【大學(xué)】CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理

1、2.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)與工作原理與工作原理2.2.1 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu) 2.2.2 指令與指令系統(tǒng)指令與指令系統(tǒng)2.2.3 CPU的性能指標(biāo)的性能指標(biāo)22.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理2.2.1 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)32.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理諾依曼計(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(gè)指令序列，指令是能被計(jì)計(jì)算機(jī)的工作由程序控制，程序是一個(gè)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；算機(jī)理解和執(zhí)行的操作命令；(2) 程序程序(指令指令)和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，均存放在存儲器中和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，均存放

2、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)行存取存儲器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進(jìn)行存取 ；(4) 指令是由指令是由CPU一條一條順序執(zhí)行的。一條一條順序執(zhí)行的。中央中央處理器處理器運(yùn)算器和控制器運(yùn)算器和控制器輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備存儲器存儲器42.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理“存儲程序控制存儲程序控制” 原理原理n將問題的解算步驟編制成為將問題的解算步驟編制成為程序程序，程序連同它所處理的數(shù)，程序連同它所處理的數(shù)據(jù)都用據(jù)都用二進(jìn)位表示二進(jìn)位表示并并預(yù)先預(yù)先存放在存儲器存放在存儲器中中n程序運(yùn)行時(shí)，程序運(yùn)行時(shí)，CPU從內(nèi)存中一條一條地取出指令和相應(yīng)的從內(nèi)存中一條一條地取出指令和

3、相應(yīng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)，按指令操作碼的規(guī)定按指令操作碼的規(guī)定，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到，對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，直到程序執(zhí)行完畢為止程序執(zhí)行完畢為止 CPU從內(nèi)存中逐條從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)將指令的運(yùn)算處理將指令的運(yùn)算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存結(jié)果送回內(nèi)存保存任務(wù)完成后，將處任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成理得到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長久批傳送到外存以長久保存保存外存儲器外存儲器內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器CPU任務(wù)啟動時(shí)，執(zhí)行任務(wù)啟動時(shí)，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)從外存成批傳送到內(nèi)從外存成批傳送到內(nèi)存存指令1指令2指令k指令n程序程序數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)m數(shù)

4、據(jù)數(shù)據(jù)CPU逐條逐條執(zhí)行指令執(zhí)行指令,按按指 令 要 求 完指 令 要 求 完成 對 數(shù) 據(jù) 的成 對 數(shù) 據(jù) 的運(yùn)算和處理運(yùn)算和處理52.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理存儲器存儲器中央中央處理器處理器存儲數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)和指令和指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令處理數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)處理結(jié)果處理結(jié)果CPU的任務(wù)的任務(wù)nCPU的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對的主要任務(wù)是執(zhí)行指令，它按指令的規(guī)定對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作數(shù)據(jù)進(jìn)行操作62.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理指令是什么？指令是什么？n指令就是命令，它用來規(guī)定指令就是命令，它用來規(guī)定CPU執(zhí)行什么操作。指令是構(gòu)執(zhí)行什么操作。指令是構(gòu)成程序的基本單位，程序是

5、由一連串指令組成的成程序的基本單位，程序是由一連串指令組成的n指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下，指令由兩個(gè)部分組指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下，指令由兩個(gè)部分組成：成： 操作碼操作碼操操 作作 數(shù)數(shù) 地地 址址指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)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 舉例舉例: 10 02 06把把02存儲單元和存儲單元和06存儲單元中的內(nèi)存儲單元中的內(nèi)容相加，和數(shù)保存在容相加，和數(shù)保存在02單元單元72.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理CPU的結(jié)構(gòu)和任務(wù)的結(jié)構(gòu)和任務(wù)nCPU主要由運(yùn)算器、控制器和寄存器組主要由運(yùn)算器、控制器和寄存器組3

6、個(gè)部分組成個(gè)部分組成nCPU的任務(wù)：取指令并完成指令所規(guī)定的操作的任務(wù)：取指令并完成指令所規(guī)定的操作寄寄存存器器組組運(yùn)運(yùn)算算器器中央處理器中央處理器指令計(jì)數(shù)器指令計(jì)數(shù)器指令寄存器指令寄存器控制器數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù)程序程序指令指令1指令指令2指令指令k指令指令n數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器指指 令令 指令地址指令地址 操作數(shù)地址操作數(shù)地址存放待執(zhí)行存放待執(zhí)行指令的地址指令的地址已經(jīng)啟動運(yùn)已經(jīng)啟動運(yùn)行的程序和行的程序和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存放待執(zhí)行的存放待執(zhí)行的指令并進(jìn)行譯指令并進(jìn)行譯碼碼完成規(guī)定的運(yùn)完成規(guī)定的運(yùn)算算暫存等待處暫存等待處理的數(shù)據(jù)理的數(shù)據(jù)操作命令操作命令82.2 CPU的邏輯結(jié)

