计算机硬件体系结构
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.。
计算机体系结构设计
计算机体系结构设计
计算机体系结构设计是指设计计算机系统中的硬件和软件组成，
包括处理器、内存、输入输出设备等。
这个过程需要考虑计算机系统
的性能、功耗、成本、可靠性等方面。
设计师需要考虑如何优化计算
机体系结构，以满足不同应用场景的需求。
其中的一些关键问题包括：
1. CPU设计：需要考虑指令集、流水线、多核心、超线程、缓
存等问题来提高计算机的性能。
2. 存储器层次结构设计：包括如何设计高速缓存、内存和硬盘
之间的交互、内部总线等。
3. 总线设计：配置和设计I/O总线，内部总线和内存总线，以
保证系统的高效运作。
4. 输入输出设备设计：诸如显示器、键盘、鼠标、打印机等的
硬件设计。
5. 软件系统设计：包括操作系统、编译器、调试器等软件要素
的设计。
优秀的计算机体系结构设计需要有深厚的硬件和软件知识，也需
要丰富的实践经验。
现代计算机体系结构是一个复杂而庞大的系统，
设计师需要进行多层次的抽象和建模，逐步验证自己的设计。
计算机体系结构名词解释
层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。
虚拟机：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
计算机文化基础(1.6 计算机系统的组成)
系统并管理其资源 的程序组成。 主要功能包括：启动计算机，存储、加载和执 行应用程序，对文件进行排序、检索，将程序 语言翻译成机器语言等。 系统软件可以看作用户与计算机的接口，它为 应用软件和用户提供了控制、访问硬件的手段。
操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、服 务程序。由一
（5）输出设备
主要功能是将计算机处理后的各 种内部格式的信息转换成人们能 识别的形式（如文字、图形、图 像和声音等）。
显示器：显示器由监视器和显示 适配卡组成，是最常用的输出设备。 打印机：打印机也是计算机中最 常用的输出设备。按输出方式可分为 击打式和非击打式，击打式以针式打 印机为主要代表，非击打式以激光打 印机和喷墨打印机为主流。
（1）运算器（ALU ）
运算器是计算机的核心部件，主要负责对 信息的加工处理。运算器不断地从存储器中 得到要加工的数据，对其进行加、减、乘、 除及各种逻辑运算，并将最后的结果送回存 储器中，整个过程在控制器的指挥下有条不 紊地进行。 运算器主要由一个加法器、若干个寄存器 和一些控制线路组成。
（2）控制器（CU）
外存储器（也称辅助存储器） 用于存放暂时不用的数据和程序 ，使用时调入内存。属于永久性 存储器。 常用的外存储器有：硬盘、软 盘、光盘和数据备份设备(如磁 带机、光磁驱动器和活动硬盘) 等
（外）存储器
硬盘
硬盘片是由涂有磁性材料的铝合金构成；读写硬 盘时，磁性圆盘高速旋转产生的托力使磁头悬浮 在盘面上而不接触盘面；硬盘容量视具体类型而 定。硬盘多固定在机箱内部，防尘性能好、可靠 性高，对环境要求不高，但不便携带。
冯.诺依曼 ——电子计算机之父：
美籍匈牙利数学家
主要贡献： 与同事研制人类第二台计算 机EDVAC 提出“存储程序”概念 奠定了现代计算机体系结构 和工作原理
计算机硬件体系结构
3.2 微型计算机主机结构
1) 计算机指令系统
指令：是指计算机执行特定操作的命令。是程 序设计的最小语言单位。
指令构成：操作码+地址码 指令系统：是指一台计算机所能执行的全部指 令的集合。不同型号的计算机有不同的指令系统。 它反映了计算机的处理能力。
指令
分 类
操作码
操作数
结构
操作码 要完成的操作类型或性质
5.双核心CPU的二级缓存 双核心CPU的二级缓存比较特殊，和以前的单 核心CPU相比，最重要的就是两个内核的缓存所保 存的数据要保持一致。
3.2 微型计算机主机结构
3.2.3 总线 总线：是一组连接各个部件的公共通信线路，是计 算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通 道，是计算机硬件的一个重要组成部分。 总线按所传输信号不同可分为： 数据总线 地址总线 控制总线。
(1) 掩膜式 ROM(Mask ROM) (2) 可编程 PROM(Programmable ROM) (3) 可擦除 EPROM (Erasable PROM) (4) 电可擦 EEPROM(Electrically EPROM) (5) 快擦写 ROM(Flash ROM)
3.2 微型计算机主机结构
操作数 操作的内容或所在的地址
数据传送指令 数据处理指令 •程序控制指令 输入输出指令 其它指令
内存
CPU
＋ － ×÷ And Or……
If Goto……
主机
I/O设备
对计算机的硬件进行管理等
3.5 计算机指令及执行
2 )指令的执行过程
取指令 分析指令 取操作数 执行 回送结果
通常把CPU从内存 并中取出一条指令 并执行这条指令的 时间总和称为指令 周期。
计算机体系结构与并行计算
