新編導(dǎo)論第3章計(jì)算機(jī)硬件與體系結(jié)構(gòu)課件

教授QQ：教授1計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造。計(jì)算機(jī)的基本組成部件可以分為三大類(或子系統(tǒng))，即中央處理單元(CPU，又稱處理器)、主存儲(chǔ)器和輸入/輸出。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造。2圖3-1計(jì)算機(jī)硬件(子系統(tǒng))圖3-1計(jì)算機(jī)硬件(子系統(tǒng))3數(shù)字電路內(nèi)存中央處理器輸入輸出移動(dòng)計(jì)算技術(shù)3.13.23.33.43.5>>數(shù)字電路3.13.23.33.43.5>>43.1數(shù)字電路3.1.1系統(tǒng)內(nèi)部3.1.2集成電路3.1.3主板3.1.4數(shù)據(jù)傳輸>3.1數(shù)字電路>53.1數(shù)字電路任何計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)都可以按照兩個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行分類，即計(jì)算機(jī)使用的能源是什么和在物理上計(jì)算機(jī)是如何表示、處理、存儲(chǔ)和移動(dòng)數(shù)據(jù)的。大部分的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都使用電作為能源，并且使用電信號(hào)和電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的表示、處理和移動(dòng)。3.1數(shù)字電路63.1.1系統(tǒng)內(nèi)部觀察計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單元通常包含電路板、電源以及存儲(chǔ)設(shè)備等。一些線纜把這些單元連接起來。相對(duì)于圖示的微型機(jī)機(jī)箱而言，筆記本電腦內(nèi)部部件被壓縮得很緊密。微型機(jī)的主要部件與小型機(jī)、大型機(jī)甚至巨型機(jī)的部件很類似。因此，這一章中介紹的大多數(shù)微型機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念也同樣適用于其他類型的計(jì)算機(jī)。3.1.1系統(tǒng)內(nèi)部7圖3-2小型機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1上部托架中的軟盤驅(qū)動(dòng)器2軟盤驅(qū)動(dòng)器接口電纜3硬盤驅(qū)動(dòng)器接口電纜4硬盤驅(qū)動(dòng)器5機(jī)箱防盜開關(guān)6擴(kuò)充卡固定框架7擴(kuò)充槽8安全纜線孔9I/O端口和連接器10交流電源插座11掛鎖扣環(huán)12電源設(shè)備圖3-2小型機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)1上部托架中的軟盤驅(qū)動(dòng)器8圖3-3小型塔式機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1外部驅(qū)動(dòng)器托架2內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器固定框架3機(jī)箱防盜開關(guān)4硬盤驅(qū)動(dòng)器接口電纜5擴(kuò)充卡固定框架6主機(jī)板7提升板8掛鎖扣環(huán)9安全纜線孔10I/O端口和連接器11交流電源插座12電源設(shè)備圖3-3小型塔式機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)1外部驅(qū)動(dòng)器托架93.1.2集成電路計(jì)算機(jī)內(nèi)部的大部分電子部件都是集成電路(IC)，這是一個(gè)充滿了微小電路器件如電線、半導(dǎo)體、電容和電阻等的很薄的硅晶片，一個(gè)小于1/4in2的集成電路芯片可以含有超過一百萬個(gè)微小的電路器件。通常集成電路芯片被封裝在陶瓷中，通過引腳與其他計(jì)算機(jī)部件相連。3.1.2集成電路103.1.3主板主板是電腦中最重要的部件之一。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，芯片都被安裝在主板電路板上。仔細(xì)觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有些芯片是焊接在主板上的，而另外一些芯片則是插在主板上的。焊接的芯片是永久連接的，而那些能插拔的芯片則可以進(jìn)行升級(jí)。微機(jī)的主板上包含了CPU、內(nèi)存條和處理基本I/O等芯片，大致由以下幾個(gè)部分組成：CPU插槽、內(nèi)存插槽、高速緩存局域總線和擴(kuò)展總線、硬盤/軟驅(qū)/串口/并口等外設(shè)接口、時(shí)鐘和CMOS主板BIOS控制芯片等。通常，購(gòu)買主板部件是不包括CPU和內(nèi)存的。主板上安裝的CPU類型不同，采用的CPU的插座(槽)也就不同，主板的一個(gè)劃分方法就是按CPU插

座(槽)的類型進(jìn)行的。3.1.3主板11圖3-5華碩875P芯片組P4C800豪華版主板

圖3-5華碩875P芯片組P4C800豪華版主板123.1.4數(shù)據(jù)傳輸通常，計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)通過一個(gè)稱為數(shù)據(jù)總線的電子設(shè)備從一個(gè)位置移動(dòng)到另外的位置。數(shù)據(jù)總線由一系列的連接主板上不同電子器件的電子線路組成?？偩€包含數(shù)據(jù)線和地址線。數(shù)據(jù)線傳送表示數(shù)據(jù)的信號(hào)，地址線傳送數(shù)據(jù)的地址，計(jì)算機(jī)依賴這個(gè)地址來尋找需要處理的數(shù)據(jù)。3.1.4數(shù)據(jù)傳輸133.2內(nèi)存3.2.1隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器3.2.2虛擬內(nèi)存3.2.3只讀存儲(chǔ)器3.2.4CMOS存儲(chǔ)器3.2.5地址空間>3.2內(nèi)存>143.2內(nèi)存在計(jì)算機(jī)中，內(nèi)存用來保存數(shù)據(jù)和程序指令。內(nèi)存有時(shí)被稱作主存，但是這種說法容易與磁盤存儲(chǔ)混淆。所以，我們把與處理器直接相連的存放數(shù)據(jù)的器件稱為內(nèi)存，不直接與處理器相連的介質(zhì)如磁盤稱為存儲(chǔ)器。目前主要有四種類型的內(nèi)存，即：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、虛擬內(nèi)存、CMOS存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器，它們根據(jù)保存的數(shù)據(jù)類型和使用的存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行分類。3.2內(nèi)存153.2.1隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單元內(nèi)，在數(shù)據(jù)處理前后臨時(shí)性保存數(shù)據(jù)的區(qū)域。例如，當(dāng)輸入一篇文檔時(shí)，輸入的字符并不是立刻就得到處理，它們被保存在RAM中，只有當(dāng)需要的時(shí)候，例如打印，才通過軟件對(duì)它們進(jìn)行處理。在RAM中，稱為電容的微型電子部件保存著使用ASCII、EBCDIC或二進(jìn)制編碼表示的數(shù)據(jù)的電信號(hào)?？梢孕蜗蟮匕央娙菹胂癯煽梢源蜷_和關(guān)閉的燈泡，充電的電容表示“on”，放電的電容表示“off”。每排電容有8位或者說有1個(gè)字節(jié)，每排RAM地址可以幫助計(jì)算機(jī)定位這一排所包含

