计算机硬件基础ppt课件.ppt
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1、计算机硬件技术基础,张晓蕾 主编 人民邮电出版社,第一章 微型计算机系统概论,1.1节 微型计算机发展,一、计算机的发展阶段 1.第一代(1945年至1958年)电子管,几千次/秒 2.第二代(1958年至1964年)晶体管,几十万次/秒,注:见书上 P2 表1.1,3.第三代(1964年至70年代中)小规模集成电路,几百万次/秒 4.第四代(70年代中期以后)大规模、超大规模集成电路,上亿次/秒 注:微型计算机 Microcomputer,二、微型计算机技术的发展,1.微型计算机结构(structure)的发展 单板机 单片机 系统机: (本课程主要讲解) 工作站 网络,2. 微型计算机核心
2、部件CPU的发展(Intel),3.微型计算机存储技术发展,内存 a.内存的概念: CPU能够直接通过传送指令(MOV)访问的存储器。 b.内存的容量 是有限的,由CPU的地址线数目决定。,(a)8080/8085 16条地址线 2的16方 64K (b)8086/8088 20条地址线 2的20方 1M (c)80286 24条地址线 2的24方 16MB (d)80386 32条地址线 2的32方 4GB,外存 CPU将这些存储器看成外部设备,采用输入输出指令访问。容量没限制的。,4. 微型计算机总线技术发展, 后面专门一章介绍总线技术。,三、微型计算机系统,一、定义 一般而言将主机(CP
3、U,存储器,I/O口)加上输入输出设备(键盘,CRT,打印机),还包括系统软件(BIOS,OS)这样构成的微型计算机称为系统机。或计算机系统。,补充注:系统机的典型特征,操作系统的存在是区别单板机,单片机的一个最重要的标志。(DOS,Windows) 有一种符合工业标准的系统总线存在。 具备海量存储(Mass Memory)磁盘,光盘,标准的输入输出设备(键盘显示器),与外部设备信息交换的接口(串并口) 2. 微型计算机系统概念结构,3. 计算机系统的层次结构,1.2节 微型计算机硬件结构,一、微型计算机硬件系统的组成结构 1. 冯.诺依曼结构型计算机 要点 a.按序存放 b.按序执行,组成,
4、a.运算器:算术逻辑运算,数值/字符处理。 b.控制器:在时钟控制下,协调部件工作。 c.存储器:保存程序,数据。,d.输入设备:输入程序,数据,人工干预 e.输出设备:输出数据(程序),查看结果,组成框图,2.基本的概念术语,中央处理单元:CPU a.运算器: 完成算术、逻辑运算(数值信息) b.控制器 (三个主要功能) 执行指令,取指令,指令译码,执行。 都是在控制器时序控制下完成。,控制程序、数据的输入和结果的输出 对异常情况和特殊情况进行处理 Exception/Interupt,注:程序的执行过程示意图,存储器,a. 内部存储器(主存) CPU能直接访问处理的存储器称为内部存储器一般
5、由半导体存储器组成。 注:内存的容量是有限的。由CPU的地址线引脚数决定。,例: 8086/8088 20条:存储容量220=1MB 80286 24条:存储容量224=16MB 80386 32条:存储容量232=4GB 注2:内存分为RAM和ROM,.RAM:存放程序和数据,可读写,易失。 2. ROM:存放基本输入输出系统(BIOS),只能读出,不能写入,非易失。,b.外部存储器,CPU不能直接访问。要把它当一个外部 设备看待。主要由磁盘、光盘和半导体存 储器组成。 无容两限制。只取决于设备 本身。,存储器的性能指标,a.存储容量 存储设备上可以存储数据的单元数, 基本单元:bit. 通
6、常用字节(Byte)、 千字节(KB)、 兆字节(MB) 千兆字节(GB)。,b.存储速度: 把数据存入存储器称为写入,把数据取出称为读出。可用单位时间内传送数据文件的多少来衡量存取的快慢,采用字节(byte)作为计算机存储信息的基本计量单位。 1个字节由8个二进制位(bit)来组成,可以表示1个英文字母、数字或符号 存贮一个汉字需要两个字节 1 Byte8 bit 1 KB1024 Byte 1 MB1024 KB 1 GB1024 MB,1.3节 计算机内部数据的表示,一、计算机中的数制 1. 二进制:只有“0”和“1”,封“2”进“1” 2. 八进制 3. 十六进制,二、计算机中数的表示
