献给为这门课努力攻关的献给为这门课努力攻关的 所有自考学生所有自考学生微机原理与接口技术自考练习微机原理与接口技术自考练习冯冯 诺依曼计算机的结构与原理诺依曼计算机的结构与原理中央处理器输入设备存储器输出设备 运算器和控制器(1) (1) 计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指 令是能被计算机理解和执行的操作命令；令是能被计算机理解和执行的操作命令； (2) (2) 程序程序( (指令指令) )和数据均以二进制编码表示，均存放在存储和数据均以二进制编码表示，均存放在存储 器中；器中； (3) (3) 存储器中存放的指令和数据按地址进行存取存储器中存放的指令和数据按地址进行存取 ； (4) (4) 指令是由指令是由CPUCPU一条一条顺序执行的。一条一条顺序执行的。计算机系统硬件主机主机微处理器(CPU)运算器 控制器内存储器只读存储器(ROM) 随机存储器(RAM)外存储器硬盘、软盘、光盘外部设备外部设备输入设备键盘、鼠标、光笔、扫描仪输出设备显示器、打印机、绘图仪软件系统软件系统软件操作系统 语言编译系统数据库管理系统应用软件应用软件文字处理软件图形软件辅助设计软件计算机系统组成框图计算机系统组成框图寄存器组输入输出接口微型计算机单片机（可 没有ROM）单板机台式PC的物理组成台式PC主机外部设备显示卡芯片组BIOS ROMCMOSPCI插槽(I/O总线)网卡键盘鼠标器麦克风摄像头U盘、移动硬盘显示器打印机音箱/耳机声卡硬盘、软驱光盘驱动器主板机箱、电源CPU内存条输入设备输出设备外存储器I/O接口1 1 音箱音箱 5 CPU 5 CPU 2 2 调制解调器调制解调器 6 6 键盘键盘 3 3 麦克风麦克风 7 7 鼠标器鼠标器 4 4 内存条内存条 8 CD8 CD驱动器驱动器9 9 软驱软驱 10 10 硬盘驱动器硬盘驱动器 11 11 打印机打印机12 I/O12 I/O接口接口 13 CRT13 CRT显示器显示器 14 14 扩展卡扩展卡台式PC机(立式)的主机箱扩展 空间主板主板存储器插座处理器 插槽外部设备插口(I/O接口)光驱及硬盘的 IDE连接器电源连接器PCI总线槽CPU插座显示卡的插槽南桥 芯片ROM BIOSCMOS 存储器北桥 芯片主板作用： _ROM BIOS作用：_CMOS作用： _ _安装所有的电子器件、电路与接口安装所有的电子器件、电路与接口存放基本输入存放基本输入/ /输出系统输出系统(BIOS)(BIOS)存放硬件配置信息和系统的基本参存放硬件配置信息和系统的基本参 数（日期、时间、口令等）数（日期、时间、口令等）华硕P5Q主板CPU 插座内存条 插座IDE （ ATAATA） 硬盘光 驱连接 器PCI 插槽芯片组各种I/O 插口显卡插槽PCI-E 插槽芯片组的作用yALU寄存器组CPU总线接口R6CPU(前端)总线I/O 总线主板扩展槽 PCI接口南桥芯片I/O 总线中央处理器指令计数器指令寄存器磁盘控制器以太网卡USB 控制器和接口鼠标器键盘网线disk声卡视频卡光驱主存储器0A北桥芯片y存储器总线显卡是PC机各组成 部分相互连接 和通信的枢纽控 制 器寄 存 器 组运 算 器CPUCPU的性能的性能计算机的性能主要表现为程序执行速度的快慢，由许多因 素决定，例如CPU、内存、硬盘、显卡等，但通常CPU是 主要因素，CPU的性能高低主要表现为CPU的速度。字长（位数）：指通用寄存器和定点运算器的宽度； 指令系统：指令的类型、数目和功能等影响程序执行速度； 逻辑结构：CPU包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采 用的流水线结构和级数、指令分支预测的机制、执行部件的 数目等内核数目； 高速缓存（cache）：其的容量与结构影响速度； 主频（CPU内部时钟频率）：它决定着CPU芯片内部数据传 输与操作速度的快慢； 总线：决定着CPU与内存之间传输数据速度快慢。1980 1990 2005 2010 20151980 1990 2005 2010 20154核 80x86 Pentium 80核双核年代性能提高CPU性能的3大措施提高主频增加逻辑 复杂度增加内核数目处理器性能与 其逻辑复杂性 的平方根成正 比，若逻辑复 杂性提高1倍， 至多能提高 40%的性能最大瓶颈是散热问题： 3.2GHz 的Pentium 4功耗超过100W，温度达70度！ 主频到4.0GHz，功耗会达到150W！采用2个处理 器构成一个 双核处理器 ，可以提高 70%80% 的性能电路与封装技术的进步 ，能把多个处理器做在 单个芯片上1._； 2 ._ ；3. _。 改进CPU结构提高主频增加CPU(核)的数目InstructionsResults are sequenced1. ”线程“排队 等候进入CPU 处理并行处理3. 每个CPU负责 执行分配给它的 线程中的指令2. 哪一个 CPU空闲，就 把等候的线程 交给它执行(包含3个内核)为什么“多核”可提高计算机性能提高提高CPUCPU性能的具体措施性能的具体措施扩展CPU的字长：32位 64位 扩充CPU指令系统：SSE指令 提高CPU主频：目前已达4GHz； 加快CPU前端总线的数据传输速率； 增大cache存储器容量、增加cache的级数； 改进CPU内部的逻辑结构； 超标量结构（多个执行部件） ； 指令流水线执行技术；超线程技术； 采用多内核结构；高速缓存(cache)012345678910111213141589143444101010主存中的部分信息拷 贝在cache存储器中cache主存储器CPUCPU芯片随着计算机的发展。