現(xiàn)代信息技術(shù)基礎(chǔ)

第2章計(jì)算機(jī)組成原理2.1

計(jì)算機(jī)的組成與分類

2.2CPU的結(jié)構(gòu)與原理2.3PC機(jī)的主機(jī)2.4常用輸入設(shè)備2.5常用輸出設(shè)備2.6外存儲器2.1計(jì)算機(jī)的組成與分類2.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展與作用什么是計(jì)算機(jī)？計(jì)算機(jī)是一種工具不是交通運(yùn)輸工具不是機(jī)械加工工具不是···工具計(jì)算機(jī)是一種信息處理工具對計(jì)算機(jī)的簡單描述計(jì)算機(jī)(電腦)是一種能夠接收信息，并按照存儲在其內(nèi)部的程序（程序表達(dá)了某種規(guī)則）對輸入信息進(jìn)行處理，并產(chǎn)生輸出結(jié)果的高度自動化的數(shù)字電子設(shè)備。②處理①輸入③輸出輸入信息計(jì)算機(jī)輸出信息計(jì)算機(jī)是通用的信息處理工具計(jì)算機(jī)的信息處理功能：信息的收集（信息獲取）信息的儲存（信息存儲）信息的加工（信息處理）信息的傳遞（通信）信息的施用（展現(xiàn)與控制）計(jì)算機(jī)有哪些特性？計(jì)算機(jī)的特性：（1）速度快（2）存儲容量大（3）通用性好不僅能處理數(shù)字和文字，而且能對圖像、聲音等多種形式的信息進(jìn)行處理不僅能進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，而且能進(jìn)行邏輯運(yùn)算不僅能進(jìn)行運(yùn)算，而且具有信息的獲取、存儲、傳輸、展現(xiàn)等功能（4）計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)具有互連、互通和互操作的能力計(jì)算機(jī)的巨大作用計(jì)算機(jī)對社會的進(jìn)步與發(fā)展產(chǎn)生了巨大的作用：計(jì)算機(jī)應(yīng)用于科學(xué)研究，大大增強(qiáng)了人類認(rèn)識自然、開發(fā)自然、改造和利用自然的能力，促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大大提高了人類物質(zhì)生產(chǎn)水平和社會生產(chǎn)率，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的飛躍發(fā)展。計(jì)算機(jī)應(yīng)用于社會服務(wù)，大大擴(kuò)展和改善了服務(wù)范圍與質(zhì)量，提高了工作效率，推動了社會進(jìn)步。計(jì)算機(jī)應(yīng)用于社會文化，為人類創(chuàng)造文化提供了現(xiàn)代化工具，改變了人們創(chuàng)造文化和傳播文化的方式和方法，擴(kuò)展了人類文化活動的領(lǐng)域、豐富了內(nèi)容、提高了質(zhì)量。計(jì)算機(jī)有什么負(fù)面影響？計(jì)算機(jī)引發(fā)的社會問題和某些潛在的危機(jī)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)崩潰給社會帶來不可預(yù)測的嚴(yán)重后果信息欺騙和計(jì)算機(jī)犯罪增加知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)更加困難個人隱私受到威脅不良和有害信息肆意傳播和泛濫大量電子垃圾污染環(huán)境、破壞生態(tài)長期沉迷于計(jì)算機(jī)游戲、網(wǎng)絡(luò)聊天等給青少年生理和心理帶來嚴(yán)重危害計(jì)算機(jī)的發(fā)展1946年研制成功第1臺數(shù)字電子計(jì)算機(jī)60年來發(fā)展速度之快大大超出人們的預(yù)料：性能、體積、價格、···應(yīng)用領(lǐng)域和裝機(jī)數(shù)量軟件技術(shù)和軟件產(chǎn)品使用的元器件第1代：電子管＋磁鼓第2代：晶體管＋磁芯第3代：中、小規(guī)模集成電路第4代：大、超大規(guī)模集成電路應(yīng)用模式：集中計(jì)算模式分散計(jì)算模式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式普適計(jì)算模式（？）問題：60年來沒變的是什么？基本工作原理第1臺數(shù)字電子計(jì)算機(jī)1946年ENIAC計(jì)算機(jī)公布

ENIAC（電子數(shù)字積分機(jī)與計(jì)算機(jī)）：研制單位：美國賓夕法尼亞大學(xué)用途：軍事計(jì)算運(yùn)算速度：5000次/秒體積價格：170平方米，30噸，140千瓦，40萬美元計(jì)算機(jī)的分代(按使用的元器件)第一代（約1946-1957）電子管計(jì)算機(jī)

●速度：幾十～幾萬次/秒

●內(nèi)存：磁鼓，千字

●外設(shè)：磁帶

●機(jī)器語言或匯編語言編程美國于20世紀(jì)50年代生產(chǎn)的IBM704型采用電子管的第一代電子計(jì)算機(jī)第一代電子計(jì)算機(jī)中使用的磁鼓存儲器第二代（約1957-1964）晶體管計(jì)算機(jī)

●速度：幾十萬次/秒，

●內(nèi)存：磁芯，十萬字

●外設(shè)：磁盤 ●高級語言編程電子管晶體管計(jì)算機(jī)的分代(按使用的元器件)第三代（約1965-1973）中小規(guī)模集成電路(SSI,MSI)計(jì)算機(jī)

速度：幾十萬次～幾百萬次/秒

內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲器

高級語言,OS,DBMS第四代（1974年起）大規(guī)模(LSI)和VLSI計(jì)算機(jī) 速度：幾百萬次～億次/秒 內(nèi)存：半導(dǎo)體存儲器 軟件工程，分布式處理等第1～4代計(jì)算機(jī)的對比代