的數(shù)據(jù)。3.2.1隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器16從某種意義上講，RAM就像是一個(gè)黑板，可以在黑板上寫數(shù)學(xué)公式，擦除它們，再在上面寫一個(gè)報(bào)告的大綱，等等。和它相似，當(dāng)使用電子表格的時(shí)候，RAM可以保存使用的數(shù)字和公式，當(dāng)使用字處理軟件寫文章的時(shí)候，RAM會(huì)保存你的文章。RAM的內(nèi)容可以通過改變電容的狀態(tài)來改變。由于RAM的內(nèi)容可以改變，所以它是一個(gè)可重復(fù)利用的計(jì)算機(jī)資源。從某種意義上講，RAM就像是一個(gè)黑板，可以在黑板上寫數(shù)學(xué)公式17與硬盤和軟盤不同，絕大部分的RAM都是不持久的。換句話說，如果計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)或者掉電，保存在RAM中的數(shù)據(jù)就會(huì)立刻丟失。當(dāng)你聽到某人說“我的數(shù)據(jù)全丟了”，通常就是當(dāng)他正在文檔或工作表中輸入數(shù)據(jù)且還沒有存到磁盤上時(shí)，計(jì)算機(jī)掉電了。與硬盤和軟盤不同，絕大部分的RAM都是不持久的。換句話說，如18RAM保存了等待處理的數(shù)據(jù)，以及將要用于處理數(shù)據(jù)的指令。在將數(shù)據(jù)存放到磁盤等永久性存儲(chǔ)器上之前，都要靠RAM來保存數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)使用個(gè)人理財(cái)軟件來結(jié)算賬目時(shí)，輸入要處理的數(shù)據(jù)，它們被存放在RAM中；個(gè)人理財(cái)軟件發(fā)出處理RAM中的這些數(shù)據(jù)的指令，處理器使用這些指令來處理這些數(shù)據(jù)，并將結(jié)果送回RAM；通過RAM，可以將結(jié)果存到磁盤上、顯示或打印出來。RAM保存了等待處理的數(shù)據(jù)，以及將要用于處理數(shù)據(jù)的指令。在將19除了處理數(shù)據(jù)和軟件指令外，RAM還存放控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本功能的操作系統(tǒng)指令。這些指令在每次啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的時(shí)候被加載到RAM中，一直到關(guān)機(jī)才消失。RAM的存儲(chǔ)容量用MB來衡量?，F(xiàn)在的微機(jī)通常都有512MB到幾個(gè)GB的存儲(chǔ)容量。計(jì)算機(jī)需要的RAM容量取決于所使用的軟件。通常軟件運(yùn)行所需要的最小內(nèi)存容量都在軟件包裝盒的外面有說明。用戶可以根據(jù)自己機(jī)器的情況，通過購(gòu)買額外的RAM芯片來擴(kuò)充其內(nèi)存容量。除了處理數(shù)據(jù)和軟件指令外，RAM還存放控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本功能20RAM的速度非常重要。處理器一般以很高的速度在工作，但如果它要等待從RAM中讀取數(shù)據(jù)的話，就會(huì)導(dǎo)致速度下降。在如今的微型機(jī)中，RAM通常被配置為固定于DIMM(dualin-linememorymodule)小電路板上的一系列DIPS芯片上。DIMM帶有金屬“牙齒”的一邊插到主板上特殊RAM插槽中，這樣就可以很容易替換有缺陷的RAM或者添加RAM容量。RAM的速度非常重要。處理器一般以很高的速度在工作，但如果它21圖3-6內(nèi)存條圖3-6內(nèi)存條223.2.2虛擬內(nèi)存計(jì)算機(jī)可以使用硬盤空間來擴(kuò)充內(nèi)存，計(jì)算機(jī)這種使用磁盤空間模擬內(nèi)存的能力被稱作虛擬內(nèi)存。虛擬內(nèi)存使沒有足夠?qū)嶋H內(nèi)存的計(jì)算機(jī)能運(yùn)行大的程序、操作大的數(shù)據(jù)文件，以及實(shí)時(shí)地運(yùn)行復(fù)雜程序。虛擬內(nèi)存的運(yùn)行速度不如RAM快，計(jì)算機(jī)從虛擬內(nèi)存中檢索數(shù)據(jù)要花費(fèi)更多時(shí)間，因?yàn)榇疟P是機(jī)械設(shè)備。3.2.2虛擬內(nèi)存23像RAM中的數(shù)據(jù)一樣，虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)掉電時(shí)也無法訪問。因?yàn)?，雖然在掉電時(shí)虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)并不會(huì)從磁盤上刪除，但是指導(dǎo)計(jì)算機(jī)定位虛擬內(nèi)存的指令存儲(chǔ)在RAM中，在掉電時(shí)會(huì)丟失。因此，即使給計(jì)算機(jī)重新加電，計(jì)算機(jī)仍不能訪問原先虛擬內(nèi)存的數(shù)據(jù)。像RAM中的數(shù)據(jù)一樣，虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)掉電時(shí)也無法訪243.2.3只讀存儲(chǔ)器存放在只讀存儲(chǔ)器(ROM)中的指令是永久性的，要改變這些指令只有將ROM芯片從主板上取出，使用另外的芯片來替換。當(dāng)打開計(jì)算機(jī)時(shí)，CPU得到電能，開始準(zhǔn)備執(zhí)行指令，可是由于剛剛開機(jī)，RAM中還是空的，并沒有那些需要執(zhí)行的指令，就需要ROM保存一個(gè)稱為ROMBIOS(基本輸入輸出系統(tǒng))的小型指令集合。BIOS中的指令告訴計(jì)算機(jī)如何訪問磁盤驅(qū)動(dòng)器和其他外圍設(shè)備。CPU執(zhí)行ROMBIOS中的指令來搜索磁盤上的操作系統(tǒng)主文件，并把這些文件調(diào)入RAM中，進(jìn)行后面的計(jì)算工作。3.2.3只讀存儲(chǔ)器253.2.4CMOS存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)只有在將操作系統(tǒng)文件從硬盤復(fù)制到RAM以后，才能準(zhǔn)備好處理數(shù)據(jù)。而有了硬盤的格式化信息(例如硬盤的柱面和扇區(qū)數(shù)目等)后，計(jì)算機(jī)才能訪問硬盤上的數(shù)據(jù)。由于有可能對(duì)硬盤進(jìn)行升級(jí)或者維護(hù)，所以不能把諸如硬盤信息等存放在ROM中。計(jì)算機(jī)必須使用一種靈活的方式來保存引導(dǎo)數(shù)據(jù)，為此，需要一種特殊的內(nèi)存，它保存信息的時(shí)間能夠比RAM長(zhǎng)久，但又不像ROM那樣不可更改，這就是CMOS。3.2.4CMOS存儲(chǔ)器26CMOS存儲(chǔ)器(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)只需要極少的電能就可以保持其中的數(shù)據(jù)。由于耗電極低，CMOS芯片利用集成在主板上的電池供電，這樣，即使在關(guān)機(jī)后，數(shù)據(jù)也不會(huì)(或者說不易)丟失。正因?yàn)槿绱耍珻MOS保存著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置等重要數(shù)據(jù)。在許多微型機(jī)中，CMOS芯片位于ROMBIOS的芯片載體中。當(dāng)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)配置改變后，例如換了新的硬盤或者擴(kuò)充了更大的內(nèi)存等，CMOS中的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行更新。有些操作系統(tǒng)提供了特殊的工具進(jìn)行CMOS設(shè)置的更新，現(xiàn)在很多計(jì)算機(jī)都有即插即用的特征，可以在安裝了新的硬件設(shè)備后自動(dòng)更新CMOS。CMOS存儲(chǔ)器(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)只需要極少的電能就273.2.5地址空間在存儲(chǔ)器中存取每個(gè)字都需要有相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符。盡管程序員使用命名的方式來區(qū)分字(或一組字的集合)，但在硬件層次上，每個(gè)字都是通過地址來標(biāo)識(shí)的。所有在存儲(chǔ)器中可標(biāo)識(shí)的獨(dú)立地址單元的總數(shù)稱為地址空間。例如，一個(gè)64K字節(jié)、字長(zhǎng)為1字節(jié)的存儲(chǔ)器的地址空間的范圍為0到65535。3.2.5地址空間283.3中央處理器3.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)3.3.2指令與指令周期3.3.3CPU的性能因素3.3.4流水線和并行處理3.3.5雙核處理器>3.3中央處理器>293.3中央處理器數(shù)字計(jì)算機(jī)使用一系列的電信號(hào)表示數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)，使用內(nèi)存來保存數(shù)據(jù)。但是，計(jì)算機(jī)并不僅僅是傳輸數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它的主要工作是處理數(shù)據(jù)，即執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、排序、制作文檔等等。中央處理器(CPU)是計(jì)算機(jī)中執(zhí)行處理數(shù)據(jù)指令的器件。CPU從RAM中接收數(shù)據(jù)和指令、處理這些指令，再將處理結(jié)果送回到RAM中，處理結(jié)果可以顯示和存儲(chǔ)起來。3.3中央處理器303.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)以前，計(jì)算機(jī)的CPU非常龐大且不可靠，要使用大量的電能。1944年制造的ENIAC計(jì)算機(jī)，有20個(gè)處理單元，每個(gè)處理單元有2in寬，8in高，CPU的尺寸用英尺來計(jì)量(見圖3-7)，可是，今天的處理單元使用毫英寸(0.001in)來度量。大型機(jī)的CPU通常包含多個(gè)集成電路和電路板。在微機(jī)中，CPU就是一個(gè)稱為微處理器的單個(gè)集成電路(圖3-8)。CPU由三部分組成，即：運(yùn)算邏輯單元、控制器和寄存器，每個(gè)單元執(zhí)行處理數(shù)據(jù)的特定任務(wù)。3.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)31圖3-7電子管計(jì)算機(jī)的內(nèi)部

圖3-8Intel奔騰E2200CPU

圖3-7電子管計(jì)算機(jī)的內(nèi)部圖3-8Intel奔騰32運(yùn)算邏輯單元(ALU，又稱算術(shù)邏輯單元或運(yùn)算器)執(zhí)行加減等算術(shù)操作，以及比較數(shù)據(jù)是否相等這些邏輯操作。ALU使用寄存器來保存等待處理的數(shù)據(jù)。在運(yùn)算中，算術(shù)操作或邏輯操作的結(jié)果暫時(shí)存放在累加器中。數(shù)據(jù)可以從累加器被發(fā)送到RAM，或者被進(jìn)一步處理。運(yùn)算邏輯單元(ALU，又稱算術(shù)邏輯單元或運(yùn)算器)執(zhí)行加減33在CPU控制器的協(xié)調(diào)和控制下，運(yùn)算器得到數(shù)據(jù)，并得知要執(zhí)行的是邏輯還是算術(shù)運(yùn)算。控制器使用指令指針來跟蹤要處理的指令順序。借助于指令指針，控制器順序地從RAM中取出每個(gè)指令，并將它們放到特殊的寄存器——指令寄存器中。然后，控制器翻譯指令以決定要實(shí)現(xiàn)的操作。按照指令解釋，控制器向數(shù)據(jù)總線發(fā)送信號(hào)，從RAM中取數(shù)據(jù)，并發(fā)送信號(hào)到運(yùn)算器進(jìn)行處理?？刂破髟诤艽蟪潭壬嫌绊懼幚砥鞯奶幚硇剩獔?zhí)行一系列的指令。在CPU控制器的協(xié)調(diào)和控制下，運(yùn)算器得到數(shù)據(jù)，并得知要執(zhí)行的34寄存器是用來臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的高速獨(dú)立的存儲(chǔ)單元，CPU的運(yùn)算離不開多個(gè)寄存器。寄存器包括數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器和程序計(jì)數(shù)器等。寄存器是用來臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的高速獨(dú)立的存儲(chǔ)單元，CPU的運(yùn)算離353.3.2指令與指令周期計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行一系列簡(jiǎn)單的步驟(指令)來完成一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)。指令控制著計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定的算術(shù)、邏輯或控制運(yùn)算。一條指令可以分為兩部分：操作碼和操作數(shù)。操作碼是一個(gè)類似累加、比較或跳轉(zhuǎn)等操作的控制字。指令的操作數(shù)給出了需要處理的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)的地址。例如，在JMPM1這條指令中，操作碼是JMP，操作數(shù)是M1。JMP意味著跳轉(zhuǎn)到另外一條指令，M1是將要執(zhí)行的指令的內(nèi)存地址。指令JMPM1只有一個(gè)操作數(shù)，也有很多指令有多個(gè)操作數(shù)，例如：指令A(yù)DDREG1REG2就

