工學(xué)講義5計(jì)算機(jī)硬件1基本組成課件

Chapter5ComputerOrganization計(jì)算機(jī)組成Afterreadingthischapter,thereadershould

beableto:OBJECTIVES了解三種計(jì)算機(jī)硬件之間的區(qū)別；了解三種計(jì)算機(jī)硬件的功能；理解存儲(chǔ)器尋址和計(jì)算方法；了解不同存儲(chǔ)器之間的區(qū)別；理解輸入輸出設(shè)備是如何工作的。計(jì)算機(jī)的組成部分可以分成三大類（或子系統(tǒng)）；中央處理單元、主存儲(chǔ)器和輸入/輸出子系統(tǒng)。CENTRALPROCESSINGUNIT

(CPU)中央處理單元5.1Figure5-2CPUCPU(CentralProcessingUnit)

中央處理器CPU是計(jì)算機(jī)控制和處理數(shù)據(jù)以產(chǎn)生信息的計(jì)算元件。在微型計(jì)算機(jī)中，是一塊大約1.5英寸見方、封裝有成千上萬個(gè)晶體管的集成電路芯片，稱為“microprocessor”（微處理器),簡記MPU。Thearithmeticlogicunit(ALU)算術(shù)邏輯單元用于進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。ALU算術(shù)邏輯單元1.算術(shù)運(yùn)算最簡單的一元運(yùn)算是增量（加1）和減量（減1）運(yùn)算。最簡單的二元運(yùn)算是加、減、乘、除運(yùn)算。2.邏輯運(yùn)算最簡單的一元邏輯運(yùn)算是非，最簡單的二元邏輯運(yùn)算是與、或和異或。Registers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。如圖所示Registers寄存器DataRegister數(shù)據(jù)寄存器:R1R2R3Instructionregister指令寄存器:IProgramCounter程序計(jì)數(shù)器:PC控制單元類似于人腦中控制身體各部分的區(qū)域?？刂剖峭ㄟ^線路的開（高電平）或關(guān)（低電平）來實(shí)現(xiàn)。主要功能是取指令、解釋和翻譯指令代碼，并產(chǎn)生各種控制信號(hào)，完成指令需要完成的任務(wù)?？刂破魇窃跁r(shí)鐘控制下按一定的時(shí)間關(guān)系有序地工作?？刂破鞣譃榻M合邏輯控制器和微程序控制器。ControlUnit控制單元MAINMEMORY主存儲(chǔ)器5.2主存儲(chǔ)器：CPU的工作存儲(chǔ)區(qū)主存儲(chǔ)器又稱“主存”或“內(nèi)存”，或稱RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。其功能有三項(xiàng)：存放將要處理的數(shù)據(jù)；存放數(shù)據(jù)處理用的程序指令；存放處理好的數(shù)據(jù)（有用的信息）以供輸出。主存的大小決定了計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行的軟件規(guī)模。足夠的內(nèi)存是組裝計(jì)算機(jī)必須重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題。主存具有易失性（volatile），即斷電將丟失所存全部信息。所以要養(yǎng)成經(jīng)常存盤的好習(xí)慣（如每隔3-5分鐘存盤一次）。關(guān)于內(nèi)存的幾個(gè)重要概念CPU本身并不存放任何與系統(tǒng)管理或應(yīng)用的程序或數(shù)據(jù)，只固化了一些與CPU進(jìn)行簡單二進(jìn)制運(yùn)算有關(guān)的指令。開機(jī)前所有與系統(tǒng)管理或應(yīng)用有關(guān)的程序或數(shù)據(jù)，除了BIOS存放在主存儲(chǔ)器的ROM芯片中，其余都存放在各種輔助存儲(chǔ)器中。啟動(dòng)的過程，就是把輔助存儲(chǔ)器上的操作系統(tǒng)核心程序調(diào)入內(nèi)存的過程。運(yùn)行軟件的過程，就是把輔助存儲(chǔ)器上軟件程序調(diào)入內(nèi)存并由CPU根據(jù)進(jìn)入內(nèi)存的程序指令逐條執(zhí)行的過程。字長（WordSize）“字長”是CPU處理能力的重要衡量指標(biāo)。CPU在單位時(shí)間內(nèi)（同一時(shí)間）能一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)叫字長。所以能處理字長為8位數(shù)據(jù)的CPU通常就叫8位CPU。同理32位的CPU就能在單位時(shí)間內(nèi)處理字長為32位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。當(dāng)前市場上出售的個(gè)人計(jì)算機(jī)都使用32位的CPU，但是字長的增加是CPU發(fā)展的一個(gè)趨勢。Intel的“安騰”和IBM的PowerPCG5都是64位的CPU。字長處理器的“能力”可以用“字長”表示。單位：位（bit）CPU的發(fā)展

