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.。
第3章 计算机硬件系统 习题与答案
第三章习题（1）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）。
（P69）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。
(P74-P75)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。
(P77) 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（GordonMoore，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。
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
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。
计算机体系结构精选ppt
• 于是，计算机又被看成是由主机和外设两 大部分组成。但无论怎样划分，计算机的5大 部件始终是相对独立的子系统，缺一不可。
3.1.2 计算机硬件的典型结构
• 计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通 道结构，它们是各种大、中、小、微型计算机的典型 结构体系。
第三章 计算机体系结构
• 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。 硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可
以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件
或设备，或由它们组成的计算机部件或整个计 算机硬件系统。
• 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等 多种结构形式，其硬件主要包括: 运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。
息的通路叫输入/输出总线(I／O总线)，各种I/O设备通过
I/O接口连接在I/O总线上。
这种结构的优点是控
制线路简单，对I/O
总线的传输速率相对
地可降低一些要求。
缺点是I/O设备与主
存储器之间交换信息
一律要经过CPU，将
耗费CPU大量时间，
降低了CPU的工作效
率。
3．小型机的总线型结构
（3）以存储器为中心的双总线结构
备之间均可以通过系统总线交换信息。
备与主存储器交换信息时，
CPU还可以继续处理默认的不
需要访问主存储器或I/O设备
的工作。缺点是同一时刻只允
许连接到单总线上的某一对设
备之间相互传递信息，限制了
信息传送的吞吐量(或称速率)。
此外，单总线控制逻辑比专用
的存储总线控制逻辑更为复杂，
计算机硬件系统的结构和工作原理
计算机硬件系统的结构和工作原理计算机硬件系统主要由五大部件组成，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
1.运算器：也称为算术逻辑部件，负责执行数据的算术和逻辑运算。
2.控制器：是计算机的指挥中心，负责控制计算机的各部件有条不紊地协调工作。
控制器和运算器通常被集成在一块集成电路芯片上，称为中央处理器（CPU）。
CPU是计算机硬件系统的核心和关键部件，决定了计算机的性能。
3.存储器：分为内储存器和外储存器。
内储存器（简称内存或主存）是计算机内部用于存放数据的硬件设备，是程序和数据存储的基本要素，也是CPU能直接寻址的存储空间。
其特点是存取速度快。
外储存器（简称外存或辅存）是一种辅助存储设备，主要用于存放暂时不用但需要长期保存的程序或数据。
外存实际上属于输入输出设备。
4.输入设备：用于输入程序或数据的硬件设备，如键盘、鼠标、摄像头、传声器等。
5.输出设备：用于输出计算机处理后的结果的硬件设备，如显示器、音响、打印机等。
计算机的工作原理可以概括为以下几个步骤：首先，输入设备接受外界的信息（程序和数据），然后控制器发出指令将数据送入内存储器。
接着，控制器向内存储器发出取指令命令，程序指令逐条送入控制器。
控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令。
运算器进行计算，并将结果存储在存储器内。
最后，在控制器的指挥下，通过输出设备输出计算结果。
此外，计算机硬件系统还需要与计算机软件系统协同工作。
计算机软件是指与计算机系统操作有关的各种程序以及任何与之相关的文档和数据的集合。
总之，计算机硬件系统是一个复杂的体系结构，各个部件之间需要相互配合、协同工作，才能完成各种计算任务。
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存储体
512 MB
一个数据存放在一个或多个字节中
FFFFH
2 CPU通过单元地址访问存储单元中的数据 GB
往存储单元放新数据时原数据将被覆盖 存储体结构图示意
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
计算机科学与工程系
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(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)
16
32 32 32 32 32 32/64
16MB
4GB 4GB 4GB 4GB 64GB 64GB
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
计算机科学与工程系
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
3.1.3 微型计算机的诞生与发展
计算机科学与工程系
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 CPU芯片 4004 8086/8088 集成度 2300 2.9万 主频 108KHz 4.77-10MHz 字长(b) 4 16 最大内存 640B 1MB
③ 控制总线。有的是CPU向内存或外部设备 双向传输。CPU进行“读”时，数据由 设时，它向地址总线发出相应外设的地 发出的信号；有的是内存或外部设备向CPU 外设流向CPU，当CPU进行“写”时， 址信号，以选择某个外设。 发出的信号。对每条控制线而言信号是单向 数据由CPU流向外设。 传送，但作为整体是双向的。
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
