作功能) 操作數(shù)地址是2個還是3個？ R1R3+R5 R1R1-R3 如何指出內(nèi)存地址？(尋址方式) 指令長度是多少位，固定長度/可變長度？,影響CPU性能的主要因素(之一),CPU的字長（位數(shù)） 是CPU中定點(diǎn)運(yùn)算器的寬度 目前PC使用的CPU大多是32位處理器，新一代的PC機(jī)將使用64位處理器 主頻（CPU時鐘頻率） 指CPU中電子線路的工作頻率 主頻提高，CPU的處理速度通常也會加快 CPU總線（前端總線）的速度 CPU總線速度決定了CPU與內(nèi)存間數(shù)據(jù)傳輸速度的快慢 高速緩存（cache）的容量與結(jié)構(gòu) 程序運(yùn)行過程中高速

5、緩存有利于減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù) cache容量越大、級數(shù)越多，其效用就越顯著,影響CPU性能的主要因素(之二),CPU的指令系統(tǒng) 指令的格式和功能會影響程序的執(zhí)行速度 CPU的邏輯結(jié)構(gòu) CPU包含的定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算器數(shù)目 是否流水線結(jié)構(gòu)，流水線的條數(shù)和級數(shù) 有無指令預(yù)測和數(shù)據(jù)預(yù)測功能 是否具有數(shù)字信號處理功能 是否多核，有幾個內(nèi)核 ,Pentium4的邏輯結(jié)構(gòu),寄存器組與CPU字長 超標(biāo)量結(jié)構(gòu)ALU 流水線處理技術(shù) SIMD技術(shù) EM-64T 超線程技術(shù) 雙核與多核技術(shù),Pentium 4 處理器的邏輯結(jié)構(gòu),指令譯碼器,整 數(shù) 寄 存 器 組,L1數(shù)據(jù)cache(8KB),浮 點(diǎn) 寄

6、存 器 組,慢ALU,復(fù)雜指令,2xALU,簡單指令,2xALU,簡單指令,2xAGU,存地址,浮點(diǎn)存 浮 點(diǎn) 取,2xAGU,取地址,MMX,SSE/ SSE2,浮點(diǎn)加 浮點(diǎn)乘 浮點(diǎn)除,執(zhí)行跟蹤cache (12000微操作),微碼ROM,微操作隊(duì)列,微操作隊(duì)列,指令預(yù)取部件,動態(tài)分支預(yù)測器,前端總線,256位，時鐘頻率,64位,時鐘頻率,總線 接口部件,總線接口,運(yùn)算器,寄存器組,控制器,Pentium 4 處理器的芯片布局,Pentium 4的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)運(yùn)算器,采用超標(biāo)量（superscalar）結(jié)構(gòu)，一共包含9個ALU，均可同時工作： 2個高速整數(shù)ALU(每個時鐘周期進(jìn)行2次操作)，

7、用于完成簡單的整數(shù)運(yùn)算(如加、減法) 1個慢速整數(shù)ALU(需要多個時鐘周期才能完成1次操作)，用于完成整數(shù)乘、除法運(yùn)算 2個地址生成部件（AGU），用于計算操作數(shù)的有效地址，所生成的地址分別用于從內(nèi)存取操作數(shù)或向內(nèi)存保存操作結(jié)果 1個ALU用于完成浮點(diǎn)操作數(shù)地址的計算 1個ALU用于完成浮點(diǎn)加法、乘法和除法運(yùn)算 1個ALU用于執(zhí)行流式的SIMD處理（SSE/SSE2/SSE3指令） 1個ALU用于完成多媒體信號處理（MMX指令）,I6,I5,I4,I3,指令的流水線執(zhí)行,I2,指令的順序執(zhí)行：,I1,指令的流水線執(zhí)行：,Pentium 4的流水線分成20級，每一級的操作都很簡單,執(zhí)行速度極快，

