《認(rèn)識計算機(jī)》PPT課件

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1、http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 1 認(rèn)識計算機(jī) 2007年 9月 1日 計算機(jī)學(xué)院 楊全勝 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 2 授課的重點在于： 講清楚計算機(jī)的基本組成 計算機(jī)各個部件是如何連接和相互合作的 計算機(jī)究竟是怎么工作的 軟件程序是如何最終控制外部設(shè)備工作的 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 3 硬件 軟件 控制器 運算器 系統(tǒng)軟件 應(yīng)用軟件 BIOS與操作系統(tǒng) Windows XP 、 Linux CPU 存儲器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 支撐軟件 匯編、編譯、調(diào)試、數(shù) 據(jù)庫管理軟件 計算機(jī)系 統(tǒng) 4.1.1 計算機(jī)的邏輯（功能）結(jié)構(gòu) 硬件是系統(tǒng)的硬平臺，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)的軟平臺，系 統(tǒng)應(yīng)用軟件通常支撐用戶軟

2、件的開發(fā)。 4.1 計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 外存儲器 內(nèi)存儲器 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 4 外 存 儲 器 內(nèi) 存 儲 器 運 算 器 控 制 器 輸 入 設(shè) 備 輸 出 設(shè) 備 馮 諾依曼計算機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 5 1. 微機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng) 1）運算器與控制器 CPU 運 算 含 義 運 算 含 義 算術(shù)加 OR 邏輯加 算術(shù)減 NOT 按位取反 * 算術(shù)乘 NEG 求補(bǔ) / 算術(shù)除 移位 AND 邏輯乘 循環(huán) 指令預(yù)取單元 指令譯碼單元 控制單元 結(jié)果回寫單元 控制器 運算器 算術(shù)邏輯單元，負(fù)責(zé)算術(shù)與邏輯運算 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 6 CPU中還包括若干 寄存器 ，用來存

3、放運算過 程中的各種數(shù)據(jù)、地址或其他信息。寄存器的 種類很多，主要的有： 通用寄存器 向 ALU提供運算數(shù)據(jù)，或保留運 算結(jié)果。一般 CPU有多個通用寄存器。 累加器 A 這是一個使用相對頻繁的特殊的通用 寄存器，有重復(fù)累加數(shù)據(jù)的功能。 程序計數(shù)器 PC 存放將要執(zhí)行的指令的地址。 指令寄存器 IR 存放根據(jù) PC的內(nèi)容從內(nèi)存儲器 中取出的指令。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 7 2）存儲器 存儲器是計算機(jī)的存儲和記憶裝置，用來存放數(shù)據(jù) 和程序。存儲器分為 內(nèi)部存儲器 和 外部存儲器 。微機(jī) 的內(nèi)部存儲器也稱內(nèi)存或主存， 8個二進(jìn)制位為一個 單元 ，每個單元規(guī)定一個唯一的物理地址。 8位二進(jìn)制位

4、1個字節(jié)（ Byte） 1024（ 210）字節(jié) 1KB 1024KB(220字節(jié) ) = 1MB 230字節(jié) 1GB 240字節(jié) 1TB 3） I/O設(shè)備與 I/O接口 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 8 4）計算機(jī)的總線 CPU 地址總線（ AB） RAM I/O接口 I/O設(shè)備 ROM 數(shù)據(jù)總線（ DB） 控制總線（ CB） 地址只能由 CPU或 DMA控制器發(fā)出到其他部件。 數(shù)據(jù)總線是雙向的，其寬度決定了一次可以傳送的 二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。 控制信號每根都是單向的，或者傳送 CPU發(fā)出的控 制信息、或者是部件發(fā)回的狀態(tài)信息。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 9 4.1.2 現(xiàn)代微機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 4.

