第2节计算机组成原理课件.ppt

1、第第2章章 计算机组成原理计算机组成原理2.1 计算机的组成与分类计算机的组成与分类 2.2 CPU的结构与原理的结构与原理2.3 PC机的主机机的主机2.4 常用输入设备常用输入设备2.5 常用输出设备常用输出设备2.6 外存储器外存储器22.1 计算机的组成与分类2.1 计算机的组成与分类计算机的组成与分类2.1.1 计算机的发展与作用计算机的发展与作用2.1.2 计算机的逻辑组成计算机的逻辑组成2.1.3 计算机的分类计算机的分类32.1 计算机的组成与分类第第14代计算机的对比代计算机的对比 代代 别别年年 代代使用的元器件使用的元器件使用的软件类型使用的软件类型主要应用领域主要应用领

2、域第第1代代20世纪世纪40年代年代中期中期50年代年代末期末期CPU：电子管：电子管内存：内存：磁鼓磁鼓使用机器语言和使用机器语言和汇编语言编写程汇编语言编写程序序科学和工程计科学和工程计算算第第2代代20世纪世纪50年代年代中、后期中、后期60年代中期年代中期CPU：晶体管：晶体管内存：内存：磁芯磁芯使用使用FORTRAN等等高级程序设计语高级程序设计语言言开始广泛应用开始广泛应用于数据处理领于数据处理领域域第第3代代20世纪世纪60年代年代中期中期70年代年代初期初期CPU：SSI，MSI内存：内存：SSI，MSI的半导体存储器的半导体存储器操作系统、数据操作系统、数据库管理系统等开库管

3、理系统等开始使用始使用在科学计算、在科学计算、数据处理、工数据处理、工业控制等领域业控制等领域得到广泛应用得到广泛应用第第4代代20世纪世纪70年代年代中期以来中期以来CPU：LSI、VLSI内存：内存：LSI、VLSI的半导体存的半导体存储器储器软件开发工具和软件开发工具和平台、分布式计平台、分布式计算、网络软件等算、网络软件等开始广泛使用开始广泛使用深入到各行各深入到各行各业，家庭和个业，家庭和个人开始使用计人开始使用计算机算机42.1 计算机的组成与分类2.1.2 计算机的逻辑组成计算机的逻辑组成52.1 计算机的组成与分类计算机系统计算机系统计算机硬件计算机硬件计算机软件计算机软件运算

4、器运算器控制器控制器输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备系统软件系统软件应用软件应用软件操作系统操作系统数据库管理系统数据库管理系统程序语言处理系统程序语言处理系统文字处理文字处理通信通信娱乐娱乐计算机是一个复杂系统计算机是一个复杂系统计算机硬件是计算计算机硬件是计算机系统中所有实际机系统中所有实际物理装置的总称物理装置的总称计算机软件是指在计算机中计算机软件是指在计算机中运行的各种程序及其处理的运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档数据和相关的文档n计算机是一个复杂的系统计算机是一个复杂的系统n复杂性：硬件由数以亿计的元器件组成，软件由数以亿计的指令组成复杂性：硬件由数以亿计的元器

5、件组成，软件由数以亿计的指令组成n多样性：硬件与光、机、电、声等有关，软件与数学、逻辑多样性：硬件与光、机、电、声等有关，软件与数学、逻辑等有关等有关n层次性：分层层次性：分层(hierarchical)结构结构62.1 计算机的组成与分类计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构 1n经典计算机的逻辑结构（经典计算机的逻辑结构（冯冯.诺依曼计算机诺依曼计算机）运算器和控制器运算器和控制器输入设备输入设备输出设备输出设备存储器存储器（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）（注：逻辑结构意指概念上（即功能上）的结构）中央处理器中央处理器CPU(Central Processing Unit)7

6、2.1 计算机的组成与分类计算机硬件的逻辑结构计算机硬件的逻辑结构 2n现代计算机的逻辑结构现代计算机的逻辑结构n与经典计算机结构相比的与经典计算机结构相比的3个变化：个变化：n集中控制集中控制分散控制分散控制n存储器存储器内存储器外存储器内存储器外存储器n通过通过CPU通信通信通过总线进行通信通过总线进行通信中央处理器中央处理器(运算器及其控制运算器及其控制)外存储器外存储器内存储器内存储器输出设备输出设备总线总线(bus)输入设备输入设备I/O接口接口I/O接口接口外存储器接口外存储器接口控制器控制器控制器控制器控制器控制器CPU控制器控制器memorystorageI/O设备通过设备通过