40044位

8008-80808位

8028616位

80386～Pentium32位

Itanium64位總線、內(nèi)存和寄存器亦可用字長來表示其“能力”。Figure5-3Mainmemory主存內(nèi)存容量容量單位:

最小存儲(chǔ)單位是Byte(字節(jié))

個(gè)人計(jì)算機(jī)MB

大型計(jì)算機(jī)GB

超級(jí)計(jì)算機(jī)TB內(nèi)存大小決定了程序運(yùn)行的規(guī)模計(jì)算機(jī)內(nèi)存主要是指RAM的大小Table5.1Memoryunits存儲(chǔ)單位Unit

-----------kilobytemegabytegigabyteterabytepetabyteexabyteExactNumberofbytes

-----------------------210bytes220bytes230bytes240bytes250bytes260bytesApproximation

------------103bytes106bytes109bytes1012bytes1015bytes1018bytes內(nèi)存容量的配置目前個(gè)人電腦新機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置是128MB或256MB。部門級(jí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)配置一般應(yīng)不小于512MB。企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)配置一般為1～2GB。大型機(jī)和某些超級(jí)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存一般以GB為單位。大部分超級(jí)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存以TB為單位。單片機(jī)的內(nèi)存一般以kB為單位。5.2.1地址空間每一個(gè)存儲(chǔ)單元都有惟一的標(biāo)識(shí)符成為地址。所有在存儲(chǔ)器中可標(biāo)識(shí)的獨(dú)立地址單位的總數(shù)稱之為地址空間。例如，一個(gè)64K字節(jié)，字長為1字節(jié)的存儲(chǔ)器的地址空間的范圍為0到65535。存儲(chǔ)地址用無符號(hào)二進(jìn)制整數(shù)定義。

Note:Example1一臺(tái)計(jì)算機(jī)有32MB(megabytes兆字節(jié))主存（內(nèi)存）。需要多少位來尋址內(nèi)存中的任意一個(gè)字節(jié)?Solution內(nèi)存地址空間是32MB,即225(25x220).這意味著需要

log2225

即25位來標(biāo)識(shí)每一個(gè)字節(jié)。Example2一臺(tái)計(jì)算機(jī)有

128MB內(nèi)存。計(jì)算機(jī)字長為8字節(jié)，需要多少位來尋址內(nèi)存中的任意一個(gè)字節(jié)?Solution內(nèi)存地址空間是