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)體存儲器軟件開發(fā)工具和平臺、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)，家庭和個人開始使用計(jì)算機(jī)2.1.2計(jì)算機(jī)的組成計(jì)算機(jī)是一個復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所有實(shí)際物理裝置的總稱計(jì)算機(jī)軟件是指在計(jì)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(jì)算機(jī)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)復(fù)雜性：硬件由數(shù)以億計(jì)的元器件組成，軟件由數(shù)以億計(jì)的指令組成多樣性：硬件與光、機(jī)、電、聲等有關(guān)，軟件與數(shù)學(xué)、邏輯···等有關(guān)層次性：分層(hierarchical)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件的邏輯結(jié)構(gòu)1經(jīng)典計(jì)算機(jī)的邏輯結(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)備存儲器（注：邏輯結(jié)構(gòu)意指概念上（即功能上）的結(jié)構(gòu)）計(jì)算機(jī)硬件的邏輯結(jié)構(gòu)2現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)與經(jīng)典計(jì)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)行通信中央處理器(運(yùn)算器及其控制)外存儲器內(nèi)存儲器輸出設(shè)備總線(bus)輸入設(shè)備I/O接口I/O接口外存儲器接口控制器控制器控制器CPU控制器memorystorageI/O設(shè)備通過I/O接口與各自的控制器連接，然后由控制器與I/O總線相連(1)輸入設(shè)備輸入(input)的雙重含義：1.把信息送入計(jì)算機(jī)的過程;2.向計(jì)算機(jī)輸入的內(nèi)容輸入設(shè)備(inputdevices)功能：用來向計(jì)算機(jī)輸入信息輸入設(shè)備有多種，例如:鍵盤——輸入文字、符號和命令鼠標(biāo)器——輸入鼠標(biāo)器移動的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：不論信息的原始形態(tài)如何，輸入到計(jì)算機(jī)中的信息都使用二進(jìn)位來表示(2)中央處理器(運(yùn)算控制器)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，特點(diǎn)是：由數(shù)字電路組成，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜所有電路都制作在大規(guī)模集成電路芯片上(僅幾個平方厘米)，稱為“微處理器”(microprocessor)Intel4004chipIntel8080chip什么是中央處理器(CPU)？計(jì)算機(jī)中通常有多個不同的處理器，各有不同的分工和任務(wù)用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的處理器稱為CPU，CPU是計(jì)算機(jī)必不可少的核心組成部件多數(shù)個人計(jì)算機(jī)只有1個CPU，但有一些計(jì)算機(jī)包含有2個、4個、8個甚至成百上千個CPU問題：除了CPU之外，計(jì)算機(jī)中還有哪些處理器？(3)存儲器功能：儲存以二進(jìn)位形式表示的程序和數(shù)據(jù)分類：內(nèi)存儲器/外存儲器內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存或主存)外存儲器(簡稱外存或輔存)存取速度很快較慢存儲容量較小(因單位成本較高)很大(因單位成本較低)性質(zhì)斷電后信息消失斷電后信息保持用途存放已經(jīng)啟動運(yùn)行的程序和需要立即處理的數(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所處理的指令及數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存中取出程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存后才能被CPU使用·····011010011010101000001000000001000011001001111011111·······存儲內(nèi)容地址(4)輸出設(shè)備輸出(output)的雙重含義：1.把信息送出計(jì)算機(jī)的過程;2.從計(jì)算機(jī)輸出的內(nèi)容輸出設(shè)備(outputdevices)功能：從計(jì)算機(jī)輸出信息輸出設(shè)備有多種，例如:顯示器——輸出文字、符號和圖形打印機(jī)——打印文字、符號和圖形揚(yáng)聲器——輸出聲音(多數(shù))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、圖形、聲音等)(5)總線(bus)功能：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分類：CPU總線（或前端總線）：用于連接CPU和內(nèi)存的總線I/O總線：連接內(nèi)存和I/O設(shè)備（包括外存）的總線2.1.3計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)的分類（1）按內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分類8位/16位/32位/64位單CPU/多CPU···按性能和價格分類巨型計(jì)算機(jī)(supercomputer)大型計(jì)算機(jī)小型計(jì)算機(jī)個人計(jì)算機(jī)(personalcomputer)筆記本PC臺式PC工作站(workstation)作為服務(wù)器(server)使用獨(dú)立使用或作為客戶機(jī)(client)使用曙光4000A巨型計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的分類（2）按計(jì)算機(jī)服務(wù)的對象和作用劃分：類型服務(wù)對象應(yīng)用性質(zhì)主要特點(diǎn)分類或應(yīng)用舉例軟件特點(diǎn)個人計(jì)算機(jī)服務(wù)器嵌入式計(jì)算機(jī)直接為用戶服務(wù)通用性能/價格比高多媒體性能好有通用性和可擴(kuò)展性工作站臺式機(jī)筆記本種類多,功能豐富,用戶可自行裝卸為其它計(jì)算機(jī)服務(wù)半通用吞吐率(throughput)高可用性(availability)好有可擴(kuò)展性(scalability)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器Web服務(wù)器打印服務(wù)器(企業(yè)級,部門級··)實(shí)時處理和并發(fā)工作能力強(qiáng)，可靠性和安全性好為其它設(shè)備服務(wù)專用價格便宜功耗低實(shí)時(realtime)處理軟件固化,擴(kuò)展性差手機(jī)數(shù)碼相機(jī)

MP3播放器

···功能專用、單一、結(jié)構(gòu)緊湊，固化在芯片中，不易修改和擴(kuò)充2.1.4微處理器

和嵌入式計(jì)算機(jī)什么是微處理器？微處理器（μP

）是使用單片大規(guī)模集成電路制成的、具有運(yùn)算和控制功能的電子部件，例如:μP是各種類型計(jì)算機(jī)的核心組成部分用于執(zhí)行系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的μP

稱為“CPU”目前幾乎所有計(jì)算機(jī)的CPU使用的都是微處理器除了用作CPU的通用微處理器之外，還有許多專用的微處理器產(chǎn)品：繪圖處理器、通信處理器等Intel4004Intel8086Intel奔騰4Intel酷睿2微處理器的發(fā)展非常迅速