5、1.2.1 現(xiàn)代微機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 當(dāng)前微機(jī)主要有 x86系列和 APPLE的 Power系 列，無論哪個系列，從基本配置的角度，微機(jī) 由主板和各類 I/O接口卡組成。主板上主要有 CPU、存儲器、系統(tǒng)芯片和 I/O接口插槽，這 些部件均采用總線相連接。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 10 x86前 x86架構(gòu) 4位處理器 4004、 4040 8位處理器 8008、 8080、 8085 IA-16 8086、 8088、 80286 IA-32 Pentium前 80386、 80486 Pentium 早期架構(gòu) Pentium、 Pentium MMX P6架構(gòu) Pentium Pro、 Pen

6、tium II、 Pentium III、 Pentium II/III Xeon/Celeron NetBurst架構(gòu) Pentium 4、 Pentium D 、 Pentium Extreme Edition、 Xeon 4.1.2.2 Intel x86微處理器家族發(fā)展概述 Core Core Duo、 Core 2 Duo、 Core 2 Quad Core 2 Extreme Core架構(gòu) Pentium Dual-Core http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 11 1. CPU主要性能指標(biāo) 字長 單位時間內(nèi) CPU一次能處理的二進(jìn)制位數(shù)。 主頻 CPU內(nèi)核電路的實際運行頻率 。它很大程度上

7、 決定了 CPU工作的速度。 速度 每秒所能執(zhí)行的指令條數(shù)。 CPU的生產(chǎn)工藝技術(shù) CPU的生產(chǎn)工藝技術(shù)通常用 nm 來描述，精度越高在同樣體積的硅材料上可以集成的 元件越多， CPU的工作頻率也越高。 核心數(shù)目 在同主頻同字長的情況下，核心數(shù)目越多 ， CPU的執(zhí)行效率越高。 10 6 執(zhí)行時間 指令條數(shù)M I P S http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 12 2. 現(xiàn)代微機(jī)的存儲結(jié)構(gòu) CPU內(nèi) 的寄存器 L1 數(shù)據(jù) Cache L1 代碼 Cache L2 Cache L3 Cache 內(nèi)部存儲器（內(nèi)存） 外部存儲器（外存） 外存 Cache http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 13 1) 半導(dǎo)體存儲器技術(shù)（

8、內(nèi)存） a. 只讀存儲器 ROM（ Read Only Memory） ROM在 正常工作的時候只能讀 出其中存放 的數(shù)據(jù)，而不能改變其內(nèi)容。因此 ROM經(jīng)常 被用來存放哪些固定不變，無需修改的數(shù)據(jù)與 程序 。 ROM的最大特點是掉電以后，數(shù)據(jù)不會丟 失，通電后可以繼續(xù)使用。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 14 ROM 將已定型的程序和數(shù)據(jù)固化在其中，之后就不 再更改。 PROM 稱為可編程 ROM。允許用戶向其中寫入一次 數(shù)據(jù)或程序，之后其中的數(shù)據(jù)就不可再更改。 EPROM 稱為可擦除的 PROM。其中的數(shù)據(jù)可以通過 紫外線照射而被擦除，之后可以再次寫入新的數(shù)據(jù)。 EEPROM 稱為電可擦除可編

9、程 ROM（又寫為 E2PROM）。其擦除和改寫無需紫外線，只需特定的 電信號即可。這種存儲器的存取速度較慢。 Flash Memory 稱為閃爍存儲器（閃存）。也是電可 擦除和更改型的 ROM存儲器，采用塊擦除陣列結(jié)構(gòu) ，具有存儲容量大、讀取速度快、信息非易失、功耗 低、可在線讀寫，抗干擾能力強(qiáng)、掉電信息不丟失等 特點，目前被廣泛應(yīng)用。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 15 b. 隨機(jī)存取存儲器 RAM(Random Access Memory) 在正常工作時就能隨時對其數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操 作的存儲器，其對數(shù)據(jù)的修改是在正常工作狀態(tài) ，而無需特別的寫入環(huán)境。 RAM的讀寫速度一般都比 ROM快，而且存

10、取 任一單元所需的時間相同。 RAM在掉電的時候會將其存儲的數(shù)據(jù)丟失。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 16 SRAM 稱為靜態(tài) RAM（ static RAM）。只要電源不 掉電，內(nèi)部存放的數(shù)據(jù)就不會丟失。 SRAM的最大 特點就是速度快。 DRAM 稱為動態(tài) RAM（ dynamic RAM）。它用 MOS管的柵極對其襯底間的分部電容來保存信息。 需要定期刷新。 DRAM的最大特點就是集成度高。 NVRAM 稱為非易失 RAM（ Non Volatile RAM）。 它是 SRAM和 EEPROM的共同體，正常工作時是 SRAM存儲數(shù)據(jù)，一旦掉電，就會自動的將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 存到 EEPROM中，重新上