128MB（227）。但是，每個(gè)字是8（）字節(jié)，那也意味著需要

個(gè)字，也就是

log2224

即24個(gè)位來標(biāo)識(shí)每一個(gè)字。兩種類型：

RAMandROM.1.RAM(randomaccessmemory):(1)RAM用戶可讀寫。(2)RAM是volatile易失的。5.2.2存儲(chǔ)器類型RAM保存CPU正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，是計(jì)算機(jī)中所謂“臨時(shí)的”或“易失的”存儲(chǔ)區(qū)域。之所以稱為暫存區(qū)域，是因?yàn)楫?dāng)計(jì)算機(jī)斷電后，它所存放的內(nèi)部會(huì)全部丟失：就象教師上課所用的黑板。SRAM和DRAM1）SRAM靜態(tài)RAM技術(shù)是用傳統(tǒng)的觸發(fā)器門電路（有0和1兩個(gè)狀態(tài)的門）來保存數(shù)據(jù)。當(dāng)通電時(shí)數(shù)據(jù)始終存在，不需要刷新，SRAM速度快但價(jià)格昂貴。2）DRAM動(dòng)態(tài)RAM技術(shù)使用電容器。如果電容器充電，則這時(shí)的狀態(tài)是1，如果放電狀態(tài)是0。因?yàn)殡娙萜麟S時(shí)間而漏掉一部分電，所以內(nèi)存單元需要周期性地刷新，DRAM速度慢，但是便宜。主板上的重要芯片：CMOSCMOS芯片：CMOS是電腦主板上的一塊可讀寫的SRAM芯片，用它來保護(hù)當(dāng)前系統(tǒng)的硬件配置和用戶對(duì)某些參數(shù)的設(shè)定。現(xiàn)在的廠商們把CMOS程序做到了BIOS芯片中，當(dāng)開機(jī)時(shí)就可按特定鍵進(jìn)入CMOS設(shè)置程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。所以又被人們叫做BIOS設(shè)置。CMOS可由主板的電池供電，即使系統(tǒng)掉電，信息也不會(huì)丟失。如果主板上沒有CMOS芯片，每次開機(jī)時(shí)都要重新設(shè)置機(jī)器的各項(xiàng)工作參數(shù)，如日期、硬盤參數(shù)、鍵盤響應(yīng)、節(jié)能方式、即插即用等等。主存使用CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)制造。常見類型有——DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存）六年前最流行,72線通常使用一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器來代表一個(gè)比特，通過不斷充電刷新保持?jǐn)?shù)據(jù)。SDRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存)三年前最流行,168線，數(shù)據(jù)傳輸速度可以快到和CPU的時(shí)鐘頻率同步。常見SDRAM有PC-100和PC-133，數(shù)字表示其時(shí)鐘頻率。DDR(雙倍速率SDRAM)當(dāng)前正流行

DDR內(nèi)存又分成很多型號(hào)：DDR266、DDR300、DDR333和DDR400。新的DDR-III內(nèi)存將擁有400-、533、667MHz等不同的時(shí)鐘頻率，高端的DDR-II內(nèi)存據(jù)稱甚至將擁有800和1000MHz兩種頻率。

2ROM(只讀存儲(chǔ)器)芯片

與RAM中保存的內(nèi)容會(huì)被不斷寫入和擦除的情況不同，而ROM（又稱為“firmware”,固件）中保存的內(nèi)容不會(huì)被用戶修改。換言之，RAM用于暫存用戶程序提供的信息，而ROM用于永久保存硬件制造商提供的程序：就象老師上課所用的書本。ROM中保存的內(nèi)容不會(huì)因系統(tǒng)斷電而丟失，通常保存的是與鍵盤、磁盤和顯示器等硬件有關(guān)的基本操作指令。ROM:(Read-onlymemory)(1)用戶只能讀不能寫。(2)ROM非易失性。PROM:EPROM:EEPROM:MemoryTypesROM的三種變型…PROM（可編程只讀存儲(chǔ)器）空白芯片，用戶可使用特殊的設(shè)備將程序內(nèi)容一次性寫入其中，之后便永久保存不可修改。EPROM（可擦除型PROM）同PROM，但寫入的內(nèi)容可以通過紫外線擦除后重寫。EEPROM（電可擦除型PROM）同上，但寫入的內(nèi)容可通過電脈沖擦除后重寫。與EPROM相比，優(yōu)點(diǎn)是改寫時(shí)不必將芯片從計(jì)算機(jī)上拆下，而且可以通過鍵盤操作重新寫入新的內(nèi)容，而不需要特殊的可編程設(shè)備。Figure5-4Memoryhierarchy存儲(chǔ)器的層次高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)