7、構(gòu)與原理內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器AC927BALU0 1 2 3 4 5 6 7運(yùn)算器運(yùn)算器(ALU)與通用寄存器與通用寄存器(GPR)n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)邏輯部件輯部件 (ALU)，參加參加ALU運(yùn)算的操作數(shù)通常來自通用寄存器運(yùn)算的操作數(shù)通常來自通用寄存器GPR ，運(yùn)算結(jié)果也送回運(yùn)算結(jié)果也送回GPRSTORER1內(nèi)存地址內(nèi)存地址C例例3：存數(shù)指令：存數(shù)指令9例例2：加法指令：加法指令A(yù)DDR1R3R5(3寄存器內(nèi)容與寄存器內(nèi)容與5寄存器內(nèi)容相加，寄存器內(nèi)容相加，并把和數(shù)寫入并把和數(shù)寫入1寄存器寄存器)例例1:取數(shù)

8、指令取數(shù)指令LOADR3內(nèi)存地址內(nèi)存地址ALOADR5內(nèi)存地址內(nèi)存地址B27362793636通用寄存器通用寄存器GPR92.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理2.2.2 指令與指令系統(tǒng)指令與指令系統(tǒng)instruction setsoftwarehardware102.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理指令及其格式指令及其格式n指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下由兩個(gè)部分組成：指令采用二進(jìn)位表示，大多數(shù)情況下由兩個(gè)部分組成： 操作碼操作碼操操 作作 數(shù)數(shù) 地地 址址指出指出CPU應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)命應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)命令詞，例如加、減、乘、除等令詞，例如加、減、乘、除等 指出該指令所操作指出該指令所操作(處

9、理處理)的的數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)所在位置 n指令的格式：指令的格式：n操作碼用幾位表示？操作碼用幾位表示？(多少種不同的操作功能多少種不同的操作功能)n操作數(shù)地址是操作數(shù)地址是2個(gè)還是個(gè)還是3個(gè)？個(gè)？nR1R3+R5 nR1R1-R3 n如何指出內(nèi)存地址？如何指出內(nèi)存地址？(尋址方式尋址方式)n指令長度是多少位，固定長度指令長度是多少位，固定長度/可變長度？可變長度？ADDR1R3R5SUBR1R3112.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過程指令在計(jì)算機(jī)中的執(zhí)行過程1.取指令取指令：CPU的控制器從的控制器從存儲器讀取一條指令并放存儲器讀取一條指令并放入指令寄存器入指

10、令寄存器2.指令譯碼指令譯碼：指令寄存器中：指令寄存器中的指令經(jīng)過譯碼，決定該的指令經(jīng)過譯碼，決定該指令應(yīng)進(jìn)行何種操作、操指令應(yīng)進(jìn)行何種操作、操作數(shù)在哪里作數(shù)在哪里3.執(zhí)行指令執(zhí)行指令3.1 取操作數(shù)取操作數(shù)3.2 進(jìn)行運(yùn)算進(jìn)行運(yùn)算4.修改指令計(jì)數(shù)器修改指令計(jì)數(shù)器，決定下，決定下一條指令的地址一條指令的地址1 取指令取指令4 修改指修改指令計(jì)數(shù)器令計(jì)數(shù)器3 執(zhí)行指令執(zhí)行指令2 指令譯碼指令譯碼指令執(zhí)行周期指令執(zhí)行周期問題：問題：CPU的時(shí)鐘頻率的時(shí)鐘頻率(主頻主頻)與指令執(zhí)行速度是什么關(guān)系？與指令執(zhí)行速度是什么關(guān)系？122.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理關(guān)于指令系統(tǒng)關(guān)于指令系統(tǒng)nCPU可執(zhí)行的全部

11、指令稱為該可執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令系統(tǒng)，的指令系統(tǒng)，即它的機(jī)器語言即它的機(jī)器語言n指令應(yīng)該簡單，簡單才能提高速度指令應(yīng)該簡單，簡單才能提高速度!1.操作功能要簡單，不宜太多、太復(fù)雜操作功能要簡單，不宜太多、太復(fù)雜2.指令的格式要統(tǒng)一：指令的格式要統(tǒng)一：固定長度、統(tǒng)一分段固定長度、統(tǒng)一分段3.操作數(shù)的來源要有限制：操作數(shù)的來源要有限制：n算術(shù)邏輯運(yùn)算指令的操作數(shù)只能來自寄存器算術(shù)邏輯運(yùn)算指令的操作數(shù)只能來自寄存器nLOAD/STORE指令的操作數(shù)來自指令的操作數(shù)來自(或送到或送到)內(nèi)存內(nèi)存寄存器寄存器內(nèi)存內(nèi)存 內(nèi)存內(nèi)存寄存器寄存器132.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理關(guān)于關(guān)于CPU的兼容性