7、I/O接接口口与各自的控制器与各自的控制器连接，然后由控制连接，然后由控制器与器与I/O总线相连总线相连82.1 计算机的组成与分类 (1)输入设备输入设备n输入输入(input)的双重含义：的双重含义：1.把信息送入计算机的过程把信息送入计算机的过程;2.向计算机输入的内容向计算机输入的内容n输入设备输入设备(input devices)n功能：用来向计算机输入信息功能：用来向计算机输入信息n输入设备有多种，例如输入设备有多种，例如:n键键 盘盘 输入文字、符号和命令输入文字、符号和命令n鼠标器鼠标器输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令输入鼠标器移动的位置信息及按钮命令n扫描仪扫描仪输入图片输

8、入图片n麦克风麦克风输入声音输入声音n输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位来表示的信息都使用二进位来表示92.1 计算机的组成与分类(2)中央处理器中央处理器(运算控制器运算控制器)n什么是处理器什么是处理器(processor)？n能能高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑高速执行指令，完成二进制数据的算术或逻辑运算和数据传送等操作运算和数据传送等操作的部件，特点是：的部件，特点是：n由数字电路组成，结构非常复杂由数字电路组成，结构非常复杂n所有电路都制作在大规模集成电路芯片上所有电路都制作在大规模集

9、成电路芯片上(仅几仅几个平方厘米个平方厘米)，称为，称为“微处理器微处理器”(microprocessor)Intel 4004 chipIntel 8080 chip102.1 计算机的组成与分类教师参考：教师参考：关于关于(微微)处理器和中央处理器处理器和中央处理器(CPU)n现代计算机中一般包含有多个现代计算机中一般包含有多个(微微)处理器，它们各有不处理器，它们各有不同的分工和任务：同的分工和任务：n用于执行系统软件和应用软件的处理器称为用于执行系统软件和应用软件的处理器称为CPU，CPU是是计算机必不可少的核心组成部件计算机必不可少的核心组成部件n完成其它功能的处理器举例：完成其它功

10、能的处理器举例：n显卡包含的绘图处理器（用于加速图形绘制）显卡包含的绘图处理器（用于加速图形绘制）n声卡包含的声卡包含的DSP（用于数字声音信号的处理）（用于数字声音信号的处理）n过去，个人计算机通常只有过去，个人计算机通常只有1个个CPU；现在，大部分；现在，大部分PC机虽然仍只有机虽然仍只有1个个CPU芯片，但其内部却包含有芯片，但其内部却包含有2个、个、4个或个或6个个CPU(内核内核)，目的是提高系统性能，目的是提高系统性能112.1 计算机的组成与分类存储器存储器中央中央处理器处理器存储数据存储数据和指令和指令执行指令执行指令处理数据处理数据指令，数据指令，数据处理结果处理结果CPU

11、的任务的任务nCPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作数据进行操作122.1 计算机的组成与分类 (3)存储器存储器n功能：功能：n储存以二进位形式表示的程序和数据储存以二进位形式表示的程序和数据n分类：内存储器分类：内存储器/外存储器外存储器内存储器内存储器(简称内存或主存简称内存或主存)外存储器外存储器(简称简称外存外存或辅存或辅存)存取速度存取速度很快很快较慢较慢存储容量存储容量较小较小(因单位成本较高因单位成本较高)很大很大(因单位成本较低因单位成本较低)性质性质断电后信息消失断电后信息消失断电后信息保持断电后信息保持用途用途存放已

12、经启动运行的程序存放已经启动运行的程序和需要立即处理的数据和需要立即处理的数据长期存放计算机系统中几乎所长期存放计算机系统中几乎所有的信息有的信息与与CPU关系关系CPU所处理的指令及数所处理的指令及数据直接从内存中取出据直接从内存中取出程序及相关数据必须先送入内程序及相关数据必须先送入内存后才能被存后才能被CPU使用使用011010011010101000001000000001000011001001111011111存储内容存储内容地地 址址存储单元存储单元132.1 计算机的组成与分类 (4)输出设备输出设备n输出输出(output)的双重含义：的双重含义：1.把信息送出计算机的过程把