7、,1.计算机中所有数据,都用二进制数表示。 (双稳态电路或元件) 2. 机器数:指一个数在计算机内被表示成二进制的形式。 该二进制数称为这个机器数的真值。,有固定的位数。(值有范围,溢出) 机器数能表示数的符号。(正、负) 机器数中,可以用定点或浮点来表示小数点的位置。,a.定点表示法,小数点约定在机器的某个固定位置上。 (定点有符号纯小数,整数) b.浮点表示法 小数点位置不固定 二进制浮点数 D = R * 2 N,注: 这里 R 称为 D 的尾数 这里 N 称为 D 的阶码 三、字符与汉字的编码 1. 字符的编码 计算机中的数据分为两类,a.数据: 大小 b.字符:文字信息 西文字符少于
8、128个,用一个8位二进制数就可以表示。 (西文字符的二进制编码), 标准ASCII码 P19 表1.4 扩展的ASCII码 注:凡是输入输出设备均使用ASCII码来交换信息。,2.汉字的编码,汉字数目超过256个,用一个字节不够。所以要用两个字节。( 216 = 65536) 为了有效地管理、使用汉字 国家制定标准 GB 2310-80 信息交换用汉字编码字符集,a.全部汉字及符号组成 94 X 94 陈列 行称为:区(高位字节) 列称为:位(低位字节) “汉字区位码” 94个区分为4组 a. 1-15区为字符图形符号,b.16-55区:一级汉字库,3755个,拼音 c.56-87区:二级汉
9、字库,3008个,部首 d.88-94区:用户自定义。,汉字机内码,a.为了和西文ASCII码兼容不冲突。不能在计算机内部用区位码存放汉字。 b.区位码和机内码的转换 高位机内码= 区码 + A0H 低位机内码= 位码 + A0H,1.4节 微型计算机性能,一、主要性能指标 1.CPU的字长: 数据总线的宽度。 电脑中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。 能并行处理8位数据的CPU就叫字长8位。 8086CPU能并行处理16位。,2.主频:主要时钟工作频率 3.内存容量:主要的和CPU交换信息对象。 容量有上限,与地址线数目有关。,4. 存取周期: 存储器的读写时
10、间 补充5. 总线类型与总线速度:,二、CPU的性能,1. 主频:指CPU的实际工作频率,它和外部时钟频率及CPU的倍频数有关。 主频也叫时钟频率,单位是MHz,用来表示CPU的运算速度。 CPU的主频外频倍频系数。,补充一: 外频,外频是CPU的基准频率,单位也是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。 A.在台式机中的超频,都是超CPU的外频(一般情况,CPU的倍频都是被锁住的) B.对服务器CPU讲,超频是绝对不允许的。,D. CPU决定着主板的运行速度,两者是同步运行的,如果把服务器CPU超频了,改变了外频,会产生异步运行,(台式机很多主板都支持异步运行)这样会造成整个服务器系统
11、的不稳定。,E.有的电脑系统中外频也是内存与主板之间的同步运行的速度,在这种方式下,可以理解为CPU的外频直接与内存相连通,实现两者间的同步运行状态。 注:外频与前端总线(FSB)频率很容易混为一谈,,F.外频与 FSB的区别,a.前端总线的速度指CPU与内存数据传输的速度。 b.外频是CPU与主板之间同步运行的速度。,补充二:前端总线(FSB)频率,前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。 计算数据带宽公式(总线频率数据宽度)/8, 数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。 例如,一个64位CPU,前端总线是800MHz(外频200 MH
12、z),它的数据传输带宽是6.4GB/秒。,补充三:倍频系数,倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。在相同的外频下,倍频越高CPU的频率也越高。但实际上,在相同外频的前提下,高倍频的CPU本身意义并不大。这是因为CPU与系统之间数据传输速度是有限的,一味追求高倍频而得到高主频的CPU就会出现明显的“瓶颈”效应CPU从系统中得到数据的极限速度不能够满足CPU运算的速度。一般除了工程样版的Intel的CPU都是锁了倍频的,而AMD之前都没有锁。,2. 内存总线速度 内存实际的工作频率,与CPU匹配。,3. 工作电压,从586CPU开始,CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种,通常CP