12、的兼容性n不同公司生產(chǎn)不同的不同公司生產(chǎn)不同的CPU產(chǎn)品：產(chǎn)品：nIntel公司：公司：Pentium系列、賽揚(yáng)系列系列、賽揚(yáng)系列 、至強(qiáng)等、至強(qiáng)等nAMD公司：獨(dú)龍、閃龍、炫龍等公司：獨(dú)龍、閃龍、炫龍等nIBM公司：公司：Power5、Power6等（蘋果的等（蘋果的Macintosh使用）使用）nSUN公司：公司：Ultra SPARC處理器處理器nHP公司：公司： PA-RISC、Itanium 處理器處理器n同一公司同一系列的同一公司同一系列的CPU具有向下（前）兼容性：具有向下（前）兼容性：nA計(jì)算機(jī)（使用新型號計(jì)算機(jī)（使用新型號CPU）的程序不能在）的程序不能在B計(jì)算機(jī)（使用老型號

13、計(jì)算機(jī)（使用老型號CPU）上運(yùn)行，上運(yùn)行， B計(jì)算機(jī)的程序卻能在計(jì)算機(jī)的程序卻能在A計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算機(jī)上運(yùn)行n不同公司的不同不同公司的不同CPU產(chǎn)品其指令系統(tǒng)不同，它們互相不兼容：產(chǎn)品其指令系統(tǒng)不同，它們互相不兼容：nA計(jì)算機(jī)的程序不能在計(jì)算機(jī)的程序不能在B計(jì)算機(jī)上直接運(yùn)行，計(jì)算機(jī)上直接運(yùn)行， B計(jì)算機(jī)的程序也不能在計(jì)算機(jī)的程序也不能在A計(jì)算機(jī)上直接運(yùn)行計(jì)算機(jī)上直接運(yùn)行互相兼容互相兼容142.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理2.2.3 CPU的性能指標(biāo)的性能指標(biāo)152.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理如何衡量如何衡量CPU的性能？的性能？n計(jì)算機(jī)的性能主要表現(xiàn)在程序執(zhí)行速度的快慢，計(jì)算機(jī)的性能主要表現(xiàn)在程

14、序執(zhí)行速度的快慢，它由許多因素決定，例如它由許多因素決定，例如CPU、內(nèi)存、硬盤、顯、內(nèi)存、硬盤、顯卡等，但通常卡等，但通常CPU是主要因素是主要因素nCPU性能高低的主要指標(biāo)是性能高低的主要指標(biāo)是CPU的速度的速度，有，有2種種衡量方法：衡量方法：1.計(jì)算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目（單位：計(jì)算每秒鐘可執(zhí)行的指令數(shù)目（單位：MIPS、MFLOPS）2.使用常用軟件（辦公軟件、數(shù)字媒體處理軟件和使用常用軟件（辦公軟件、數(shù)字媒體處理軟件和3D游戲等）的運(yùn)行速度來衡量游戲等）的運(yùn)行速度來衡量CPU的性能的性能 162.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理影響影響CPU性能的主要因素性能的主要因素(之一之一)nCP

15、U的字長（位數(shù)）的字長（位數(shù)）n目前目前PC使用的使用的CPU大多是大多是32位處理器，新一代的位處理器，新一代的PC機(jī)將使用機(jī)將使用64位處理器位處理器n主頻（主頻（CPU時(shí)鐘頻率）時(shí)鐘頻率）n主頻提高，主頻提高，CPU的處理速度通常也會加快的處理速度通常也會加快nCPU總線（前端總線）的速度總線（前端總線）的速度nCPU總線速度決定了總線速度決定了CPU與內(nèi)存間數(shù)據(jù)傳輸速度的快與內(nèi)存間數(shù)據(jù)傳輸速度的快慢慢n高速緩存（高速緩存（cache）的容量與結(jié)構(gòu)）的容量與結(jié)構(gòu)ncache容量越大、級數(shù)越多，其效用就越顯著容量越大、級數(shù)越多，其效用就越顯著 172.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理影響影響CP

16、U性能的主要因素性能的主要因素(之二之二)nCPU的指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng)n指令的格式和功能會影響程序的執(zhí)行速度指令的格式和功能會影響程序的執(zhí)行速度nCPU的邏輯結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)nCPU包含的定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算器數(shù)目包含的定點(diǎn)運(yùn)算器和浮點(diǎn)運(yùn)算器數(shù)目n是否流水線結(jié)構(gòu)，流水線的條數(shù)和級數(shù)是否流水線結(jié)構(gòu)，流水線的條數(shù)和級數(shù)n有無指令預(yù)測和數(shù)據(jù)預(yù)測功能有無指令預(yù)測和數(shù)據(jù)預(yù)測功能n是否具有數(shù)字信號處理功能是否具有數(shù)字信號處理功能n是否多核，有幾個(gè)內(nèi)核是否多核，有幾個(gè)內(nèi)核n182.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理Pipelining and Parallel ProcessingInstructionsResult