8、因而允許時鐘頻率高達(dá)1GHz以上,超流水線(Hyper-pipeline)技術(shù),Pentium 4有多條超流水線，每條流水線的級數(shù)均很長，定點(diǎn)運(yùn)算達(dá)20級，浮點(diǎn)運(yùn)算達(dá)到29級，處于執(zhí)行狀態(tài)的指令數(shù)最多可達(dá)到126條,超級流水線中每步操作都非常簡單，因此主頻可以顯著提高,指令預(yù)取和分支預(yù)測,為了使流水線不中斷，指令預(yù)取部件用于完成指令地址的計算，并從指令 cache中讀取指令（一次64位），它還通過動態(tài)分支預(yù)測器對即將執(zhí)行的指令提前進(jìn)行預(yù)取，如果預(yù)測發(fā)生錯誤，那么流水線就會中斷，CPU的速度將會受到影響,A=A+2; If (A10) B=A;,MMX/SSE/SSE2/SSE3指令,所謂SSE

9、(擴(kuò)展的單指令數(shù)據(jù)流 )指令，其特點(diǎn)是1條指令可處理128位的數(shù)據(jù)，它可以是下列情況之一： 4個單精度浮點(diǎn)數(shù)(各32位)2個雙精度浮點(diǎn)數(shù)(各64位) 16個8位整數(shù)8個16位整數(shù) 4個32位整數(shù)2個64位整數(shù) 1個128整數(shù) 由于一條指令可以處理若干個整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)，因而大大提高了計算速度，這種做法稱為單指令多數(shù)據(jù)技術(shù)（single-instruction, multiple-data，簡稱SIMD） SSE/SSE2/SSE3指令在完成3D圖形、語音識別、圖像處理等多媒體應(yīng)用的時候非常有效,為什么需要64位計算？,原因： 可以進(jìn)行更大范圍的整數(shù)運(yùn)算 可以支持更大的內(nèi)存 進(jìn)行64位計算的條件：

10、64位的處理器 64位的操作系統(tǒng)(如 Windows XP X64，Windows Vista) 64位的應(yīng)用軟件 產(chǎn)品： RISC(UltraSparc 、IBM公司的POWER5、HP公司的Alpha) Intel 安騰處理器( Itanium 和 Itanium 2) AMD64(Athlon 64系列、Athlon FX系列和Opteron系列) Intel EM-64T(Extended Memory 64 Technology) 至強(qiáng)(Xeon)系列、Pentium 4 6xx系列 和 Pentium D系列、P4 至尊版,Pentium的64位擴(kuò)展技術(shù)(EM-64T),整 數(shù) 寄

11、 存 器 組,指令計數(shù)器 標(biāo)志寄存器,共16個64位寄存器，另外還增加8個128位的SSE寄存器 增加了處理64位整數(shù)的指令 支持c語言中的“l(fā)ong int”數(shù)據(jù)類型，對應(yīng)的是64位整數(shù),Pentium 4 的64位寄存器組,超線程(Hyper-Threading, HT)技術(shù),背景： 實(shí)際應(yīng)用中CPU的執(zhí)行單元沒有被充分使用，性能未得到充分發(fā)揮 超線程(HT)技術(shù)：把硬件模擬成兩個處理器芯片，從OS來看就像有兩個CPU一樣，可同時執(zhí)行2個線程 P4處理器增加了一個邏輯CPU指針，而整數(shù)運(yùn)算單元、浮點(diǎn)運(yùn)算單元、L2 Cache等均由2個線程共享 處理器有兩種運(yùn)行模式： Single Task

