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1、计算机硬件技术基础,第1章 微型计算机系统概述,1.1 微型计算机的发展历程,1.2 微型计算机的基础知识,1.3 机内数据和指令的表示,1.4 微型计算机性能,1.5 计算机性能测试程序,1.1 微型计算机的发展历程,1.1.1 发展历史1946年世界第1台计算机诞生计算机硬件的发展历史(共4代),第1代,第2代,第3代,第4代,1.1 微型计算机的发展历程,1.1.2 微型计算机定义微型机即个人计算机(PC机),按体积划分的计算机。微型计算机的发展历史(共6代)第1代(4位)第2代(8位)第3代(16位)第4代(32位)第5代(64位)第6代(高性能微处理器),1.1 微型计算机的发展历程
2、,1.1.2 微型计算机硬件发展规律(1)Moore定律(2)Bell定律(3)Gilder定律(4)Metcalfe定律(5)半导体存储器发展规律(6)硬盘存储技术发展规律,1.1 微型计算机的发展历程,1.1.3微型计算机的应用和特点应用领域(1)科学计算(2)过程检测与控制(3)信息管理(4)计算机辅助系统(5)半导体存储器发展规律(6)硬盘存储技术发展规律,1.1 微型计算机的发展历程,1.1.3微型计算机的应用和特点2. 特点(1)高性能、低价格(2)体积小、功耗低(3)可靠性高(4)应用面广泛,1.1 微型计算机的发展历程,1.1.4微型机的分类1按制造工艺2按机器组成3按机器字长
3、,1.1 微型计算机的发展历程,1.1.5一体机与平板电脑1一体机一体机又称一体台式机,是指将传统分体台式机的主机集成到显示器中,从而形成一体台式机。,1.1 微型计算机的发展历程,1.1.5一体机与平板电脑1平板电脑计算机所有的部件集成到了一块平板上,以显示屏(触摸屏)作为基本的输入设备。触摸屏允许用户通过触控笔或数字笔来进行输入而不是传统的键盘或鼠标。,1.2 微型计算机基础知识,1.2.1冯诺依曼计算机的基本结构计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大基本部件。,1.2 微型计算机基础知识,1.2.2微型计算机的工作流程(1)取出指令(2)分析指令(3)执行指令(4)形
4、成下一条指令的地址,1.2 微型计算机基础知识,1.2.3微型计算机系统的组成,1.2 微型计算机基础知识,1.2.4微型计算机系统的组成,1.2 微型计算机基础知识,1.2.4微型计算机系统的组成存储系统的容量1KB = 210B = 1024B1MB = 210KB = 1024KB1GB = 210MB = 1024MB1TB = 210GB = 1024GB,1.3计算机内数据和指令的表示,1.3.1计算机中的数制二进制、八进制、十进制与十六进制数制之间的转换计算机为何采用二进制,1.3计算机内数据和指令的表示,1.3.2计算机中的数的表示1.符号位数字化2.符号位如何运算3.小数点的
5、表示1)定点表示法2)浮点表示法,1.3计算机内数据和指令的表示,1.3.3西文字符与汉字的编码1字符的编码ASC 编码2汉字的编码1)机内码2)国标码3)输入码4)字形码5)地址码,1.4 微型计算机性能,1.4.1微型计算机性能的主要标准1CPU的字长2运算速度3内存容量4存取周期5. 输入输出数据传输速率6. 可靠性7. 兼容性,1.4 微型计算机性能,1.4.2CPU性能1主频2多核3工作电压4协处理器5流水线技术与超标量6乱序执行和分支预测7高速缓存8制造工艺,1.4 微型计算机性能,1.4.2CPU性能9执行指令的时间MIPS(Million Instruction Per Sec
6、ond)MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second),1.4 微型计算机性能,1.4.3总线的性能1总线宽度2总线时钟3最大数据传输速率(带宽)4信号线数5负载能力,1.4 微型计算机性能,1.4.4外设的性能1. 硬盘的性能2. 光盘驱动器的性能3. USB外设的性能4. 1394总线外设的性能5. 打印机的性能6. 键盘和鼠标的性能,1.4 微型计算机性能,1.4.5计算机性能测试程序SiSoft Sandra、HWiNFO、WinBench99、PCMark2002等测试程序以EVEREST为例进行说明,1.5 微型机性能测试程