處理器主要參數(shù)400480808086802868038680486奔騰高能奔騰奔騰Ⅱ奔騰Ⅲ奔騰4推出時間(年)1971197419781982198519891993~19961995~19971997～19981999～20032000～2006主頻

(MHz)0.10824.776～2016～3333～10060～200150～200233～333450～14001500～3800前端總線頻率(MHz)0.10824.776～2016～3325或3350或666666100或133400,533或800，1066外部數(shù)據(jù)線數(shù)目48161632326464646464地址線數(shù)目1016202432323236363636存儲空間大小640B64KB1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GB晶體管數(shù)目(萬)0.230.452.913.427.51203105507509504200制造工藝(μm)106>21.51.5~1.01.0~0.80.8～0.350.6～0.350.35～0.250.25～0.130.13～0.065芯片引腳數(shù)目1640,4068132168273或296387242370478或775什么是嵌入式計(jì)算機(jī)？把運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入/輸出控制、接口電路全都集成在一塊芯片上，這樣的超大規(guī)模集成電路稱為“單片計(jì)算機(jī)”或“嵌入式計(jì)算機(jī)”用途舉例：內(nèi)嵌在其他設(shè)備中作為信息處理的核心裝置，例如數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、手機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、汽車、機(jī)頂盒等特點(diǎn)：功能固定、專用，軟件固化在芯片上，通常不能改變大多應(yīng)滿足實(shí)時信息處理的要求以最低成本滿足應(yīng)用要求能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境附錄附錄1：計(jì)算機(jī)的處理速度巨型計(jì)算機(jī)：幾萬億～幾十萬億次基本運(yùn)算/秒個人計(jì)算機(jī)：幾千萬～幾億次基本運(yùn)算/秒（其中，基本運(yùn)算指的是：＋，－，×，÷等四則運(yùn)算∧，∨等邏輯運(yùn)算）與CPU主頻有什么關(guān)系？原則上主頻越高速度越快，但不是正比關(guān)系！附錄2：計(jì)算機(jī)存儲器的容量千字節(jié)(kilobyte，簡寫為KB)，

1KB=210字節(jié)=1024B（大寫K表示1024）

兆字節(jié)(megabyte，簡寫為MB)1MB=220字節(jié)=1024KB吉字節(jié)(gigabyte，簡寫為GB)（千兆字節(jié)）

1GB=230字節(jié)=1024MB太字節(jié)(terabyte，簡寫為TB)（兆兆字節(jié)）

1TB=240字節(jié)=1024GB

1kB=103字節(jié)=1000B（小寫k表示1000）

或106字節(jié)=1000kB

或109字節(jié)=1000MB

或1012字節(jié)=1000GB

注：紅色為外存儲器容量的計(jì)算單位2.2CPU的邏輯結(jié)構(gòu)

與工作原理2.2.1CPU的邏輯結(jié)構(gòu)

2.2.2指令與指令系統(tǒng)2.2.3CPU的性能指標(biāo)2.2.1CPU的邏輯結(jié)構(gòu)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理(1)計(jì)算機(jī)的工作由程序控制，程序是一個指令序列，指令是能被計(jì)算機(jī)理解和執(zhí)行的操作命令；(2)程序(指令)和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，均存放在存儲器中；(3)存儲器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進(jìn)行存??；(4)指令是由CPU一條一條順序執(zhí)行的。中央處理器運(yùn)算器和控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器“存儲程序控制”原理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⑤任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長久保存外存儲器內(nèi)存儲器CPU①任務(wù)啟動時，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)從外存成批傳送到內(nèi)存指令1指令2指令k指令n程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)③CPU逐條執(zhí)行指令,按指令要求完成對數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理存儲器中央處理器存儲數(shù)據(jù)和指令執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)處理結(jié)果CPU的任務(wù)CPU的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作指令是什么？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：操作碼操作數(shù)地址指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個命令詞，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:100206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數(shù)據(jù)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)m數(shù)據(jù)內(nèi)存儲器指令

指令地址

操作數(shù)地址存放待執(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~~~~內(nèi)存儲器AC927BALU01234567運(yùn)算器(ALU)與通用寄存器(GPR)運(yùn)算器用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)或邏輯運(yùn)算，所以稱為算術(shù)邏輯部件(ALU)，參加ALU運(yùn)算的操作數(shù)通常來自通用寄存器GPR，運(yùn)算結(jié)果也送回GPRSTORER1內(nèi)存地址C例3：存數(shù)指令9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)例1:取數(shù)指令LOADR3內(nèi)存地址ALOADR5內(nèi)存地址B27362793636通用寄存器GPR2.2.2指令與指令系統(tǒng)instructionsetsoftwarehardware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：操作碼操作數(shù)地址指出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)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過程取指令：CPU的控制器從存儲器讀取一條指令并放入指令寄存器指令譯碼：指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作、操作數(shù)在哪里執(zhí)行指令3.1取操作數(shù)3.2進(jìn)行運(yùn)算修改指令計(jì)數(shù)器，決定下一條指令的地址1取指令4修改指令計(jì)數(shù)器3執(zhí)行指令2指令譯碼指令執(zhí)行周期關(guān)于指令系統(tǒng)CPU可執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令系統(tǒng)，即它的機(jī)器語言指令應(yīng)該簡單，簡單才能提高速度!操作功能要簡單，不宜太多、太復(fù)雜指令的格式要統(tǒng)一：固定長度、統(tǒng)一分段操作數(shù)的來源要有限制：算術(shù)邏輯運(yùn)算指令的操作數(shù)只能來自寄存器LOAD/STORE指令的操作數(shù)來自(或送到)內(nèi)存寄存器內(nèi)存內(nèi)存寄存器Intel奔騰處理器的指令系統(tǒng)由于歷史的原因，并不符合上述原則！關(guān)于指令的操作功能指令系統(tǒng)中的指令分成許多類，例如奔騰4處理器中共有七大類指令：數(shù)據(jù)傳送類 ■算術(shù)運(yùn)算類邏輯運(yùn)算類 ■移位操作類位(位串)操作類 ■控制轉(zhuǎn)移類輸入/輸出類等每一類指令（如數(shù)據(jù)傳送類、算術(shù)運(yùn)算類）又按照操作數(shù)的性質(zhì)（如整數(shù)還是實(shí)數(shù)）、長度（16位、32位、64位、128位等）而區(qū)分為許多不同的指令，因此CPU往往有數(shù)以百計(jì)的不同的指令關(guān)于奔騰4系列的指令系統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展過程為：8088（8086）→80286→80386→80486→Pentium→Pentium