12、 Mode（單任務(wù)模式）：系統(tǒng)只有1個邏輯處理器 Multi Task Mode（多任務(wù)模式）：系統(tǒng)有2個邏輯處理器 分析： 由于不是2個真正的CPU，它們需要共享ALU、cache等資源，當(dāng)兩個線程同時需要使用某個資源時，一個線程必須暫停運(yùn)行，直到該資源空閑后才能繼續(xù)執(zhí)行。因此超線程的性能達(dá)不到2個物理CPU的性能 超線程技術(shù)需要芯片組、OS和應(yīng)用軟件支持，才能發(fā)揮該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢，Windows2000就不支持雙線程 當(dāng)運(yùn)行單線程應(yīng)用軟件時，超線程技術(shù)甚至?xí)档拖到y(tǒng)性能,雙核處理器出現(xiàn)的背景,提高主頻來提升處理器性能的瓶頸是散熱問題： 3.2GHz 的Pentium4處理器功率超過100W，

13、內(nèi)核溫度達(dá)攝氏70度 提升到4.0GHz時功率會達(dá)到150W，散熱問題更難處理 超線程技術(shù)雖然可以提高執(zhí)行部件的使用效率，但有一定開銷，對于單線程的軟件反而降低了效率 集成電路制造及封裝技術(shù)的進(jìn)步，有能力把2個甚至更多個處理器做在1個芯片內(nèi),雙核處理器,1個芯片中有兩個功能相同的處理器(內(nèi)核)，在操作系統(tǒng)看來，系統(tǒng)中有2個物理處理器 2個內(nèi)核可以各有自己的L2 cache，但必須保正其中的信息完全一致，否則就會出現(xiàn)運(yùn)算錯誤 (由955X芯片組中北橋芯片負(fù)責(zé))，也可以共享同一個L2 cache 用途：面向計算密集型應(yīng)用和娛樂發(fā)燒友 產(chǎn)品： Pentium D(不支持超線程技術(shù)) Pentium

14、Extreme Edition(至尊版)支持HT，最多可作為4個處理器用 酷睿 (Core Duo)雙核處理器(嵌入式應(yīng)用和筆記本)：不支持HT和64位擴(kuò)展 酷睿2 (Core 2 Duo)雙核處理器：支持EM64T 最新產(chǎn)品Core 2 quad (四核),揭開外殼后的Pentium D處理器,Pentium4提高速度的措施,擴(kuò)展CPU的字長：64位存儲擴(kuò)展 提高CPU的主頻：已經(jīng)從1.5GHz逐步提高到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)傳輸速度： CPU總線寬度增加為64128位 CPU總線頻率從400MHz、533 MHz提高到800MHz和1066MHz

15、 因此，傳輸速率也相應(yīng)地從3.2GB/s、4.3GB/s提高到6.4GB/s和8.6GB/s 采用cache存儲器 增大cache容量： L2 cache的容量從256KB也已經(jīng)增大為1MB或2MB 增加cache的級數(shù)：有些處理器采用L3 cache 采用超標(biāo)量運(yùn)算器結(jié)構(gòu)和超流水線技術(shù) 提供和支持向量運(yùn)算指令（SIMD指令） 采用超線程技術(shù)，提高執(zhí)行部件的工作效率 采用雙(多)核處理器技術(shù),主板、芯片組與BIOS,(1) 主板,主板的作用：安裝所有的電子器件、電路與連接件 主板安裝內(nèi)容：見上圖 ROM BIOS：存放最基礎(chǔ)的軟件基本輸入/輸出系統(tǒng)(BIOS) CMOS存儲器：存放系統(tǒng)的基本參

16、數(shù)（日期、時間、口令等）,例：華碩P4T主板照片,(2)芯片組的作用,芯片組的作用： 是PC機(jī)各組成部分相互連接和通信的樞紐 北橋芯片： 1. 存儲器控制功能；2. 連接CPU、存儲器、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,關(guān)于芯片組的一些說明,芯片組與CPU芯片同步發(fā)展，有什么樣功能和速度的CPU，就有什么樣的芯片組與之配套 由于集成電路集成度越來越高，為降低系統(tǒng)成本，芯片組中集成了越來越多的功能，包括網(wǎng)卡、顯卡、聲卡等功能,(3) BIOS,什么是BIOS （Basic Input/Output