13、U的核心电压小于等于I/O电压。其中内核电压的大小是根据CPU的生产工艺而定,一般制作工艺越小,内核工作电压越低;I/O电压一般都在1.65V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。,4. 协处理器,5.超流水线技术,超标量,在解释超流水线与超标量前,先了解流水线(pipeline)。流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由56个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线,然后将一条X86指令分成56步后再由这些电路单元分别执行,这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令,因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级
14、流水,即指令预取、译码、执行、写回结果,浮点流水又分为八级流水。,超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器,其实质是以空间换取时间。而超流水线是通过细化流水、提高主频,使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作,其实质是以时间换取空间。P4的流水线长达20级。流水线设计的步(级)越长,其完成一条指令的速度越快,能适应工作主频更高的CPU。但流水线过长也有副作用,可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象,早期Intel的奔腾4就出现了这种情况。,6.乱序执行和分支预测,乱序执行(out-of-orderexecution),是指CPU允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电
15、路单元处理的技术。这样将根据个电路单元的状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后,将能提前执行的指令立即发送给相应电路单元执行,在这期间不按规定顺序执行指令,然后由重新排列单元将各执行单元结果按指令顺序重新排列。,采用乱序执行技术的目的是为了使CPU内部电路满负荷运转并相应提高了CPU的运行程序的速度。分枝技术:(branch)指令进行运算时需要等待结果,一般无条件分枝只需要按指令顺序执行,而条件分枝必须根据处理后的结果,再决定是否按原先顺序进行。,7.L1高速缓存 (cache memory) 在cpu的die里面。内部更高速的SRAM 8.L2高速缓存 (cache memory) 在cp
16、u的die外面。但封装在一个IC块中。 一般与 CPU的工作频率相同。,补充四:缓存 cache,A.缓存大小也是CPU的重要指标之一,而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大,CPU内缓存的运行频率极高,一般是和处理器同频运作,工作效率远远大于系统内存和硬盘。 B.实际工作时,CPU往往需要重复读取同样的数据块,而缓存容量的增大,可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率,而不用再到内存,或者硬盘上寻找,以此提高系统性能。但由于CPU芯片面积和成本来考虑,缓存都很小。 C. L1 Cache(一级缓存)是CPU第一层高速缓存,分为数据缓存和指令缓存。内置的L1高速缓存的容量和结构对CPU的
17、性能影响较大,不过高速缓冲存储器均由静态RAM组成,结构较复杂,在CPU管芯面积不能太大的情况下,L1级高速缓存的容量不可能做得太大。一般服务器CPU的L1缓存的容量通常在32256KB。,D. L2 Cache(二级缓存)是CPU的第二层高速缓存,分内部和外部两种芯片。内部的芯片二级缓存运行速度与主频相同,而外部的二级缓存则只有主频的一半。L2高速缓存容量也会影响CPU的性能,原则是越大越好,现在家用CPU容量一般的是512KB-1MB,而服务器和工作站上用CPU的L2高速缓存更高。,E. L3 Cache(三级缓存),分为两种,早期的是外置,现在的都是内置的。L3缓存的应用可以进一步降低内
18、存延迟,同时提升大数据量计算时处理器的性能。这对游戏很有帮助。在服务器领域增加L3缓存在性能方面也有显著的提升。具有较大L3缓存的配置利用物理内存会更有效,它比较慢的磁盘I/O子系统可以处理更多的数据请求。具有较大L3缓存的处理器提供更有效的文件系统缓存行为及较短消息和处理器队列长度。,9. 制造工艺(130,90,65,45nm),制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密度愈高的IC电路设计,意味着在同样大小面积的IC中,可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。现在主要的130,90,65nm。最近官方已经表示有45nm的制造工艺了。,三、MI
