计算机系统概论廖志芳杨玺郁松江林编著第2章
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第2章 计算机硬件系统
1
本章内容
2.1 处理器 2.2 外围设备 2.3 存储设备 2.4 计算机系统性能的提高
2
3
计算机系统完成一个文件请求，将文件打开并 显示在显视器上，其过程如下：
（1）微处理器通过芯片组发送指令到存储设备， 要求指定的文件被加载到主存储器；
（2）存储设备通过芯片组把文件发送到主存储器； （3）微处理器从主存储器中提取该文件的内容； （4）微处理器通过芯片组把显示数据发送到显示
12
3．处理器类型
处理器的主要生产厂商有Intel和AMD两个公司，每个 公司都有其主流的产品。
Intel的CPU种类繁多，价格覆盖范围非常广，从低端到高端 无所不有，能够满足各类不同需求的消费人群。
AMD的CPU产品比较单一，价格整体来说也比较实惠，性价 比总体比Intel高。
13
2.1.2 内存的概念与种类
（3）工作电压
工作电压指的也就是CPU正常工作所需的电压。
（4）流水线技术
流水线(pipeline)是Intel首次在486芯片中开始使用的，在CPU中由5~6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5~6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。
7
2.1 处理器
2.1.1 处理器简介 2.1.2 内存的概念与种类 2.1.3 指令与指令周期
8
2.1.1 处理器简介
1. 处理器的构成
CPU的内部结构仍然分为控制单元、逻辑部件和寄存 器三大部分。
（1）控制部件
控制部件负责监督整个计算机系统的操作。
（2）算术逻辑部件
算术逻辑部件（ALU）是为计算机提供逻辑及计算能力的功能部 件。
Cache位于CPU与内存之间，是一个读写速度比内存更快的存 储器。
当CPU向内存中写入或读出数据时，该数据被存储进高速缓 冲存储器中。当CPU再次需要这些数据时，CPU就从高速缓 冲存储器读取数据，而不是访问速度较慢的内存。当然，如 需要的数据在cache中没有，CPU会再去读取内存中的数据。
这些信息存储在CMOS（互补金属氧化物半导体）的内存。 该芯片只需要很少的电力来保存数据，因此在CMOS旁边都 会配有一个电池，由这个电池提供电力。
当计算机关闭时该电池用以维持CMOS数据。
4．高速缓冲存储器（cache）
Cache是经常会遇到的概念，也就是平常看到的一级缓存(L1 cache)、二级缓存(L2 cache)、三级缓存(L3 cache)。
①数据处理指令：包括算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、比 较指令等；
②数据传送指令：包括寄存器之间、寄存器与主存储器之间的传送指 令等；
③程序控制指令：包括条件转移指令、无条件转移指令、转子程序指 令等；
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2.1.3 指令与指令周期
1．指令
指令是用来规定计算机执行的操作和操作对象的一个二进制串。 一条指令通常由两个部分组成：操作码和地址码
操作码指明该指令要完成的操作的类型或性质 地址码指明操作对象的内容或所在的存储单元地址
根据指令内容确定操作数地址的过程称为寻址常见指令按功能可划 分为：
14
1．随机存储器（Random Access Memory，RAM）
随机存储器表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。 当机器电源关闭时，存于其中的数据就会丢失。 内存条（SIMM）是将RAM集成块集中在一起的一小块电路
板，插在计算机中的内存插槽上，以减少RAM集成块占用的 空间。
2．只读存储器（ Read Only Memory，ROM ）
（3）寄存器
寄存器是处理器内部的存储单元。
9
10
2．CPU的功能及性能指标
CPU的主要功能包括以下几个部分：
指令控制：CPU执行程序并根据程序中的指令控制计 算机各个部件工作；
操作控制：CPU要将指令控制功能转换成具体的操作 信号发往各个部件；
时间控制：CPU对各个操作的时间进行严格控制，以 便部件协调工作；
数据控制：CPU对数据进行算术和逻辑运算。
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CPU主要的性能指标
（1） 主频
主频即CPU的时钟频率，也就是CPU的工作频率。 CPU外频就是系统总线的工作频率；而倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数 三者之间的关系是：主频=外频×倍频。