包含了兩個(gè)操作數(shù)：REG1和REG2。3.3.2指令與指令周期36CPU可以執(zhí)行的指令集合稱為指令集，計(jì)算機(jī)要執(zhí)行的任務(wù)必須由指令集中有限的指令通過組合而得到?！爸噶钪芷凇笔侵赣?jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令的過程。每當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令時(shí)都會(huì)重復(fù)指令周期。指令周期中的步驟是：1)獲取指令，2)解釋指令，3)執(zhí)行指令，4)指令指針加1。CPU可以執(zhí)行的指令集合稱為指令集，計(jì)算機(jī)要執(zhí)行的任務(wù)必須由373.3.3CPU的性能因素集成電路技術(shù)是制造微型機(jī)、小型機(jī)、大型機(jī)和巨型機(jī)CPU的基本技術(shù)，它的發(fā)展使計(jì)算機(jī)的速度和能力有了極大的改進(jìn)。1965年，芯片巨人Intel（英特爾)公司的創(chuàng)始人GordonMoore給出了著名的“摩爾定律”，他預(yù)測(cè)芯片上的晶體管數(shù)量每隔18~24個(gè)月就會(huì)翻一番。讓所有人感到驚奇的是，這個(gè)定律非常精確地預(yù)測(cè)了芯片30年的發(fā)展。1958年第一代集成電路僅僅包含兩個(gè)晶體管，但是在1999年，奔騰III處理器已經(jīng)包含了950萬個(gè)晶體管。3.3.3CPU的性能因素38集成的晶體管數(shù)量越大，就意味著越強(qiáng)的芯片計(jì)算能力。各種CPU的速度并不一樣，它受到以下幾個(gè)因素的制約，即時(shí)鐘頻率、字長(zhǎng)、高速緩沖存儲(chǔ)器以及指令集的大小。當(dāng)然，使用高性能CPU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并不意味著它在各方面都能夠提供高性能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也有它的薄弱環(huán)節(jié)，即使計(jì)算機(jī)配備了高性能CPU，但如果硬盤速度很慢、沒有高速緩沖，且RAM容量小，則執(zhí)行某些任務(wù)也會(huì)很慢的。集成的晶體管數(shù)量越大，就意味著越強(qiáng)的芯片計(jì)算能力。各種CPU39(1)時(shí)鐘頻率計(jì)算機(jī)有一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。與保存日期和時(shí)間的“實(shí)時(shí)時(shí)鐘”不同，系統(tǒng)時(shí)鐘用來定時(shí)發(fā)出脈沖，以控制所有系統(tǒng)操作的同步(節(jié)奏)，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸和指令執(zhí)行的速度或頻率。系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率決定了計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度，因此限制了計(jì)算機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)所能夠執(zhí)行的指令數(shù)。衡量時(shí)鐘頻率的單位是兆赫(MHz)。最初IBM-PC的微處理器的時(shí)鐘頻率是4.77MHz，現(xiàn)在的微處理器的執(zhí)行速度已經(jīng)超過600MHz。如果其他條件一樣，CPU的時(shí)鐘頻率越高，就意味著處理速度越快。(1)時(shí)鐘頻率40(2)字長(zhǎng)字長(zhǎng)就是中央處理器可以同時(shí)處理的位數(shù)。字長(zhǎng)由CPU寄存器的大小和總線的數(shù)據(jù)線個(gè)數(shù)所決定。例如，字長(zhǎng)為32位的CPU被稱為32位處理器，它的寄存器是32位的，可以同時(shí)處理32位數(shù)據(jù)。字長(zhǎng)較長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)在一個(gè)指令周期中要比字長(zhǎng)短的計(jì)算機(jī)處理更多數(shù)據(jù)。單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)越多，處理器的性能就越高。比如，最初的微機(jī)使用8位處理器，可是現(xiàn)在都是32位或64位的處理器了。(2)字長(zhǎng)41(3)高速緩沖存儲(chǔ)器影響CPU性能的另一個(gè)因素是高速緩沖存儲(chǔ)器(圖3-9)，這是一個(gè)特別的存儲(chǔ)器。由于CPU的速度非常快，所以它的大部分時(shí)間都在等待與RAM傳送數(shù)據(jù)。使用高速緩沖存儲(chǔ)器可以使CPU一旦請(qǐng)求就可以迅速訪問到數(shù)據(jù)。(3)高速緩沖存儲(chǔ)器42圖3-9高速緩沖存儲(chǔ)器圖3-9高速緩沖存儲(chǔ)器43當(dāng)啟動(dòng)某個(gè)任務(wù)的時(shí)候，計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)CPU可能會(huì)需要哪些數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)預(yù)先送到高速緩沖存儲(chǔ)器區(qū)域。當(dāng)指令需要數(shù)據(jù)的時(shí)候，CPU首先檢查高速緩沖存儲(chǔ)器中是否有所需要的數(shù)據(jù)。如果有，CPU就從高速緩沖存儲(chǔ)器中直接讀取數(shù)據(jù)而不用訪問RAM了。在其他條件相同的情況下，高速緩沖存儲(chǔ)器越大，處理的速度就越快。當(dāng)啟動(dòng)某個(gè)任務(wù)的時(shí)候，計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)CPU可能會(huì)需要哪些數(shù)據(jù)，并44(4)指令集的復(fù)雜性隨著計(jì)算機(jī)指令集的擴(kuò)充，程序員開始使用越來越多的復(fù)雜的指令，這些指令占用很多內(nèi)存空間，執(zhí)行它們需要的時(shí)鐘周期也更多?；谑褂脧?fù)雜指令集的CPU的計(jì)算機(jī)被稱為復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)。1975年，IBM的一位科學(xué)家JohnCocke發(fā)現(xiàn)微處理器中的大部分工作只需要指令集中的一小部分就可以完成。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，只要CISC的20％的指令就可以完成80％的工作。Cocke的研究結(jié)果導(dǎo)致了開發(fā)精簡(jiǎn)指令集微處理器(RISC)。(4)指令集的復(fù)雜性45精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)的指令集指令數(shù)量有限，但是這些指令的執(zhí)行速度很快。因此，在理論上，RISC計(jì)算機(jī)要比CISC計(jì)算機(jī)快。有些計(jì)算機(jī)科學(xué)家相信，如果把RISC和CISC技術(shù)綜合起來能夠制造更有效和更靈活的計(jì)算機(jī)。精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)的指令集指令數(shù)量有限，但是這些指令的執(zhí)行速度463.3.4流水線和并行處理單處理器的計(jì)算機(jī)以串行方式執(zhí)行指令，也就是說一個(gè)時(shí)刻只執(zhí)行一條指令。通常處理器必須完成指令周期中的4個(gè)步驟后才執(zhí)行下一條指令。使用流水線技術(shù)，處理器就可以在完成上一條指令前開始執(zhí)行另外一條指令，加快了處理速度，如圖3-10所示。3.3.4流水線和并行處理47圖3-10流水線允許計(jì)算機(jī)同時(shí)處理多條指令圖3-10流水線允許計(jì)算機(jī)同時(shí)處理多條指令48具有多個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)可以同時(shí)執(zhí)行多條指令，并行處理方式增加了計(jì)算機(jī)單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)。能夠執(zhí)行并行處理的計(jì)算機(jī)稱為并行計(jì)算機(jī)，也稱非馮·諾依曼計(jì)算機(jī)。串行操作每次執(zhí)行一條指令；流水線計(jì)算機(jī)在處理完一條指令之前，就開始處理下一條指令了；并行處理則可以同時(shí)執(zhí)行多條指令。具有多個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)可以同時(shí)執(zhí)行多條指令，并行處理方式增加493.3.5雙核處理器所謂雙核處理器(DualCoreProcessor)，簡(jiǎn)單地說，就是在一塊CPU基板上集成兩個(gè)處理器核心，并通過并行總線將各處理器核心連接起來(圖3-11)，從而提高了計(jì)算能力。3.3.5雙核處理器50圖3-11雙核之間協(xié)調(diào)工作圖3-11雙核之間協(xié)調(diào)工作51雙核心并不是一個(gè)新概念，而只是CMP(ChipMultiProcessors，單芯片多處理器)中最基本、最簡(jiǎn)單、最容易實(shí)現(xiàn)的一種類型。其實(shí)在RISC處理器領(lǐng)域，雙核心甚至多核心都早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。CMP最早是由美國(guó)斯坦福大學(xué)提出的，其思想是在一塊芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)SMP(SymmetricalMulti-Processing，對(duì)稱多處理)架構(gòu)，且并行執(zhí)行不同的進(jìn)程。雙核心并不是一個(gè)新概念，而只是CMP(ChipMulti52早在上個(gè)世紀(jì)末，惠普和IBM就已經(jīng)提出雙核處理器的可行性設(shè)計(jì)。IBM在2001年就推出了基于雙核心的POWER4處理器，隨后是SUN和惠普公司，都先后推出了基于雙核架構(gòu)的芯片，但此時(shí)雙核心處理器架構(gòu)還都是在高端的RISC領(lǐng)域，直到Intel和AMD相繼推出自己的雙核心處理器，雙核心才真正走入了主流的X86領(lǐng)域。早在上個(gè)世紀(jì)末，惠普和IBM就已經(jīng)提出雙核處理器的可行性設(shè)計(jì)53Intel和AMD之所以推出雙核心處理器，最重要的原因是原有的普通單核處理器的頻率難于提升，性能沒有質(zhì)的飛躍。由于頻率難于提升，Intel在發(fā)布3.8GHz的產(chǎn)品以后只得宣布停止4GHz的產(chǎn)品計(jì)劃；而AMD在實(shí)際頻率超過2GHz以后也無法大幅度提升，3GHz成為了AMD無法逾越的一道坎。正是在這種情況下，為了尋找新的賣點(diǎn)，Intel和AMD都不約而同地祭起了雙核心這面大旗。Intel和AMD之所以推出雙核心處理器，最重要的原因是原有543.4輸入輸出3.4.1擴(kuò)展槽和擴(kuò)展卡3.4.2擴(kuò)展端口和電纜>3.4輸入輸出>553.4輸入輸出購(gòu)買計(jì)算機(jī)并使用一段時(shí)間之后，用戶就會(huì)關(guān)心如何對(duì)它進(jìn)行升級(jí)，從而可以不斷擴(kuò)展它的能力。而理解了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入/輸出(I/O)，就會(huì)了解如何擴(kuò)充計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。I/O的主要功能就是為微處理器搜集數(shù)據(jù)(輸入)，并將處理結(jié)果送到顯示器、打印機(jī)或存儲(chǔ)設(shè)備等(輸出)。前面講到的數(shù)據(jù)總線一般在RAM和CPU之間傳輸數(shù)據(jù)，擴(kuò)充了計(jì)算機(jī)的能力。數(shù)據(jù)總線在RAM和外圍設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的路段稱為擴(kuò)展總線。I/O通常包括了擴(kuò)展總線、擴(kuò)展槽、擴(kuò)展卡、端口和電纜上移動(dòng)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。3.4輸入輸出563.4.1擴(kuò)展槽和擴(kuò)展卡在主板上，擴(kuò)展總線終止于擴(kuò)展槽。擴(kuò)展槽是主板上用于固定擴(kuò)展卡并將其連接到系統(tǒng)總線上的插槽。擴(kuò)展卡是一些小型電路板，能夠向計(jì)算機(jī)提供控制存儲(chǔ)器、輸入或者輸出設(shè)備的能力，這是一種添加或增強(qiáng)電腦特性及功能的方法。例如，如果不滿意主板整合顯卡的性能，可以添加獨(dú)立顯卡以增強(qiáng)顯示性能；不滿意板載聲卡的音質(zhì)，可以添加獨(dú)立聲卡以增強(qiáng)音效；不支持USB2.0或IEEE1394的主板可以通過添加相應(yīng)的USB2.0擴(kuò)展卡或IEEE1394擴(kuò)展卡以獲得該功能等等。3.4.1擴(kuò)展槽和擴(kuò)展卡57大多數(shù)微型計(jì)算機(jī)有四到八個(gè)擴(kuò)展槽，在購(gòu)買計(jì)算機(jī)的時(shí)候有些槽就已經(jīng)插上了擴(kuò)展卡?，F(xiàn)在的微型機(jī)通常包含連接到監(jiān)視器的圖形顯示卡(顯卡)、通過電話線或者電纜傳輸數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)器，以及連接到揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)和耳機(jī)的聲卡等。如果想連接到掃描儀、數(shù)字視頻，或者連接到網(wǎng)絡(luò)，則還需要添加其他擴(kuò)展卡。大多數(shù)微型計(jì)算機(jī)有四到八個(gè)擴(kuò)展槽，在購(gòu)買計(jì)算機(jī)的時(shí)候有些槽就58空擴(kuò)展槽的類型和數(shù)目表明了它的擴(kuò)充能力。主板擴(kuò)展槽的種類主要有ISA，PCI，AGP，CNR，AMR，ACR，PCI