计算机科学与工程系
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
计算机科学与工程系
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。
固件中心 行 口 行 口
AGP图形控制器
IDE驱动器
USB端口
AC’97编码
LAN连接
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3.2 微型计算机主机结构
采用中心结构的主板结构
PCI-E :PCI Express的简称， 是用来代替PCI、 AGP接口的一种 新的总线和接口 标准，其传输速 度远远高于PCI 和AGP总线 。
计算机科学与工程系
处理器 处理器
计算机科学与工程系
Pentium III以上的主板结构(采用中心结构的主板结构 )。
采用中心结构的 芯片组：共3块芯片 构成。 CPU总线 存储控制中心： 相当北桥芯片。 I/O 控 制 中 心 ： 相当南桥芯片。 8XX系列 固件中心：相当 主存储器 存储控制中心 于传统体系结构中 PCI槽 的BIOS ROM。 这种体系其实跟 中心高速接口 南北桥架构相差不 大，它主要是把PCI PCI总线 系统总线控制部分 从北桥转到南桥。 I/O控制中心 键盘 另 外 ， 前 两 块 芯 片 LPC I/F Super I/O 鼠标 不是通过PCI总线进 行连接，而是建立 了一条高速专用通 串 并 道 。
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
CPU 协处理器
ROM BIOS
DRAM控制器
RAM
8253定时/计数器
8237DMA控制器
8259中断控制器
DMA页面寄存 器 8个扩展插槽
8250串行通信控制 器 8255 并行接口
扩 展 总 线 缓 冲
PC总线
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3.2 微型计算机主机结构
Pentium II处理器
计算机科学与工程系
Pentium II 处理器 CPU总线
1982
1985 1989 1993 1997 1999 2000
80286
80386 80486 Pentium Pentium Ⅱ Pentium III Pentium 4
14.3万
27.5万 125万 310万 750万 2800万 4200万
6-20MHz
12.5-33MHz 33-133MHz 60-233MHz 233-450MHz 450-800MHz 400M-3.2GHz
1.2 计算机系统构成
1.2.1 计算机硬件系统
计算机科学与工程系
计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、 输出设备五大部分组成。
冯•诺依曼计算机结构
控制信号流
数据流
教学进度
1.2 计算机系统构成
中央处理器 运算器 控制器
计算机科学与工程系
ROM 内存 硬件 存储器 RAM 软盘 磁盘 外存 光盘 硬盘 U盘 键盘、鼠标、显示器、 打印机、扫描仪等
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
计算机科学与工程系
3.2.4 内存储器 内存储器 (简称内存)，由半导体材料构成。 内存分为只读存储器和随机读写存储器。
内存储器分类
教学进度
存储位
计算机科学与工程系
0000H
0001H
0002H
存储单元 （字节）
存储单元特点：
存储单元地址 地址与存储单元是一一对应的
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
计算机科学与工程系
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
计算机科学与工程系
6. 存储器的层次结构 既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求 合理，在目前技术条件下这三项指标很难用单一种 类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。
教学进度Biblioteka 3.2 微型计算机主机结构
计算机科学与工程系
3.2.5 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： ① 地址总线。传输的是地址信号，一 数据总线 地址总线 ② 数据总线。传输的是数据，一般是控制总线。 般是单向传输。当CPU需要访问某个外
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3.2 微型计算机主机结构
3.2.3 主板
计算机科学与工程系
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。
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3.2 微型计算机主机结构
计算机科学与工程系
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。
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
计算机科学与工程系
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) DRAM：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： ① SDRAM---同步动态存储器 ② DDR---双倍速率内存 (DDR2---四倍速率内存\DDR3)
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3.2 微型计算机主机结构 3.2.2 高级CPU技术
计算机科学与工程系
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。
486到Pentium II期间，主板一般采用南北桥芯片结构主板。
传统的南北 桥芯片组： 北桥：主板 上离CPU最近的 2×AGP 图形设备 一块芯片，负责 总线 与CPU的联系并 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， 2个IDE接口 主 要 负 责 I/O 接 口以及IDE设备 2个USB接口 的 控 制 等 。
教学进度
3.2 微型计算机主机结构
计算机科学与工程系
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。