7、序,1.4.5计算机性能测试程序,第2章 微处理器及其管理,中央处理器即通常所谓的CPU(Central Processing Unit),是计算机的运算和控制核心。作为计算机中最核心的部件,CPU负责读取指令,对指令译码并执行指令。CPU通过执行指令,实现运算和控制过程。在日常生活中人们通常以CPU的类型来判断计算机的档次,例如,装有Pentium 4 CPU的是P4计算机、装有Pentium III CPU的是P3计算机等。虽然这种方法不太准确,但也说明了在计算机的性能指标中CPU起着决定性的作用。本章要点2.1 微处理器的基本知识2.2 微处理器技术2.3 典型的微处理器2.4 微处理器
8、的性能测试程序习题2,本章逻辑结构,2.1微处理器的基本知识2.1.1 微处理器的发展历程2.1.2 微处理器的组成2.1.3 微处理器的内部结构2.1.4 微处理器的工作模式2.1.5 微处理器的指令系统2.1.5微处理器的接口类型2.2 微处理器技术2.2.1 流水线技术2.2.2动态执行技术2.2.3 多内核技术2.2.4 RISC技术2.2.5 多媒体和超线程技术,本章逻辑结构,2.3 精简典型的微处理器2.3.1 Intel微处理器2.3.1 AMD微处理器2.4 微处理器的性能测试程序2.4.1 MMX技术2.4.2 CPU的编号2.4.3 微处理器性能测试,2.1 微处理器的基本
9、知识,2.1.1 微处理器的发展历程 1974年,著名的美国Intel公司发明了世界上第一片微处理器Intel 4004 1989年,Intel公司推出了80486芯片,这种芯片实破了100万个晶体管的的界限,集成了120万个晶体管。 1999年,Intel公司发布了PentiumIII处理器。 2000年,Intel公司发布了Pentium4CPU。 随后的10年里,Intel公司在X86的体系架构上,发展了双核CPU、多核CPU,更快前端总线的CPU,低功耗高性能的移动处理平台CPU等等。,2.1 微处理器的基本知识,2.1.2微处理器的组成1控制器 控制器是整个微机系统的指挥中心,对协调
10、整个微机系统有序工作极为重要。其主要作用是控制程序的执行。包括对指令进行译码、寄存,并按指令要求完成规定的操作,即指令控制、时序控制和操作控制。控制器主要由以下几个基本部分组成。 程序计数器(PC),又称指令计数器,用来确定下一条指令的地址。 指令寄存器(IR),用于暂存从内存中取出的将要进行译码处理的指令。 指令译码器(ID),用于解析获知指令的功能,并按规定格式将信息存储于寄存器。 时序和逻辑控制器,根据来自译码单元的指令,它会生成控制信号,告诉运算逻辑单元(ALU)和寄存器如何运算、对什么进行运算以及对结果进行怎样的处理。控制器的主要功能有: 从内存中取一条指令,并指出下一条指令在内存中
11、的位置; 对指令进行译码,产生相应的操作控制信号,以便启动规定的动作。 指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间的数据流动方向。,2.1 微处理器的基本知识,2.1.2微处理器的组成2运算器 控制器是运算器即算术逻辑单元(ALU,Arithmetic Logic Unit),是CPU芯片的运算部件。ALU主要由加法器组成,辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路,它在控制信号的作用下可以对操作数进行算术或逻辑运算,输出运算结果。运算器有两个主要功能: 执行各种算术运算; 执行各种逻辑运算,如两个值的比较等。,2.1 微处理器的基本知识,2.1.2 微处理器的组成3寄存器寄存器是CPU内部
12、的高速存储单元,用于存放程序运行过程中所使用的各种数据和指令,除此外,它还负责存储指针跳转信息以及循环操作命令,是运算逻辑单元(ALU)直接接口的存储区域。在应用方面,“可编程”寄存器又可分为下面几种:(1)通用寄存器通用寄存器在CPU中数量多,使用频率高,是数据调度的主要部件,其中既可以存放数据,也可存放数据的地址。(2)地址寄存器地址寄存器用于存放数据的地址,用于存储器的寻址操作,或程序执行跳转地址,也称为地址指针寄存器。(3)标志寄存器标志寄存器(Flags Register,FR)是一个存放条件标志、控制标志寄存器,主要用于反映处理器的状态和运算结果的某些特征及控制指令的执行。标志寄存