Express，以及筆記本電腦用的PCMCIA、Mini

PCI等，主流擴(kuò)展插槽是PCI和PCI

Express，見圖3-12。圖中左側(cè)最長(zhǎng)的插槽為ISA插槽(黑色)，中間白色的為PCI插槽，右邊棕色的插槽為AGP插槽?？諗U(kuò)展槽的類型和數(shù)目表明了它的擴(kuò)充能力。主板擴(kuò)展槽的種類主要59圖3-12擴(kuò)展槽圖3-12擴(kuò)展槽601)ISA插槽基于ISA(Industrial

Standard

Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))總線，是一種較老的技術(shù)，現(xiàn)在主要用于某些調(diào)制解調(diào)器和其他速度較慢的設(shè)備。許多新的計(jì)算機(jī)甚至不提供ISA插槽。2)PCI插槽基于PCI(Pedpherd

Component

Interconnect，周邊元件擴(kuò)展接口)局部總線，可以提供更快的傳輸速率和64位的數(shù)據(jù)總線。該插槽通常用于顯卡、聲卡、視頻捕捉卡、調(diào)制解調(diào)器或者網(wǎng)卡等。PCI是主板的主要擴(kuò)展插槽，通過插接不同的擴(kuò)展卡可以獲得目前電腦能實(shí)現(xiàn)的幾乎所有外接功能。1)ISA插槽基于ISA(Industrial

Stan613)AGP(Accelerated

Graphics

Port，加速圖形端口)是在PCI總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要針對(duì)圖形顯示方面進(jìn)行優(yōu)化，專門用于圖形顯示卡，速率比PCI插槽更快，AGP插槽提供了適合于3-D圖形的高速數(shù)據(jù)傳輸通道。但是，隨著顯卡速度的提高，AGP插槽已經(jīng)不能滿足顯卡傳輸數(shù)據(jù)的速度，AGP顯卡已經(jīng)逐漸淘汰，取代它的是PCI

Express插槽。4)PCI-Express是最新的總線和接口標(biāo)準(zhǔn)，是由Intel提出的。這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)將全面取代現(xiàn)行的PCI和AGP，最終實(shí)現(xiàn)總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。它的主要優(yōu)勢(shì)就是數(shù)據(jù)傳輸速率高，而且有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Α?)AGP(Accelerated

Graphics

P62擴(kuò)展卡是為特定類型的插槽設(shè)計(jì)的。如果計(jì)劃添加或者升級(jí)計(jì)算機(jī)中的某類卡，必須首先確保計(jì)算機(jī)的插槽與希望安裝的卡的類型相匹配。擴(kuò)展卡是為特定類型的插槽設(shè)計(jì)的。如果計(jì)劃添加或者升級(jí)計(jì)算機(jī)中633.4.2擴(kuò)展端口和電纜要將外圍設(shè)備和擴(kuò)展卡連接起來，只需將連接外圍設(shè)備的電纜插在擴(kuò)展端口上即可。擴(kuò)展端口是計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的連接器。端口有時(shí)被稱作“插口”。擴(kuò)展端口通常位于擴(kuò)展卡上，端口也可以跳過擴(kuò)展卡，直接與主板相連。多種端口具有對(duì)應(yīng)的各種各樣的電纜。如果外圍設(shè)備已經(jīng)提供電纜，通過查看電纜連接器和端口的外觀是否匹配就可以確定將它插在何處。3.4.2擴(kuò)展端口和電纜643.5移動(dòng)計(jì)算技術(shù)移動(dòng)計(jì)算(MobileComputing)是指使人們能夠在任何時(shí)間和任何地點(diǎn)進(jìn)行工作的技術(shù)和設(shè)備，它為人們提供的一個(gè)無處不在的移動(dòng)計(jì)算環(huán)境。移動(dòng)計(jì)算是隨著移動(dòng)通信、因特網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展而興起的一個(gè)多學(xué)科交叉、涵蓋范圍廣泛的新興技術(shù)，是當(dāng)前計(jì)算技術(shù)研究中的熱點(diǎn)領(lǐng)域，并被認(rèn)為是對(duì)未來具有深遠(yuǎn)影響的四大技術(shù)方向之一。移動(dòng)計(jì)算技術(shù)將使計(jì)算機(jī)或其它信息智能終端設(shè)備在無線環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及資源共享。>3.5移動(dòng)計(jì)算技術(shù)>65衡量一個(gè)設(shè)備是否屬于移動(dòng)計(jì)算設(shè)備，通?？梢詮?個(gè)方面來進(jìn)行判斷，即看該設(shè)備是否具有計(jì)算、存儲(chǔ)和通信方面的能力。所謂計(jì)算是指設(shè)備能夠處理信息的能力，而通信是指通過該設(shè)備能夠上網(wǎng)，收發(fā)E-mail，或者與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)。由此可知，筆記本電腦、掌上電腦和PDA等都屬于移動(dòng)設(shè)備的范疇。手機(jī)是典型的移動(dòng)設(shè)備，現(xiàn)在有些型號(hào)的手機(jī)雖然也可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)E-mail和存儲(chǔ)信息的功能，但因?yàn)樗痪邆涮幚頂?shù)據(jù)的能力，所以也不能算作是移動(dòng)計(jì)算設(shè)備。衡量一個(gè)設(shè)備是否屬于移動(dòng)計(jì)算設(shè)備，通?？梢詮?個(gè)方面來進(jìn)行判66由于筆記本電腦的性能和臺(tái)式機(jī)已越來越接近，而它的便攜性好，能夠提供無所不在的移動(dòng)計(jì)算環(huán)境。尤其對(duì)于那些經(jīng)常需要出差的員工而言，更可以極大提高他們的工作效率。因此，在企業(yè)應(yīng)用中，筆記本電腦大有將臺(tái)式機(jī)取而代之的趨勢(shì)。除了工程設(shè)計(jì)等應(yīng)用在大屏幕顯示、高速數(shù)據(jù)處理和大容量存儲(chǔ)器等方面有特殊要求外，臺(tái)式機(jī)所做的工作有98%都可以用筆記本電腦來完成。由于筆記本電腦的性能和臺(tái)式機(jī)已越來越接近，而它的便攜性好，能67移動(dòng)計(jì)算近年來之所以能夠得以迅猛發(fā)展，應(yīng)該說應(yīng)用的刺激和技術(shù)的進(jìn)步這兩方面的原因兼而有之。首先，購(gòu)買和使用移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的人越來越多，應(yīng)用的實(shí)際需求為移動(dòng)計(jì)算的發(fā)展提供了動(dòng)力。其次，計(jì)算機(jī)技術(shù)本身的發(fā)展與進(jìn)步也不容忽視，它使移動(dòng)計(jì)算的迅猛發(fā)展成為可能?，F(xiàn)在移動(dòng)計(jì)算設(shè)備中所采用的芯片比以前更小、耗電更少，而功能卻更加強(qiáng)大。此外，在移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的體積和功能等方面都較從前而言有了很大的進(jìn)步，步入了一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)期。移動(dòng)計(jì)算近年來之所以能夠得以迅猛發(fā)展，應(yīng)該說應(yīng)用的刺激和技術(shù)68移動(dòng)計(jì)算的目的是構(gòu)建無處不在、無時(shí)不在的工作環(huán)境，其中的關(guān)鍵之一就在于確保移動(dòng)計(jì)算設(shè)備能夠便利地與其他設(shè)備進(jìn)行通信，也就是它與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)的能力。目前移動(dòng)計(jì)算所采用的通信方式主要有3種，即電話線連接、無線連接和紅外線連接。移動(dòng)計(jì)算的目的是構(gòu)建無處不在、無時(shí)不在的工作環(huán)境，其中的關(guān)鍵69電話線連接非常方便和經(jīng)濟(jì)，通過電話線連接來傳輸數(shù)據(jù)可以說是移動(dòng)計(jì)算設(shè)備最為普遍、最為常用的通信方式。無線連接需要在移動(dòng)計(jì)算設(shè)備中插入一個(gè)無線卡，同時(shí)還需要有一個(gè)GSM號(hào)，這樣才能通過無線通信網(wǎng)來傳輸數(shù)據(jù)。但是這種通信方式非常耗電，不很經(jīng)濟(jì)。移動(dòng)計(jì)算設(shè)備通過紅外線連接來傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在接受數(shù)據(jù)的設(shè)備一端需要有一個(gè)紅外線的接受器，同時(shí)紅外線連接的設(shè)備范圍不能超過1m。電話線連接非常方便和經(jīng)濟(jì)，通過電話線連接來傳輸數(shù)據(jù)可以說是移702003年，Intel公司開發(fā)的“迅馳”(Centrino)移動(dòng)計(jì)算技術(shù)是一種包括了全新的Pentium-M處理器、Intel855芯片組和IntelPRO無線網(wǎng)絡(luò)連接模塊的移動(dòng)計(jì)算技術(shù)平臺(tái)。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用也將使移動(dòng)終端的便攜性得到真正的提高，并進(jìn)而催生出很多新的功能設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式。2003年，Intel公司開發(fā)的“迅馳”(Centrino)71移動(dòng)計(jì)算技術(shù)除了繼續(xù)向體積更小、性能更高等方向發(fā)展外，未來的移動(dòng)計(jì)算設(shè)備所提供的功能將更加專一，與此同時(shí)，移動(dòng)計(jì)算的應(yīng)用也將越來越多樣化，為用戶提供更多的選擇。筆記本電腦的發(fā)展目前主要追求3個(gè)目標(biāo)：一是極好的性能，如強(qiáng)大的處理能力、大顯示屏幕、大存儲(chǔ)量、杰出的多媒體功能和高度的通信能力；二是極佳的便攜性，如超薄、超輕；三是極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的未來將更加絢麗繽紛、豐富多彩。移動(dòng)計(jì)算技術(shù)除了繼續(xù)向體積更小、性能更高等方向發(fā)展外，未來的72普適計(jì)算：1999年，IBM提出普適計(jì)算(PervasiveComputing，又叫普及計(jì)算)的概念。所謂普適計(jì)算指的是，無所不在的、隨時(shí)隨地可以進(jìn)行計(jì)算的一種方式；無論何時(shí)何地，只要需要，就可以通過某種設(shè)備訪問到所需的信息。普適計(jì)算所涉及的技術(shù)包括移動(dòng)通信技術(shù)、小型計(jì)算設(shè)備制造技術(shù)、小型計(jì)算設(shè)備上的操作系統(tǒng)技術(shù)及軟件技術(shù)等。間斷連接與輕量計(jì)算(即計(jì)算資源相對(duì)有限)是普適計(jì)算最重要的兩個(gè)特征。普適計(jì)算：73普適計(jì)算的軟件技術(shù)就是要實(shí)現(xiàn)在這種環(huán)境下的事務(wù)和數(shù)據(jù)處理。在信息時(shí)代，普適計(jì)算可以降低設(shè)備使用的復(fù)雜程度，使人們的生活更輕松、更有效率。實(shí)際上，普適計(jì)算是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的自然延伸，它使得不僅個(gè)人電腦，而且其他小巧的智能設(shè)備也可以連接到網(wǎng)絡(luò)中，從而方便人們即時(shí)地獲得信息并采取行動(dòng)。IBM將普適計(jì)算確定為電子商務(wù)之后的又一重大發(fā)展戰(zhàn)略。IBM認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算的基本條件是計(jì)算設(shè)備越來越小，方便人們隨時(shí)隨地佩帶和使用。在計(jì)算設(shè)備無時(shí)不在、無所不在的條件下，普適計(jì)算才有可能實(shí)現(xiàn)。普適計(jì)算的軟件技術(shù)就是要實(shí)現(xiàn)在這種環(huán)境下的事務(wù)和數(shù)據(jù)處理。在74經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe寫在最后經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量寫75謝謝大家榮幸這一路，與你同行It'SAnHonorToWalkWithYouAllTheWay演講人：XXXXXX時(shí)間：XX年XX月XX日

