第三章 计算机硬件体系结构
第三章 计算机系统分层结构
PF
CF
奇偶（偶/奇）
进位（是/否）
PE
CY
PO
NC
3．总线
所谓总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路， 它分时接收各部件送来的信息，并发送信息到有关部件。
由于多个部件连接在一组公共总线上，可能会出现多个部件争 用总线，因此需设置总线控制逻辑以解决总线控制权的有关问题。
总线分类:
CPU内部总线用来连接CPU内的各寄存器与ALU ; 系统总线用来连接CPU、主存储器与I/O接口，它通常包括 三组：数据总线、地址总线和控制总线。 按总线传送的方向可将总线分为单向总线和双向总线。
CPU是计算机的核心组成部分
3.1.1
CPU的组成
• 由算术逻辑部件ALU 、控制器、各种寄存器（寄 存器群）和CPU内部总线（连接部件） • 另：Cache
•
1．ALU部件
ALU的功能是实现数据的算术与逻辑运算 两个输入端口，参加运算的两个操作数，通常 来自CPU中的通用寄存器或ALU总线。 控制信号：ADD,SUB,OR,AND等 输出：运算结果
时序控制方式就是指微操作与时序信号之间采取何种关系，
它不仅直接决定时序信号的产生，也影响到控制器及其他部件的组 成，以及指令的执行速度。
1．同步控制方式
同步控制方式是指各项操作由统一的时序信号进行同步控制。 同步控制的基本特征是将操作时间分为若干长度相同的时钟 周期（也称为节拍），要求在一个或几个时钟周期内完成各个微 操作。在CPU内部通常是采用同步控制方式 。 同步控制方式的优点是时序关系简单，结构上易于集中，相应 的设计和实现比较方便。
计算机系统结构
系统的层次结构
★★
5层
翻译(编译器)
计算机硬件体系结构
1.计算机硬件体系结构：未配置任何软件的计算机称为裸机。
美籍匈牙利数学
家冯●诺依曼 1946年提出储存程序原理。
→输入设备→存储器→输出设备→
↓
运算器控制器
2.中央处理器：（1）运算器（2）控制器（3）存储器
3.输入输出设备：鼠标.键盘.扫描仪.数码相机.条码阅读器。
输出：
显示器.打印机.音响.绘图仪等。
4.计算机软件体系结构：（1）操作系统软件:(DOS.Linux.Windows.
等)。
5.认识计算机主板：主板又名主机板.母板.系统板等。
主板一般为
矩形电路板。
主要组装计算机的电路系统 BIOS芯片.io控制芯片。
6.电路板各个部件：插槽.芯片.电阻.电容等。
内存插槽：AGP插
槽.PCI插槽.IDE接口.以及主办边缘的串口.并口.PS/2接口等。
7.主板主要结构：ATX版型：扩展插槽较多.PCI插槽数量为4～6个。
8.主板芯片：（1）BIOS芯片：BIOS是一组被固化到计算机中.为计
算机提供最低级.最直接的硬件控制程序.是连通软件程序和硬件设备之间的枢纽.负责解决硬件的及时要求.并按照软件对硬件的操作要求来具体执行。
9.主板插槽：SIMM.DIMM.RIMM.。
新编导论-第3章 计算机硬件与体系结构
• RAM的速度非常重要。处理器一般以很高的速度在工作， 但如果它要等待从RAM中读取数据的话，就会导致速度下 降。
• 在如今的微型机中，RAM通常被配置为固定于DIMM (dual in- line memory module) 小电路板上的一系列DIPS芯 片上。DIMM带有金属“牙齿”的一边插到主板上特殊 RAM插槽中，这样就可以很容易替换有缺陷的RAM或者 添加RAM容量。
• 3.1.1 系统内部
– 观察计算机系统的内部结构，计算机系统单元通常包含电路板、 电源以及存储设备等。一些线缆把这些单元连接起来。
– 相对于图示的微型机机箱而言，笔记本电脑内部部件被压缩得很 紧密。微型机的主要部件与小型机、大型机甚至巨型机的部件很 类似。因此，这一章中介绍的大多数微型机体系结构的概念也同 样适用于其他类型的计算机。
• 寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元，CPU 的运算离不开多个寄存器。寄存器包括数据寄存器、指令 寄存器和程序计数器等。
• 除了处理数据和软件指令外，RAM还存放控制计算机系统 基本功能的操作系统指令。这些指令在每次启动计算机的 时候被加载到RAM中，一直到关机才消失。
• RAM的存储容量用MB来衡量。现在的微机通常都有 512MB到几个GB的存储容量。计算机需要的RAM容量取 决于所使用的软件。通常软件运行所需要的最小内存容量 都在软件包装盒的外面有说明。用户可以根据自己机器的 情况，通过购买额外的RAM芯片来扩充其内存容量。
• 3.3 中央处理器
– 3.3.1 CPU体系结构 – 3.3.2 指令与指令周期 – 3.3.3 CPU的性能因素 – 3.3.4 流水线和并行处理 – 3.3.5 双核处理器
>
• 3.3 中央处理器
第3章 计算机硬件系统 习题与答案