13、信息送出计算机的过程;2.从计算机输出的内容从计算机输出的内容n输出设备输出设备(output devices)n功能：从计算机输出信息功能：从计算机输出信息n输出设备有多种，例如输出设备有多种，例如:n显示器显示器输出文字、符号和图形输出文字、符号和图形n打印机打印机打印文字、符号和图形打印文字、符号和图形n扬声器扬声器输出声音输出声音n(多数多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式感知的形式(文字、符号、图形、声音等文字、符号、图形、声音等)142.1 计算机的组成与分类(5)总线总线(bus)n功能：功能：n用于连接

14、用于连接CPU、内存、外存和各种、内存、外存和各种I/O设备并在它们设备并在它们之间传输信息的一组之间传输信息的一组共享的共享的传输线及其控制电路传输线及其控制电路n分类：分类：nCPU总线（或前端总线）总线（或前端总线）：用于连接：用于连接CPU和内存储和内存储器的总线器的总线nI/O总线：连接内存和总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线设备（包括外存）的总线152.1 计算机的组成与分类2.1.3 计算机的分类计算机的分类162.1 计算机的组成与分类计算机的分类（计算机的分类（2）n按计算机服务的对象和作用划分：按计算机服务的对象和作用划分：类类型型服务服务对象对象应用应用性质性质

15、主要特点主要特点分类或应用分类或应用举例举例软件特点软件特点个人个人计算计算机机服务服务器器嵌入嵌入式计式计算机算机直接为直接为用户服用户服务务通用通用性能性能/价格比高价格比高多媒体性能好多媒体性能好有通用性和可扩展性有通用性和可扩展性 工作站工作站 台式机台式机 笔记本笔记本种类多种类多,功功能丰富能丰富,用用户可自行装户可自行装卸卸为其它为其它计算机计算机服务服务半通半通用用吞吐率吞吐率(throughput)(throughput)高高可用性可用性(availability)(availability)好好有可扩展性有可扩展性(scalability)(scalability)数据库服

16、务器数据库服务器WebWeb服务器服务器打印服务器打印服务器(企业级企业级,部门级部门级)实时处理和并实时处理和并发工作能力强，发工作能力强，可靠性和安全可靠性和安全性好性好为其它为其它设备服设备服务务专用专用价格便宜价格便宜功耗低功耗低实时实时(real time)(real time)处理处理软件固化软件固化,扩展性差扩展性差 手机手机 数码相机数码相机 MP3 MP3播放器播放器 功能专用、单功能专用、单一、结构紧凑，一、结构紧凑，固化在芯片中，固化在芯片中，不易修改和扩不易修改和扩充充 2.2 CPU的逻辑结构的逻辑结构与工作原理与工作原理2.2.1 CPU的逻辑结构的逻辑结构 2.2

17、.2 指令与指令系统指令与指令系统2.2.3 CPU的性能指标的性能指标182.1 计算机的组成与分类冯冯诺依曼计算机的结构与原理诺依曼计算机的结构与原理(1)计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令；算机理解和执行的操作命令；(2)程序程序(指令指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；(3)存储器中存放的指令和数据按地址进行存取存储器中存放的指令和数据按地址进行存取；(4)指令是由指令是由CPU一条一条顺序执行的。一条一条顺序执行的。中央中央处理

18、器处理器运算器和控制器运算器和控制器输入设备输入设备输出设备输出设备存储器存储器192.1 计算机的组成与分类CPU的结构和任务的结构和任务nCPU主要由运算器、控制器和寄存器组主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成个部分组成nCPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作的任务：取指令并完成指令所规定的操作寄寄存存器器组组运运算算器器中央处理器中央处理器指令计数器指令计数器指令寄存器指令寄存器控制器数数 据据程序程序指令指令1指令指令2指令指令k指令指令n数据数据1数据数据2数据数据m数据数据内存储器内存储器指指 令令 指令地址指令地址 操作数地址操作数地址存放待执行存放待执行指令的地址指令

19、的地址已经启动运已经启动运行的程序和行的程序和数据数据存放待执行的存放待执行的指令并进行译指令并进行译码码完成规定的运完成规定的运算算暂存等待处暂存等待处理的数据理的数据操作命令操作命令202.1 计算机的组成与分类2.2.2 指令与指令系统指令与指令系统instruction setsoftwarehardware212.1 计算机的组成与分类指令及其格式指令及其格式n指令采用二进位表示，大多数情况下由两个部分组成：指令采用二进位表示，大多数情况下由两个部分组成：操作码操作码操操 作作 数数 地地 址址指出指出CPU应执行何种操作的一个命应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除等令词，