11、電后，數(shù)據(jù)又會自動的從 EEPROM恢復(fù)到 SRAM中。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 17 常用的 DRAM類型 SDRAM（ Synchronous DRAM, 同步動態(tài)隨機(jī)存儲器 ）。將 RAM與 CPU以相同的時鐘頻率進(jìn)行控制，徹 底取消等待時間。 DDR SDRAM（ Double Data Rate SDRAM，雙倍速 率 SDRAM）。 DDR SDRAM能夠在時鐘的上升期和 下降期各傳輸一次數(shù)據(jù)，因此一個時鐘周期內(nèi)可傳輸 兩次數(shù)據(jù)。 DDR2 SDRAM。 DDR2擁有兩倍于 DDR的預(yù)讀取能力 （ 4bit數(shù)據(jù)讀預(yù)?。?。即 DDR2每個時鐘能夠以 4倍外 部總線的速度讀 /寫數(shù)據(jù)

12、，并且能夠以內(nèi)部控制總線 4 倍的速度運行。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 18 c. 內(nèi)存的主要性能指標(biāo) （ 1） 存儲容量 內(nèi)存所能容納的二進(jìn)制的總位數(shù)，一 個有 K位地址線， L位數(shù)據(jù)線的存儲芯片所擁有的容量 為 2K L位。 （ 2） 存取速度 指從內(nèi)存單元將數(shù)據(jù)讀到存儲數(shù)據(jù)寄 存器或從存儲數(shù)據(jù)寄存器將數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存單元所需的 時間，前者為讀取時間，后者為寫入時間。 （ 3） 可靠性 內(nèi)存可靠性用平均無故障時間（ MTBF ）來衡量。也可以看作是兩次故障之間的時間間隔。 MTBF越長，可靠性越高。 （ 4） 性能 /價格比 性能主要是指上面三項，對不同的 用途，側(cè)重點會有所不同。 http:

13、/ 認(rèn)識計算機(jī) 19 2) 外存儲器技術(shù) a. 硬盤存儲器 磁道 柱面 磁盤盤片 控制電路 主軸 移動臂 文件定位表 磁頭 扇區(qū) http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 20 硬盤的主要性能指標(biāo)如下： 容量 硬盤容量 =磁頭數(shù) 柱面數(shù) 扇區(qū)數(shù) 扇區(qū)容量 存儲密度 存儲密度是指單位長度或單位面積磁層表面所 存儲的二進(jìn)制信息量，可用道密度和位密度來表示。 道密 度 指單位長度內(nèi)的磁道數(shù)目， 位密度 是磁道單位長度內(nèi)存 放的二進(jìn)制位數(shù)。 數(shù)據(jù)傳輸率 數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時間內(nèi)磁盤與主機(jī)之間 傳送數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)或字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸率與硬盤的 轉(zhuǎn) 速 和 位密度 有關(guān)。轉(zhuǎn)速指盤片轉(zhuǎn)動的速度，其單位是轉(zhuǎn) / 分鐘（ r/

14、min）。 平均存取時間 平均存取時間指從發(fā)出讀寫命令后，磁頭 從原始位置移動到磁盤上所要求讀寫的記錄位置，并準(zhǔn)備 寫入或讀出數(shù)據(jù)所需要的時間。存取時間由 定位時間 （也 稱 尋道時間 ）和 等待時間 兩部分組成。 cache容量 cache能有效地提高硬盤的數(shù)據(jù)傳輸性能，理 論上 cache的速度越快越好，容量越大越好。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 21 獨立磁盤冗余陣列（ RAID） RAID（ Redundant Access Independent Disk）是多個 磁盤的一組陣列，其中數(shù)據(jù)分布在多個驅(qū)動器上，以 獲得 容錯性 、 大存儲容量 及 性能的改進(jìn) 。這種系統(tǒng)將 吞吐速度和可靠

