周 苏 教授 QQ：81505050 ZSmail.hz.zj.cn,计算机体系结构是指计算机系统的设计和构造。 计算机的基本组成部件可以分为三大类 (或子系统) ，即中央处理单元 (CPU，又称处理器) 、主存储器和输入/输出。,图3-1 计算机硬件 (子系统),数字电路 内存 中央处理器 输入输出 移动计算技术,3.1,3.2,3.3,3.4,3.5,3.1 数字电路 3.1.1 系统内部 3.1.2 集成电路 3.1.3 主板 3.1.4 数据传输,3.1 数字电路 任何计算机的体系结构都可以按照两个特点进行分类，即计算机使用的能源是什么和在物理上计算机是如何表示、处理、存储和移动数据的。大部分的现代计算机都使用电作为能源，并且使用电信号和电路进行数据的表示、处理和移动。,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。,图3-2 小型机箱内部结构,1 上部托架中的软盘驱动器 2 软盘驱动器接口电缆 3 硬盘驱动器接口电缆 4 硬盘驱动器 5 机箱防盗开关 6 扩充卡固定框架 7 扩充槽 8 安全缆线孔 9 I/O 端口和连接器 10 交流电源插座 11 挂锁扣环 12 电源设备,图3-3 小型塔式机箱内部结构,1 外部驱动器托架 2 内部驱动器固定框架 3 机箱防盗开关 4 硬盘驱动器接口电缆 5 扩充卡固定框架 6 主机板 7 提升板 8 挂锁扣环 9 安全缆线孔 10 I/O 端口和连接器 11 交流电源插座 12 电源设备,3.1.2 集成电路 计算机内部的大部分电子部件都是集成电路 (IC) ，这是一个充满了微小电路器件如电线、半导体、电容和电阻等的很薄的硅晶片，一个小于1/4in2的集成电路芯片可以含有超过一百万个微小的电路器件。通常集成电路芯片被封装在陶瓷中，通过引脚与其他计算机部件相连。,3.1.3 主板 主板是电脑中最重要的部件之一。在计算机系统内部，芯片都被安装在主板电路板上。仔细观察，就会发现有些芯片是焊接在主板上的，而另外一些芯片则是插在主板上的。焊接的芯片是永久连接的，而那些能插拔的芯片则可以进行升级。 微机的主板上包含了CPU、内存条和处理基本I/O等芯片，大致由以下几个部分组成：CPU插槽、内存插槽、高速缓存局域总线和扩展总线、硬盘/软驱/串口/并口等外设接口、时钟和CMOS主板BIOS控制芯片等。通常，购买主板部件是不包括CPU和内存的。 主板上安装的CPU类型不同，采用的CPU的插座 (槽) 也就不同，主板的一个划分方法就是按CPU插 座 (槽) 的类型进行的。,图3-5 华硕875P芯片组P4C800豪华版主板,3.1.4 数据传输 通常，计算机中的数据通过一个称为数据总线的电子设备从一个位置移动到另外的位置。数据总线由一系列的连接主板上不同电子器件的电子线路组成。总线包含数据线和地址线。数据线传送表示数据的信号，地址线传送数据的地址，计算机依赖这个地址来寻找需要处理的数据。,3.2 内存 3.2.1 随机访问存储器 3.2.2 虚拟内存 3.2.3 只读存储器 3.2.4 CMOS存储器 3.2.5 地址空间,3.2 内存 在计算机中，内存用来保存数据和程序指令。内存有时被称作主存，但是这种说法容易与磁盘存储混淆。所以，我们把与处理器直接相连的存放数据的器件称为内存，不直接与处理器相连的介质如磁盘称为存储器。 目前主要有四种类型的内存，即：随机存取存储器、虚拟内存、CMOS存储器和只读存储器，它们根据保存的数据类型和使用的存储技术进行分类。,3.2.1 随机访问存储器 随机存取存储器 (RAM) 是计算机系统单元内，在数据处理前后临时性保存数据的区域。例如，当输入一篇文档时，输入的字符并不是立刻就得到处理，它们被保存在RAM中，只有当需要的时候，例如打印，才通过软件对它们进行处理。 在RAM中，称为电容的微型电子部件保存着使用ASCII、EBCDIC或二进制编码表示的数据的电信号。可以形象地把电容想像成可以打开和关闭的灯泡，充电的电容表示“on”，放电的电容表示“off”。每排电容有8位或者说有1个字节，每排RAM地址可以帮助计算机定位这一排所包含 的数据。,从某种意义上讲，RAM就像是一个黑板，可以在黑板上写数学公式，擦除它们，再在上面写一个报告的大纲，等等。和它相似，当使用电子表格的时候，RAM可以保存使用的数字和公式，当使用字处理软件写文章的时候，RAM会保存你的文章。RAM的内容可以通过改变电容的状态来改变。由于RAM的内容可以改变，所以它是一个可重复利用的计算机资源。,与硬盘和软盘不同，绝大部分的RAM都是不持久的。换句话说，如果计算机关机或者掉电，保存在RAM中的数据就会立刻丢失。当你听到某人说“我的数据全丢了”，通常就是当他正在文档或工作表中输入数据且还没有存到磁盘上时，计算机掉电了。,RAM保存了等待处理的数据，以及将要用于处理数据的指令。在将数据存放到磁盘等永久性存储器上之前，都要靠RAM来保存数据。例如，当使用个人理财软件来结算账目时，输入要处理的数据，它们被存放在RAM中；个人理财软件发出处理RAM中的这些数据的指令，处理器使用这些指令来处理这些数据，并将结果送回RAM；通过RAM，可以将结果存到磁盘上、显示或打印出来。,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。