《認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)》PPT課件

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1、http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 1 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 2007年 9月 1日 計(jì)算機(jī)學(xué)院 楊全勝 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 2 授課的重點(diǎn)在于： 講清楚計(jì)算機(jī)的基本組成 計(jì)算機(jī)各個(gè)部件是如何連接和相互合作的 計(jì)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(shí)計(jì)算機(jī) 3 硬件 軟件 控制器 運(yùn)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(chǔ)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(kù)管理軟件 計(jì)算機(jī)系 統(tǒng) 4.1.1 計(jì)算機(jī)的邏輯（功能）結(jié)構(gòu) 硬件是系統(tǒng)的硬平臺(tái)，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)的軟平臺(tái)，系 統(tǒng)應(yīng)用軟件通常支撐用戶軟

2、件的開(kāi)發(fā)。 4.1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 外存儲(chǔ)器 內(nèi)存儲(chǔ)器 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 4 外 存 儲(chǔ) 器 內(nèi) 存 儲(chǔ) 器 運(yùn) 算 器 控 制 器 輸 入 設(shè) 備 輸 出 設(shè) 備 馮 諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 5 1. 微機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng) 1）運(yùn)算器與控制器 CPU 運(yùn) 算 含 義 運(yùn) 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(xiě)單元 控制器 運(yùn)算器 算術(shù)邏輯單元，負(fù)責(zé)算術(shù)與邏輯運(yùn)算 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 6 CPU中還包括若干 寄存器 ，用來(lái)存

3、放運(yùn)算過(guò) 程中的各種數(shù)據(jù)、地址或其他信息。寄存器的 種類(lèi)很多，主要的有： 通用寄存器 向 ALU提供運(yùn)算數(shù)據(jù)，或保留運(yùn) 算結(jié)果。一般 CPU有多個(gè)通用寄存器。 累加器 A 這是一個(gè)使用相對(duì)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(jì)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(chǔ)器 中取出的指令。 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 7 2）存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和記憶裝置，用來(lái)存放數(shù)據(jù) 和程序。存儲(chǔ)器分為 內(nèi)部存儲(chǔ)器 和 外部存儲(chǔ)器 。微機(jī) 的內(nèi)部存儲(chǔ)器也稱(chēng)內(nèi)存或主存， 8個(gè)二進(jìn)制位為一個(gè) 單元 ，每個(gè)單元規(guī)定一個(gè)唯一的物理地址。 8位二進(jìn)制位

4、1個(gè)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(shí)計(jì)算機(jī) 8 4）計(jì)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(hào)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(shí)計(jì)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(wú)論哪個(gè)系列，從基本配置的角度，微機(jī) 由主板和各類(lèi) I/O接口卡組成。主板上主要有 CPU、存儲(chǔ)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(shí)計(jì)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(shí)計(jì)算機(jī) 11 1. CPU主要性能指標(biāo) 字長(zhǎng) 單位時(shí)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(shí)際運(yùn)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(lái)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(zhǎng)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(shí)間 指令條數(shù)M I P S http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 12 2. 現(xiàn)代微機(jī)的存儲(chǔ)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(chǔ)器（內(nèi)存） 外部存儲(chǔ)器（外存） 外存 Cache http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 13 1) 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)（

8、內(nèi)存） a. 只讀存儲(chǔ)器 ROM（ Read Only Memory） ROM在 正常工作的時(shí)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(lái)存放哪些固定不變，無(wú)需修改的數(shù)據(jù)與 程序 。 ROM的最大特點(diǎn)是掉電以后，數(shù)據(jù)不會(huì)丟 失，通電后可以繼續(xù)使用。 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)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(chēng)為可編程 ROM。允許用戶向其中寫(xiě)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(chēng)為可擦除的 PROM。其中的數(shù)據(jù)可以通過(guò) 紫外線照射而被擦除，之后可以再次寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)。 EEPROM 稱(chēng)為電可擦除可編

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

10、取 任一單元所需的時(shí)間相同。 RAM在掉電的時(shí)候會(huì)將其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)丟失。 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 16 SRAM 稱(chēng)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(huì)丟失。 SRAM的最大 特點(diǎn)就是速度快。 DRAM 稱(chēng)為動(dòng)態(tài) RAM（ dynamic RAM）。它用 MOS管的柵極對(duì)其襯底間的分部電容來(lái)保存信息。 需要定期刷新。 DRAM的最大特點(diǎn)就是集成度高。 NVRAM 稱(chēng)為非易失 RAM（ Non Volatile RAM）。 它是 SRAM和 EEPROM的共同體，正常工作時(shí)是 SRAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，一旦掉電，就會(huì)自動(dòng)的將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 存到 EEPROM中，重新上