第三章习题（P90-92）一、复习题1．计算机由哪几部分组成，其中哪些部分组成了中央处理器？答：计算机硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五部分组成其中，运算器和控制器组成中央处理器（CPU）。
（P72）2．试简述计算机多级存储系统的组成及其优点。
答：多级存储系统主要包括：高速缓存、主存储器和辅助存储器。
把存储器分为几个层次主要基于下述原因：（1）合理解决速度与成本的矛盾，以得到较高的性能价格比。
（2）使用磁盘、磁带等作为外存，不仅价格便宜，可以把存储容量做得很大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存，且复制、携带都很方便。
(P76-P77)3．简述Cache的工作原理，说明其作用。
答：Cache的工作原理是基于程序访问的局部性的。
即主存中存储的程序和数据并不是CPU每时每刻都在访问的，在一段时间内，CPU只访问其一个局部。
这样只要CPU当前访问部分的速度能够与CPU匹配即可，并不需要整个主存的速度都很高。
Cache与虚拟存储器的基本原理相同，都是把信息分成基本的块并通过一定的替换策略，以块为单位，由低一级存储器调入高一级存储器，供CPU使用。
但是，虚拟存储器的替换策略主要由软件实现，而Cache的控制与管理全部由硬件实现。
因此Cache效率高并且其存在和操作对程序员和系统程序员透明，而虚拟存储器中，页面管理虽然对用户透明，但对程序员不透明；段管理对用户可透明也可不透明。
Cache的主要作用是解决了存储器速度与CPU速度不匹配的问题，提高了整个计算机系统的性能。
(P79)4．描述摩尔定律的内容，并说明其对于计算机的发展具有怎样的指导意义。
答：摩尔定律（Moore law）源于1965年戈登·摩尔（Gordon Moore，时任英特尔(Intel)公司名誉董事长）的一份关于计算机存储器发展趋势的报告。
根据他对当时掌握的数据资料的整理和分析研究，发现了一个重要的趋势：每一代新芯片大体上包含其前一代产品两倍的容量，新一代芯片的产生是在前一代产生后的18-24个月内。
硬件体系结构的优化与设计
硬件体系结构的优化与设计第一章硬件体系结构概述计算机硬件是指计算机的物理部件，包括中央处理器、内存、硬盘、显示器等。
这些部件之间的互联和组织方式构成了计算机的体系结构。
硬件体系结构的优化和设计是计算机系统设计和开发的重要组成部分。
第二章硬件体系结构优化硬件体系结构的优化可以提升计算机的性能和功耗效率。
以下是一些常见的硬件体系结构优化技术。
2.1 流水线流水线是一种将指令分成多个阶段来同时执行的技术。
这种技术能够大幅度提高计算机的指令执行速度。
实际上，许多现代处理器拥有大量的流水线阶段。
2.2 并行处理器并行处理器是一种在同一时刻执行多个处理器指令的技术。
这种技术可以提高计算机的效能，并且可以在多个处理器之间分配任务，从而有效地平衡负载。
2.3 多核处理器多核处理器将两种技术结合起来，即将多个处理器核心集成在同一个芯片上。
这种技术可以提高计算机的效能，并且可以在运行时动态地平衡负载。
2.4 指令级并行处理器指令级并行处理器是一种能够同时执行多个指令的处理器。
这种技术可以在自动控制下平衡指令流，并且在同一时间内允许多个指令同时执行。
2.5 SIMDSIMD是一种指令级并行处理的实现方式，它允许在单个指令中并行处理多个相同数据类型。
这种技术可以在多维数据处理、向量计算和图像处理中非常有效。
2.6 物理寻址物理寻址是一种采用内存映射方式将物理地址映射到虚拟地址的技术。
这种技术可以在不同的处理器架构之间实现代码的可移植性。
第三章硬件体系结构设计硬件体系结构的设计是一项复杂的工作。
下面是一些硬件体系结构设计的重要方面。
3.1 处理器架构处理器架构是指处理器组件之间的连接方式和指令集。
处理器架构的设计可以影响到计算机的性能和功耗效率。
3.2 指令集架构指令集架构是指处理器能够执行的指令集合。
指令集架构的设计可以影响到计算机的性能和编程的难易程度。
3.3 存储系统存储系统是指计算机的内存、硬盘和其他存储设备。
存储系统的设计可以影响到计算机的访问速度和存储容量。
第3章--计算机体系结构
1.则中断级屏蔽位如何设置？ 2.假设在用户程序执行过程中同时出现1，2，3， 4四个中断请求，请画出程序运行过程示意图？
第3章作业2
假设系统有4个中断级，则中断响应次序是 1 2 3 4，如果中断处理次序是4 2 3 1
1.则中断级屏蔽位如何设置？ 2.假设在用户程序执行过程中同时出现1，2，3， 4四个中断请求，请画出程序运行过程示意图？
0
习题3-5
(1)当中断响应次序为1 2 3 4时，其中断处 理次序是？
(2)如果所有的中断处理都各需3个单位时间，中断 响应和中断返回时间相对中断处理时间少得多。 当机器正在运行用户程序时，同时发生第2、3级 中断请求，过两个单位时间后，又同时发生第1、 4级中断请求，请画出程序运行过程示意图?
中断级屏蔽位的设置
中断 处理 程序 级别 第1级 第2级 第3级 第4级 第5级 中断级屏蔽位
1级 1
0 0 0 0
2级 1
1 0 1 1
3级 1