15、性改進(jìn)結(jié)合一起。對于主機(jī)來說，邏 輯上仍然是一個磁盤。 RAID系統(tǒng)的主要目的： 磁盤系統(tǒng)的熱后備 較低成本的大容量存儲 較低成本的更高性能 數(shù)據(jù)恢復(fù)的便捷性 高的 MTBF（平均無故障時間） RAID的主要目的 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 22 光盤分類 （ 1）根據(jù)不同的存儲介質(zhì)和使用性能分 只讀光盤 如 CD-ROM、 CD-DA、 CD-I、 CD-V、 photo-CD、 CD-ROM/XA 一次寫可多次讀型光盤 (CDR) 即 WORM（ CD-WO） 可擦寫型光盤 (CDW) 如相變型光盤（ PCD）和磁光型光盤 CD-MO（ MOD） b. 光盤存儲器 http:/ 認(rèn)識計算機(jī)

16、23 （ 2）根據(jù)光盤標(biāo)準(zhǔn)分 CD-DA（紅皮書） ：也叫 Audio-CD，即 CD唱片， 存放音樂與歌曲。 CD-ROM與 CD-ROM/XA（黃皮書）：存放計算機(jī)數(shù) 據(jù)，其中 CD-ROM/XA是擴(kuò)展形式，與 CD-I兼容，是 擴(kuò)展的音頻、文本和圖形混合格式。 CD-I（綠皮書） ：用于存放用 MPEG算法壓縮的立體 聲視頻信號，且具有交互能力，稱為交互 CD。 CD-V（藍(lán)皮書） ：存放電視的模擬信號和數(shù)字控制信 號。 CD-R（橙皮書） ：分為兩個部分， BOOK1定義了 CD-MO， BOOK2定義了 CD-R(CD-WO)。 V-CD（白皮書） ：存放了以 MPEG-1算法壓縮的

17、立體 聲數(shù)字視頻信號。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 24 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 25 光盤的基本技術(shù) 1）光盤的物理結(jié)構(gòu) 2）在基片層形成凹坑 3）螺旋型的軌道，凹坑和岸在軌道中形成有序的序列 , 凹坑到岸及岸到凹坑的轉(zhuǎn)變編碼為 1，沒有變化時 編碼為 0，凹坑長為 0.3um的倍數(shù)。 標(biāo)簽層 保護(hù)層 反射層 基片層 岸 凹坑 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 26 3) 高速緩沖存儲器 Cache 主機(jī) 主存 高速緩沖存儲器 Cache的設(shè)立依據(jù)是程序訪問的局部性原理 ： s=0; for(int i; i10000; i+) s=s+ai; http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 27 IA-32的 Cach

18、e結(jié)構(gòu) 物理存儲器 系統(tǒng)總線 (外部 ) 總線接口單元 L2 Cache L3 Cache* 數(shù)據(jù) Cache （ L1） 指令譯碼器 跟蹤 Cache*/L1指令 Cache Instruction TLBs Data TLBs 存儲緩沖 * Intel Xeon 處理器才有 * 跟蹤 Cache只有 Pentium 4才有 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 28 3. 總線標(biāo)準(zhǔn) 總線：是在模塊和模塊之間或設(shè)備與設(shè)備之 間的一組進(jìn)行互連和傳輸信息的 信號線 ，信 息包括指令、數(shù)據(jù)和地址。 總線標(biāo)準(zhǔn) 指芯片之間、擴(kuò)展卡之間以及系統(tǒng)之間， 通過總線進(jìn)行連接和傳輸信息時，應(yīng)該遵守 的一些協(xié)議與規(guī)范。 ht

19、tp:/ 認(rèn)識計算機(jī) 29 a. 總線的分類 1) 按總線功能或信號類型劃分為： 數(shù)據(jù)總線 ：雙向三態(tài)邏輯，線寬表示了總線 數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Α?地址總線 ：單向三態(tài)邏輯，線寬決定了系統(tǒng) 的尋址能力。 控制總線 ：就某根來說是單向或雙向?？刂?總線最能體現(xiàn)總線特點，決定總線功能的強(qiáng) 弱和適應(yīng)性。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 30 2) 按總線的分級結(jié)構(gòu)分為： CPU總線 ：微機(jī)系統(tǒng)中速度最快的總線，主要在 CPU內(nèi)部，連接 CPU內(nèi)部部件，在 CPU周圍的小范 圍內(nèi)也分布該總線，提供系統(tǒng)原始的控制和命令。 局部總線 ：在系統(tǒng)總線和 CPU總線之間的一級總線 ，提供 CPU和主板器件之間以及 CPU到