20、例如加、减、乘、除等 指出该指令所操作指出该指令所操作(处理处理)的的数据或者数据所在位置数据或者数据所在位置 n指令的格式：指令的格式：n操作码用几位表示？操作码用几位表示？(多少种不同的操作功能多少种不同的操作功能)n操作数地址是操作数地址是2个还是个还是3个？个？nR1R3+R5 nR1R1-R3 n如何指出内存地址？如何指出内存地址？(寻址方式寻址方式)n指令长度是多少位，固定长度指令长度是多少位，固定长度/可变长度？可变长度？ADDR1R3R5SUBR1R3222.1 计算机的组成与分类关于关于Intel公司公司CPU的指令系统的指令系统n产品发展过程为：产品发展过程为：8088（8

21、086）80286 8038680486 Pentium Pentium PROPentium II Pentium III Pentium 4 奔腾奔腾D 奔腾至尊奔腾至尊 酷睿酷睿 酷睿酷睿2 Core i3/i5/i7 n为解决软件兼容性问题，采用为解决软件兼容性问题，采用“向下兼容方式向下兼容方式”开发新的处理器，即所有开发新的处理器，即所有新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。例新处理器均保留老处理器的全部指令，同时还扩充功能更强的新指令。例如：如：nPentium比比80386增加了的增加了的80多条浮点指令，多条浮点指令，nPentium II比比Pent

22、ium增加了增加了50多条处理多媒体信息的指令（多条处理多媒体信息的指令（Multimedia Extension，称为称为MMX），），nPentium III比比Pentium II增加了增加了70条处理条处理128位长操作数的流式单指令多数位长操作数的流式单指令多数据指令据指令(Streaming SIMD Extention,SSE)nPentium 4又比又比Pentium III 增加了增加了144条指令（称为条指令（称为SSE2）n奔腾奔腾D、奔腾至尊、酷睿奔腾至尊、酷睿2等又增加了等又增加了13条条SSE3指令指令nCore i5和和Core i7又增加了又增加了40多条多条S

23、SE4指令指令 232.1 计算机的组成与分类关于关于CPU的兼容性的兼容性n不同公司生产不同的不同公司生产不同的CPU产品，一般互不兼容：产品，一般互不兼容：nIntel公司：奔腾、赛扬公司：奔腾、赛扬、酷睿、灵动等、酷睿、灵动等nAMD公司：独龙、闪龙、炫龙等公司：独龙、闪龙、炫龙等nIBM公司：公司：Power5、6、7等等nSUN公司：公司：Ultra SPARC处理器处理器n英国英国ARM公司：公司：ARM 处理器处理器n同一公司同一系列的同一公司同一系列的CPU具有向下兼容性：具有向下兼容性：nA计算机（使用新型号计算机（使用新型号CPU）的程序不能在）的程序不能在B计算机（使用老

24、计算机（使用老型号型号CPU）上运行，）上运行，B计算机的程序却能在计算机的程序却能在A计算机上运行计算机上运行互不兼容互不兼容A计算机的程序不能在计算机的程序不能在B上上直接运行，直接运行，B计算机的程计算机的程序也不能在序也不能在A上直接运行上直接运行互相兼容互相兼容242.1 计算机的组成与分类2.2.3 CPU的性能指标的性能指标252.1 计算机的组成与分类Intel公司公司CPU芯片的发展变化芯片的发展变化n30多年来其多年来其主要产品的发展过程主要产品的发展过程为：为：n8088（8086）802868038680486 Pentium Pentium PROPentium II

25、 Pentium III Pentium 4 赛扬系列赛扬系列奔腾系列奔腾系列（过渡型）（过渡型）（经济型）（经济型）凌动系列凌动系列（上网本）（上网本）酷睿系列酷睿系列(Core 2、Core i3/i5/i7)（主流型）（主流型）当前当前产品产品262.1 计算机的组成与分类如何衡量如何衡量CPU的性能？的性能？n计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢n计算机性能由许多因素决定，例如计算机性能由许多因素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡、内存、硬盘、显卡等，但通常等，但通常CPU是主要因素是主要因素nCPU的性能高低主要表现为的性能高低主要表现为C