（2）内存总线速度
也叫系统总路线速度，一般等同于CPU的外频，内存总线速度就是指CPU与二 级(L2)高速缓存和内存之间的工作频率。
扩展槽：作为接口，为扩展卡提供可能插入的主板插槽。 芯片组：是主板的核心组成部分，按照在主板上排列位置的不同，
通常分为北桥芯片和南桥芯片。 数据线为计算机提供从存储设备到主板的各种数据传输。 硬盘驱动器：简称硬盘，是为计算机用户提供永久存储数据的介
质。他们Βιβλιοθήκη Baidu能是如软盘驱动器CD-ROM/CD-RW，DVDROM/DVD / - RW驱动器，硬盘驱动器的驱动器。
（5）L1高速缓存
也就是通常所说的内部高速缓存，在CPU里面内置了高速缓存可以提高CPU的 运行效率。
（6）L2高速缓存
指CPU外部的高速缓存。
（7）制造工艺
Pentium CPU的制造工艺是0.35um， PentiumII和赛扬可以达到0.25um，最新的 CPU制造工艺可以达到40nm，极大地提高了CPU的集成度和工作频率。
器。
4
5
6
主板：为微处理器和内存芯片提供插座、电路板插槽，以及使电 子信号从组件到组件的电路。
电源：为计算机系统提供各种电流。在PC机中，主要包含两种电 源，一种是±5v，另外一种是±12v。
微处理器：是利用程序指令将各种运行指令存储在主内存中，一 般而言，微处理器放在冷却风扇下面以防止过热。
只读存储器中的信息（数据或程序）在制造ROM的时候，就 被存入并永久保存。
这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器停电，这些数 据也不会丢失。
ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据，如BIOS ROM 其物理外形一般是双列直插式（DIP）的集成块。
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3．CMOS存储器
一台计算机的配置，如存储容量，内存容量（RAM）和显示 的配置需要永久储存
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本章内容
2.1 处理器 2.2 外围设备 2.3 存储设备 2.4 计算机系统性能的提高
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计算机系统完成一个文件请求，将文件打开并 显示在显视器上，其过程如下：
（1）微处理器通过芯片组发送指令到存储设备， 要求指定的文件被加载到主存储器；
（2）存储设备通过芯片组把文件发送到主存储器； （3）微处理器从主存储器中提取该文件的内容； （4）微处理器通过芯片组把显示数据发送到显示
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3．处理器类型
处理器的主要生产厂商有Intel和AMD两个公司，每个 公司都有其主流的产品。
Intel的CPU种类繁多，价格覆盖范围非常广，从低端到高端 无所不有，能够满足各类不同需求的消费人群。
AMD的CPU产品比较单一，价格整体来说也比较实惠，性价 比总体比Intel高。
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2.1.2 内存的概念与种类
（3）工作电压
工作电压指的也就是CPU正常工作所需的电压。
（4）流水线技术
流水线(pipeline)是Intel首次在486芯片中开始使用的，在CPU中由5~6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5~6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。
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2.1 处理器
2.1.1 处理器简介 2.1.2 内存的概念与种类 2.1.3 指令与指令周期
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2.1.1 处理器简介
1. 处理器的构成
CPU的内部结构仍然分为控制单元、逻辑部件和寄存 器三大部分。
（1）控制部件
控制部件负责监督整个计算机系统的操作。
（2）算术逻辑部件
算术逻辑部件（ALU）是为计算机提供逻辑及计算能力的功能部 件。
Cache位于CPU与内存之间，是一个读写速度比内存更快的存 储器。
当CPU向内存中写入或读出数据时，该数据被存储进高速缓 冲存储器中。当CPU再次需要这些数据时，CPU就从高速缓 冲存储器读取数据，而不是访问速度较慢的内存。当然，如 需要的数据在cache中没有，CPU会再去读取内存中的数据。