PRO→PentiumII→PentiumIII→Pentium4→奔騰D→奔騰至尊→酷?！犷?為解決軟件兼容性問題，采用“向下兼容方式”開發(fā)新的處理器，即所有新處理器均保留老處理器的全部指令，同時還擴(kuò)充功能更強(qiáng)的新指令。例如：Pentium比80386增加了的80多條浮點(diǎn)指令，PentiumII比Pentium增加了50多條處理多媒體信息的指令（MultimediaExtension，稱為MMX），PentiumIII比PentiumII增加了70條處理128位長操作數(shù)的流式單指令多數(shù)據(jù)指令(StreamingSIMDExtention,SSE)Pentium4又比PentiumIII增加了144條指令（稱為SSE2）奔騰D

、奔騰至尊等又增加了SSE3指令關(guān)于CPU的兼容性不同公司生產(chǎn)不同的CPU產(chǎn)品：Intel公司：Pentium系列、賽揚(yáng)系列、至強(qiáng)等AMD公司：獨(dú)龍、閃龍、炫龍等IBM公司：Power5、Power6等（蘋果的Macintosh使用）SUN公司：UltraSPARC處理器HP公司：PA-RISC、Itanium處理器同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：A計(jì)算機(jī)（使用新型號CPU）的程序不能在B計(jì)算機(jī)（使用老型號CPU）上運(yùn)行，B計(jì)算機(jī)的程序卻能在A計(jì)算機(jī)上運(yùn)行不同公司的不同CPU產(chǎn)品其指令系統(tǒng)不同，它們互相不兼容：A計(jì)算機(jī)的程序不能在B計(jì)算機(jī)上直接運(yùn)行，B計(jì)算機(jī)的程序也不能在A計(jì)算機(jī)上直接運(yùn)行互相兼容2.2.3CPU的性能指標(biāo)如何衡量CPU的性能？計(jì)算機(jī)的性能主要表現(xiàn)在程序執(zhí)行速度的快慢，它由許多因素決定，例如CPU、內(nèi)存、硬盤、顯卡等，但通常CPU是主要因素CPU性能高低的主要指標(biāo)是CPU的速度，有2種衡量方法：計(jì)算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目（單位：MIPS、MFLOPS）使用常用軟件（辦公軟件、數(shù)字媒體處理軟件和3D游戲等）的執(zhí)行速度來衡量CPU的性能影響CPU性能的主要因素(之一)CPU的字長（位數(shù)）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）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)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······TT0T1T2T3T4T5T6T7T8T9I6I5I4I3指令的流水線執(zhí)行指令1(I1)指令2(I2)···指令3(I3)I2指令的順序執(zhí)行：I1指令的流水線執(zhí)行：Pentium4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，因而允許時鐘頻率高達(dá)1GHz以上小結(jié)CPU如何執(zhí)行任務(wù)CPU的邏輯結(jié)構(gòu)指令及指令系統(tǒng)CPU的性能指標(biāo)PipeliningandParallelProcessingInstructionsResultsaresequenced1.指令排隊(duì)等候進(jìn)入CPU處理并行處理提高計(jì)算機(jī)速度的有效途經(jīng)3.每個CPU負(fù)責(zé)完成分配給它的指令2.哪一個CPU空閑，就把等候的指令交給它執(zhí)行(包含3個內(nèi)核)Intel微處理器主要技術(shù)參數(shù)比較處理器主要參數(shù)80808086802868038680486奔騰高能奔騰奔騰Ⅱ奔騰Ⅲ奔騰4推出時間(年)197419781982198519891993~961995~971997-981999-20032000-2006主頻

(MHz)24.776-2016-3333-10060-200150-200233-333450-14001500-3800前端總線頻率(MHz)24.776～2016～3325或3350或666666100或133400,533或800，1066外部數(shù)據(jù)線數(shù)目8161632326464646464地址線數(shù)目16202432323236363636存儲器空間大小64K1MB16MB4GB4GB4GB64GB64GB64GB64GB晶體管數(shù)目(萬)0.452.913.427.51203105507509504200制造工藝(μm)6>21.51.5~1.01.0~0.80.8～0.350.6-0.350.35-0.250.25-0.130.13～0.065芯片引腳數(shù)目40,4068132168273或296387242370478或775附：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)Pentium4處理器的邏輯結(jié)構(gòu)指令譯碼器整數(shù)寄存器組L2cache(48GB/s)

L1數(shù)據(jù)cache(8KB)浮點(diǎn)寄存器組慢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MMXSSE/SSE2浮點(diǎn)加浮點(diǎn)乘浮點(diǎn)除跟蹤cache分支預(yù)測器執(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預(yù)取控制邏輯總線接口運(yùn)算器寄存器組控制器Pentium4處理器的芯片布局L1數(shù)據(jù)cacheL2cacheTracecache(L1指令cache)浮點(diǎn)運(yùn)算器MMX超級流水線技術(shù)前端總線及其接口定點(diǎn)運(yùn)算器高級動態(tài)執(zhí)行Pentium4的寄存器組整數(shù)寄存器組P4Pentium804868038680868088浮點(diǎn)寄存器組指令計(jì)數(shù)器標(biāo)志寄存器Pentium4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)，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(jì)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(jì)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）整數(shù)寄存器組