26、PU的速度的速度，有两种衡量方法：，有两种衡量方法：1.计算每秒钟可执行的指令数目计算每秒钟可执行的指令数目(单位：单位：MIPS、MFLOPS)n巨型计算机：几十万亿几百万亿次巨型计算机：几十万亿几百万亿次 基本运算基本运算/秒秒n个人计算机：几千万几亿次个人计算机：几千万几亿次 基本运算基本运算/秒秒（其中，基本运算指的是：四则运算和（其中，基本运算指的是：四则运算和，等逻辑运算）等逻辑运算）2.PC大多以常用软件大多以常用软件(办公软件、数字媒体处理软件和办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等游戏等)的运行速度来测试的运行速度来测试CPU的性能，例如：的性能，例如：n游戏性能游戏性能测试

27、程序测试程序:3DMarkn整体综合性整体综合性能能测试程序测试程序:PCMark272.1 计算机的组成与分类影响影响CPU性能的主要因素性能的主要因素n字长（位数）字长（位数）n指通用寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）指通用寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）n指令系统指令系统n指令的类型、数目和功能等都会影响程序的执行速度指令的类型、数目和功能等都会影响程序的执行速度n逻辑结构逻辑结构nCPU包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采用的流水线结构包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采用的流水线结构和级数、指令分支预测的机制、执行部件的数目等和级数、指令分支预测

28、的机制、执行部件的数目等n内核数目内核数目n高速缓存（高速缓存（cache）的容量与结构）的容量与结构 n主频（主频（CPU内部时钟频率）内部时钟频率）n指指CPU芯片中电子线路（门、触发器）的工作频率，它决定着芯片中电子线路（门、触发器）的工作频率，它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢芯片内部数据传输与操作速度的快慢 nCPU总线速率总线速率nCPU总线（前端总线）传输速率：决定着总线（前端总线）传输速率：决定着CPU与内存之间传输数与内存之间传输数据的速度快慢据的速度快慢体体系系结结构构逻逻辑辑实实现现物物理理实实现现282.1 计算机的组成与分类1980 1990 2005 2

29、010 20151980 1990 2005 2010 20154核核 80 x86 Pentium 80核核 双核双核年代年代性性能能提高提高CPU性能的性能的3大措施大措施提高主频提高主频增加逻辑增加逻辑复杂度复杂度增加内核数目增加内核数目双核多核异构的多核处理器性能与其逻辑复杂处理器性能与其逻辑复杂性的平方根成正比，若逻性的平方根成正比，若逻辑复杂性提高辑复杂性提高1倍，至多倍，至多能提高能提高40%的性能的性能最大瓶颈是散热问题：最大瓶颈是散热问题：3.2GHz 的的Pentium 4功耗超过功耗超过100W，温度达温度达70度！度！主频到主频到4.0GHz，功耗会达到，功耗会达到15

30、0W！采用采用2个处理器构成一个处理器构成一个双核处理器，可以个双核处理器，可以提高提高70%80%的性的性能能电路与封装技术的进电路与封装技术的进步，能把多个处理器步，能把多个处理器做在单个芯片上做在单个芯片上1改进改进CPU结构；结构；2 提高提高IC速度速度(主频主频)；3 增加增加CPU(核核)的数目的数目292.1 计算机的组成与分类什么是双核什么是双核/四核处理器？四核处理器？揭开外壳后的揭开外壳后的Pentium D处理器处理器共享的共享的L2 cache2 x 奔腾双核奔腾双核E5000处理器处理器 n单个单个IC封装有封装有2个功能完个功能完全相同的处理器全相同的处理器(内核

31、内核)n进一步发展为进一步发展为2个内核做个内核做在同一晶片上，共享在同一晶片上，共享L2 cache，提高性价比，提高性价比n2个双核晶片封装在一起个双核晶片封装在一起成为成为4核处理器核处理器n4个个/6个内核做在同一晶个内核做在同一晶片上，共享片上，共享L3 cache（Core i7）302.1 计算机的组成与分类小结：提高小结：提高CPU性能的措施性能的措施n扩展扩展CPU的字长：的字长：32位位 64位位 n扩充扩充CPU指令系统：指令系统：SSE指令指令n提高提高CPU主频：从主频：从1.5GHz 3GHz以上，目前最高以上，目前最高已经接近已经接近4GHz；n加快加快CPU前端