謝謝大家演講人：XXXXXX76教授QQ：教授77計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造。計(jì)算機(jī)的基本組成部件可以分為三大類(或子系統(tǒng))，即中央處理單元(CPU，又稱處理器)、主存儲(chǔ)器和輸入/輸出。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)造。78圖3-1計(jì)算機(jī)硬件(子系統(tǒng))圖3-1計(jì)算機(jī)硬件(子系統(tǒng))79數(shù)字電路內(nèi)存中央處理器輸入輸出移動(dòng)計(jì)算技術(shù)3.13.23.33.43.5>>數(shù)字電路3.13.23.33.43.5>>803.1數(shù)字電路3.1.1系統(tǒng)內(nèi)部3.1.2集成電路3.1.3主板3.1.4數(shù)據(jù)傳輸>3.1數(shù)字電路>813.1數(shù)字電路任何計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)都可以按照兩個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行分類，即計(jì)算機(jī)使用的能源是什么和在物理上計(jì)算機(jī)是如何表示、處理、存儲(chǔ)和移動(dòng)數(shù)據(jù)的。大部分的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都使用電作為能源，并且使用電信號(hào)和電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的表示、處理和移動(dòng)。3.1數(shù)字電路823.1.1系統(tǒng)內(nèi)部觀察計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單元通常包含電路板、電源以及存儲(chǔ)設(shè)備等。一些線纜把這些單元連接起來。相對(duì)于圖示的微型機(jī)機(jī)箱而言，筆記本電腦內(nèi)部部件被壓縮得很緊密。微型機(jī)的主要部件與小型機(jī)、大型機(jī)甚至巨型機(jī)的部件很類似。因此，這一章中介紹的大多數(shù)微型機(jī)體系結(jié)構(gòu)的概念也同樣適用于其他類型的計(jì)算機(jī)。3.1.1系統(tǒng)內(nèi)部83圖3-2小型機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1上部托架中的軟盤驅(qū)動(dòng)器2軟盤驅(qū)動(dòng)器接口電纜3硬盤驅(qū)動(dòng)器接口電纜4硬盤驅(qū)動(dòng)器5機(jī)箱防盜開關(guān)6擴(kuò)充卡固定框架7擴(kuò)充槽8安全纜線孔9I/O端口和連接器10交流電源插座11掛鎖扣環(huán)12電源設(shè)備圖3-2小型機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)1上部托架中的軟盤驅(qū)動(dòng)器84圖3-3小型塔式機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1外部驅(qū)動(dòng)器托架2內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器固定框架3機(jī)箱防盜開關(guān)4硬盤驅(qū)動(dòng)器接口電纜5擴(kuò)充卡固定框架6主機(jī)板7提升板8掛鎖扣環(huán)9安全纜線孔10I/O端口和連接器11交流電源插座12電源設(shè)備圖3-3小型塔式機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)1外部驅(qū)動(dòng)器托架853.1.2集成電路計(jì)算機(jī)內(nèi)部的大部分電子部件都是集成電路(IC)，這是一個(gè)充滿了微小電路器件如電線、半導(dǎo)體、電容和電阻等的很薄的硅晶片，一個(gè)小于1/4in2的集成電路芯片可以含有超過一百萬個(gè)微小的電路器件。通常集成電路芯片被封裝在陶瓷中，通過引腳與其他計(jì)算機(jī)部件相連。3.1.2集成電路863.1.3主板主板是電腦中最重要的部件之一。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，芯片都被安裝在主板電路板上。仔細(xì)觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有些芯片是焊接在主板上的，而另外一些芯片則是插在主板上的。焊接的芯片是永久連接的，而那些能插拔的芯片則可以進(jìn)行升級(jí)。微機(jī)的主板上包含了CPU、內(nèi)存條和處理基本I/O等芯片，大致由以下幾個(gè)部分組成：CPU插槽、內(nèi)存插槽、高速緩存局域總線和擴(kuò)展總線、硬盤/軟驅(qū)/串口/并口等外設(shè)接口、時(shí)鐘和CMOS主板BIOS控制芯片等。通常，購(gòu)買主板部件是不包括CPU和內(nèi)存的。主板上安裝的CPU類型不同，采用的CPU的插座(槽)也就不同，主板的一個(gè)劃分方法就是按CPU插