L1數(shù)據(jù)cache(8KB)

浮點(diǎn)寄存器組慢ALU復(fù)雜指令2xALU2xALU簡單指令2xAGU存地址浮點(diǎn)存浮點(diǎn)取2xAGU取地址MMXSSESSE2SSE3浮點(diǎn)加、減、乘、除等運(yùn)算簡單指令超流水線(Hyper-pipeline)技術(shù)Pentium4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條整數(shù)寄存器組浮點(diǎn)數(shù)寄存器組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取指階段譯碼階段執(zhí)行階段保存結(jié)果,修改IP

Pentium4的20級超流水線結(jié)構(gòu)的示意圖：指令流水線的效果AddAddAddAddAddDivSubMulAddSubAddCPU流水線會阻塞嗎？如何確保指令流水線通暢？運(yùn)算結(jié)果LOADR1,BLOADR2,CLOADR3,DADDR2,R1LOADR4,ESTORER2,ASUBR4,R3調(diào)整后:LOADR1,BLOADR2,CADDR2,R1STORER2,ALOADR3,DLOADR4,ESUBR4,R3例:a=b+c;e=e-d;假設(shè)a,b,c,d,e分別存儲在地址為A,B,C,D,E的單元中指令預(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(jì)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指令cache及指令預(yù)取部件動態(tài)分支預(yù)測器指令譯碼器跟蹤cache分支預(yù)測器執(zhí)行跟蹤cache(12000微操作)微碼ROM控制整數(shù)ALU的微操作隊(duì)列控制浮點(diǎn)ALU的微操作隊(duì)列A=A+2;If(A>10)B=A;MMX/SSE/SSE2/SSE3指令所謂SSE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(jì)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SSE指令的SIMD操作舉例xmm0xmm1指令：addpsxmm0,xmm1++++（1次完成4個單精度浮點(diǎn)數(shù)相加）xmm0xmm1指令：addpdxmm0,xmm1++（1次完成2個雙精度浮點(diǎn)數(shù)相加）為什么需要64位計(jì)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(jì)算的條件：64位的處理器64位的操作系統(tǒng)(如WindowsXPX64，WindowsVista)64位的應(yīng)用軟件產(chǎn)品：RISC(UltraSparcⅢ、IBM公司的POWER5、HP公司的Alpha)Intel安騰處理器(Itanium和Itanium2)AMD64(Athlon64系列、AthlonFX系列和Opteron系列)IntelEM-64T(ExtendedMemory64Technology)至強(qiáng)(Xeon)系列、Pentium46xx系列和PentiumD系列、P4至尊版Pentium的64位擴(kuò)展技術(shù)(EM-64T)整數(shù)寄存器組P4Pentium803868048680868088指令計(jì)數(shù)器標(biāo)志寄存器64位處理器的整數(shù)寄存器組共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)Pentium4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、L2Cache等均由2個線程共享處理器有兩種運(yùn)行模式：SingleTaskMode（單任務(wù)模式）：系統(tǒng)只有1個邏輯處理器MultiTaskMode（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Pentium

4處理器功率超過100W，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L2cache，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L2cache用途：面向計(jì)算密集型應(yīng)用和娛樂發(fā)燒友

產(chǎn)品：PentiumD(不支持超線程技術(shù))PentiumExtremeEdition(至尊版)支持HT，最多可作為4個處理器用酷睿?(CoreDuo)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(Core2Duo)雙核處理器：支持EM64T揭開外殼后的PentiumD處理器獨(dú)立cache共享cache小結(jié)：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64~128位CPU總線頻率從400MHz、533MHz提高到800MHz和1066MHz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：L2cache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L3cache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)2.3PC機(jī)的主機(jī)2.3.1

主板、芯片組與BIOS

2.3.2內(nèi)存儲器2.3.3I/O總線和I/O接口臺式PC的物理組成臺式機(jī)1音箱5CPU2調(diào)制解調(diào)器6鍵盤3麥克風(fēng)7鼠標(biāo)器4內(nèi)存條8CD驅(qū)動器9軟驅(qū)10硬盤驅(qū)動器11打印機(jī)12I/O接口13CRT顯示器14擴(kuò)展卡2.3.1

主板、芯片組與BIOS臺式PC機(jī)(立式)的主機(jī)箱擴(kuò)展空間(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ROMBIOS：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)的基本參數(shù)（日期、時間、口令等）存儲器插座

處理器插槽外部設(shè)備插口(I/O接口)軟驅(qū)及硬盤的IDE連接器電源連接器

PCI總線槽

CPU插座顯示卡的AGP插槽南橋芯片ROMBIOS

CMOS存儲器北橋芯片CPU插座內(nèi)存條插座軟驅(qū)、硬盤IDE連接器電源連接器PCI總線插槽

芯片組

I/O端口例：華碩P4T主板照片(2)芯片組的作用yALU寄存器組CPU總線接口R6CPU(前端)總線I/O總線主板擴(kuò)展槽PCI接口南橋芯片I/O總線寄存器組運(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)主存儲器0A北橋芯片y存儲器總線顯卡芯片組舉例芯片組的作用：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Pentium4CPU前端總線北橋82865PMCH圖形卡接口雙通道南橋82801EICH5USB2.0接口(x8)以太網(wǎng)接口PCI插槽(≤6個)ROMBIOS硬盤接口(x2)音頻CodecSuperI/O鍵盤,鼠標(biāo),軟驅(qū),并口,串口等電話ModemDDR2電源管理、時鐘生成DDR2存儲器CPU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、聲卡等功能芯片組產(chǎn)品：Intel芯片(如865、915、945、955、975系列等）VIA（威盛，中國臺灣）nVIDIA（美國）ATI（加拿大）AMD（美國）(3)BIOS什么是BIOS（BasicInput/OutputSystem）？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(jì)算機(jī)故障啟動計(jì)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程序（POST）