32、总线的数据传输速率前端总线的数据传输速率n增大增大cache存储器容量、增加存储器容量、增加cache的级数的级数n改进改进CPU内部的逻辑结构内部的逻辑结构n超标量结构（多个执行部件）超标量结构（多个执行部件）n指令流水线执行技术指令流水线执行技术n超线程技术超线程技术n采用多内核结构采用多内核结构 2.3 PC主机的组成主机的组成2.3.1 主板、芯片组与主板、芯片组与BIOS 2.3.2 内存储器内存储器2.3.3 I/O总线和总线和I/O接口接口322.1 计算机的组成与分类2.3.1 主板、芯片组与主板、芯片组与BIOS332.1 计算机的组成与分类(1)主板主板n主板的作用：安装所

33、有的电子器件、电路与连接件主板的作用：安装所有的电子器件、电路与连接件n主板内容：见上图主板内容：见上图nROM BIOS：存放最基础的软件：存放最基础的软件基本输入基本输入/输出系统输出系统(BIOS)nCMOS存储器：存放硬件配置信息和系统基本参数（日期、时间、口存储器：存放硬件配置信息和系统基本参数（日期、时间、口令等）令等）存储器插槽存储器插槽 处理器处理器插座插座 I/O设备插口设备插口光驱及光驱及硬盘连接器硬盘连接器电源连接器电源连接器扩充卡插槽扩充卡插槽(PCI)CPU插座插座北桥北桥芯片芯片南桥南桥芯片芯片 BIOS ROMCMOS 存储器存储器扩充卡插槽扩充卡插槽(PCI-E

34、 x1)显示卡插槽显示卡插槽(PCI-E x16)342.1 计算机的组成与分类(2)芯片组的作用芯片组的作用n芯片组芯片组是是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽机各组成部分相互连接和通信的枢纽n北桥芯片：北桥芯片：1.存储器控制功能；存储器控制功能；2.连接连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽n南桥芯片：南桥芯片：1.多种多种I/O设备的控制功能；设备的控制功能；2.I/O总线总线(PCI总线总线)功能；功能；3.提供了各种提供了各种I/O接口接口CPU芯片芯片CPU前端总线前端总线北桥北桥MCH图形卡接口图形卡接口双通道双通道南桥南桥ICH5USB 2.

35、0接口接口(x8)以太网接口以太网接口PCI 插槽插槽(6个个)ROM BIOS硬盘接口硬盘接口(x2)音频音频CodecSuper I/O键盘键盘,鼠标鼠标,软驱软驱,并口并口,串口等串口等电话电话ModemDDR 2电源管理、时钟生成电源管理、时钟生成DDR 2存储器存储器352.1 计算机的组成与分类关于芯片组的一些说明关于芯片组的一些说明n芯片组与芯片组与CPU芯片同步发展，有什么样功能和速度的芯片同步发展，有什么样功能和速度的CPU，就有什么样的芯片组与之配套就有什么样的芯片组与之配套 n由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本

36、，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能 n生产芯片组的公司：生产芯片组的公司：nIntel芯片芯片(如如X48、P43、P45和和G41、G43、G45、B43、Q43、Q45；ICH7、ICH8、ICH9和和ICH10等）等）nVIA（威盛，中国台湾）（威盛，中国台湾）nnVIDIA（美国）（美国）nAMD（美国）（美国）362.1 计算机的组成与分类(3)BIOSn什么是什么是BIOS（Basic Input/Output System）？n中文名为中文名为“基本输入基本输入/输出系统输出系统”，它是存放在主板它是存放在主板

37、上上只读存储器只读存储器（ROM）芯片中的芯片中的一组机器语言程序一组机器语言程序n功能：功能：n诊断计算机故障诊断计算机故障n启动计算机工作启动计算机工作n控制基本外设的输入输出操作控制基本外设的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等写、屏幕显示等)nBIOS 芯片芯片n保存保存BIOS的只读存储器的只读存储器(ROM)芯片芯片372.1 计算机的组成与分类BIOS 芯片中包含的程序芯片中包含的程序n加电自检程序加电自检程序程序程序（POST）(Power On Self Test)用于用于检测计算机硬件故障检测计算机硬件故障n系统自举程序系统自举程序（Boot）启

38、动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态nCMOS设置程序设置程序 设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等n常用外部设备的驱动程序常用外部设备的驱动程序（Driver）实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制入输出操作的控制382.1 计算机的组成与分类2.3.2 内存储器内存储器392.1 计算机的组成与分类复习：内存与外存的关系及比较复习：内存与外存的关系及比较n内存储器内存储器(简称内存或主存简称内存或主存)n存取速度快存取速度快n成