11、電后，數(shù)據(jù)又會(huì)自動(dòng)的從 EEPROM恢復(fù)到 SRAM中。 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 17 常用的 DRAM類(lèi)型 SDRAM（ Synchronous DRAM, 同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 ）。將 RAM與 CPU以相同的時(shí)鐘頻率進(jìn)行控制，徹 底取消等待時(shí)間。 DDR SDRAM（ Double Data Rate SDRAM，雙倍速 率 SDRAM）。 DDR SDRAM能夠在時(shí)鐘的上升期和 下降期各傳輸一次數(shù)據(jù)，因此一個(gè)時(shí)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)取）。即 DDR2每個(gè)時(shí)鐘能夠以 4倍外 部總線的速度讀 /寫(xiě)數(shù)據(jù)

12、，并且能夠以內(nèi)部控制總線 4 倍的速度運(yùn)行。 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 18 c. 內(nèi)存的主要性能指標(biāo) （ 1） 存儲(chǔ)容量 內(nèi)存所能容納的二進(jìn)制的總位數(shù)，一 個(gè)有 K位地址線， L位數(shù)據(jù)線的存儲(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)寄 存器或從存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寄存器將數(shù)據(jù)寫(xiě)到內(nèi)存單元所需的 時(shí)間，前者為讀取時(shí)間，后者為寫(xiě)入時(shí)間。 （ 3） 可靠性 內(nèi)存可靠性用平均無(wú)故障時(shí)間（ MTBF ）來(lái)衡量。也可以看作是兩次故障之間的時(shí)間間隔。 MTBF越長(zhǎng)，可靠性越高。 （ 4） 性能 /價(jià)格比 性能主要是指上面三項(xiàng)，對(duì)不同的 用途，側(cè)重點(diǎn)會(huì)有所不同。 http:

13、/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 19 2) 外存儲(chǔ)器技術(shù) a. 硬盤(pán)存儲(chǔ)器 磁道 柱面 磁盤(pán)盤(pán)片 控制電路 主軸 移動(dòng)臂 文件定位表 磁頭 扇區(qū) http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 20 硬盤(pán)的主要性能指標(biāo)如下： 容量 硬盤(pán)容量 =磁頭數(shù) 柱面數(shù) 扇區(qū)數(shù) 扇區(qū)容量 存儲(chǔ)密度 存儲(chǔ)密度是指單位長(zhǎng)度或單位面積磁層表面所 存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量，可用道密度和位密度來(lái)表示。 道密 度 指單位長(zhǎng)度內(nèi)的磁道數(shù)目， 位密度 是磁道單位長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)磁盤(pán)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(pán)的 轉(zhuǎn) 速 和 位密度 有關(guān)。轉(zhuǎn)速指盤(pán)片轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，其單位是轉(zhuǎn) / 分鐘（ r/

14、min）。 平均存取時(shí)間 平均存取時(shí)間指從發(fā)出讀寫(xiě)命令后，磁頭 從原始位置移動(dòng)到磁盤(pán)上所要求讀寫(xiě)的記錄位置，并準(zhǔn)備 寫(xiě)入或讀出數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。存取時(shí)間由 定位時(shí)間 （也 稱(chēng) 尋道時(shí)間 ）和 等待時(shí)間 兩部分組成。 cache容量 cache能有效地提高硬盤(pán)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(shí)計(jì)算機(jī) 21 獨(dú)立磁盤(pán)冗余陣列（ RAID） RAID（ Redundant Access Independent Disk）是多個(gè) 磁盤(pán)的一組陣列，其中數(shù)據(jù)分布在多個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，以 獲得 容錯(cuò)性 、 大存儲(chǔ)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(duì)于主機(jī)來(lái)說(shuō)，邏 輯上仍然是一個(gè)磁盤(pán)。 RAID系統(tǒng)的主要目的： 磁盤(pán)系統(tǒng)的熱后備 較低成本的大容量存儲(chǔ) 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(wú)故障時(shí)間） RAID的主要目的 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 22 光盤(pán)分類(lèi) （ 1）根據(jù)不同的存儲(chǔ)介質(zhì)和使用性能分 只讀光盤(pán) 如 CD-ROM、 CD-DA、 CD-I、 CD-V、 photo-CD、 CD-ROM/XA 一次寫(xiě)可多次讀型光盤(pán) (CDR) 即 WORM（ CD-WO） 可擦寫(xiě)型光盤(pán) (CDW) 如相變型光盤(pán)（ PCD）和磁光型光盤(pán) CD-MO（ MOD） b. 光盤(pán)存儲(chǔ)器 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)