计算机体系结构与并行计算计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口，它涉及到计算机系统的组成和功能。
而并行计算是指多个任务同时进行，以提高计算机的处理能力和效率。
本文将从计算机体系结构和并行计算两个方面进行探讨，并分析二者之间的关系。
一、计算机体系结构计算机体系结构包括指令系统、处理器组织、存储组织和输入输出系统等。
其中，指令系统是计算机硬件与软件之间的接口，用于定义计算机所能执行的操作。
处理器组织是指负责执行指令和控制计算机操作的部件，包括运算器、控制器等。
存储组织是指计算机用来存储数据和程序的部件，包括主存储器、辅助存储器等。
输入输出系统则负责计算机与外部设备之间的数据传输和交互。
计算机体系结构的设计与优化直接影响着计算机的性能和效率。
在过去，计算机体系结构主要以单核处理器为主，即一次只能处理一个任务。
而随着科技的发展，为了满足越来越复杂的应用需求，人们开始将目光转向了并行计算。
二、并行计算并行计算是指多个任务之间通过并行执行共同完成某一计算任务。
它可以将一个大型任务划分为多个子任务，通过不同的处理器或计算核心同时执行，从而提高计算速度和效率。
并行计算可分为两种类型：数据并行和任务并行。
数据并行主要是指对大规模数据进行划分，使得每个处理器可以处理一部分数据，并在各个处理器之间进行数据交换和通信。
任务并行则是指将一个大型任务拆分成多个小任务，由不同的处理器执行，最终将结果合并。
这种方式可以充分利用多个处理器的计算能力，加快任务完成的速度。
并行计算的优势在于同时进行多个计算任务，提高了计算的效率和吞吐量。
它在大规模科学计算、数据处理和图形渲染等领域得到了广泛应用。
然而，并行计算也面临着一些挑战，如任务划分、负载平衡和数据同步等问题，需要通过合理的算法设计和系统结构来解决。
三、计算机体系结构与并行计算的关系计算机体系结构和并行计算是相辅相成的关系。
计算机体系结构提供了并行计算所需的硬件平台和系统支持，而并行计算则在提高计算机性能和效率方面对体系结构提出了更高的要求。
《计算机体系结构》课件
ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情，为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构，包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力
。
并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
1 2
多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出 寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分，负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成，包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。
冯诺依曼计算机的体系结构
冯诺依曼计算机的体系结构冯·诺依曼计算机体系结构是现代计算机硬件和软件架构的基石之一。
它由冯·诺依曼教授于1945年提出，并于1946年完成了一台基于该体系结构的计算机原型。
冯·诺依曼计算机体系结构由5个重要部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
运算器是计算机的核心部件，负责进行各种算术和逻辑运算。
控制器负责协调和控制计算机各个部件的工作，按照指令序列的顺序执行操作。
存储器用于存储程序和数据，其中包括运行时的指令和数据，以及处理数据的结果。
输入设备用于将外部信息输入计算机，输出设备用于将计算机加工后的信息传递给外部。
冯·诺依曼计算机采用了存储程序的概念，即将程序和数据存储在同一种类型的存储器中。
这种方法使得计算机可以根据程序的指示按需获取和处理数据。
与之相对，冯·诺依曼计算机引入了存储程序的概念，这使得计算机不仅能够执行预编程的操作，还能够根据指令自动改变执行路径。
冯·诺依曼计算机的指令由操作码和操作数组成。
操作码定义了所执行的操作类型，而操作数则指定了该操作所需的数据。
指令以二进制代码的形式存储在计算机的存储器中，并按照特定的格式解码和执行。
指令的执行过程包括获取指令、解码指令、执行指令和存储结果。
冯·诺依曼计算机还引入了模块化设计的概念，即将计算机划分为多个模块，每个模块负责不同的任务。
这种设计使得计算机的构建和维护更加简便和灵活，并促进了计算机的发展和演进。
冯·诺依曼计算机体系结构的优点在于其简单性和通用性。
由于存储程序的概念，计算机可以按照预先定义的方式执行操作，而无需进行物理改变。
此外，冯·诺依曼计算机的体系结构可以用于各种不同的计算任务，从科学计算到商业数据处理。
然而，冯·诺依曼计算机体系结构也存在一些局限性。
首先，由于计算机的运算和存储操作是分离的，导致了存储器和运算器之间的瓶颈问题。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