17、s aresequenced1. 指令排隊(duì)等指令排隊(duì)等候進(jìn)入候進(jìn)入CPU處處理理并行處理并行處理提高計(jì)算機(jī)速度的有效途經(jīng)提高計(jì)算機(jī)速度的有效途經(jīng)3. 每個(gè)每個(gè)CPU負(fù)負(fù)責(zé)完成分配給責(zé)完成分配給它的指令它的指令2. 哪一個(gè)哪一個(gè)CPU空閑，就把等空閑，就把等候的指令交給候的指令交給它執(zhí)行它執(zhí)行(包含包含3個(gè)內(nèi)核個(gè)內(nèi)核)2.3 PC機(jī)的主機(jī)機(jī)的主機(jī)2.3.1 主板、芯片組與主板、芯片組與BIOS 2.3.2 內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器2.3.3 I/O總線和總線和I/O接口接口202.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理臺式臺式PC的物理組成的物理組成臺式機(jī)臺式臺式PC主機(jī)主機(jī)機(jī)箱、機(jī)箱、電源電源主板主板芯片芯片組組

18、BIOS ROMCMOSPCI插槽插槽(I/O總線總線)CPU內(nèi)存內(nèi)存條條顯示顯示卡卡網(wǎng)卡網(wǎng)卡外部外部設(shè)備設(shè)備輸入輸入設(shè)備設(shè)備鍵盤鍵盤鼠標(biāo)鼠標(biāo)器器麥克麥克風(fēng)風(fēng)攝像攝像頭頭輸出輸出設(shè)備設(shè)備顯示顯示器器打印打印機(jī)機(jī)音箱音箱/耳機(jī)耳機(jī)外存外存儲器儲器U盤、盤、移動移動硬盤硬盤聲卡聲卡插頭和插座插頭和插座(I/O接口接口)硬盤、軟驅(qū)硬盤、軟驅(qū)光盤驅(qū)動器光盤驅(qū)動器212.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理1 音箱音箱 5 CPU 2 調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器 6 鍵盤鍵盤3 麥克風(fēng)麥克風(fēng) 7 鼠標(biāo)器鼠標(biāo)器 4 內(nèi)存條內(nèi)存條 8 CD驅(qū)動器驅(qū)動器9 軟驅(qū)軟驅(qū)10 硬盤驅(qū)動器硬盤驅(qū)動器11 打印機(jī)打印機(jī)12 I/O接口

19、接口13 CRT顯示器顯示器14 擴(kuò)展卡擴(kuò)展卡222.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理2.3.1 主板、芯片組與主板、芯片組與BIOS232.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理臺式臺式PC機(jī)機(jī)(立式立式)的主機(jī)箱的主機(jī)箱擴(kuò)展擴(kuò)展空間空間242.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理(1) 主板主板n主板的作用：安裝所有的電子器件、電路與連接件主板的作用：安裝所有的電子器件、電路與連接件n主板安裝內(nèi)容：見上圖主板安裝內(nèi)容：見上圖nROM BIOS：存放最基礎(chǔ)的軟件：存放最基礎(chǔ)的軟件基本輸入基本輸入/輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)(BIOS) nCMOS存儲器：存放系統(tǒng)的基本參數(shù)（日期、時(shí)間、口令等）存儲器：存放系統(tǒng)的基本參數(shù)（日期、時(shí)

20、間、口令等） 存儲器插座存儲器插座 處理器處理器插槽插槽外部設(shè)備插口外部設(shè)備插口(I/O接口接口)軟驅(qū)及硬盤的軟驅(qū)及硬盤的IDE連接器連接器電源連接器電源連接器 PCI總線槽總線槽 CPU插座插座顯示卡的顯示卡的插槽插槽南橋南橋芯片芯片 ROM BIOS CMOS 存儲器存儲器北橋北橋芯片芯片252.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理例：華碩例：華碩P4T主板照片主板照片CPUCPU插座插座內(nèi)存條插座內(nèi)存條插座軟驅(qū)、硬盤軟驅(qū)、硬盤IDEIDE連接器連接器電源連接器電源連接器PCIPCI總線插槽總線插槽 芯片組芯片組 I/OI/O端口端口顯卡插槽顯卡插槽262.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理(2) 芯片組的

21、作用芯片組的作用yALU寄存器組寄存器組CPU總線接口總線接口R6CPU(前端前端)總線總線I/O 總線總線主板擴(kuò)展槽主板擴(kuò)展槽PCI接口接口南橋芯片南橋芯片I/O 總線總線寄寄存存器器組組運(yùn)運(yùn)算算器器中央處理器中央處理器指令計(jì)數(shù)器指令計(jì)數(shù)器指令寄存器指令寄存器控制器磁盤控制器磁盤控制器以太網(wǎng)卡以太網(wǎng)卡USB控制器和接口控制器和接口鼠標(biāo)器鼠標(biāo)器鍵盤鍵盤網(wǎng)線網(wǎng)線disk聲卡聲卡視頻卡視頻卡光驅(qū)光驅(qū)主存儲器主存儲器0A北橋芯片北橋芯片y存儲器總線存儲器總線顯卡272.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理芯片組舉例芯片組舉例n芯片組：芯片組： 是是PC機(jī)各組成部分相互連接和通信的樞紐機(jī)各組成部分相互連接和通信