39、本高、容量相对较小成本高、容量相对较小n直接与直接与CPU连接，连接，CPU(指令指令)可以可以对对内存中的指令及数据进行读、写内存中的指令及数据进行读、写操作操作n属于挥发性存储器属于挥发性存储器(volatile)，用于，用于临时存放正在运行的程序和数据临时存放正在运行的程序和数据内存储器内存储器外存储器外存储器CPU指令指令1指令指令2指令指令k指令指令n程序程序数据数据1数据数据2数据数据m数据数据任务启动时，执行任务启动时，执行该任务的程序和数据该任务的程序和数据将从外存成批传送到将从外存成批传送到内存内存CPU从内存中逐条从内存中逐条读取该程序的指令及读取该程序的指令及相关的数据相

40、关的数据将指令的运算处理将指令的运算处理结果送回内存保存结果送回内存保存任务完成后，将处任务完成后，将处理得到的全部结果成理得到的全部结果成批传送到外存以长久批传送到外存以长久保存保存 逐 条 执 行 逐 条 执 行指 令，按 指指 令，按 指令 要 求 完 成令 要 求 完 成对 数 据 的 运对 数 据 的 运算和处理算和处理n外存储器外存储器(简称简称外存外存或辅存或辅存)n存取速度慢存取速度慢n成本低、容量很大成本低、容量很大n不与不与CPU直接连接，直接连接，计算机运行程序计算机运行程序时，外存中的程序及相关数据必须先时，外存中的程序及相关数据必须先传送到内存，然后才能被传送到内存，

41、然后才能被CPU使用。使用。n属于不挥发性存储器属于不挥发性存储器(Nonvolatile)，用于长久存放系统中几乎所有的信息用于长久存放系统中几乎所有的信息402.1 计算机的组成与分类内存储器的分类及应用内存储器的分类及应用n内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型：内存由半导体存储器芯片组成，芯片有多种类型：半导体半导体存储器存储器只只 读读存储器存储器(ROM)随机存取随机存取存储器存储器(RAM)静态随机存取存储器静态随机存取存储器SRAM动态随机存取存储器动态随机存取存储器DRAM 不可在线改写内容的不可在线改写内容的ROM快擦除存储器（快擦除存储器（Flash ROM）（用作（

42、用作Cache存储器存储器）（用作（用作主存储器）主存储器）每个存储单元每个存储单元(cell)由由6个晶体管组成个晶体管组成 只要加上电，信息就能一直保持只要加上电，信息就能一直保持 对电器干扰相对不很敏感对电器干扰相对不很敏感 比比DRAM更快，也更贵更快，也更贵 每个存储单元由每个存储单元由1个电容和个电容和1个晶体管组成个晶体管组成.每每10-100 ms必须刷新一次必须刷新一次 对电器干扰比较敏感对电器干扰比较敏感 比比SRAM慢，但便宜慢，但便宜（用作（用作BIOS存储器）存储器）(显卡、显卡、U盘、存储卡盘、存储卡)412.1 计算机的组成与分类PC机主存储器的物理结构机主存储器

43、的物理结构n主存储器由主存储器由1 14 4个内存条组成个内存条组成n内存条的组成：内存条的组成：把若干片把若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成芯片焊装在一小条印制电路板上制成n内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用内存条必须插在主板上的内存条插槽中才能使用n目前流行的是目前流行的是DDR2和和DDR3内存条：内存条：n均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面nDDR2 和和DDR3均有均有240个引脚，但不可互换使用个引脚，但不可互换使用nPC机主板中一般都配备有机主板中一般都配备有2个或个或4个内存条插槽个内存条插槽 4个内存条插槽

44、个内存条插槽422.1 计算机的组成与分类解决方案解决方案高速缓存高速缓存(cache)ncache是一种小容量高速缓冲存是一种小容量高速缓冲存储器，它由储器，它由SRAM组成组成ncache直接制作在直接制作在CPU芯片内，芯片内，速度几乎与速度几乎与CPU一样快一样快n程序运行时，程序运行时，CPU使用的一部分使用的一部分数据数据/指令会预先成批复制在指令会预先成批复制在cache中，中，cache的内容是主存的内容是主存储器中部分内容的映象储器中部分内容的映象n当当CPU需要从内存读需要从内存读(写写)数据或数据或指令时，先检查指令时，先检查cache中有没有，中有没有，若有，就直接从若