座(槽)的類型進(jìn)行的。3.1.3主板87圖3-5華碩875P芯片組P4C800豪華版主板

圖3-5華碩875P芯片組P4C800豪華版主板883.1.4數(shù)據(jù)傳輸通常，計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)通過一個(gè)稱為數(shù)據(jù)總線的電子設(shè)備從一個(gè)位置移動(dòng)到另外的位置。數(shù)據(jù)總線由一系列的連接主板上不同電子器件的電子線路組成。總線包含數(shù)據(jù)線和地址線。數(shù)據(jù)線傳送表示數(shù)據(jù)的信號(hào)，地址線傳送數(shù)據(jù)的地址，計(jì)算機(jī)依賴這個(gè)地址來尋找需要處理的數(shù)據(jù)。3.1.4數(shù)據(jù)傳輸893.2內(nèi)存3.2.1隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器3.2.2虛擬內(nèi)存3.2.3只讀存儲(chǔ)器3.2.4CMOS存儲(chǔ)器3.2.5地址空間>3.2內(nèi)存>903.2內(nèi)存在計(jì)算機(jī)中，內(nèi)存用來保存數(shù)據(jù)和程序指令。內(nèi)存有時(shí)被稱作主存，但是這種說法容易與磁盤存儲(chǔ)混淆。所以，我們把與處理器直接相連的存放數(shù)據(jù)的器件稱為內(nèi)存，不直接與處理器相連的介質(zhì)如磁盤稱為存儲(chǔ)器。目前主要有四種類型的內(nèi)存，即：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、虛擬內(nèi)存、CMOS存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器，它們根據(jù)保存的數(shù)據(jù)類型和使用的存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行分類。3.2內(nèi)存913.2.1隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單元內(nèi)，在數(shù)據(jù)處理前后臨時(shí)性保存數(shù)據(jù)的區(qū)域。例如，當(dāng)輸入一篇文檔時(shí)，輸入的字符并不是立刻就得到處理，它們被保存在RAM中，只有當(dāng)需要的時(shí)候，例如打印，才通過軟件對(duì)它們進(jìn)行處理。在RAM中，稱為電容的微型電子部件保存著使用ASCII、EBCDIC或二進(jìn)制編碼表示的數(shù)據(jù)的電信號(hào)?？梢孕蜗蟮匕央娙菹胂癯煽梢源蜷_和關(guān)閉的燈泡，充電的電容表示“on”，放電的電容表示“off”。每排電容有8位或者說有1個(gè)字節(jié)，每排RAM地址可以幫助計(jì)算機(jī)定位這一排所包含

的數(shù)據(jù)。3.2.1隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器92從某種意義上講，RAM就像是一個(gè)黑板，可以在黑板上寫數(shù)學(xué)公式，擦除它們，再在上面寫一個(gè)報(bào)告的大綱，等等。和它相似，當(dāng)使用電子表格的時(shí)候，RAM可以保存使用的數(shù)字和公式，當(dāng)使用字處理軟件寫文章的時(shí)候，RAM會(huì)保存你的文章。RAM的內(nèi)容可以通過改變電容的狀態(tài)來改變。由于RAM的內(nèi)容可以改變，所以它是一個(gè)可重復(fù)利用的計(jì)算機(jī)資源。從某種意義上講，RAM就像是一個(gè)黑板，可以在黑板上寫數(shù)學(xué)公式93與硬盤和軟盤不同，絕大部分的RAM都是不持久的。換句話說，如果計(jì)算機(jī)關(guān)機(jī)或者掉電，保存在RAM中的數(shù)據(jù)就會(huì)立刻丟失。當(dāng)你聽到某人說“我的數(shù)據(jù)全丟了”，通常就是當(dāng)他正在文檔或工作表中輸入數(shù)據(jù)且還沒有存到磁盤上時(shí)，計(jì)算機(jī)掉電了。與硬盤和軟盤不同，絕大部分的RAM都是不持久的。換句話說，如94RAM保存了等待處理的數(shù)據(jù)，以及將要用于處理數(shù)據(jù)的指令。在將數(shù)據(jù)存放到磁盤等永久性存儲(chǔ)器上之前，都要靠RAM來保存數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)使用個(gè)人理財(cái)軟件來結(jié)算賬目時(shí)，輸入要處理的數(shù)據(jù)，它們被存放在RAM中；個(gè)人理財(cái)軟件發(fā)出處理RAM中的這些數(shù)據(jù)的指令，處理器使用這些指令來處理這些數(shù)據(jù)，并將結(jié)果送回RAM；通過RAM，可以將結(jié)果存到磁盤上、顯示或打印出來。RAM保存了等待處理的數(shù)據(jù)，以及將要用于處理數(shù)據(jù)的指令。在將95除了處理數(shù)據(jù)和軟件指令外，RAM還存放控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本功能的操作系統(tǒng)指令。這些指令在每次啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的時(shí)候被加載到RAM中，一直到關(guān)機(jī)才消失。RAM的存儲(chǔ)容量用MB來衡量?，F(xiàn)在的微機(jī)通常都有512MB到幾個(gè)GB的存儲(chǔ)容量。計(jì)算機(jī)需要的RAM容量取決于所使用的軟件。通常軟件運(yùn)行所需要的最小內(nèi)存容量都在軟件包裝盒的外面有說明。用戶可以根據(jù)自己機(jī)器的情況，通過購(gòu)買額外的RAM芯片來擴(kuò)充其內(nèi)存容量。除了處理數(shù)據(jù)和軟件指令外，RAM還存放控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本功能96RAM的速度非常重要。處理器一般以很高的速度在工作，但如果它要等待從RAM中讀取數(shù)據(jù)的話，就會(huì)導(dǎo)致速度下降。在如今的微型機(jī)中，RAM通常被配置為固定于DIMM(dualin-linememorymodule)小電路板上的一系列DIPS芯片上。DIMM帶有金屬“牙齒”的一邊插到主板上特殊RAM插槽中，這樣就可以很容易替換有缺陷的RAM或者添加RAM容量。RAM的速度非常重要。處理器一般以很高的速度在工作，但如果它97圖3-6內(nèi)存條圖3-6內(nèi)存條983.2.2虛擬內(nèi)存計(jì)算機(jī)可以使用硬盤空間來擴(kuò)充內(nèi)存，計(jì)算機(jī)這種使用磁盤空間模擬內(nèi)存的能力被稱作虛擬內(nèi)存。虛擬內(nèi)存使沒有足夠?qū)嶋H內(nèi)存的計(jì)算機(jī)能運(yùn)行大的程序、操作大的數(shù)據(jù)文件，以及實(shí)時(shí)地運(yùn)行復(fù)雜程序。虛擬內(nèi)存的運(yùn)行速度不如RAM快，計(jì)算機(jī)從虛擬內(nèi)存中檢索數(shù)據(jù)要花費(fèi)更多時(shí)間，因?yàn)榇疟P是機(jī)械設(shè)備。3.2.2虛擬內(nèi)存99像RAM中的數(shù)據(jù)一樣，虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)掉電時(shí)也無法訪問。因?yàn)?，雖然在掉電時(shí)虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)并不會(huì)從磁盤上刪除，但是指導(dǎo)計(jì)算機(jī)定位虛擬內(nèi)存的指令存儲(chǔ)在RAM中，在掉電時(shí)會(huì)丟失。因此，即使給計(jì)算機(jī)重新加電，計(jì)算機(jī)仍不能訪問原先虛擬內(nèi)存的數(shù)據(jù)。像RAM中的數(shù)據(jù)一樣，虛擬內(nèi)存中的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)掉電時(shí)也無法訪1003.2.3只讀存儲(chǔ)器存放在只讀存儲(chǔ)器(ROM)中的指令是永久性的，要改變這些指令只有將ROM芯片從主板上取出，使用另外的芯片來替換。當(dāng)打開計(jì)算機(jī)時(shí)，CPU得到電能，開始準(zhǔn)備執(zhí)行指令，可是由于剛剛開機(jī)，RAM中還是空的，并沒有那些需要執(zhí)行的指令，就需要ROM保存一個(gè)稱為ROMBIOS(基本輸入輸出系統(tǒng))的小型指令集合。BIOS中的指令告訴計(jì)算機(jī)如何訪問磁盤驅(qū)動(dòng)器和其他外圍設(shè)備。CPU執(zhí)行ROMBIOS中的指令來搜索磁盤上的操作系統(tǒng)主文件，并把這些文件調(diào)入RAM中，進(jìn)行后面的計(jì)算工作。3.2.3只讀存儲(chǔ)器1013.2.4CMOS存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)只有在將操作系統(tǒng)文件從硬盤復(fù)制到RAM以后，才能準(zhǔn)備好處理數(shù)據(jù)。而有了硬盤的格式化信息(例如硬盤的柱面和扇區(qū)數(shù)目等)后，計(jì)算機(jī)才能訪問硬盤上的數(shù)據(jù)。由于有可能對(duì)硬盤進(jìn)行升級(jí)或者維護(hù)，所以不能把諸如硬盤信息等存放在ROM中。計(jì)算機(jī)必須使用一種靈活的方式來保存引導(dǎo)數(shù)據(jù)，為此，需要一種特殊的內(nèi)存，它保存信息的時(shí)間能夠比RAM長(zhǎng)久，但又不像ROM那樣不可更改，這就是CMOS。3.2.4CMOS存儲(chǔ)器102CMOS存儲(chǔ)器(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)只需要極少的電能就可以保持其中的數(shù)據(jù)。由于耗電極低，CMOS芯片利用集成在主板上的電池供電，這樣，即使在關(guān)機(jī)后，數(shù)據(jù)也不會(huì)(或者說不易)丟失。正因?yàn)槿绱?，CMOS保存著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置等重要數(shù)據(jù)。在許多微型機(jī)中，CMOS芯片位于ROMBIOS的芯片載體中。當(dāng)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)配置改變后，例如換了新的硬盤或者擴(kuò)充了更大的內(nèi)存等，CMOS中的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行更新。有些操作系統(tǒng)提供了特殊的工具進(jìn)行CMOS設(shè)置的更新，現(xiàn)在很多計(jì)算機(jī)都有即插即用的特征，可以在安裝了新的硬件設(shè)備后自動(dòng)更新CMOS。CMOS存儲(chǔ)器(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)只需要極少的電能就1033.2.5地址空間在存儲(chǔ)器中存取每個(gè)字都需要有相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符。盡管程序員使用命名的方式來區(qū)分字(或一組字的集合)，但在硬件層次上，每個(gè)字都是通過地址來標(biāo)識(shí)的。所有在存儲(chǔ)器中可標(biāo)識(shí)的獨(dú)立地址單元的總數(shù)稱為地址空間。例如，一個(gè)64K字節(jié)、字長(zhǎng)為1字節(jié)的存儲(chǔ)器的地址空間的范圍為0到65535。3.2.5地址空間1043.3中央處理器3.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)3.3.2指令與指令周期3.3.3CPU的性能因素3.3.4流水線和并行處理3.3.5雙核處理器>3.3中央處理器>1053.3中央處理器數(shù)字計(jì)算機(jī)使用一系列的電信號(hào)表示數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)，使用內(nèi)存來保存數(shù)據(jù)。但是，計(jì)算機(jī)并不僅僅是傳輸數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它的主要工作是處理數(shù)據(jù)，即執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、排序、制作文檔等等。中央處理器(CPU)是計(jì)算機(jī)中執(zhí)行處理數(shù)據(jù)指令的器件。CPU從RAM中接收數(shù)據(jù)和指令、處理這些指令，再將處理結(jié)果送回到RAM中，處理結(jié)果可以顯示和存儲(chǔ)起來。3.3中央處理器1063.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)以前，計(jì)算機(jī)的CPU非常龐大且不可靠，要使用大量的電能。1944年制造的ENIAC計(jì)算機(jī)，有20個(gè)處理單元，每個(gè)處理單元有2in寬，8in高，CPU的尺寸用英尺來計(jì)量(見圖3-7)，可是，今天的處理單元使用毫英寸(0.001in)來度量。大型機(jī)的CPU通常包含多個(gè)集成電路和電路板。在微機(jī)中，CPU就是一個(gè)稱為微處理器的單個(gè)集成電路(圖3-8)。CPU由三部分組成，即：運(yùn)算邏輯單元、控制器和寄存器，每個(gè)單元執(zhí)行處理數(shù)據(jù)的特定任務(wù)。3.3.1CPU體系結(jié)構(gòu)107圖3-7電子管計(jì)算機(jī)的內(nèi)部