3.2 微型计算机主机结构
3.2.3 主板
主板上的主要部件： 1，三大芯片：
• • • 北桥芯片：主桥。负责CPU和内存及显卡之间的数据传输。 南桥芯片（包含了CMOS芯片） ：负责CPU和低速设备之间的数据 传输。 BIOS芯片：BIOS程序；CMOS参数设置程序；自检自举；。
Intel公司
• Intel公司创建于1968年，是生产 CPU的“老大”。
• Intel领导着CPU的世界潮流，从 286、386、486、Pentium、 Pentium Pro、PentiumⅡ、 PentiumⅢ， Pentium 4到现在主
流的酷睿2 ，可以说intel公司的
发展史就是pc机的发展史。
AMD公司
• AMD创办于1969年，AMD是目前惟一 能与Intel竞争的CPU生产厂家，AMD公 司的产品形成了以Duron(毒龙), Athlon (速龙), Sempron(闪龙)为核心的一系列产 品。速龙和奔腾一样是高端,闪龙和赛扬 一样是低端产品,毒龙以前的代号,现在 基本不用 • Intel的工艺更好，所以同档次的、同时 期的CPU当中，AMD比Intel稍微差一点。 不过AMD的性价比更好。
BIOS中主要存放：
● 主要I／O设备的驱动程序和中断服务：它是微机系统软、 硬件之间的一个可编程接口，用于程序软件功能与微机 硬件实现的衔接。 DOS/Windows操作系统对软、硬盘、 光驱与键盘、显示器等外围设备的管理即建立在系统 BIOS的基础上。 ● CMOS设置程序：引导过程中，用特殊热键启动，进行 设置后，存入CMOS RAM中；
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。
硬 件
运算器 控制器 存储器
输入设备 输出设备
CPU
内存储器
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。
3.1 计算机系统的构成
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 1971 1978 1982 1985 1989 1993 1997 1999 2000 CPU芯片 4004 8086/8088 80286 80386 80486 Pentium Pentium Ⅱ Pentium III Pentium 4 集成度 2300 2.9万 14.3万 27.5万 125万 310万 750万 2800万 4200万 主频 108KHz 4.77-10MHz 6-20MHz 12.5-33MHz 33-133MHz 60-233MHz 233-450MHz 450-800MHz 400M-3.2GHz 字长(b) 4 16 16 32 32 32 32 32 32/64 最大内存 640B 1MB 16MB 4GB 4GB 4GB 4GB 64GB 64GB
第三章 计算机硬件体系结构
3.1 计算机系统的构成
3.2 微型计算机主机结构
3.3 外部存储器 3.４ 常用的外部设备 3.5 计算机指令系统
3.1 计算机系统的构成
3.1.1 计算机的硬件系统
3.1 计算机系统的构成
I/O设备怎么和主机相连的？ I/O接口有什么作用？ 地址总线（AB）
CPU （含运算器 和控制器）
2，连接CPU和内存的插座插槽 3，总线：
• • 低速总线ISA,中速总线PCI/AGP,高速总线PCIE 对应的总线扩展插槽
4，I/O接口：如软驱（FDC）接口，硬盘和光驱接口(IDE, EIDE,SATA,SCSI)，串/并口，PS/2接口，USB接口等。有 些主板还内置了声卡，显卡，网卡等接口。
Intel公司的cpu为代表：
• • • • • 第一代：4位及8位微处理器（intel4004,4040,8008,8085） 第二代：16位微处理器(intel的8086,8088，80286) 第三代：低档32位微处理器(intel的80386，80486) 第四代：高档32位微处理器（奔腾系列） 2005开始，64位cpu开始崭露头角，与64位应用交相辉映的 还有“双核”。目前，intel和amd公司的cpu产品已经全面 迈入64位时代，双核处理器也得到了迅速的普及
数据总线（DB）
控制总线（CB）
RAM
ROM
I/O接口
I/O设备
3.1 计算机系统的构成
3.1.2 冯· 诺依曼计算机的结构
冯· 诺依曼体系所组织的计算机结构的主要 特点是：
(1)采用二进制形式表示程序和数据。
(2)由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大 基本部件组成 。
(3) 程序存储方式。 (4) 程序控制。
(1)运算逻辑部件：核心是 加法器 (2)寄存器部件：由独立的 快速存储器组成，用来 临时存放指令和数据。 如数据寄存器（如R1Rn），指令寄存器（I）， 和程序计数器（PC） (3) 控制器
3.2 微型计算机主机结构
3.2.1中央处理器 CPU
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与内存间数据交换） (6) 运算速度（CPU每秒能处理的指令数）