存储器 与CPU速度差距愈来愈大， 从内存中存取数时，CPU往 往需要等待，于是出现了 cache。它是一种小容量高 速缓冲存储器，它由SRAM 组成，直接制作在CPU芯片 内，速度几乎与CPU一样快 。当CPU需要从内存读(写) 数据或指令时，先检查 cache中有没有，若有，就 直接从cache中读取，而不 用访问主存储器。总线总线BUSBUS总线的定义： 用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备 之间传输信息的一个共享的信息传输通路及其 控制部件。总线的性能： 数据通路宽度；总线工作频率；每秒传输次数总线最高传输速率总线最高传输速率 ( (数据通路宽度数据通路宽度/8) x /8) x 总线工作频率总线工作频率 x x 传输次数传输次数总线分类总线分类CPUCPURAMRAMROMROMI/OI/O总线控制总线控制内总线内总线存储存储 器扩器扩 展模展模 块块I/OI/O 扩展扩展 模块模块外存外存外设外设 外外总线总线系统总线系统总线数据总线：传输数据信息（双向，取决于数据总线：传输数据信息（双向，取决于CPUCPU字长）字长） 地址总线：传输地址信息（单向，决定内存空间）地址总线：传输地址信息（单向，决定内存空间） 控制总线：传输控制信息（双向，取决于控制总线：传输控制信息（双向，取决于CPUCPU字长）字长） 内总线内总线：计算机内部各芯片之间互连，即片总线，没统一标准。：计算机内部各芯片之间互连，即片总线，没统一标准。 系统总线系统总线：各插件板之间互连，有通用标准。：各插件板之间互连，有通用标准。 外部总线外部总线：微机与外部设备的连接，也称：微机与外部设备的连接，也称I/OI/O总线，有通用标准。总线，有通用标准。 ISAISA（Industry Standard ArchitectureIndustry Standard Architecture） PCIPCI（Peripheral Component InterconnectPeripheral Component Interconnect） PCI-ExpressPCI-Express AGP(AcceleratedAGP(Accelerated Graphics Port)Graphics Port) 系统总线系统总线称为称为“ “工业标准体系结构工业标准体系结构” ”，是针对，是针对Intel8088Intel8088微处理器设计的，微处理器设计的，1616位位, ,数据数据 传输率最高可达传输率最高可达8MB/s8MB/s。现在基本不用。现在基本不用。称外部设备互联总线。数据传送宽度为称外部设备互联总线。数据传送宽度为3232位，可以扩展到位，可以扩展到6464位，数据传位，数据传 输率可达输率可达133MB/s133MB/s。20002000年年IntelIntel提出了替代提出了替代PCIPCI总线的新总线技术。它可工作于各种不同的物总线的新总线技术。它可工作于各种不同的物 理媒介上，从通用的铜线连接到光纤连接。理媒介上，从通用的铜线连接到光纤连接。加速图形接口，加速图形接口， IntelIntel公司配合公司配合PentiumPentium处理器开发的总线标准，数据传处理器开发的总线标准，数据传 输率可以达到输率可以达到533MB/533MB/秒以上。秒以上。PCI-E的优点 PCI-E即“PCI-Express” 1.传输速率高： x1速率可达250MB/s， x16速率可 达5GB/s（2.0版速率提高为2倍,3.0版为4倍） 2.适应性好：包括x1、x4、x8 及x16，外部总线外部总线 USB(UniversalUSB(Universal Serial Bus) Serial Bus)通用串行总线接口通用串行总线接口是为解决是为解决 PCPC与周边设备的通用连接而设计的，使所有的低速设备，都与周边设备的通用连接而设计的，使所有的低速设备，都 可以连接到统一的可以连接到统一的USBUSB接口上。允许接口上。允许“ “热插拔热插拔” ”，实现安装自，实现安装自 动化。动化。 IEEE 1394IEEE 1394是一种工业标准的高速串行总线，由苹果是一种工业标准的高速串行总线，由苹果 公司率先创立，又称公司率先创立，又称FirewireFirewire即火线。它的特点是传输速度快即火线。它的特点是传输速度快 ，现在确定为，现在确定为400MB/s400MB/s，以后可望提高到，以后可望提高到800MB/s800MB/s、1.6GB/s1.6GB/s 、3.2GB/s3.2GB/s。所以传送数字图像信号也不会有问题。所以传送数字图像信号也不会有问题。 SCSISCSI(Small(Small Computer System Interface Computer System Interface，小型计算，小型计算 机系统接口机系统接口) ) 可与各种采用可与各种采用SCSISCSI接口标准的外部设备相连，如接口标准的外部设备相连，如 硬盘驱动器、扫描仪、光盘、打印机和磁带驱动器等。但它硬盘驱动器、扫描仪、光盘、打印机和磁带驱动器等。但它 价格相对于价格相对于IDEIDE来说也十分昂贵，因此在普通家用电脑上不常来说也十分昂贵，因此在普通家用电脑上不常 用，一般应用于高端工作站或者服务器领域。用，一般应用于高端工作站或者服务器领域。*有专门的设备名有专门的设备名COM1 COM1 和和