圖3-8Intel奔騰E2200CPU

圖3-7電子管計(jì)算機(jī)的內(nèi)部圖3-8Intel奔騰108運(yùn)算邏輯單元(ALU，又稱算術(shù)邏輯單元或運(yùn)算器)執(zhí)行加減等算術(shù)操作，以及比較數(shù)據(jù)是否相等這些邏輯操作。ALU使用寄存器來保存等待處理的數(shù)據(jù)。在運(yùn)算中，算術(shù)操作或邏輯操作的結(jié)果暫時(shí)存放在累加器中。數(shù)據(jù)可以從累加器被發(fā)送到RAM，或者被進(jìn)一步處理。運(yùn)算邏輯單元(ALU，又稱算術(shù)邏輯單元或運(yùn)算器)執(zhí)行加減109在CPU控制器的協(xié)調(diào)和控制下，運(yùn)算器得到數(shù)據(jù)，并得知要執(zhí)行的是邏輯還是算術(shù)運(yùn)算?？刂破魇褂弥噶钪羔榿砀櫼幚淼闹噶铐樞?。借助于指令指針，控制器順序地從RAM中取出每個(gè)指令，并將它們放到特殊的寄存器——指令寄存器中。然后，控制器翻譯指令以決定要實(shí)現(xiàn)的操作。按照指令解釋，控制器向數(shù)據(jù)總線發(fā)送信號(hào)，從RAM中取數(shù)據(jù)，并發(fā)送信號(hào)到運(yùn)算器進(jìn)行處理?？刂破髟诤艽蟪潭壬嫌绊懼幚砥鞯奶幚硇?，它要執(zhí)行一系列的指令。在CPU控制器的協(xié)調(diào)和控制下，運(yùn)算器得到數(shù)據(jù)，并得知要執(zhí)行的110寄存器是用來臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的高速獨(dú)立的存儲(chǔ)單元，CPU的運(yùn)算離不開多個(gè)寄存器。寄存器包括數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器和程序計(jì)數(shù)器等。寄存器是用來臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的高速獨(dú)立的存儲(chǔ)單元，CPU的運(yùn)算離1113.3.2指令與指令周期計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行一系列簡(jiǎn)單的步驟(指令)來完成一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)。指令控制著計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定的算術(shù)、邏輯或控制運(yùn)算。一條指令可以分為兩部分：操作碼和操作數(shù)。操作碼是一個(gè)類似累加、比較或跳轉(zhuǎn)等操作的控制字。指令的操作數(shù)給出了需要處理的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)的地址。例如，在JMPM1這條指令中，操作碼是JMP，操作數(shù)是M1。JMP意味著跳轉(zhuǎn)到另外一條指令，M1是將要執(zhí)行的指令的內(nèi)存地址。指令JMPM1只有一個(gè)操作數(shù)，也有很多指令有多個(gè)操作數(shù)，例如：指令A(yù)DDREG1REG2就