这些信息存储在CMOS（互补金属氧化物半导体）的内存。 该芯片只需要很少的电力来保存数据，因此在CMOS旁边都 会配有一个电池，由这个电池提供电力。
当计算机关闭时该电池用以维持CMOS数据。
4．高速缓冲存储器（cache）
Cache是经常会遇到的概念，也就是平常看到的一级缓存(L1 cache)、二级缓存(L2 cache)、三级缓存(L3 cache)。
①数据处理指令：包括算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、比 较指令等；
②数据传送指令：包括寄存器之间、寄存器与主存储器之间的传送指 令等；
③程序控制指令：包括条件转移指令、无条件转移指令、转子程序指 令等；
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2.1.3 指令与指令周期
1．指令
指令是用来规定计算机执行的操作和操作对象的一个二进制串。 一条指令通常由两个部分组成：操作码和地址码
操作码指明该指令要完成的操作的类型或性质 地址码指明操作对象的内容或所在的存储单元地址
根据指令内容确定操作数地址的过程称为寻址常见指令按功能可划 分为：
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1．随机存储器（Random Access Memory，RAM）
随机存储器表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。 当机器电源关闭时，存于其中的数据就会丢失。 内存条（SIMM）是将RAM集成块集中在一起的一小块电路
板，插在计算机中的内存插槽上，以减少RAM集成块占用的 空间。
2．只读存储器（ Read Only Memory，ROM ）
（3）寄存器
寄存器是处理器内部的存储单元。
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2．CPU的功能及性能指标
CPU的主要功能包括以下几个部分：
指令控制：CPU执行程序并根据程序中的指令控制计 算机各个部件工作；
操作控制：CPU要将指令控制功能转换成具体的操作 信号发往各个部件；
时间控制：CPU对各个操作的时间进行严格控制，以 便部件协调工作；
数据控制：CPU对数据进行算术和逻辑运算。
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CPU主要的性能指标
（1） 主频
主频即CPU的时钟频率，也就是CPU的工作频率。 CPU外频就是系统总线的工作频率；而倍频则是指CPU外频与主频相差的倍数 三者之间的关系是：主频=外频×倍频。
（2）内存总线速度
也叫系统总路线速度，一般等同于CPU的外频，内存总线速度就是指CPU与二 级(L2)高速缓存和内存之间的工作频率。
扩展槽：作为接口，为扩展卡提供可能插入的主板插槽。 芯片组：是主板的核心组成部分，按照在主板上排列位置的不同，
通常分为北桥芯片和南桥芯片。 数据线为计算机提供从存储设备到主板的各种数据传输。 硬盘驱动器：简称硬盘，是为计算机用户提供永久存储数据的介
质。他们Βιβλιοθήκη Baidu能是如软盘驱动器CD-ROM/CD-RW，DVDROM/DVD / - RW驱动器，硬盘驱动器的驱动器。
（5）L1高速缓存
也就是通常所说的内部高速缓存，在CPU里面内置了高速缓存可以提高CPU的 运行效率。
（6）L2高速缓存
指CPU外部的高速缓存。
（7）制造工艺
Pentium CPU的制造工艺是0.35um， PentiumII和赛扬可以达到0.25um，最新的 CPU制造工艺可以达到40nm，极大地提高了CPU的集成度和工作频率。
器。
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6
主板：为微处理器和内存芯片提供插座、电路板插槽，以及使电 子信号从组件到组件的电路。
电源：为计算机系统提供各种电流。在PC机中，主要包含两种电 源，一种是±5v，另外一种是±12v。
微处理器：是利用程序指令将各种运行指令存储在主内存中，一 般而言，微处理器放在冷却风扇下面以防止过热。
只读存储器中的信息（数据或程序）在制造ROM的时候，就 被存入并永久保存。
这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器停电，这些数 据也不会丢失。
ROM一般用于存放计算机的基本程序和数据，如BIOS ROM 其物理外形一般是双列直插式（DIP）的集成块。
15
3．CMOS存储器
一台计算机的配置，如存储容量，内存容量（RAM）和显示 的配置需要永久储存