20、高速外設(shè)之 間的快速信息通道。 系統(tǒng)總線 ：也稱為 I/O總線，是傳統(tǒng)的通過總線擴(kuò)展 卡連接外部設(shè)備的總線。由于速度慢，其功能已經(jīng) 被局部總線替代。 通信總線 ：也稱為外部總線，是微機(jī)與微機(jī)，微機(jī) 與外設(shè)之間進(jìn)行通信的總線。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 31 b. 總線的主要性能參數(shù) 1總線頻率： MHz表示的工作頻率，是總線速 率的一個重要參數(shù)。 2總線寬度：指數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。 3總線的數(shù)據(jù)傳輸率 總線的數(shù)據(jù)傳輸率 =(總線寬度 /8位 ) 總線頻率 例： PCI總線的總線頻率為 33.3MHz，總線寬度為 64位的情況下，總線數(shù)據(jù)傳輸率為 266MB/s 。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 32

21、c. PCI總線的特點 1)獨立于處理器 2) 傳輸效率高 32位數(shù)據(jù)總線（可擴(kuò)展到 64位） 33MHz總線 頻率，數(shù)據(jù)率達(dá)到 133MB/s 。 3) 多總線共存 4) 支持突發(fā)傳輸 5) 具有即插即用功能 6) 合理的管腳安排 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 33 d. AGP接口 二級高速緩存 處理器 芯片組 PCI設(shè)備 系統(tǒng)主存 圖形控制器 顯存 顯 示 器 PCI設(shè)備 PCI AGP 圖形系統(tǒng) AGP連接方式 模式 工作頻率 數(shù)據(jù)傳輸率 傳輸觸發(fā)方式 1 66 MHz 264 MB/s 上升沿 2 133 MHz 532 MB/s 上升沿和下降沿 4 266 MHz 1064 MB/s

22、上升沿和下降沿 數(shù)據(jù)總線寬度： 32位 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 34 e. USB總線（接口） PCI總線 宿主機(jī) USB主控制器 /根 Hub 高速 電話 高速 顯示器 高速 集線器 高速 麥克風(fēng) 揚聲器 高速 揚聲器 高速 鍵盤 高速 低速 麥克風(fēng) 麥克風(fēng) 低速 高速 =480Mb/s 全速 =12Mb/s 低速 =1.5Mb/s （ 1） USB的層次拓?fù)鋱D http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 35 （ 2）主要特性 對地電源 電壓為 4.755.25V，設(shè)備吸入的最 大電流值為 500mA 。第一次被主機(jī)檢測到時， 設(shè)備吸入的電流 100mA 自給供電 總線供給 支持即插即用和熱插拔 最多可接

23、 127個設(shè)備 采用主從結(jié)構(gòu) http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 36 通用性強(qiáng) 采用樹形或菊花鏈結(jié)構(gòu)，以級聯(lián)方式在一 個接口上最多可以連接 63個不同種類的設(shè)備。 傳輸速率高 IEEE1394a支持 100Mb/s, 200Mb/s及 400Mb/s的傳輸速率。 實時性好 高傳輸率加上同步傳送方式 總線提供電源 可 向被連接的設(shè)備提供 410V和 1.5A 的電源 系統(tǒng)中各設(shè)備之間關(guān)系平等 任何兩個該接口的設(shè)備 可以直接連接而不需要通過 PC機(jī)的控制 連接方便 采用設(shè)備自動配置技術(shù)，允許熱插拔和即 插即用 。 f. IEEE1394總線主要特性 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 37 4. 關(guān)于接口 1)為什