,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。,图3-6 内存条,3.2.2 虚拟内存 计算机可以使用硬盘空间来扩充内存，计算机这种使用磁盘空间模拟内存的能力被称作虚拟内存。虚拟内存使没有足够实际内存的计算机能运行大的程序、操作大的数据文件，以及实时地运行复杂程序。虚拟内存的运行速度不如RAM快，计算机从虚拟内存中检索数据要花费更多时间，因为磁盘是机械设备。,像RAM中的数据一样，虚拟内存中的数据在计算机掉电时也无法访问。因为，虽然在掉电时虚拟内存中的数据并不会从磁盘上删除，但是指导计算机定位虚拟内存的指令存储在RAM中，在掉电时会丢失。因此，即使给计算机重新加电，计算机仍不能访问原先虚拟内存的数据。,3.2.3 只读存储器 存放在只读存储器 (ROM) 中的指令是永久性的，要改变这些指令只有将ROM芯片从主板上取出，使用另外的芯片来替换。当打开计算机时，CPU得到电能，开始准备执行指令，可是由于刚刚开机，RAM中还是空的，并没有那些需要执行的指令，就需要ROM保存一个称为ROM BIOS (基本输入输出系统) 的小型指令集合。BIOS中的指令告诉计算机如何访问磁盘驱动器和其他外围设备。CPU执行ROM BIOS中的指令来搜索磁盘上的操作系统主文件，并把这些文件调入RAM中，进行后面的计算工作。,3.2.4 CMOS存储器 计算机只有在将操作系统文件从硬盘复制到RAM以后，才能准备好处理数据。而有了硬盘的格式化信息 (例如硬盘的柱面和扇区数目等) 后，计算机才能访问硬盘上的数据。由于有可能对硬盘进行升级或者维护，所以不能把诸如硬盘信息等存放在ROM中。计算机必须使用一种灵活的方式来保存引导数据，为此，需要一种特殊的内存，它保存信息的时间能够比RAM长久，但又不像ROM那样不可更改，这就是CMOS。,CMOS存储器 (互补金属氧化物半导体) 只需要极少的电能就可以保持其中的数据。由于耗电极低，CMOS芯片利用集成在主板上的电池供电，这样，即使在关机后，数据也不会 (或者说不易) 丢失。正因为如此，CMOS保存着计算机系统配置等重要数据。在许多微型机中，CMOS芯片位于ROM BIOS的芯片载体中。 当计算机的系统配置改变后，例如换了新的硬盘或者扩充了更大的内存等，CMOS中的数据必须进行更新。有些操作系统提供了特殊的工具进行CMOS设置的更新，现在很多计算机都有即插即用的特征，可以在安装了新的硬件设备后自动更新CMOS。,3.2.5 地址空间 在存储器中存取每个字都需要有相应的标识符。尽管程序员使用命名的方式来区分字 (或一组字的集合) ，但在硬件层次上，每个字都是通过地址来标识的。所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数称为地址空间。例如，一个64K字节、字长为1字节的存储器的地址空间的范围为0到65 535。,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 数字计算机使用一系列的电信号表示数据，使用数据总线传输数据，使用内存来保存数据。但是，计算机并不仅仅是传输数据和存储数据，它的主要工作是处理数据，即执行算术运算、排序、制作文档等等。 中央处理器 (CPU) 是计算机中执行处理数据指令的器件。CPU从RAM中接收数据和指令、处理这些指令，再将处理结果送回到RAM中，处理结果可以显示和存储起来。,3.3.1 CPU体系结构 以前，计算机的CPU非常庞大且不可靠，要使用大量的电能。1944年制造的ENIAC计算机，有20个处理单元，每个处理单元有2in宽，8in高，CPU的尺寸用英尺来计量 (见图3-7) ，可是，今天的处理单元使用毫英寸 (0.001in) 来度量。 大型机的CPU通常包含多个集成电路和电路板。在微机中，CPU就是一个称为微处理器的单个集成电路 (图3-8) 。CPU由三部分组成，即：运算逻辑单元、控制器和寄存器，每个单元执行处理数据的特定任务。,图3-7 电子管计算机的内部,图3-8 Intel 奔腾E2200 CPU,运算逻辑单元 (ALU，又称算术逻辑单元或运算器) 执行加减等算术操作，以及比较数据是否相等这些逻辑操作。ALU使用寄存器来保存等待处理的数据。在运算中，算术操作或逻辑操作的结果暂时存放在累加器中。数据可以从累加器被发送到RAM，或者被进一步处理。,在CPU控制器的协调和控制下，运算器得到数据，并得知要执行的是逻辑还是算术运算。控制器使用指令指针来跟踪要处理的指令顺序。借助于指令指针，控制器顺序地从RAM中取出每个指令，并将它们放到特殊的寄存器指令寄存器中。然后，控制器翻译指令以决定要实现的操作。按照指令解释，控制器向数据总线发送信号，从RAM中取数据，并发送信号到运算器进行处理。控制器在很大程度上影响着处理器的处理效率，它要执行一系列的指令。,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。,3.3.2 指令与指令周期 计算机通过执行一系列简单的步骤 (指令) 来完成一个复杂的任务。指令控制着计算机执行特定的算术、逻辑或控制运算。 一条指令可以分为两部分：操作码和操作数。操作码是一个类似累加、比较或跳转等操作的控制字。指令的操作数给出了需要处理的数据或数据的地址。 例如，在JMP M1这条指令中，操作码是JMP，操作数是M1。JMP意味着跳转到另外一条指令，M1是