(PowerOnSelfTest)用于檢測計(jì)算機(jī)硬件故障系統(tǒng)自舉程序（Boot）啟動計(jì)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(bào)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(jì)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(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后也不會丟失所存儲的信息作用：存放計(jì)算機(jī)硬件的參數(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2.3.2內(nèi)存儲器復(fù)習(xí)：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)內(nèi)存儲器外存儲器CPU指令1指令2指令k指令n程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)①任務(wù)啟動時，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)將從外存成批傳送到內(nèi)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⑤任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長久保存③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(jì)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(jì)算機(jī)中存儲器的層次結(jié)構(gòu)cache存儲器主存儲器(RAM和ROM)外存儲器（軟盤、硬盤、光盤）后備存儲器（磁帶庫、光盤庫）內(nèi)存儲器外存儲器寄存器典型容量<1KB1MB256MB-1GB40GB-200GB10TB-100TB典型存取時間1ns2ns10ns10ms10s分析：速度越快，成本較高。為了獲得好的性能/價格比，計(jì)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cache3）如操作數(shù)不在cache，則訪問RAM，如在RAM中，則取自RAM4）如操作數(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（FlashROM）（用作Cache存儲器）

（用作主存儲器）每個存儲單元(cell)由6個晶體管組成只要加上電源，信息就能一直保持對電器干擾相對不很敏感比DRAM更快，也更貴每個存儲單元由1個電容和1個晶體管組成.

每10-100ms必須刷新一次對電器干擾比較敏感比SRAM慢，但便宜（用作BIOS存儲器）(圖形卡、硬盤控制器)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，1ns=10-9s）····· 0110100110101010存儲內(nèi)容00001000000001000011001001111011111·······存儲單元地址地址碼存儲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(64位)(36位)PC機(jī)主存儲器的物理結(jié)構(gòu)主存儲器由若干內(nèi)存條組成內(nèi)存條的組成：把若干片DRAM芯片焊裝在一小條印制電路板上制成內(nèi)存條必須插在主板上的內(nèi)存條插槽中才能使用目前流行的是DDR和DDR2內(nèi)存條：均采用雙列直插式，其觸點(diǎn)分布在內(nèi)存條的兩面DDR條有184個引腳，DDR2有240個引腳PC機(jī)主板中一般都配備有2個或4個DIMM插槽

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1～2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)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012345678910111213141589143444101010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存儲器如何提高cache的命中率？增大cache容量采用多級cache技術(shù)(2級或3級等)cache中采用快速的查找算法，判定是否命中不能命中時，采用有效的算法將讀入的內(nèi)容替換cache中暫時不使用的內(nèi)容編譯器優(yōu)化目標(biāo)程序程序員寫出cache-friendly的程序關(guān)于cache存儲器Pentium4的cache存儲器Pentium4中有3個cache存儲器，分成兩級：一級cache數(shù)據(jù)緩存（L1數(shù)據(jù)cache），8KB指令緩存，8KB二級緩存（L2cache），容量為256KB～2MBL2cache(48GB/s)

L1數(shù)據(jù)cache(8KB)指令cache及指令預(yù)取部件前端總線256位，時鐘頻率64位,時鐘頻率總線接口部件預(yù)取控制邏輯關(guān)于cache存儲器2.3.3I/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?/p>

I/O操作的任務(wù)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，這些信號線在物理上與主板擴(kuò)展槽中插入的擴(kuò)展卡（I/O控制器）直接連接。目前PC機(jī)使用的I/O總線PCI總線PCI-Express(高速PCI總線)I/O總線的帶寬總線的數(shù)據(jù)傳輸速率(MB/s)=數(shù)據(jù)線位數(shù)/8×總線工作頻率（MHz）×每個總線周期的傳輸次數(shù)PCI總線擴(kuò)展槽關(guān)于I/O接口I/O接口：I/O設(shè)備與I/O控制器之間的連接器包括：插頭/插座的形式、通訊規(guī)程和電器特性等分類：從數(shù)據(jù)傳輸方式來分：串行（一次只傳輸1位）并行（多位一起進(jìn)行傳輸）從是否能連接多個設(shè)備來分：總線式（可連接多個設(shè)備）獨(dú)占式（只能連接1個設(shè)備）從是否符合標(biāo)準(zhǔn)來分：標(biāo)準(zhǔn)接口（通用接口）專用接口（專用接口）串行口并行口I/O設(shè)備接口串行口9針并行口VGA視頻口鍵盤接口雙絞線接口PS/2接口串行口25針同軸電纜網(wǎng)絡(luò)接口顯示器接口麥克風(fēng)音箱鍵盤接口并行口USB接口以太網(wǎng)雙絞線接口串行口鼠標(biāo)器接口(安裝在主板上的I/O設(shè)備接口)臺式PC機(jī)箱背板照片鍵盤接口鼠標(biāo)接口串行接口電源接口打印機(jī)(并行)接口(游戲)操縱桿接口顯示器接口揚(yáng)聲器接口麥克風(fēng)接口電話線/MODEM接口常用的I/O接口及其性能參數(shù)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)USBA最多127鍵盤，鼠標(biāo)器，數(shù)碼相機(jī)，移動盤等USB(2.0)串行,雙向60MB/s(高速)USBA最多127外接硬盤，數(shù)字視頻設(shè)備，掃描儀等IEEE1394aIEEE1394b串行,雙向12.5,25,50MB/s100MB/sFireWire(i.Link)最多63數(shù)字視頻設(shè)備IDE并行,雙向66MB/s100MB/s133MB/sUltraATA/66