24、么要引入接口 計算機(jī)和 I/O設(shè)備的信息類型和格式可能不一樣。 計算機(jī)和 I/O設(shè)備信號傳輸處理的速度可能不匹配 。 不用接口， I/O直接接 CPU，隨著外設(shè)增加，會 大大降低 CPU的效率。 I/O直接接 CPU，會使外設(shè)硬件結(jié)構(gòu)過于依賴 CPU ，對外設(shè)本身發(fā)展不利。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 38 2)接口的功能 作為主機(jī)與 I/O設(shè)備傳遞數(shù)據(jù)的緩沖。在接口電路中 一般設(shè)置一些數(shù)據(jù)緩沖寄存器，以補(bǔ)償各種設(shè)備的速 度差異，起到速度匹配的作用。 信號轉(zhuǎn)換功能。 I/O接口提供數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換部件，使 通過外部接口得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成內(nèi)部接口所需要的格 式，或者在相反的方向上進(jìn)行 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換 。還

25、可實 現(xiàn)系統(tǒng)總線信號與外設(shè)信號在 邏輯關(guān)系 、 時序配合 以 及 電平匹配 上的轉(zhuǎn)換。 控制和定時功能。 I/O接口提供控制和定時邏輯，以 接受從主機(jī)端的系統(tǒng)總線來的控制和定時信號，并協(xié) 調(diào)與外設(shè)間動作的先后關(guān)系，控制數(shù)據(jù)傳輸過程。 錯誤或狀態(tài)檢測。 I/O接口監(jiān)視外部設(shè)備的工作狀態(tài) 并將狀態(tài)信息保存起來，以便需要時進(jìn)行分析。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 39 3） I/O接口與 I/O設(shè)備 不同 I/O設(shè)備對應(yīng) I/O接口不同。 I/O接口受 CPU控制， I/O設(shè)備受 I/O接口控制。 為增加通用性， I/O接口電路一般均具有可編程功能。 CPU 接口 外設(shè) 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 控制信號 控制信號

26、狀態(tài)信號 狀態(tài)信號 可能是單向的 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 40 常見接口插槽 PS2鼠標(biāo) PS2鍵盤 千兆網(wǎng) 10/100M網(wǎng)卡 USB 并行口 MIDI/游戲接口 顯示器接口 1394 1394a 音箱 /線入接 口 /麥克風(fēng) 串行口 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 41 CPU 北橋芯片 南橋芯片 Super I/O BIOS/Firmware Hub 主存儲器 圖形控制器 音頻 主總線 高速連接 PCI總線插槽 PCI Express總線 USB 網(wǎng)絡(luò)連接 ATA/SATA LPC 傳統(tǒng)設(shè)備 5. 主板 1） x86機(jī)器的基本結(jié)構(gòu) http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 42 2) Power Mac G

27、5的基本結(jié)構(gòu) G5 系統(tǒng)控制器 整合的輸入 /輸出 DDR2主存儲器 PCIExpress圖形接口 雙千兆以太網(wǎng) SATA PCI Express總線擴(kuò)展 G5 雙層光盤刻錄的 SuperDriver http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 43 Intel DP965LT主板示意圖 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 44 主板總線結(jié)構(gòu)發(fā)生改變 - 總線帶寬增大 - 總線發(fā)展串行化趨勢明顯 串行化的 SATA, PCI Express, USB, SAS( Serial Attached SCSI ) 正在逐漸替代相應(yīng)的并行總線 微處理器性能不斷增強(qiáng) 微處理器支持芯片被高度集成 保持向上兼容性 現(xiàn)代微機(jī)發(fā)展的特點

28、http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 45 4.2 計算機(jī)的工作原理 4.2.1 指令與指令系統(tǒng) 1. 指令 操作碼 操作數(shù) 操作碼指明該指令要完成的操作 操作數(shù)表示操作對象的內(nèi)容或所在的存儲單元地址 0個操作數(shù)： XALT 1個操作數(shù)： INC AX 2個操作數(shù)： ADD AX, BX http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 46 2. 指令系統(tǒng) 一臺計算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令的集合稱為該計算 機(jī)的指令系統(tǒng) 。 1） 數(shù)據(jù)傳送指令 實現(xiàn)數(shù)據(jù)在內(nèi)存與 CPU之間以及在不 同寄存器之間的傳送。 MOV AX, BX； MOV AX,BX 2） 數(shù)據(jù)處理指令 對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算。 SUB AX, CX； AND A

