第三章 计算机硬件体系结构

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1、第三章计算机硬件体系结构3.1计算机系统的构成一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中：中央处理器(简称CPU)=运算器+控制器主机=中央处理器+主存储器软件是指各类程序和数据，计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需要的应用软件。3.1.2冯·诺依曼型计算机的结构冯·诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储器中，在执行时将程序和数据先从外存装入内存中，然后使计算机在工作时自动地从内存中取出指令并加以执行，这就是存储程序概念的基本原理。冯·诺依曼计算机体系结构的主要特点是：(1)采用二进制形式

2、表示程序和数据。(2)计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。(3)程序和数据以二进制形式存放在存储器中。(4)控制器根据存放在存储器中的指令(程序)工作。3.1.3微型计算机的诞生与发展微型机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机。微机的核心部件是CPU3.2微型计算机主机结构微型机基本是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有CPU、主板、内存、硬盘、光驱、电源等。3.2.1中央处理器CPUCPU：运算器部件、寄存器部件和控制器部件。CPU从存储器取出指令，放入CPU内部的指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的微操作，然后

3、发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。CPU的主要性能指标：(1)主频/外频（主频=外频×倍频，即CPU工作频率）(2)数据总线宽度（即字长，指CPU传输数据的位数）(3)地址总线宽度（决定了CPU可访问的地址空间）(4)工作电压（低电压可减少CPU过热，降低功耗）(5)高速缓存Cache（加速CPU与其它设备间数据交换）(6)运算速度（CPU每秒能处理的指令数）1.运算器运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的。运算器的核心部件是:(1)运算逻辑部件(2)寄存器部件2.控制器控制器负责从存储器中取出指令

4、，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。控制器主要由以下部件组成：①程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址；②指令寄存器。保存现在正在执行的指令；③指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求；④时序部件。产生计算机工作中所需的各种定时控制信号，对各种微操作控制信号进行定时控制。以协调各部件的工作顺序；⑤微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列不可再分的微操作命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。3.2.2高级CPU技术1、超线程技术2、双核心CPU技术：由于组建双

5、CPU系统的高成本和复杂性，桌面电脑上并未得到普及。用“双核”技术，就是在单个CPU中真正集成两个物理运行核心，因此在实际使用中，这种“双核心处理器”和使用两个独立CPU组建的系统在工作原理和性能上基本没有区别。目前，CPU已从双核向4核、8核和多核方向发展。3.2.3主板主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供CPU、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插槽，其它的外部设备也会通过主板上的I/O接口连接到计算机上。早期的PC机主板是将快速的CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。3.2.4内存储器内存储器(简称内存)，由半导体材料构成。内存分为

6、只读存储器和随机读写存储器。1.只读存储器ROM•特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。•ROM分类(1)掩膜式ROM(MaskROM)(2)可编程PROM(ProgrammableROM)(3)可擦除EPROM(ErasablePROM)(4)电可擦EEPROM(ElectricallyEPROM)(5)快擦写ROM(FlashROM)2.随机存储器RAM特点：用于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失。RAM分类:(1)SRAM：静态RAM。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般做高速缓冲存储器。(2)DRA

7、M：动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整性，通常所说的“内存”主要由它构成。一般指以下两种类型：①SDRAM---同步动态存储器②DDR---双倍速率内存(DDR2---四倍速率内存DDR3)3.Cache(高速缓存)Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重要技术。其中片内Cache是集成在CPU芯片中，片外Cache是安插在主板上。高速缓冲存储器的存取速度比主存要快一个数量级，大体与CPU的处理速度相当。4