UltraATA/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)會不需要1鍵盤，鼠標(biāo)器，打印機(jī)等關(guān)于USB接口通用串行總線式接口（UniversalSerialBus）高速、可連接多個設(shè)備、串行傳輸傳輸速率：USB的1.1版：1.5Mb/s和12Mb/sUSB2.0版：高達(dá)480Mb/s（60MB/s）使用4線連接器，體積小，符合即插即用規(guī)范（Plug&Play,即PnP）使用“USB集線器”擴(kuò)展機(jī)器的USB接口，最多連接127個設(shè)備可通過USB接口由主機(jī)向外設(shè)提供電源（＋5V，100～500mA）。USB接口的3種類型接口類型A,通常在PC上出現(xiàn)接口類型B,通常在USB設(shè)備上出現(xiàn)Mini-USB,數(shù)碼相機(jī)、移動硬盤等設(shè)備經(jīng)常使用USB集線器,可擴(kuò)展PC機(jī)的USB接口黑地GND4綠數(shù)據(jù)＋＋DATA3白數(shù)據(jù)－－DATA2紅電源VCC1導(dǎo)線顏色名稱信號引腳關(guān)于IEEE-1394接口通常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.速度特別快也支持即插即用規(guī)范6根線采用級聯(lián)方式連接設(shè)備可連接63個設(shè)備小結(jié)1：

I/O總線,I/O控制器,I/O接口與I/O設(shè)備的關(guān)系I/O設(shè)備通常都是物理上相互獨(dú)立的設(shè)備，它們一般通過I/O接口與I/O控制器連接I/O控制器通過擴(kuò)展卡或者南橋芯片與I/O總線連接I/O總線經(jīng)過北橋芯片與內(nèi)存、CPU連接打印機(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設(shè)備I/O控制器（擴(kuò)充卡）機(jī)箱插座板卡插座I/O控制器PCI插槽內(nèi)存主板插槽機(jī)箱芯片組IDE接口機(jī)箱插座I/O設(shè)備鍵盤鼠標(biāo)器小結(jié)2：

I/O總線,I/O控制器,I/O接口與I/O設(shè)備的關(guān)系yALU寄存器組CPU總線接口R6CPU(前端)總線I/O總線主板擴(kuò)展槽PCI接口南橋芯片I/O總線磁盤控制器以太網(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)主存儲器0A北橋芯片y存儲器總線顯卡作業(yè)

P461、3P501、4P633、7、8附錄SRAM的存儲單元6管靜態(tài)NMOS存儲單元讀出時：

-置2個位線為高電平

-

置字線為1-根據(jù)存儲單元的狀態(tài)改變位線的輸出電平寫入時：

-位線上是被寫入的二進(jìn)位信息0或1-置字線為1-存儲單元(觸發(fā)器)按位線的狀態(tài)設(shè)置成0或1信息存儲原理：看作帶時鐘的RS觸發(fā)器存儲單元字線位線D位線DDRAM的存儲單元單管動態(tài)MOS存儲單元讀出時：字線位線V~Cnode

/CBL寫入時：字線位線V電容Cnode信息存儲原理電容Cnode處于充電狀態(tài)時，表示1；電容Cnode處于放電狀態(tài)時，表示0字線位線接地存儲單元字線位線C讀放大器DRAM存儲器基本結(jié)構(gòu)主要組成部分：

存儲矩陣地址譯碼器讀/寫緩沖及控制電路工作過程：使用行地址和行選通信號(RAS)選擇某一行存儲單元將該行所有單元的信息讀出送到芯片內(nèi)部的行緩沖器使用列地址和列選通信號(CAS)選擇緩沖器的某一列數(shù)據(jù)從緩沖器選出并拷貝到數(shù)據(jù)總線，然后送給CPU行地址列地址wordlinebitgnd例：128MB的DRAM存儲器:行、列地址為(i,j)的8個單元總?cè)萘浚?28MB，由8片DRAM芯片構(gòu)成每片16Mx8bits行地址、列地址各12位每1行共4096列(8位/列)選中某一行并讀出之后再由列地址選擇其中的一列(8個二進(jìn)位)送出存儲控制器(行地址i,列地址j)DRAM7DRAM003178151623243263394047485556bits0-7bits8-15bits16-23bits24-31bits32-39bits40-47bits48-55bits56-6364-bit雙字03178151623243263394047485556主存儲器地址A處的64-bit數(shù)據(jù)地址A4096行提高DRAM存儲器速度的措施反復(fù)多次使用芯片內(nèi)部緩沖器中的內(nèi)容，不要每次都重復(fù)地進(jìn)行“行訪問”DDRSDRAM

(Doubledata-ratesynchronousDRAM)和DDR2SDRAM

2個、4個或多個存儲器同時工作時鐘頻率=100MHz內(nèi)部頻率=100MHz傳輸頻率=200MHz存儲單元陣列數(shù)據(jù)總線DDRSDRAM時鐘頻率=100MHz內(nèi)部頻率=200MHz傳輸頻率=400MHz存儲單元陣列數(shù)據(jù)總線DDR2SDRAM

I/O操作的過程I/O操作的過程CPU執(zhí)行I/O指令向I/O控制器發(fā)出啟動命令后，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)指令。I/O控制器接受命令后負(fù)責(zé)對I/O設(shè)備進(jìn)行全程控制I/O控制器向I/O設(shè)備發(fā)出操作命令并收到應(yīng)答后就向DMA控制器（芯片組內(nèi)部）發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱螳@得DMA許可后，DMA啟動并控制I/O設(shè)備在內(nèi)存儲器數(shù)據(jù)和I/O設(shè)備之間直接傳輸數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)傳輸完畢后，I/O控制器向CPU報(bào)告I/O操作完成。I/O操作中若干控制部件的作用CPU