13、器中存储的信息称为程序状态字(Program Status Word,PSW),所以标志寄存器也称为PSW寄存器。,2.1 微处理器的基本知识,2.1.3 微处理器的内部结构当前通用的微型计算机皆为x86体系结构,因此以Intel公司最早推出的8086/8088 CPU为例,描述微处理器的内部结构。8086/8088 CPU从功能上划分成两个独立部件:总线接口单元BIU(Bus Interface Unit)和执行单元EU(Execution Unit)。执行单元EU是程序中各条指令执行的核心,完成指令译码、运算及其他操作的执行。执行单元EU从总线接口单元BIU的指令队列缓冲器中取出指令,由E
14、U控制器的指令译码器译码产生响应的操作控制信号送给各部件。执行单元EU对操作数进行算术运算和逻辑运算,并将运算结果的状态特征保存到标志(状态)寄存器FR(Flags Register)中。EU并不直接与CPU外部系统相连,如果在指令执行过程中需要访问外部的主存储器或I/O 设备取操作数,那么EU将访问地址送给BIU后,将要等待操作数据到来后才能继续操作。EU执行单元由算术逻辑单元(ALU)、标志寄存器、通用寄存器组和操作控制器电路等部件组成。 算术逻辑单元(ALU)主要完成算术运算、逻辑运算及数据传送等操作。,2.1 微处理器的基本知识,2.1.3 微处理器的内部结构,图2.1 Intel 8
15、086 CPU的内部结构,2.1 微处理器的基本知识,2.1.4 微处理器的工作模式微机中常用的Intel系列微处理器的主要发展历程是:8080,8086/8088,80186,80286,80386,80486,Pentium, Pentium II, Pentium III, Pentium 4等。除了8080、8086/8088具有两种工作模式外,其它都具有三种工作模式。18080、8086/8088微处理器8086/8088微处理器有两种工作模式:最大模式和最小模式。最小模式系统中只有8086(或8088)一个微处理器。最小模式是单处理器系统。系统中所需要的控制信号全部由8086(或8
16、088)CPU本身直接生成。最大模式系统中有两个或两个以上的微处理器,即除了主处理器8086(或8088)以外,还有协处理器(8087算术协处理器或8089 输入/输出协处理器)。最大模式可构成多处理器系统,系统中所需要的控制信号由总线控制器8288提供。,2.1 微处理器的基本知识,2.1.4 微处理器的工作模式。280X86、Pentium处理器实模式和虚拟86模式是为了兼容8086处理器而设置的。在实模式下,80X86、Pentium处理器就相当于一个运行频率更高,速度更快、功能更强的8086处理器。保护模式是80X86、Pentium处理器的主要工作模式。在此方式下,可以寻址4 GB的
17、地址空间,同时,保护模式提供了多任务、内存分页管理和优先级保护等机制。为了在保护模式下继续提供和8086处理器的兼容,80X86、Pentium又设计了一种虚拟86模式,以便可以在保护模式的多任务条件下,有的任务运行32位保护模式虚拟地址程序,有的任务运行16位的实地址程序。在虚拟86模式下,同样支持任务切换、内存分页管理和优先级,但内存的寻址方式和8086相同,也是可以寻址1 MB的空间。,2.1 微处理器的基本知识,2.1.5 微处理器的指令系统。指令是微处理器执行某种操作的命令,微处理器全部指令的集合称为指令系统。例如Intel CPU的SSE、SSE2指令集,AMD CPU的3D No
18、w!指令集,不同的CPU系列,有着不同的指令系统。8086指令系统是所有X86系列CPU的指令系统的基础,80286、80386乃至Pentium等新型CPU的指令系统仅仅是在这个基础上做了一些扩充。8086的指令为1-6个字节,一般用指令的第一个或前两个字节表示指令的操作码和寻址方式,通常称为操作码域。操作码指出执行该指令时CPU要做什么,寻址方式则表示执行指令时所用的操作数的来源。1数据传送指令数据传送指令是最基本、最重要、最常使用的一类指令,其基本功能是将数据从一个位置移动到另一个位置,完成寄存器与寄存器之间、寄存器与存储器之间以及寄存器与I/O端口之间的字节或字传送。它们所具有的共同特
19、点是不影响标志寄存器的内容。数据传送指令又可细分为通用数据传送指令、输入输出传送指令、目标地址传送指令和标志传送指令等4类。,2.1 微处理器的基本知识,2算术运算指令算术运算指令用于执行二进制的算术运算,即二进制数据的加、减、乘、除。表2.2给出了算术运算指令。3逻辑运算和移位指令逻辑运算和移位指令用于对数据字节或字的二进制位进行操作。表2.3给出了逻辑运算和移位指令。4字符串操作指令字符串可以是存储在存储器中的一组数据块或字节数据(例如,字母、数字),字符串操作指令用于字符串或数据块的处理。 5控制转移指令程序中的指令通常是顺序执行的,在8086/8088中,指令的执行顺序由代码寄存器CS