1 1 1 1
4级 1
0 0 1 0
5级 1
0 0 1 1
具体执行 过程如图:
第3章作业1
假设系统有4个中断级，则中断响应次序是 1 2 3 4，如果中断处理次序是1 4 2 3
中断的响应次序和处理次序
中断的响应次序
中断的响应次序是同时发生多个不同中断类的中断 请求时，中断响应硬件中排队器所决定的响应次序 中断响应的次序是用硬件---排队器---来实现的。
排队器重的次序是由高到低固定死的。
中断处理次序：
中断的处理要由中断处理程序来完成，而中断处理 程序在执行前或执行中是可以被中断的，这样，中 断处理完的次序（简称中断处理次序）就可以不同 于中断响应次序。
简述计算机系统的硬件结构
简述计算机系统的硬件结构计算机系统是现代社会不可或缺的一部分，无论是个人使用还是商业运营，都需要计算机系统的支持。
计算机系统包括硬件和软件两部分，其中硬件是计算机系统的基础，也是支撑计算机系统运行的重要组成部分。
本文将简述计算机系统的硬件结构，为读者提供一些基础的计算机硬件知识。
一、计算机系统硬件结构概述计算机系统的硬件结构可以分为五个部分：中央处理器(CPU)、存储器、输入设备、输出设备和通信设备。
其中，中央处理器是计算机系统的核心部件，负责控制计算机系统的运行、执行指令、进行算术和逻辑运算等。
存储器用于存储计算机系统的程序和数据，包括随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两种类型。
输入设备用于将外界信息输入到计算机系统中，包括键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。
输出设备用于将计算机系统处理的信息输出到外界，包括显示器、打印机、扬声器等。
通信设备用于计算机系统之间或计算机系统与外界进行通信，包括调制解调器、网卡、路由器等。
二、中央处理器中央处理器是计算机系统的核心部件，也是计算机系统的重要组成部分。
中央处理器包括控制器和算术逻辑单元(ALU)两个部分。
控制器负责控制计算机系统的运行，执行指令、管理存储器等。
算术逻辑单元(ALU)负责进行算术和逻辑运算，包括加、减、乘、除、与、或、非等运算。
中央处理器的运行过程可以分为取指、译码、执行和存储四个步骤。
取指是指从存储器中读取指令，译码是指将指令翻译成机器语言，执行是指将指令转换成操作，并进行算术和逻辑运算，存储是指将运算结果存储到存储器中。
三、存储器存储器是计算机系统的重要组成部分，用于存储计算机系统的程序和数据。
存储器分为随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两种类型。
随机存储器(RAM)是一种易失性存储器，用于存储计算机系统的程序和数据，但当计算机系统关闭或断电时，存储器中的数据会丢失。
只读存储器(ROM)是一种非易失性存储器，用于存储计算机系统的程序和数据，但它的内容只能被读取，不能被写入或修改。
计算机硬件结构
计算机硬件结构计算机，这个在现代社会中无处不在的神奇设备，已经成为我们生活和工作中不可或缺的一部分。
从智能手机到超级计算机，从家庭娱乐到科学研究，计算机的应用领域不断拓展。
而要理解计算机的工作原理，首先需要了解它的硬件结构。
计算机硬件主要由五个部分组成：输入设备、输出设备、运算器、控制器和存储器。
这五个部分协同工作，使得计算机能够完成各种各样的任务。
输入设备就像是计算机的“耳朵”和“眼睛”，负责将外部的信息传递给计算机。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。
当我们敲击键盘输入文字，或者移动鼠标点击图标时，这些操作产生的信号会被输入设备转化为计算机能够理解的电信号，然后传输给计算机进行处理。
输出设备则相当于计算机的“嘴巴”和“手”，把计算机处理后的结果展示给我们。
显示器、打印机、音箱等都属于输出设备。
计算机经过复杂的运算和处理后，将结果以图像、文字、声音等形式通过输出设备呈现出来。
比如，我们在电脑上编辑文档后，通过打印机可以将文档打印出来。
运算器和控制器共同构成了计算机的“大脑”，也就是中央处理器（CPU）。
运算器负责进行算术运算和逻辑运算，它能够快速地对数据进行加、减、乘、除等数学计算，以及比较、判断等逻辑操作。
控制器则是整个计算机系统的指挥中心，它根据事先编好的程序，控制计算机各个部件有条不紊地工作。
它从存储器中读取指令，分析指令的操作码和地址码，然后向其他部件发出控制信号，协调计算机的工作流程。
存储器则是计算机的“记忆库”，用于存储程序和数据。
存储器分为内存储器和外存储器。
内存储器速度快，但容量相对较小，通常包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM 中的数据在计算机断电后会丢失，而 ROM 中的数据则不会。
外存储器容量大，但速度相对较慢，比如硬盘、U盘、光盘等。
外存储器中的数据可以长期保存，即使计算机断电也不会丢失。
在计算机硬件结构中，各个部件之间通过总线进行连接和通信。