一種特殊的高速RAM。由于CPU直接存取的內(nèi)存容量越來越大，且工作速度越來越快，通常可達(dá)到幾億分之一秒的時(shí)間執(zhí)行一條指令的水平，而RAM的工作速度一般是千萬分之一秒讀取一次。為此，人們?cè)贑PU和RAM之間使用cache來解決CPU與內(nèi)存之間速度不相匹配的矛盾。Cache對(duì)提高CPU的性能影響極大，同類型標(biāo)準(zhǔn)CPU和賽揚(yáng)型CPU的主要區(qū)別就在于CPU中配備的cache存儲(chǔ)器大小不同。CPU內(nèi)部的cache存儲(chǔ)器稱為“片內(nèi)cache“?，F(xiàn)代CPU內(nèi)部一般都有二級(jí)的片內(nèi)cache。Figure5-5Cache實(shí)際上cache是計(jì)算機(jī)中用于解決各個(gè)部件間存取速度不匹配的一種高速緩沖技術(shù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般都采用多級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，如寄存器、主存、磁盤、光盤、磁帶等。這種多級(jí)存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是從外存儲(chǔ)器到CPU中的寄存器逐級(jí)向上，存儲(chǔ)容量逐級(jí)減小，而存取速度逐級(jí)提高。由于上下兩級(jí)存儲(chǔ)器的速度可以相差l～2個(gè)數(shù)量級(jí)或者更高，因此，上一級(jí)和下一級(jí)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)交換常常成為系統(tǒng)瓶頸，大大降低了系統(tǒng)的性能。為了解決這個(gè)問題，通常采用的辦法是在兩級(jí)存儲(chǔ)器之間增加一個(gè)高速緩沖存儲(chǔ)器Cache。

Cache原理所謂Cache是一個(gè)速度等于或者接近上一級(jí)存儲(chǔ)器訪問速度的小容量存儲(chǔ)器，其中保存了下級(jí)存儲(chǔ)器中部分當(dāng)前所需的數(shù)據(jù)，因此CPU可以直接從Cache中取得所需的數(shù)據(jù)，而不必訪問下一級(jí)存儲(chǔ)器。由于Cache的速度與上一級(jí)存儲(chǔ)器相當(dāng)，因此保證了系統(tǒng)效率不會(huì)降低。Cache的設(shè)計(jì)依據(jù)是程序存取局部性原理，通常程序存取的一批數(shù)據(jù)總是存放在存儲(chǔ)器相鄰的單元中，只要把這一批數(shù)據(jù)同時(shí)調(diào)入cache中，即可保證近期內(nèi)需要的數(shù)據(jù)都能在Caclle中訪問成功。

現(xiàn)代cache系統(tǒng)現(xiàn)代的Cache系統(tǒng)常常采用分級(jí)組織的方法，在CPU中集成了一級(jí)Cache(L1)，也稱為片內(nèi)Cache；在主板上配置二級(jí)Cache(L2)。CPU中的片內(nèi)Cache雖然容量較小，但是能夠以CPU相同的工作頻率工作，因此速度極快。一般情況下在L1未命中時(shí)，才在L2中查找。從賽揚(yáng)處理器開始，已經(jīng)普遍把L2集成到CPU內(nèi)部了。這時(shí)相應(yīng)的主板上的二級(jí)緩存就成為“三級(jí)”緩存了

硬盤cache為了匹配硬盤和主存在數(shù)據(jù)傳送速度上的矛盾，微機(jī)系統(tǒng)中毫無例外地采用了硬盤高速緩存，或稱為硬盤Cache。硬盤高速緩存分為兩種：硬件高速緩存和軟件高速緩存。軟件高速緩存是利用軟件工具(如SmartDrive)在系統(tǒng)主存中開辟的一塊區(qū)域作為數(shù)據(jù)傳送緩沖區(qū)，硬件高速緩存則是在磁盤控制器中安裝的一塊RAM，通過RAM緩沖區(qū)讀寫數(shù)據(jù)可以得到更高的訪問速度。早期硬盤中的cache很小，只有數(shù)十KB到數(shù)百KB，目前新型硬盤的高速緩存均達(dá)到2MB。在選購硬盤時(shí)除了注意容量、帶寬、轉(zhuǎn)速等參數(shù)外，還應(yīng)該考慮Cache的容量，越大越好。

KeytermsMainmemory(主存儲(chǔ)器)：存儲(chǔ)單元的集合。Address(地址)：用來區(qū)別每一個(gè)存儲(chǔ)單元的唯一的標(biāo)識(shí)符。Addressspace(地址空間)：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)。Bitpattern(位模式)：由二進(jìn)制數(shù)0和1組成的一個(gè)序列。KeytermsRandomaccessmemory(隨機(jī)存取存儲(chǔ)