16、23 （ 2）根據(jù)光盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)分 CD-DA（紅皮書(shū)） ：也叫 Audio-CD，即 CD唱片， 存放音樂(lè)與歌曲。 CD-ROM與 CD-ROM/XA（黃皮書(shū)）：存放計(jì)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(shū)） ：用于存放用 MPEG算法壓縮的立體 聲視頻信號(hào)，且具有交互能力，稱(chēng)為交互 CD。 CD-V（藍(lán)皮書(shū)） ：存放電視的模擬信號(hào)和數(shù)字控制信 號(hào)。 CD-R（橙皮書(shū)） ：分為兩個(gè)部分， BOOK1定義了 CD-MO， BOOK2定義了 CD-R(CD-WO)。 V-CD（白皮書(shū)） ：存放了以 MPEG-1算法壓縮的

17、立體 聲數(shù)字視頻信號(hào)。 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 24 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 25 光盤(pán)的基本技術(shù) 1）光盤(pán)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(méi)有變化時(shí) 編碼為 0，凹坑長(zhǎng)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(shí)計(jì)算機(jī) 26 3) 高速緩沖存儲(chǔ)器 Cache 主機(jī) 主存 高速緩沖存儲(chǔ)器 Cache的設(shè)立依據(jù)是程序訪問(wèn)的局部性原理 ： s=0; for(int i; i10000; i+) s=s+ai; http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 27 IA-32的 Cach

18、e結(jié)構(gòu) 物理存儲(chǔ)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(chǔ)緩沖 * Intel Xeon 處理器才有 * 跟蹤 Cache只有 Pentium 4才有 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)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(hào)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(guò)總線進(jìn)行連接和傳輸信息時(shí)，應(yīng)該遵守 的一些協(xié)議與規(guī)范。 ht

19、tp:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 29 a. 總線的分類(lèi) 1) 按總線功能或信號(hào)類(lèi)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 ：?jiǎn)蜗蛉龖B(tài)邏輯，線寬決定了系統(tǒng) 的尋址能力。 控制總線 ：就某根來(lái)說(shuō)是單向或雙向?？刂?總線最能體現(xiàn)總線特點(diǎn)，決定總線功能的強(qiáng) 弱和適應(yīng)性。 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 30 2) 按總線的分級(jí)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?chē)男》?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(jí)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(chēng)為 I/O總線，是傳統(tǒng)的通過(guò)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(chēng)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(shí)計(jì)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(gè)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(shí)計(jì)算機(jī) 32

21、c. PCI總線的特點(diǎn) 1)獨(dú)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(shí)計(jì)算機(jī) 33 d. AGP接口 二級(jí)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(shí)計(jì)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(yáng)聲器 高速 揚(yáng)聲器 高速 鍵盤(pán) 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(shí)計(jì)算機(jī) 35 （ 2）主要特性 對(duì)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(cè)到時(shí)， 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(gè)設(shè)備 采用主從結(jié)構(gòu) http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 36 通用性強(qiáng) 采用樹(shù)形或菊花鏈結(jié)構(gòu)，以級(jí)聯(lián)方式在一 個(gè)接口上最多可以連接 63個(gè)不同種類(lèi)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(shí)時(shí)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(gè)該接口的設(shè)備 可以直接連接而不需要通過(guò) PC機(jī)的控制 連接方便 采用設(shè)備自動(dòng)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(shí)計(jì)算機(jī) 37 4. 關(guān)于接口 1)為什