45、有，就直接从cache中读取，中读取，而不用访问主存储器而不用访问主存储器012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息复主存中的部分信息复制在制在cache存储器中存储器中cache主存储器主存储器CPUCPU芯片芯片432.1 计算机的组成与分类小结：计算机存储器的层次结构小结：计算机存储器的层次结构cache存储器存储器主存储器主存储器(RAM和和ROM)外存储器（软盘、硬盘、光盘）外存储器（软盘、硬盘、光盘）后备存储器（磁带库、光盘库）后备存储器（磁带库、光盘库）内存储器内存储器外存储器外存储器寄存器寄存器典型容量典型容量1KB几个几个MB几个

46、几个GB100GB-1TB10TB-100TB典型存取时间典型存取时间1 ns2 ns10 ns10 ms10 s 分析：速度越快，成本较高。分析：速度越快，成本较高。为了获得好的为了获得好的性能性能/价格比价格比，计算机中各，计算机中各种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作种存储器组成一个层状的塔式结构，取长补短，协调工作 工作过程：工作过程：1）CPU运行时，需要的操作数大部分来自寄存器运行时，需要的操作数大部分来自寄存器2）如需要从）如需要从(向向)存储器中取存储器中取(存存)数据时，先访问数据时，先访问cache，如在，取自，如在，取自cache3）如操作数不在）如操作数不

47、在cache，则访问，则访问RAM，如在，如在RAM中，则取自中，则取自RAM4）如操作数不在）如操作数不在RAM，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出，则访问硬盘，操作数从硬盘中读出RAM cache442.1 计算机的组成与分类2.3.3 I/O控制与控制与I/O接口接口452.1 计算机的组成与分类 关于计算机中的总线关于计算机中的总线n总线的定义：总线的定义：n用于在用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个共内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个共享的信息传输通路及其控制部件。享的信息传输通路及其控制部件。n总线的特点：总线的特点：1 共享共享；2 高速高速 n总

48、线的参数：数据通路宽度；总线工作频率；每秒传输次数总线的参数：数据通路宽度；总线工作频率；每秒传输次数总线带宽总线带宽(最高传输速率最高传输速率)(数据通路宽度数据通路宽度/8)x 总线工作频率总线工作频率 x 传输次数传输次数n总线的类型：总线的类型：nCPU总线（前端总线总线（前端总线FSB）n存储器总线存储器总线nI/O总线（总线（目前使用的是目前使用的是PCI 和和PCI-E 两种）两种）对应主板上的两种扩充插槽：对应主板上的两种扩充插槽：PCI插槽插槽 PCI-E插槽插槽462.1 计算机的组成与分类关于关于I/O接口接口nI/O接口：接口：I/O设备与主机之间的连接器设备与主机之间

49、的连接器包括：插头包括：插头/插座的形式、通讯规程和电器特性等插座的形式、通讯规程和电器特性等n分类：分类：n从数据传输方式来分：从数据传输方式来分：n串行（一次只传输串行（一次只传输1位）位）n并行（多位一起进行传输）并行（多位一起进行传输）n从是否能连接多个设备来分：从是否能连接多个设备来分：n总线式（可连接多个设备）总线式（可连接多个设备）n独占式（只能连接独占式（只能连接1个设备）个设备）n从是否符合标准来分：从是否符合标准来分：n标准接口标准接口（通用接口）（通用接口）n专用接口专用接口（专用接口）（专用接口）472.1 计算机的组成与分类台式台式PC机箱背部的机箱背部的I/O设备接

50、口设备接口显示器显示器接口接口(3种种)麦克风麦克风音音 箱箱键盘接口键盘接口HDMI接口接口USB接口接口以太网以太网RJ-45接口接口鼠标器鼠标器接口接口数字音频接口数字音频接口(同轴电缆接口同轴电缆接口)数字音频接口数字音频接口（光纤接口）（光纤接口）e-SATA接口接口482.1 计算机的组成与分类常用的常用的I/O接口及其性能参数接口及其性能参数名名 称称数据传数据传输方式输方式数据传输速率数据传输速率标标 准准插头插头/插座插座形式形式可连接的可连接的设备数目设备数目通常连接的设备通常连接的设备串行口串行口串行串行,双向双向5019200 b/sEIA-232或或EIA-422DB