包含了兩個(gè)操作數(shù)：REG1和REG2。3.3.2指令與指令周期112CPU可以執(zhí)行的指令集合稱為指令集，計(jì)算機(jī)要執(zhí)行的任務(wù)必須由指令集中有限的指令通過組合而得到。“指令周期”是指計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令的過程。每當(dāng)計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令時(shí)都會(huì)重復(fù)指令周期。指令周期中的步驟是：1)獲取指令，2)解釋指令，3)執(zhí)行指令，4)指令指針加1。CPU可以執(zhí)行的指令集合稱為指令集，計(jì)算機(jī)要執(zhí)行的任務(wù)必須由1133.3.3CPU的性能因素集成電路技術(shù)是制造微型機(jī)、小型機(jī)、大型機(jī)和巨型機(jī)CPU的基本技術(shù)，它的發(fā)展使計(jì)算機(jī)的速度和能力有了極大的改進(jìn)。1965年，芯片巨人Intel（英特爾)公司的創(chuàng)始人GordonMoore給出了著名的“摩爾定律”，他預(yù)測(cè)芯片上的晶體管數(shù)量每隔18~24個(gè)月就會(huì)翻一番。讓所有人感到驚奇的是，這個(gè)定律非常精確地預(yù)測(cè)了芯片30年的發(fā)展。1958年第一代集成電路僅僅包含兩個(gè)晶體管，但是在1999年，奔騰III處理器已經(jīng)包含了950萬個(gè)晶體管。3.3.3CPU的性能因素114集成的晶體管數(shù)量越大，就意味著越強(qiáng)的芯片計(jì)算能力。各種CPU的速度并不一樣，它受到以下幾個(gè)因素的制約，即時(shí)鐘頻率、字長(zhǎng)、高速緩沖存儲(chǔ)器以及指令集的大小。當(dāng)然，使用高性能CPU的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并不意味著它在各方面都能夠提供高性能。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也有它的薄弱環(huán)節(jié)，即使計(jì)算機(jī)配備了高性能CPU，但如果硬盤速度很慢、沒有高速緩沖，且RAM容量小，則執(zhí)行某些任務(wù)也會(huì)很慢的。集成的晶體管數(shù)量越大，就意味著越強(qiáng)的芯片計(jì)算能力。各種CPU115(1)時(shí)鐘頻率計(jì)算機(jī)有一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。與保存日期和時(shí)間的“實(shí)時(shí)時(shí)鐘”不同，系統(tǒng)時(shí)鐘用來定時(shí)發(fā)出脈沖，以控制所有系統(tǒng)操作的同步(節(jié)奏)，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸和指令執(zhí)行的速度或頻率。系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率決定了計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的速度，因此限制了計(jì)算機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)所能夠執(zhí)行的指令數(shù)。衡量時(shí)鐘頻率的單位是兆赫(MHz)。最初IBM-PC的微處理器的時(shí)鐘頻率是4.77MHz，現(xiàn)在的微處理器的執(zhí)行速度已經(jīng)超過600MHz。如果其他條件一樣，CPU的時(shí)鐘頻率越高，就意味著處理速度越快。(1)時(shí)鐘頻率116(2)字長(zhǎng)字長(zhǎng)就是中央處理器可以同時(shí)處理的位數(shù)。字長(zhǎng)由CPU寄存器的大小和總線的數(shù)據(jù)線個(gè)數(shù)所決定。例如，字長(zhǎng)為32位的CPU被稱為32位處理器，它的寄存器是32位的，可以同時(shí)處理32位數(shù)據(jù)。字長(zhǎng)較長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)在一個(gè)指令周期中要比字長(zhǎng)短的計(jì)算機(jī)處理更多數(shù)據(jù)。單位時(shí)間內(nèi)處理的數(shù)據(jù)越多，處理器的性能就越高。比如，最初的微機(jī)使用8位處理器，可是現(xiàn)在都是32位或64位的處理器了。(2)字長(zhǎng)117(3)高速緩沖存儲(chǔ)器影響CPU性能的另一個(gè)因素是高速緩沖存儲(chǔ)器(圖3-9)，這是一個(gè)特別的存儲(chǔ)器。由于CPU的速度非?？欤运拇蟛糠謺r(shí)間都在等待與RAM傳送數(shù)據(jù)。使用高速緩沖存儲(chǔ)器可以使CPU一旦請(qǐng)求就可以迅速訪問到數(shù)據(jù)。(3)高速緩沖存儲(chǔ)器118圖3-9高速緩沖存儲(chǔ)器圖3-9高速緩沖存儲(chǔ)器119當(dāng)啟動(dòng)某個(gè)任務(wù)的時(shí)候，計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)CPU可能會(huì)需要哪些數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)預(yù)先送到高速緩沖存儲(chǔ)器區(qū)域。當(dāng)指令需要數(shù)據(jù)的時(shí)候，CPU首先檢查高速緩沖存儲(chǔ)器中是否有所需要的數(shù)據(jù)。如果有，CPU就從高速緩沖存儲(chǔ)器中直接讀取數(shù)據(jù)而不用訪問RAM了。在其他條件相同的情況下，高速緩沖存儲(chǔ)器越大，處理的速度就越快。當(dāng)啟動(dòng)某個(gè)任務(wù)的時(shí)候，計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)CPU可能會(huì)需要哪些數(shù)據(jù)，并120(4)指令集的復(fù)雜性隨著計(jì)算機(jī)指令集的擴(kuò)充，程序員開始使用越來越多的復(fù)雜的指令，這些指令占用很多內(nèi)存空間，執(zhí)行它們需要的時(shí)鐘周期也更多?；谑褂脧?fù)雜指令集的CPU的計(jì)算機(jī)被稱為復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)。1975年，IBM的一位科學(xué)家JohnCocke發(fā)現(xiàn)微處理器中的大部分工作只需要指令集中的一小部分就可以完成。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，只要CISC的20％的指令就可以完成80％的工作。Cocke的研究結(jié)果導(dǎo)致了開發(fā)精簡(jiǎn)指令集微處理器(RISC)。(4)指令集的復(fù)雜性121精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)的指令集指令數(shù)量有限，但是這些指令的執(zhí)行速度很快。因此，在理論上，RISC計(jì)算機(jī)要比CISC計(jì)算機(jī)快。有些計(jì)算機(jī)科學(xué)家相信，如果把RISC和CISC技術(shù)綜合起來能夠制造更有效和更靈活的計(jì)算機(jī)。精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)的指令集指令數(shù)量有限，但是這些指令的執(zhí)行速度1223.3.4流水線和并行處理單處理器的計(jì)算機(jī)以串行方式執(zhí)行指令，也就是說一個(gè)時(shí)刻只執(zhí)行一條指令。通常處理器必須完成指令周期中的4個(gè)步驟后才執(zhí)行下一條指令。使用流水線技術(shù)，處理器就可以在完成上一條指令前開始執(zhí)行另外一條指令，加快了處理速度，如圖3-10所示。3.3.4流水線和并行處理123圖3-10流水線允許計(jì)算機(jī)同時(shí)處理多條指令圖3-10流水線允許計(jì)算機(jī)同時(shí)處理多條指令124具有多個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)可以同時(shí)執(zhí)行多條指令，并行處理方式增加了計(jì)算機(jī)單位時(shí)間內(nèi)完成的任務(wù)。能夠執(zhí)行并行處理的計(jì)算機(jī)稱為并行計(jì)算機(jī)，也稱非馮·諾依曼計(jì)算機(jī)。串行操作每次執(zhí)行一條指令；流水線計(jì)算機(jī)在處理完一條指令之前，就開始處理下一條指令了；并行處理則可以同時(shí)執(zhí)行多條指令。具有多個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)可以同時(shí)執(zhí)行多條指令，并行處理方式增加1253.3.5雙核處理器所謂雙核處理器(DualCoreProcessor)，簡(jiǎn)單地說，就是在一塊CPU基板上集成兩個(gè)處理器核心，并通過并行總線將各處理器核心連接起來(圖3-11)，從而提高了計(jì)算能力。3.3.5雙核處理器126圖3-11雙核之間協(xié)調(diào)工作圖3-11雙核之間協(xié)調(diào)工作127雙核心并不是一個(gè)新概念，而只是CMP(ChipMultiProcessors，單芯片多處理器)中最基本、最簡(jiǎn)單、最容易實(shí)現(xiàn)的一種類型。其實(shí)在RISC處理器領(lǐng)域，雙核心甚至多核心都早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。CMP最早是由美國(guó)斯坦福大學(xué)提出的，其思想是在一塊芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)SMP(SymmetricalMulti-Processing，對(duì)稱多處理)架構(gòu)，且并行執(zhí)行不同的進(jìn)程。雙核心并不是一個(gè)新概念，而只是CMP(ChipMulti128早在上個(gè)世紀(jì)末，惠普和IBM就已經(jīng)提出雙核處理器的可行性設(shè)計(jì)。IBM在2001年就推出了基于雙核心的POWER4處理器，隨后是SUN和惠普公司，都先后推出了基于雙核架構(gòu)的芯片，但此時(shí)雙核心處理器架構(gòu)還都是在高端的RISC領(lǐng)域，直到Intel和AMD相繼推出自己的雙核心處理器，雙核心才真正走入了主流的X86領(lǐng)域。早在上個(gè)世紀(jì)末，惠普和IBM就已經(jīng)提出雙核處理器的可行性設(shè)計(jì)129Intel和AMD之所以推出雙核心處理器，最重要的原因是原有的普通單核處理器的頻率難于提升，性能沒有質(zhì)的飛躍。由于頻率難于提升，Intel在發(fā)布3.8GHz的產(chǎn)品以后只得宣布停止4GHz的產(chǎn)品計(jì)劃；而AMD在實(shí)際頻率超過2GHz以后也無法大幅度提升，3GHz成為了AMD無法逾越的一道坎。正是在這種情況下，為了尋找新的賣點(diǎn)，Intel和AMD都不約而同地祭起了雙核心這面大旗。Intel和AMD之所以推出雙核心處理器，最重要的原因是原有1303.4輸入輸出3.4.1擴(kuò)展槽和擴(kuò)展卡3.4.2擴(kuò)展端口和電纜>3.4輸入輸出>1313.4輸入輸出購(gòu)買計(jì)算機(jī)并使用一段時(shí)間之后，用戶就會(huì)關(guān)心如何對(duì)它進(jìn)行升級(jí)，從而可以不斷擴(kuò)展它的能力。而理解了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入/輸出(I/O)，就會(huì)了解如何擴(kuò)充計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。I/O的主要功能就是為微處理器搜集數(shù)據(jù)(輸入)，并將處理結(jié)果送到顯示器、打印機(jī)或存儲(chǔ)設(shè)備等(輸出)。前面講到的數(shù)據(jù)總線一般在RAM和CPU之間傳輸數(shù)據(jù)，擴(kuò)充了計(jì)算機(jī)的能力。數(shù)據(jù)總線在RAM和外圍設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的路段稱為擴(kuò)展總線。I/O通常包括了擴(kuò)展總線、擴(kuò)展槽、擴(kuò)展卡、端口和電纜上移動(dòng)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。3.4輸入輸出1323.4.1擴(kuò)展槽和擴(kuò)展卡在主板上，擴(kuò)展總線終止于擴(kuò)展槽。擴(kuò)展槽是主板上用于固定擴(kuò)展卡并將其連接到系統(tǒng)總線上的插槽。擴(kuò)展卡是一些小型電路板，能夠向計(jì)算機(jī)提供控制存儲(chǔ)器、輸入或者輸出設(shè)備的能力，這是一種添加或增強(qiáng)電腦特性及功能的方法。例如，如果不滿意主板整合顯卡的性能，可以添加獨(dú)立顯卡以增強(qiáng)顯示性能；不滿意板載聲卡的音質(zhì)，可以添加獨(dú)立聲卡以增強(qiáng)音效；不支持USB2.0或IEEE1394的主板可以通過添加相應(yīng)的USB2.0擴(kuò)展卡或IEEE1394擴(kuò)展卡以獲得該功能等等。3.4.1擴(kuò)展槽和擴(kuò)展卡133大多數(shù)微型計(jì)算機(jī)有四到八個(gè)擴(kuò)展槽，在購(gòu)買計(jì)算機(jī)的時(shí)候有些槽就已經(jīng)插上了擴(kuò)展卡?，F(xiàn)在的微型機(jī)通常包含連接到監(jiān)視器的圖形顯示卡(顯卡)、通過電話線或者電纜傳輸數(shù)據(jù)的調(diào)制解調(diào)器，以及連接到揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)和耳機(jī)的聲卡等。如果想連接到掃描儀、數(shù)字視頻，或者連接到網(wǎng)絡(luò)，則還需要添加其他擴(kuò)展卡。大多數(shù)微型計(jì)算機(jī)有四到八個(gè)擴(kuò)展槽，在購(gòu)買計(jì)算機(jī)的時(shí)候有些槽就134空擴(kuò)展槽的類型和數(shù)目表明了它的擴(kuò)充能力。主板擴(kuò)展槽的種類主要有ISA，PCI，AGP，CNR，AMR，ACR，PCI

Express，以及筆記本電腦用的PCMCIA、Mini

PCI等，主流擴(kuò)展插槽是PCI和PCI

Express，見圖3-12。圖中左側(cè)最長(zhǎng)的插槽為ISA插槽(黑色)，中間白色的為PCI插槽，右邊棕色的插槽為AGP插槽?？諗U(kuò)展槽的類型和數(shù)目表明了它的擴(kuò)充能力。主板擴(kuò)展槽的種類主要135圖3-12擴(kuò)展槽圖3-12擴(kuò)展槽1361)ISA插槽基于ISA(Industrial

Standard

Architecture，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu))總線，是一種較老的技術(shù)，現(xiàn)在主要用于某些調(diào)制解調(diào)器和其他速度較慢的設(shè)備。許多新的計(jì)算機(jī)甚至不提供ISA插槽。2)PCI插槽基于PCI(Pedpherd

Component

Interconnect，周邊元件擴(kuò)展接口)局部總線，可以提供更快的傳輸速率和64位的數(shù)據(jù)總線。該插槽通常用于顯卡、聲卡、視頻捕捉卡、調(diào)制解調(diào)器或者網(wǎng)卡等。PCI是主板的主要擴(kuò)展插槽，通過插接不同的擴(kuò)展卡可以獲得目前電腦能實(shí)現(xiàn)的幾乎所有外接功能。1)ISA插槽基于ISA(Industrial

Stan1373)AGP(Accelerated

Graphics

Port，加速圖形端口)是在PCI總線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要針對(duì)圖形顯示方面進(jìn)行優(yōu)化，專門用于圖形顯示卡，速率比PCI插槽更快，AGP插槽提供了適合于3-D圖形的高速數(shù)據(jù)傳輸通道。但是，隨著顯卡速度的提高，AGP插槽已經(jīng)不能滿足顯卡傳輸數(shù)據(jù)的速度，AGP顯卡已經(jīng)逐漸淘汰，取代它的是PCI

Express插槽。4)PCI-Express是最新的總線和接口標(biāo)準(zhǔn)，是由Intel提出的。這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)將全面取代現(xiàn)行的PCI和AGP，最終實(shí)現(xiàn)總線標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。它的主要優(yōu)勢(shì)就是數(shù)據(jù)傳輸速率高，而且有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Α?)AGP(Accelerated

Graphics

P138擴(kuò)展卡是為特定類型的插槽設(shè)計(jì)的。如果計(jì)劃添加或者升級(jí)計(jì)算機(jī)中的某類卡，必須首先確保計(jì)算機(jī)的插槽與希望安裝的卡的類型相匹配。擴(kuò)展卡是