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3.2 微型计算机主机结构
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。
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
3.2.2 高级CPU技术
双核心CPU技术 ：由于组建双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。
硬件
运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备
CPU
内存储器 外存储器
主机
外部设备
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
3.2.1中央处理器 CPU
CPU：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）
32
4GB
1997 Pentium Ⅱ 750万 233-450MHz
32
4GB
1999 Pentium III 2800万 450-800MHz
32
64GB
2000 Pentium 4 4200万 400M-3.2GHz 32/64 64GB
教学进度
3.2 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。
Pentium II处理器
Pentium II 处理器
传统的南北
桥芯片组：
北桥：主板
上离CPU最近的 一块芯片，负责 与CPU的联系并
图形设备
2×AGP 总线
控制内存、AGP、
PCI数据在北桥
内部传输。
南桥：主板
上另一块芯片， 主要负责I/O接
教学进度
3.1计算机系统的构成
3.1.1 计算机的硬件系统
U盘
教学进度
3.1计算机系统的构成
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。
第三章 计算机硬件体系结构
本章介绍计算机硬件体系结构方面的 有关知识，包括：计算机系统的构成；微 机主机结构(CPU、主板、内存、总线、接 口等)；外部存储器(软盘、硬盘、光盘、U 盘等)；常用外部设备(显示器、打印机等)； 计算机指令系统等。
教学进度
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。
3.1.3 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CPU，因此我们主要以CPU的发展、 演变过程为线索，来介绍微机系统的发展过程，以Intel公司的CPU 为主线。
开始时间 CPU芯片 集成度
主频
字长(b) 最大内存
1971
4004
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
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，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。
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
3.2.3 主板
主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供了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。
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
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。
CPU
协处理器
ROM BIOS
8253定时/计数器
8259中断控制器
8250串行通信控制 器
8255 并行接口
DRAM控制器 8237DMA控制器
DMA页面寄存 器
扩 展 PC总线 总 线 缓 冲
RAM 8个扩展插槽
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
486到Pentium II期间，主板一般采用南北桥芯片结构主板。
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。
教学进度
3.1计算机系统的构成
2300
108KHz
4
640B
1978
8086/8088 2.9万
4.77-10MHz
16
1MB
1982
80286
14.3万
6-20MHz
16
16MB
1985
80386
27.5万 12.5-33MHz
32
4GB
1989
80486
125万
33-133MHz
32
4GB
1993
Pentium
310万
60-233MHz