24、么要引入接口 計(jì)算機(jī)和 I/O設(shè)備的信息類(lèi)型和格式可能不一樣。 計(jì)算機(jī)和 I/O設(shè)備信號(hào)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(huì) 大大降低 CPU的效率。 I/O直接接 CPU，會(huì)使外設(shè)硬件結(jié)構(gòu)過(guò)于依賴(lài) CPU ，對(duì)外設(shè)本身發(fā)展不利。 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)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(hào)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(guò)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(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)總線信號(hào)與外設(shè)信號(hào)在 邏輯關(guān)系 、 時(shí)序配合 以 及 電平匹配 上的轉(zhuǎn)換。 控制和定時(shí)功能。 I/O接口提供控制和定時(shí)邏輯，以 接受從主機(jī)端的系統(tǒng)總線來(lái)的控制和定時(shí)信號(hào)，并協(xié) 調(diào)與外設(shè)間動(dòng)作的先后關(guān)系，控制數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。 錯(cuò)誤或狀態(tài)檢測(cè)。 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(lái)，以便需要時(shí)進(jìn)行分析。 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 39 3） I/O接口與 I/O設(shè)備 不同 I/O設(shè)備對(duì)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(hào) 控制信號(hào)

26、狀態(tài)信號(hào) 狀態(tài)信號(hào) 可能是單向的 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 40 常見(jiàn)接口插槽 PS2鼠標(biāo) PS2鍵盤(pán) 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(shí)計(jì)算機(jī) 41 CPU 北橋芯片 南橋芯片 Super I/O BIOS/Firmware Hub 主存儲(chǔ)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(shí)計(jì)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(chǔ)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(pán)刻錄的 SuperDriver http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 43 Intel DP965LT主板示意圖 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)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(shì)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(diǎn)

28、http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 45 4.2 計(jì)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(duì)象的內(nèi)容或所在的存儲(chǔ)單元地址 0個(gè)操作數(shù)： XALT 1個(gè)操作數(shù)： INC AX 2個(gè)操作數(shù)： ADD AX, BX http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 46 2. 指令系統(tǒng) 一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令的集合稱(chēng)為該計(jì)算 機(jī)的指令系統(tǒng) 。 1） 數(shù)據(jù)傳送指令 實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。 SUB AX, CX； AND A

29、X, 7FH 3） 程序控制指令 實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的管理。 HLT; CLI http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 47 高級(jí)語(yǔ)言源程序 編譯 匯編語(yǔ)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(hào) 直接控制 CPU各部件運(yùn)作 通過(guò)接口電路控制外設(shè)運(yùn)作 1. 從 程 序 到 電 子 信 號(hào) 4.2.2 微機(jī)系統(tǒng)的工作原理與工作過(guò)程 http

30、:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 48 部分 x86指令與控制信號(hào)的關(guān)系 指 令 產(chǎn)生的信號(hào) 含 義 IN AL, 21H IORC# 讀 I/O端口 OUT 21H, AL IOWC# 寫(xiě) I/O端口 MOV AX, 21H MRDC# 讀內(nèi)存 MOV 21H, AX MWTC# 寫(xiě)內(nèi)存 IORC#與 IOWC#信號(hào)通常也寫(xiě)作 IOR#和 IOW# http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 49 2.微機(jī)的工作過(guò)程 微機(jī)的工作過(guò)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(guò)程。而一條指令的執(zhí)行過(guò)程可以簡(jiǎn)單 地分為三個(gè)操作階段： 1. 取指階段 ， CPU從內(nèi)存中讀取指令，程序計(jì)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(gè)增量（當(dāng)前指令的字節(jié)數(shù)）； 2. 譯碼階段 ，對(duì)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(hào)。 3. 執(zhí)行階段 ，執(zhí)行譯碼好的指令，這期間可能會(huì)讀 寫(xiě)存儲(chǔ)器或端口來(lái)獲取操作數(shù)或者存放結(jié)果。 程序的執(zhí)行過(guò)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(gè)操作。 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 50 程序計(jì)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(shí)計(jì)算機(jī) 51 3. 流水線

32、 把一條指令的操作分成多個(gè)更小的步驟，每個(gè)步 驟的操作由專(zhuān)門(mén)的電路完成。 利用各電路間可并行執(zhí)行的特點(diǎn)，讓各個(gè)步驟的 執(zhí)行在時(shí)間上重疊起來(lái)。 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(shí)計(jì)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(chǔ)器 指令譯碼部件 256位 總 線 接 口 部 件 分 頁(yè) 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(diǎn)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(cè) 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(xiě)回 R Pentium處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理 http:/ 認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī) 53 謝謝！