20、和指令寄存器IP决定,当执行一条指令时,IP的内容就自动进行调整。如果需要改变程序指令的执行顺序,必须改变IP的值(或同时改变CS与IP的值),控制转移指令就是通过改变CS和IP的值来进行程序的转移。,2.1 微处理器的基本知识,6处理器控制指令处理器控制指令用于控制CPU的状态,使CPU暂停、等待或执行空操作等。表2.6给出了处理器控制指令。,2.1 微处理器的基本知识,2.1.3 微处理器的接口类型在计算机中,主板是各个硬件设备的容器,CPU 要进行工作也需要通过某个接口与主板连接。从第一颗8086诞生到386问世,CPU都是被直接焊接在主板上,用户要升级电脑就必须同时更换主板与CPU。到
21、了386末期,部分CPU被压固在主板上,借助工具可以插拔。采用焊接方式连接在主板上的CPU不便于产品更换,而且随着CPU的发展,引脚增多,焊接方式也很难适应。1989年,英特尔发布了第一块Socket 1接口的486DX,采用了ZIF(Zero Insertion Force,零插拔力)设计,使得用户可以很方便的拆装处理器。Socket接口是由很多插针构成,主板上带有相同数目的插孔,CPU与主板连接时只需将插针对准插孔插入即可。需要注意的是一款CPU并不是在所有主板上都能连接,必须具有相匹配的插孔才行。伴随着微处理器的发展,CPU的接口方式也不断变化,大致有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。下面
22、介绍几种比较常用的CPU接口。,2.1 微处理器的基本知识,1Socket 7Socket 7接口最早应用在Pentium MMX系列CPU上,这种类型的CPU共有321个插针,CPU工作电压为2.5V3.5V。Socket 7是方形多针脚ZIF(零插拔力)插座,插座上有一根拉杆,在安装和更换CPU时只要将拉杆向上拉出,就可以轻易地插进或取出CPU芯片。2Slot 1SLOT 1接口的出现取代了Socket 7,它是英特尔公司为Pentium II系列CPU设计的插槽,其将Pentium II CPU及其相关控制电路、二级缓存都封装在一块子卡上,多数Slot 1主板使用100MHz外频。SLO
23、T 1的技术结构比较先进,能提供更大的内部传输带宽和CPU性能。3Slot ASlot A和Slot 1差不多,只是Slot A使用EV6总线协议,而Slot 1使用P6 GTL+ 总线协议,但二者不能混用。支持SLOT A接口结构的主板芯片组主要有两种,一种是AMD的AMD 750芯片组,另一种是VIA的Apollo KX133芯片组。此类接口已被Socket A接口全面取代。,2.1 微处理器的基本知识,4Socket 370Intel推出Socket 370接口取代了Slot接口,从外形上看,Socket 370和更早的Socket 7差不多,两者都采用零插拔力插槽。Socket 370
24、接口对应的CPU是370针脚,工作电压为2V1.475V。Socket 370接口早期使用在Mendocino核心(PPEG封装)的Celeron 333和Celeron 366微处理器上,著名的Coppermine(铜矿)核心和Tualatin(图拉丁)核心系列CPU就是采用Socket 370接口的代表产品。5Socket ASocket A接口也称为Socket 462,原因是该接口具有462个插孔,可以支持133MHz外频。AMD公司推出了多款Socket A接口CPU产品,比如Thunderbird(雷鸟)、Duron(毒龙)、Athlon XP(速龙 XP)等。目前SocketA接
25、口已经被淘汰。6Socket 423Socket 423接口最早使用在Intel Pentium 4处理器中,从外观看,Socket 423前几种Socket类的接口近似。 采用该接口的CPU具有423根针脚数,工作电压为1.75V。随着DDR内存的流行,英特尔开发了支持SDRAM及DDR内存的i845芯片组,Socket 423接口也被Socket 478接口彻底取代。,2.1 微处理器的基本知识,7Socket 478Socket 478接口针脚数为478针,虽然在针脚数目上增加了不少,但是其封装面积却比Socket 423接口处理器的封装面积小了不少,针脚排列非常紧密。这主要是在PGA-
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