第三章 计算机硬件体系结构

32
4GB
1997 Pentium Ⅱ 750万 233-450MHz
32
4GB
1999 Pentium III 2800万 450-800MHz
32
64GB
2000 Pentium 4 4200万 400M-3.2GHz 32/64 64GB
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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。
CPU
协处理器
ROM BIOS
8253定时/计数器
8259中断控制器
8250串行通信控制 器
8255 并行接口
DRAM控制器 8237DMA控制器
DMA页面寄存 器
扩 展 PC总线 总 线 缓 冲
RAM 8个扩展插槽
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3.2 微型计算机主机结构
486到Pentium II期间，主板一般采用南北桥芯片结构主板。
2300
108KHz
4
640B
1978
8086/8088 2.9万
4.77-10MHz
16
1MB
1982
80286
14.3万
6-20MHz
16
16MB
1985
80386
27.5万 12.5-33MHz
32
4GB
1989
80486
125万
33-133MHz
32
4GB
1993
Pentium
310万
60-233MHz
第三章 计算机硬件体系结构
本章介绍计算机硬件体系结构方面的 有关知识，包括：计算机系统的构成；微 机主机结构(CPU、主板、内存、总线、接 口等)；外部存储器(软盘、硬盘、光盘、U 盘等)；常用外部设备(显示器、打印机等)； 计算机指令系统等。
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3.1 计算机系统的构成
一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。 硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、 输出设备五部分组成。其中： 中央处理器(简称CPU)=运算器+控制器 主机=中央处理器+主存储器 软件是指各类程序和数据，计算机软件包括计 算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所 需要的应用软件。
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。
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3.1计算机系统的构成
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3.2 微型计算机主机结构
3.2.2 高级CPU技术
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。
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3.1计算机系统的构成
3.1.1 计算机的硬件系统
U盘
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3.1计算机系统的构成
3.1.2 冯·诺依曼型计算机的结构
冯·诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储器 中，在执行时将程序和数据先从外存装入内存中，然后使计 算机在工作时自动地从内存中取出指令并加以执行，这就是 存储程序概念的基本原理。
硬件
运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备
CPU
内存储器 外存储器
主机
外部设备
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3.2 微型计算机主机结构
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。 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与其它设备间数据交换） (6) 运算速度（CPU每秒能处理的指令数）
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3.2 微型计算机主机结构
ຫໍສະໝຸດ Baidu3.2.3 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。
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3.2 微型计算机主机结构
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。
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3.2 微型计算机主机结构
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。
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 CPU芯片 集成度
主频
字长(b) 最大内存
1971
4004
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3.2 微型计算机主机结构
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。
Pentium II处理器
Pentium II 处理器
传统的南北
桥芯片组：
北桥：主板
上离CPU最近的 一块芯片，负责 与CPU的联系并
图形设备
2×AGP 总线
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， 主要负责I/O接