22、的樞紐,存儲器控制、存儲器控制、I/O接口控制功能幾乎都集成接口控制功能幾乎都集成在芯片組內(nèi)，它即實(shí)現(xiàn)了在芯片組內(nèi)，它即實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)總線的功能，又提供了各種機(jī)總線的功能，又提供了各種I/O接口及相關(guān)的控制。沒接口及相關(guān)的控制。沒有芯片組，有芯片組，CPU就無法與內(nèi)存、擴(kuò)充卡、外設(shè)等交換信息。就無法與內(nèi)存、擴(kuò)充卡、外設(shè)等交換信息。Pentium 4CPU前端總線前端總線北橋北橋MCH圖形卡接口圖形卡接口雙通道雙通道南橋南橋ICH5USB 2.0接口接口(x8)以太網(wǎng)接口以太網(wǎng)接口PCI 插槽插槽(6個(gè)個(gè))ROM BIOS硬盤接口硬盤接口(x2)音頻音頻CodecSuper I/O鍵盤鍵盤,鼠標(biāo)鼠

23、標(biāo),軟驅(qū)軟驅(qū),并口并口,串口等串口等電話電話ModemDDR 2電源管理、時(shí)鐘生成電源管理、時(shí)鐘生成DDR 2存儲器存儲器CPU282.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理關(guān)于芯片組的一些說明關(guān)于芯片組的一些說明n芯片組與芯片組與CPU芯片同步發(fā)展，有什么樣功能和速度的芯片同步發(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，就有什么樣的芯片組與之配套 n由于集成電路集成度越來越高，為降低系統(tǒng)成本，芯片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、聲卡等組中集成了越來越多的功能，包括網(wǎng)卡、顯卡、聲卡等功能功能 n芯片組產(chǎn)品：芯片組產(chǎn)品：nIntel

24、芯片芯片(如如865、915、945、955、975系列等）系列等）nVIA（威盛，中國臺灣）（威盛，中國臺灣）nnVIDIA（美國）（美國）nATI（加拿大）（加拿大）nAMD（美國）（美國）292.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理(3) BIOSn什么是什么是BIOS （Basic Input/Output System） ？n中文名為中文名為“基本輸入基本輸入/輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng)”，它是存放在主板它是存放在主板上上只讀存儲器只讀存儲器（ROM）芯片中的芯片中的一組機(jī)器語言程序一組機(jī)器語言程序n功能：功能：n診斷計(jì)算機(jī)故障診斷計(jì)算機(jī)故障n啟動計(jì)算機(jī)工作啟動計(jì)算機(jī)工作n控制基本的輸入輸出操作控制基本

25、的輸入輸出操作(鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤讀寫、鍵盤、鼠標(biāo)、磁盤讀寫、屏幕顯示等屏幕顯示等)nBIOS 芯片芯片n保存保存BIOS的只讀存儲器的只讀存儲器(ROM)芯片芯片302.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理BIOS 芯片中包含的程序芯片中包含的程序n加電自檢程序加電自檢程序程序程序（POST） (Power On Self Test)用于用于檢測計(jì)算機(jī)硬件故障檢測計(jì)算機(jī)硬件故障n系統(tǒng)自舉程序系統(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)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)nCMOS設(shè)置程序設(shè)置程序 設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：日期、時(shí)間、口令、配置參數(shù)等設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)：日期、時(shí)間、口令、配置

26、參數(shù)等n常用外部設(shè)備的驅(qū)動程序常用外部設(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入輸出操作的控制312.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理PC機(jī)的啟動工作過程機(jī)的啟動工作過程1.接通電源時(shí)接通電源時(shí)CPU自動執(zhí)行自動執(zhí)行BIOS中的加電自檢程序中的加電自檢程序1.1 按按CMOS中的內(nèi)容來識別硬件的配置中的內(nèi)容來識別硬件的配置, 測試各部件的工作測試各部件的工作狀態(tài)狀態(tài) (發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則報(bào)錯(cuò)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則報(bào)錯(cuò))1.2 初始化初始化CPU、內(nèi)存、內(nèi)存、ROM、主板、主板、CMOS、顯示卡、鍵、顯示卡、鍵盤、軟驅(qū)和硬

27、盤等設(shè)備盤、軟驅(qū)和硬盤等設(shè)備2.CPU自動執(zhí)行自動執(zhí)行自舉程序自舉程序 按照按照CMOS中預(yù)先設(shè)定的啟動順序，搜尋外存儲器（軟、中預(yù)先設(shè)定的啟動順序，搜尋外存儲器（軟、硬盤或光盤）硬盤或光盤）3.從外存儲器讀入引導(dǎo)程序，然后由引導(dǎo)程序讀出操作從外存儲器讀入引導(dǎo)程序，然后由引導(dǎo)程序讀出操作系統(tǒng)并裝入內(nèi)存系統(tǒng)并裝入內(nèi)存4.最后，將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，整個(gè)計(jì)算機(jī)由操作系最后，將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，整個(gè)計(jì)算機(jī)由操作系統(tǒng)所控制統(tǒng)所控制322.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理關(guān)于關(guān)于CMOS 芯片芯片n這是一個(gè)容量很小的這是一個(gè)容量很小的RAM存儲器，由電池供電存儲器，由電池供電，即使計(jì)，即使計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)后也不會