17、System） ？ 中文名為“基本輸入/輸出系統(tǒng)”，它是存放在主板上只讀存儲器（ROM）芯片中的一組機(jī)器語言程序 功能： 診斷計算機(jī)故障 啟動計算機(jī)工作 控制基本的輸入輸出操作(鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤讀寫、屏幕顯示等) BIOS 芯片 保存BIOS的只讀存儲器(ROM)芯片,BIOS 芯片中包含的程序,加電自檢程序（POST） (Power On Self Test)用于檢測計算機(jī)硬件故障 系統(tǒng)自舉程序（Boot） 啟動計算機(jī)工作，加載并進(jìn)入操作系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài) CMOS設(shè)置程序 設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：日期、時間、口令、配置參數(shù)等 常用外部設(shè)備的驅(qū)動程序（Driver） 實(shí)現(xiàn)對鍵盤、顯示器、軟驅(qū)和硬盤等常用外部

18、設(shè)備輸入輸出操作的控制,PC機(jī)的啟動工作過程,接通電源時CPU自動執(zhí)行BIOS中的POST程序 1.1 按CMOS中的內(nèi)容來識別硬件的配置, 測試各部件的工作狀態(tài) (發(fā)現(xiàn)錯誤則報錯) 1.2 初始化CPU、內(nèi)存、ROM、主板、CMOS、顯示卡、鍵盤、軟驅(qū)和硬盤等設(shè)備 CPU自動執(zhí)行自舉程序 按照CMOS中預(yù)先設(shè)定的啟動順序，搜尋外存儲器（軟、硬盤或光盤） 從外存儲器讀出引導(dǎo)程序，然后由引導(dǎo)程序讀出操作系統(tǒng)并裝入內(nèi)存 最后，將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，整個計算機(jī)由操作系統(tǒng)所控制,關(guān)于CMOS 芯片,這是一個容量很小的RAM存儲器，由電池供電，即使計算機(jī)關(guān)機(jī)后也不會丟失所存儲的信息 作用： 存放計算機(jī)硬

19、件的參數(shù)（稱為“配置信息”），包括日期和時間、口令、軟盤/硬盤/光盤驅(qū)動器的數(shù)目、類型及參數(shù)、顯卡類型、cache使用狀況、啟動機(jī)器時訪問外存的順序等，供BIOS程序使用 設(shè)置和修改CMOS參數(shù)的方法： 在開機(jī)啟動BIOS工作時，按下Del鍵(或F2或F8健)，即可進(jìn)入BIOS中的CMOS設(shè)置程序,3、存儲器,內(nèi)存與外存的關(guān)系及比較,內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存或主存) 存取速度快 成本高、容量相對較小 直接與CPU連接，CPU(指令)可以對內(nèi)存中的指令及數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫操作 屬于揮發(fā)性存儲器(volatile)，用于臨時存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù),CPU,逐條執(zhí)行指令，按指令要求完成對數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理,外

20、存儲器(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，計算機(jī)運(yùn)行程序時，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。 屬于不揮發(fā)性存儲器(Nonvolatile)，用于長久存放系統(tǒng)中幾乎所有的信息,計算機(jī)中存儲器的層次結(jié)構(gòu),分析：速度越快，成本較高。 為了獲得好的性能/價格比，計算機(jī)中各種存儲器組成一個層狀的塔式結(jié)構(gòu)，取長補(bǔ)短，協(xié)調(diào)工作 工作過程： 1）CPU運(yùn)行時，需要的操作數(shù)大部分來自寄存器 2）如需要從(向)存儲器中取(存) 數(shù)據(jù)時，先訪問cache，如在，取自cache 3）如操作數(shù)不在cache，則訪問RAM，如在RAM中，則取自RAM 4）如