29、X, 7FH 3） 程序控制指令 實現(xiàn)改變程序執(zhí)行順序的功能。 JMP START; JGE AX, 5 4） 輸入輸出指令 實現(xiàn) CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換。 IN AL, 20H; OUT 43H, AL 5） 其他指令 實現(xiàn)對計算機(jī)硬件的管理。 HLT; CLI http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 47 高級語言源程序 編譯 匯編語言源程序 匯編 二進(jìn)制機(jī)器作業(yè)指令 操作系統(tǒng)調(diào)度或 BOOT引導(dǎo) 二進(jìn)制機(jī)器指令流 CPU取指、譯碼、控制單元 電路上的電信號 直接控制 CPU各部件運作 通過接口電路控制外設(shè)運作 1. 從 程 序 到 電 子 信 號 4.2.2 微機(jī)系統(tǒng)的工作原理與工作過程 http

30、:/ 認(rèn)識計算機(jī) 48 部分 x86指令與控制信號的關(guān)系 指 令 產(chǎn)生的信號 含 義 IN AL, 21H IORC# 讀 I/O端口 OUT 21H, AL IOWC# 寫 I/O端口 MOV AX, 21H MRDC# 讀內(nèi)存 MOV 21H, AX MWTC# 寫內(nèi)存 IORC#與 IOWC#信號通常也寫作 IOR#和 IOW# http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 49 2.微機(jī)的工作過程 微機(jī)的工作過程就是逐條執(zhí)行進(jìn)入到內(nèi)存中的二進(jìn)制 機(jī)器指令流的過程。而一條指令的執(zhí)行過程可以簡單 地分為三個操作階段： 1. 取指階段 ， CPU從內(nèi)存中讀取指令，程序計數(shù)器 保存要被取出的下一條指令的地址，除非

31、遇到跳 轉(zhuǎn)指令等情況，否則， PC一般都是在每次取指后 加上一個增量（當(dāng)前指令的字節(jié)數(shù)）； 2. 譯碼階段 ，對取出的指令先譯碼，解釋指令的功 能，發(fā)出相應(yīng)的控制信號。 3. 執(zhí)行階段 ，執(zhí)行譯碼好的指令，這期間可能會讀 寫存儲器或端口來獲取操作數(shù)或者存放結(jié)果。 程序的執(zhí)行過程就是周期性和重復(fù)性地進(jìn)行取指令 、譯碼和執(zhí)行指令三個操作。 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 50 程序計數(shù)器 PC 0200H 內(nèi)存 0200H ADD AX, NUM 指令寄存器 ADD AX, NUM NUM 23 AX ALU 35 12 譯碼 ADD AX, NUM ADD http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 51 3. 流水線

32、 把一條指令的操作分成多個更小的步驟，每個步 驟的操作由專門的電路完成。 利用各電路間可并行執(zhí)行的特點，讓各個步驟的 執(zhí)行在時間上重疊起來。 取指 1 譯碼 1 執(zhí)行 1 取指 2 譯碼 2 執(zhí)行 2 取指 3 譯碼 3 執(zhí)行 3 取指 1 譯碼 1 執(zhí)行 1 取指 2 譯碼 2 執(zhí)行 2 取指 3 譯碼 3 執(zhí)行 3 流水線執(zhí)行方式 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 52 分支目標(biāo) 緩沖器 代碼 Cache 8KB TLB 指令 指針 預(yù)取緩沖存儲器 指令譯碼部件 256位 總 線 接 口 部 件 分 頁 部 件 64位數(shù) 據(jù)總線 預(yù)取 地址 32位地 址總線 控制 控 制 部 件 地址生成 （ U流水線） 地址生成 （ V流水線） 控制 ROM ALU （ U流水線） ALU （ V流水線） 整數(shù)寄存器組 桶形移位器 數(shù)據(jù) Cache 8KB TLB 浮點部件 控制 寄存器組 加法器 除法器 乘法器 80位 80 位 分 支 檢 測 和 目 標(biāo) 地 址 64位數(shù) 據(jù)總線 32位地址總線 32位 32位 32位 32位 32位 32位 =指令預(yù)取 =首次譯碼 =二次譯碼 =指令執(zhí)行 =寫回 R Pentium處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理 http:/ 認(rèn)識計算機(jī) 53 謝謝！