28、丟失所存儲的信息算機(jī)關(guān)機(jī)后也不會丟失所存儲的信息n作用：作用：n存放計(jì)算機(jī)硬件的參數(shù)（稱為存放計(jì)算機(jī)硬件的參數(shù)（稱為“配置信息配置信息”），包括日期），包括日期和時(shí)間、口令、和時(shí)間、口令、軟盤軟盤/硬盤硬盤/光盤驅(qū)動器的數(shù)目、類型及參數(shù)、光盤驅(qū)動器的數(shù)目、類型及參數(shù)、顯卡類型、顯卡類型、cache使用狀況、啟動機(jī)器時(shí)訪問外存的順序等，使用狀況、啟動機(jī)器時(shí)訪問外存的順序等，供供BIOS程序使用程序使用n設(shè)置和修改設(shè)置和修改CMOS參數(shù)的方法：參數(shù)的方法：n在開機(jī)啟動在開機(jī)啟動BIOS工作時(shí)，按下工作時(shí)，按下Del鍵鍵(或或F2或或F8健健)，即可進(jìn)，即可進(jìn)入入BIOS中的中的CMOS設(shè)置程序設(shè)置

29、程序332.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理2.3.2 內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器342.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理內(nèi)存與外存的關(guān)系及比較內(nèi)存與外存的關(guān)系及比較n內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器(簡稱內(nèi)存或主存簡稱內(nèi)存或主存)n存取速度快存取速度快n成本高、容量相對較小成本高、容量相對較小n直接與直接與CPU連接，連接，CPU(指令指令)可以可以對對內(nèi)存中的指令及數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫內(nèi)存中的指令及數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫操作操作n屬于揮發(fā)性存儲器屬于揮發(fā)性存儲器( (volatile) )，用于，用于臨時(shí)存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)臨時(shí)存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器外存儲器外存儲器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

30、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)m數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)任務(wù)啟動時(shí)，執(zhí)行任務(wù)啟動時(shí)，執(zhí)行該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)該任務(wù)的程序和數(shù)據(jù)將從外存成批傳送到將從外存成批傳送到內(nèi)存內(nèi)存CPU從內(nèi)存中逐條從內(nèi)存中逐條讀取該程序的指令及讀取該程序的指令及相關(guān)的數(shù)據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)將指令的運(yùn)算處理將指令的運(yùn)算處理結(jié)果送回內(nèi)存保存結(jié)果送回內(nèi)存保存任務(wù)完成后，將處任務(wù)完成后，將處理得到的全部結(jié)果成理得到的全部結(jié)果成批傳送到外存以長久批傳送到外存以長久保存保存 逐 條 執(zhí) 行 逐 條 執(zhí) 行指 令 ， 按 指指 令 ， 按 指令 要 求 完 成令 要 求 完 成對 數(shù) 據(jù) 的 運(yùn)對 數(shù) 據(jù) 的 運(yùn)算和處理算和處理n外存儲器外存儲器(簡稱簡稱外存

31、外存或輔存或輔存)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不與不與CPU直接連接，直接連接，計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序時(shí)，外存中的程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先時(shí)，外存中的程序及相關(guān)數(shù)據(jù)必須先傳送到內(nèi)存，然后才能被傳送到內(nèi)存，然后才能被CPU使用。使用。n屬于不揮發(fā)性存儲器屬于不揮發(fā)性存儲器( (Nonvolatile) )，用于長久存放系統(tǒng)中幾乎所有的信息用于長久存放系統(tǒng)中幾乎所有的信息352.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理計(jì)算機(jī)中存儲器的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)中存儲器的層次結(jié)構(gòu)cache存儲器存儲器主存儲器主存儲器(RAM和和ROM)外存儲器（軟盤、硬盤、光盤）外存儲器（軟盤、硬盤、光盤）后

32、備存儲器（磁帶庫、光盤庫）后備存儲器（磁帶庫、光盤庫）內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器外存儲器外存儲器寄存器寄存器典型容量典型容量1KB1MB256MB-1GB40GB-200GB10TB-100TB典型存取時(shí)間典型存取時(shí)間1 ns2 ns10 ns10 ms10 s 分析：速度越快，成本較高。分析：速度越快，成本較高。 為了獲得好的為了獲得好的性能性能/價(jià)格比價(jià)格比，計(jì)算機(jī)中各，計(jì)算機(jī)中各種存儲器組成一個(gè)層狀的塔式結(jié)構(gòu)，取長補(bǔ)短，協(xié)調(diào)工作種存儲器組成一個(gè)層狀的塔式結(jié)構(gòu)，取長補(bǔ)短，協(xié)調(diào)工作 工作過程：工作過程：1）CPU運(yùn)行時(shí)，需要的操作數(shù)大部分來自寄存器運(yùn)行時(shí)，需要的操作數(shù)大部分來自寄存器2）如需要從）如需