21、操作數(shù)不在RAM，則訪問硬盤，操作數(shù)從硬盤中讀出RAM cache,內(nèi)存儲器的分類及應(yīng)用,內(nèi)存由半導(dǎo)體存儲器芯片組成，芯片有多種類型：,半導(dǎo)體存儲器,只 讀 存儲器(ROM),隨機(jī)存取存儲器(RAM),靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器SRAM,動態(tài)隨機(jī)存取存儲器DRAM,不可在線改寫內(nèi)容的ROM,快擦除存儲器（Flash ROM）,（用作Cache存儲器）,（用作主存儲器）,主存儲器(RAM)的功能與原理,主存是CPU可直接訪問的存儲器，用于存放供CPU處理的指令和數(shù)據(jù) 特點(diǎn)： 以字節(jié)為單位進(jìn)行連續(xù)編址，每個存儲單元為1個字節(jié)（8個二進(jìn)位） 存儲容量：主存儲器中所包含的存儲單元的總數(shù)（單位：MB或GB） 存

22、取時間：從CPU送出內(nèi)存單元的地址碼開始，到主存讀出數(shù)據(jù)并送到CPU（或者是把CPU數(shù)據(jù)寫入主存）所需要的時間（單位：ns，1 ns = 10-9 s）,存儲器與CPU速度差距愈來愈大,DRAM, 硬盤與CPU 之間的速度差距愈來愈大：,問題：由于CPU工作速度很快，內(nèi)存速度比較慢（差12個數(shù)量級），從內(nèi)存取數(shù)或向內(nèi)存寫數(shù)時，CPU往往需要等待,關(guān)于cache存儲器,什么是cache(高速緩存)？,cache是一種小容量高速緩沖存儲器，它由SRAM組成 cache直接制作在CPU芯片內(nèi)，速度幾乎與CPU一樣快 程序運(yùn)行時，CPU使用的一部分?jǐn)?shù)據(jù)/指令會預(yù)先成批拷貝在cache中，cache的內(nèi)

23、容是主存儲器中部分內(nèi)容的映象 當(dāng)CPU需要從內(nèi)存讀(寫)數(shù)據(jù)或指令時，先檢查cache中有沒有，若有，就直接從cache中讀取，而不用訪問主存儲器,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,8,9,14,3,4,4,4,10,10,10,主存中的部分信息拷貝在cache存儲器中,Cache存儲器,主存儲器,關(guān)于cache存儲器,4 、I/O控制與I/O接口,輸入的任務(wù)： 將輸入設(shè)備輸入的信息送到內(nèi)存儲器的指定區(qū)域 輸出的任務(wù)： 將內(nèi)存儲器指定區(qū)域的內(nèi)容送出到輸出設(shè)備 I/O操作也包括將外存儲器的內(nèi)容傳輸?shù)絻?nèi)存，或?qū)?nèi)存中的內(nèi)容傳輸?shù)酵獯鎯ζ?I/O操作的任務(wù),

24、I/O 操作的特點(diǎn),I/O操作與CPU的運(yùn)算可并行進(jìn)行 多個I/O設(shè)備可同時進(jìn)行工作 配置的I/O設(shè)備數(shù)量和品種可經(jīng)常增減或變換 每類I/O設(shè)備都有各自的控制器，它們按照CPU的I/O操作命令，獨(dú)立地控制I/O操作的全過程,關(guān)于總線,總線的定義： 用于在CPU、內(nèi)存、外存和各種輸入輸出設(shè)備之間傳輸信息的一個共享的信息傳輸通路及其控制部件。 總線的特點(diǎn)： 1 共享 ； 2 高速 總線的性能：數(shù)據(jù)通路寬度；總線工作頻率；傳輸次數(shù) 總線帶寬(數(shù)據(jù)通路寬度/8) x 總線工作頻率 x 傳輸次數(shù) 總線的類型： CPU總線 存儲器總線 I/O總線,關(guān)于I/O總線,I/O總線是各類I/O控制器與CPU、內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)的一組公用信號線，這些信號線在物理