19、P和MFLOPS,一般常用下列两个标准衡量: 1.MIPS (Million Instructions Per Second):机器每秒钟执行的兆条指令数。 2.MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second):机器每秒钟兆次浮点操作的次数。,1.5节 实例 性能评估测试程序,第2章 微处理器及其管理,2.1节 微处理器概述,一、微处理器的功能结构 1.控制器 指令寄存器 指令译玛器 时序和逻辑控制单元 主要功能就是取出指令,分析执行,并对个主要部件进行运行控制。,2.运算器(Arithmetic Logic Unit ) 算术逻辑运算。
20、 3.寄存器: 临时存放程序运行的各种中间数据。 用户不可以访问:透明,内部专用。,用户可以访问:程序员可以使用 a.通用寄存器 可以存放数据,也可以存放地址。 b.地址寄存器 存放地址用于寻址操作,,c.标志寄存器 (Flag Register) 用于保存程序的运行状态。(溢出) Program Status Word 注:8086CPU 一共有14个用户可访问的寄存器。,4.8086 CPU 的内部结构,执行单元(Executing Unit) 主要指令的分析,运算执行。 总线接口单元(Bus Interface Unit) 主要负责与外部进行数据交换。 注:P36 图2.2,5. 808
21、6与8088区别,外部数据总线宽度。 a.8086 16位数据总线宽: D15 D0 b.8088 8位数据总线宽: D7 D0 总线接口单元BIU中指令队列长度不同。 a. 8086 6字节 b. 8088 4字节,二、微处理器的指令系统,1.定义 指令就是指控制计算机执行某种操作的命令,也称为机器指令。我们将一台计算机中所有机器指令的集合,称为这台计算机的指令系统。,2.指令助记符。 a. 最早的指令用二进制代码来表示。 b. 后来用简单的英文缩写来表示。 注:两者之间的关系,类似于Internet的IP地址和域名关系。,3.指令操作码和操作数,指令有一个操作码和若干个操作数组成。 例如:
22、 ADD AX,1234H a.操作码表示完成的动作功能。用助记符表示。这里ADD表示做加法。 b.操作数表示动作的对象。这里有两个,(a)源操作数:1234H 只提供参与运算的数据来源 (b)目的操作数:AX 目的操作数除了参与运算以外,还负责保存运算结果。 AX + 1234 AX(目的操作数),4.指令的分类,数据传送指令 算术运算指令 逻辑运算和移位指令 字符串操作指令 控制转移指令 处理器控制指令,三、微处理器的接口(Socket),1. Socket370 奔腾(P3 ) 2. Socket478 奔腾(P4) 3. LGA775,附:奔腾4 CPU外观,补充:CPU的封装形式,A
23、. CPU封装是采用特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施,一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。 B. CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计,通常采用Socket插座进行安装的CPU使用PGA(栅格阵列)方式封装。还有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封装技术。CPU封装技术的发展方向以节约成本为主。,2.2节 Intel CPU 技术结构,一、提高计算机处理能力的基本思路 1.提高制作工艺。 2.改进CPU的系统结构。 使CPU工作流程更合理,提高单位时间内的执行效
24、率。,早期的CPU指令的顺序执行,重叠进行的取指令和执行操作,二、指令流水线结构,.指令流水线(Instructions Pipeline) 将指令的执行过程分为可独立执行的多个子过程,各个子过程都可以在一个专门的操作部件上完成,各个部件可以同时工作。(并行概念) .指令流水线结构图(P46 图2.16),三、超标量流水线技术,.超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理任务,其实质是以空间换取时间。 . 其主要目的也是提高并行处理能力。,四、P3的动态执行技术(提高并行处理),.乱序执行(out-of-orderexecution) 是指CPU允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相
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