負(fù)責(zé)啟動I/O操作I/O控制器

負(fù)責(zé)在I/O操作期間對I/O設(shè)備進(jìn)行全程控制DMA控制器

DMA:直接存儲器訪問負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與主存儲器之間的直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂浦袛嗫刂破?/p>

負(fù)責(zé)向CPU報(bào)告I/O操作完成的情況，實(shí)現(xiàn)CPU處理與I/O操作之間的同步與通信I/O操作是由許多部件協(xié)同完成的2.4常用輸入設(shè)備2.4.1鍵盤2.4.2鼠標(biāo)2.4.3筆輸入設(shè)備(選學(xué))2.4.4掃描儀2.4.5數(shù)碼相機(jī)2.4.1鍵盤（Keyboard）鍵盤作用：向計(jì)算機(jī)輸入字母、數(shù)字、符號、命令等信息按鍵的布局與類型：其它按鍵：

Windows控制鍵;多媒體播放控制鍵;若干指示燈小鍵盤光標(biāo)控制鍵功能鍵打字鍵盤修飾鍵PC鍵盤中主要控制鍵的作用控制鍵名稱主

要

功

能AltAlternate的縮寫，它與另一個(些)鍵一起按下時，將發(fā)出一個命令，其含義由應(yīng)用程序決定

Break經(jīng)常用于終止或暫停一個DOS程序的執(zhí)行CtrlControl的縮寫，它與另一個(些)鍵一起按下時，將發(fā)出一個命令，其含義由應(yīng)用程序決定Delete刪除光標(biāo)右面的一個字符，或者刪除一個(些)已選擇的對象End一般是把光標(biāo)移動到行末EscEscape的縮寫，經(jīng)常用于退出一個程序或操作F1～F12共12個功能鍵，其功能由操作系統(tǒng)及運(yùn)行的應(yīng)用程序決定Home通常用于把光標(biāo)移動到開始位置，如一個文檔的起始位置或一行的開始處Insert輸入字符時有覆蓋方式和插入方式兩種，Insert鍵用于在兩種方式之間進(jìn)行切換NumLock數(shù)字小鍵盤可用作計(jì)算器鍵盤，也可用作光標(biāo)控制鍵，由本鍵進(jìn)行切換PageUp使光標(biāo)向上移動若干行（向上翻頁）PageDown使光標(biāo)向下移動若干行（向下翻頁）Pause臨時性地掛起一個程序或命令PrintScreen記錄當(dāng)時的屏幕映像，將其復(fù)制到剪貼板中PC鍵盤上的特殊控制鍵電源控制鍵：Power：開/關(guān)機(jī)Sleep：使機(jī)器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)WakeUp：從待機(jī)狀態(tài)喚醒多媒體控制鍵：音量控制、靜音控制，音軌的前進(jìn)與后退，節(jié)目的播放、暫停、停止，彈出光盤等因特網(wǎng)控制鍵：打開瀏覽器，轉(zhuǎn)向前一網(wǎng)頁，轉(zhuǎn)向后一網(wǎng)頁，啟動電子郵件程序等鍵盤的結(jié)構(gòu)機(jī)械式鍵盤：早期曾使用電容式鍵盤：無磨損和接觸不良問題，耐久性、靈敏度和穩(wěn)定性都比較好，擊鍵聲音小，手感較好，壽命較長與主機(jī)的接口PS/2接口USB接口無線接口（紅外線或無線電波）敲擊鍵盤的正確姿勢正確不正確2.4.2鼠標(biāo)器（Mouse）鼠標(biāo)器的作用作用：控制屏幕上的鼠標(biāo)箭頭準(zhǔn)確地定位在指定的位置處，然后通過按鍵（左鍵或右鍵）發(fā)出命令，完成各種操作工作過程：用戶移動鼠標(biāo)器時，借助于機(jī)械或光學(xué)原理，將鼠標(biāo)在X方向和Y方向移動的距離變換成脈沖信號輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)中的鼠標(biāo)驅(qū)動程序把接收到的脈沖信號轉(zhuǎn)換成水平和垂直方向的位移量，繼而控制屏幕上鼠標(biāo)箭頭的移動優(yōu)點(diǎn)：外型輕巧，操縱自如，使用方便，價格低廉鼠標(biāo)器的類型與組成類型：光電式鼠標(biāo)器發(fā)光二極管微型鏡頭右鍵左鍵滾輪（當(dāng)前流行使用）機(jī)電式鼠標(biāo)器（曾經(jīng)流行使用）滾輪按鍵傳動球鼠標(biāo)墊機(jī)電式鼠標(biāo)器工作原理Windows中鼠標(biāo)器的操作及功能移動鼠標(biāo)：移動屏幕上的光標(biāo)箭頭單擊左鍵：選擇對象，或選擇執(zhí)行某個菜單命令雙擊左鍵：打開文件/文件夾，或啟動運(yùn)行與所指對象相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用程序左鍵拖放：移動對象/復(fù)制對象/創(chuàng)建對象快捷方式等單擊右鍵：彈出所指對象的快捷菜單向前/向后轉(zhuǎn)動滾輪：顯示窗口中前面/后面的內(nèi)容（滾屏）鼠標(biāo)器與鍵盤同時工作會使某些操作更簡單和方便：鼠標(biāo)器與Ctrl鍵的配合使用可以復(fù)制一個對象鼠標(biāo)器與Shift鍵的配合使用可以移動一個對象）鼠標(biāo)箭頭的常見形狀及含義鼠標(biāo)形狀含義鼠標(biāo)形狀含義標(biāo)準(zhǔn)選擇調(diào)整窗口垂直大小文字選擇調(diào)整窗口水平大小幫助選擇窗口對角線調(diào)整后臺操作窗口對角線調(diào)整忙移動對象在Windows操作系統(tǒng)中，不同的鼠標(biāo)形狀有不同的含義：幾種不同形式的鼠標(biāo)器無線鼠標(biāo)接收器發(fā)送器指點(diǎn)桿