33、要從(向向)存儲器中取存儲器中取(存存) 數(shù)據(jù)時(shí)，先訪問數(shù)據(jù)時(shí)，先訪問cache，如在，取自，如在，取自cache3）如操作數(shù)不在）如操作數(shù)不在cache，則訪問，則訪問RAM，如在，如在RAM中，則取自中，則取自RAM4）如操作數(shù)不在）如操作數(shù)不在RAM，則訪問硬盤，操作數(shù)從硬盤中讀出，則訪問硬盤，操作數(shù)從硬盤中讀出RAM cache362.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理內(nèi)存儲器的分類及應(yīng)用內(nèi)存儲器的分類及應(yīng)用n內(nèi)存由半導(dǎo)體存儲器芯片組成，芯片有多種類型：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)體半導(dǎo)體存儲器存儲器只只 讀讀存儲器存儲器(ROM)隨機(jī)存取隨機(jī)存取存儲器存儲器(RAM)靜態(tài)

34、隨機(jī)存取存儲器靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器SRAM動態(tài)隨機(jī)存取存儲器動態(tài)隨機(jī)存取存儲器DRAM 不可在線改寫內(nèi)容的不可在線改寫內(nèi)容的ROM快擦除存儲器（快擦除存儲器（Flash ROM）（用作（用作Cache存儲器存儲器） （用作（用作主存儲器）主存儲器） 每個(gè)存儲單元每個(gè)存儲單元(cell)由由6個(gè)晶體管組成個(gè)晶體管組成 只要加上電源，信息就能一直保持只要加上電源，信息就能一直保持 對電器干擾相對不很敏感對電器干擾相對不很敏感 比比DRAM更快，也更貴更快，也更貴 每個(gè)存儲單元由每個(gè)存儲單元由1個(gè)電容和個(gè)電容和1個(gè)晶體管組成個(gè)晶體管組成. 每每10-100 ms必須刷新一次必須刷新一次 對電器干擾比較

35、敏感對電器干擾比較敏感 比比SRAM慢，但便宜慢，但便宜（用作（用作BIOS存儲器）存儲器）(圖形卡、硬盤控制器圖形卡、硬盤控制器)372.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理主存儲器主存儲器(RAM)的功能與原理的功能與原理n主存是主存是CPU可直接訪問的可直接訪問的存儲器，用于存放供存儲器，用于存放供CPU處理的指令和數(shù)據(jù)處理的指令和數(shù)據(jù)n特點(diǎn)：特點(diǎn)：n以字節(jié)為單位進(jìn)行以字節(jié)為單位進(jìn)行連續(xù)編址連續(xù)編址，每個(gè)存儲單元為，每個(gè)存儲單元為1個(gè)字節(jié)（個(gè)字節(jié)（8個(gè)二進(jìn)位）個(gè)二進(jìn)位）n存儲容量：存儲容量：主存儲器中所包含的存儲單元的總數(shù)（單位：主存儲器中所包含的存儲單元的總數(shù)（單位：MB或或GB）n存取時(shí)間：從

36、存取時(shí)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（或者是把CPU數(shù)據(jù)寫入主存）所需要的時(shí)間（單位：數(shù)據(jù)寫入主存）所需要的時(shí)間（單位：ns，1 ns = 10-9 s）0110100110101010存存儲儲內(nèi)內(nèi)容容00001000000001000011001001111011111存儲存儲單元單元地址地址地址碼地址碼存儲單元地址寄存器地址譯碼器讀寫控制電路讀讀/寫的數(shù)據(jù)寫的數(shù)據(jù)讀讀/寫控制信號寫控制信號(64位)(36位)382.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理PC機(jī)主存儲器的物理結(jié)構(gòu)機(jī)主存儲器的物理結(jié)構(gòu)n主存儲器由主存

37、儲器由1 14 4個(gè)內(nèi)存條組成個(gè)內(nèi)存條組成n內(nèi)存條的組成：內(nèi)存條的組成：把若干片把若干片DRAM芯片焊裝在一小條印制電路板上制成芯片焊裝在一小條印制電路板上制成n內(nèi)存條必須插在主板上的內(nèi)存條插槽中才能使用內(nèi)存條必須插在主板上的內(nèi)存條插槽中才能使用n目前流行的是目前流行的是DDR2和和DDR3內(nèi)存條：內(nèi)存條：n均采用雙列直插式，其觸點(diǎn)分布在內(nèi)存條的兩面均采用雙列直插式，其觸點(diǎn)分布在內(nèi)存條的兩面nDDR2 和和DDR3均有均有240個(gè)引腳，但不可互換使用個(gè)引腳，但不可互換使用nPC機(jī)主板中一般都配備有機(jī)主板中一般都配備有2個(gè)或個(gè)或4個(gè)個(gè)DIMM插槽插槽 392.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理什么是什么

38、是cache(高速緩存高速緩存)？ncache是一種小容量高速緩沖存是一種小容量高速緩沖存儲器，它由儲器，它由SRAM組成組成ncache直接制作在直接制作在CPU芯片內(nèi)，芯片內(nèi)，速度幾乎與速度幾乎與CPU一樣快一樣快n程序運(yùn)行時(shí)，程序運(yùn)行時(shí)，CPU使用的一部分使用的一部分?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)/指令會預(yù)先成批拷貝在指令會預(yù)先成批拷貝在cache中，中，cache的內(nèi)容是主存的內(nèi)容是主存儲器中部分內(nèi)容的映象儲器中部分內(nèi)容的映象n當(dāng)當(dāng)CPU需要從內(nèi)存讀需要從內(nèi)存讀(寫寫)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)或指令時(shí)，先檢查指令時(shí)，先檢查cache中有沒有，中有沒有，若有，就直接從若有，就直接從cache中讀取，中讀取，而不用訪問主存儲

39、器而不用訪問主存儲器012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息拷主存中的部分信息拷貝在貝在cache存儲器中存儲器中Cache存儲器存儲器主存儲器主存儲器關(guān)于關(guān)于cache存儲器存儲器402.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理2.3.3 I/O控制與控制與I/O接口接口412.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理n 輸入的任務(wù)：輸入的任務(wù)：n將輸入設(shè)備輸入的信息送到內(nèi)存儲器的指定區(qū)將輸入設(shè)備輸入的信息送到內(nèi)存儲器的指定區(qū)域域n 輸出的任務(wù)：輸出的任務(wù)：n將內(nèi)存儲器指定區(qū)域的內(nèi)容送出到輸出設(shè)備將內(nèi)存儲器指定區(qū)域的內(nèi)容送出到輸出設(shè)備n I/O操作也包括將外存儲器的內(nèi)容傳

40、輸?shù)絻?nèi)存，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骰驅(qū)?nèi)存中的內(nèi)容傳輸?shù)酵獯鎯ζ?I/O操作的任務(wù)操作的任務(wù)422.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理I/O 操作操作的特點(diǎn)的特點(diǎn)nI/O操作與操作與CPU的運(yùn)算可并行進(jìn)行的運(yùn)算可并行進(jìn)行n多個(gè)多個(gè)I/O設(shè)備可同時(shí)進(jìn)行工作設(shè)備可同時(shí)進(jìn)行工作n配置的配置的I/O設(shè)備數(shù)量和品種可經(jīng)常增減或變換設(shè)備數(shù)量和品種可經(jīng)常增減或變換n每類每類I/O設(shè)備都有各自的控制器，它們按照設(shè)備都有各自的控制器，它們按照CPU的的I/O操作命令，獨(dú)立地控制操作命令，獨(dú)立地控制I/O操作的操作的全過程全過程 432.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理關(guān)于總線關(guān)于總

41、線n總線的定義：總線的定義：n用于在用于在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(gè)、內(nèi)存、外存和各種輸入輸出設(shè)備之間傳輸信息的一個(gè)共享的信息傳輸通路及其控制部件。共享的信息傳輸通路及其控制部件。n總線的特點(diǎn)：總線的特點(diǎn)：1 共享共享 ； 2 高速高速 n總線的性能：數(shù)據(jù)通路寬度；總線工作頻率；傳輸次數(shù)總線的性能：數(shù)據(jù)通路寬度；總線工作頻率；傳輸次數(shù)n總線帶寬總線帶寬(數(shù)據(jù)通路寬度數(shù)據(jù)通路寬度/8) x 總線工作頻率總線工作頻率 x 傳輸次數(shù)傳輸次數(shù)n總線的類型：總線的類型：nCPU總線總線n存儲器總線存儲器總線nI/O總線總線442.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理關(guān)于關(guān)于I/O總線總

42、線nI/O總線總線是各類是各類I/O控制器與控制器與CPU、內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)的、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（插入的擴(kuò)展卡（I/O控制器）直接連接?？刂破鳎┲苯舆B接。n目前目前PC機(jī)使用的機(jī)使用的I/O總線總線nPCI總線總線nPCI-Express(高速高速PCI總線總線)nI/O總線的帶寬總線的帶寬n總線的數(shù)據(jù)傳輸速率總線的數(shù)據(jù)傳輸速率(MB/s) = 數(shù)據(jù)線位數(shù)數(shù)據(jù)線位數(shù)/8總線工作頻率總線工作頻率（MHz） 每個(gè)總線周期的傳輸次數(shù)每個(gè)總線周期的傳輸次數(shù)452.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理PCI總線擴(kuò)展槽總線擴(kuò)展槽462.2 CPU的邏輯結(jié)構(gòu)與原理關(guān)于關(guān)于I/O接口接口nI/O接口：接口：I/O設(shè)備與設(shè)備與I/O控制器之間的連接器控制器之間的連接器包括：插頭包括：插頭/插座的形式、通訊規(guī)程和電器特性等插座的形式、通訊規(guī)程和電器特性等n分類：分類：n從數(shù)據(jù)傳輸方式來分：從數(shù)據(jù)傳輸方式來分：n串行（一次只傳輸串行（一次只傳輸1位）位）n并行（多位一起進(jìn)行傳輸）并行（多位一起進(jìn)行傳輸）n從是否能連接多個(gè)設(shè)備來分：從是否能連接多