第二章
计算机组成原理
目标与要求 (p25)
2.1 计算机的组成与分类
一、组成,
计算机系统由硬件与软件组成
硬件：物理装置的总称
软件：程序 +数据 +文档
硬件逻辑示意图：（ p26 图 2-1）
– 主机与外设的概念
– 处理器与中央处理器的概念
– 逻辑图与物理图 （ p37图 2-8）
冯 ● 诺依曼计算机原理与结构
? 基本原理,
– 程序是一个指令序列,
– 指令与数据都用二进制表示，预先存放在存储器内,
– 计算机工作时,CPU从内存取出指令和数据，按指令
的规定，对数据进行运算处理，直到程序完成为止。
? 基本结构,5个组成部分
运算器
控制器
存储器
输入
输出
中央处理器
主机
计算机硬件
计算机的 逻辑 结构
? 控制器是分散的, 总线也是控制器
中央处理器
外存储器
内存储器
输出设
备
系统总线
输入设
备
控制器 控制器 控制器
I/ O 端口 I/ O 端口 外存储器接口
运算器 存储器
控制器
输入 输出
（ p26 图 2-1）
计算机的 物理 结构 1P37
? 主板
处理器
I / O 端口
软驱及 IDE
硬盘连接器
存储器插座
电源连接器
PCI 总线槽
CPU 插座
（ p37图 2-8）
主板示例
计算机的物理结构 2
? 芯片组
P entium 4
CP U 总线 (400 或 533 M H z )
82850E
M CH
A G P 4X
图形显示接口
双通道
(4.2G B/s )
828 01B A
ICH 2
USB 接口 (x4)
以太网接口
P CI 插槽 ( 若干 )
(3,2 或 4.2G B/s )
RD RA M
RD RA M
(>1G B/s )
F las h BIO S
U ltra AT A /100
硬盘 接口 (x2)
(10 0M B/s )
5.1 声道音频接口
(13 3 M B/s )
存储器总线
计算机的物理结构 3
键盘
鼠标器
打印机
显示器
麦克风
网线
I/O 总线
I/O 接口
硬盘，光
驱
I/O 设备 CPU
主板
I/O 设备
I/O 控制器
（ 扩充卡 ）
机箱
插座
板卡
插座
I/O 控制器
PCI 插槽
内存
主
板
插
槽
机箱
芯片组
ID E 接口
显示器
主机
软盘
硬盘 (光盘 )
开关
鼠标器
1,INPUT设备,(P26)
功能,..,
不同用途对应不同的输入设备（ 6种）
数据在计算机内部是二进制表示
2、中央处理器：（ CPU）
功能,…,
运算器（算术 +逻辑） +控制器（对运算与指令的
控制） +寄存器 Register
VLSI技术使它小于 10平方厘米
硬件各部件描述,
3,Memory存储器（内存 +外存）
（ 1）功能：存放程序与数据
（ 2）计算机工作原理：存储程序与程序控制
（ 3）内存：与 CPU较近（快）
（ 4）外存：与内存相连（慢）
4,OUTPUT设备
（ 1）功能,
把二进制信息输出为人们可识别的信息
（ 2）各种 OUTPUT设备举例
5,BUS系统总线与 I/O端口
（ 1） BUS功能：硬件各部分的公共信息通道
（ 2） BUS组成：控制器 +公共传输线
（ 3） BUS的位置,PC机的主板上
（ 4） I/O端口的作用,
海纳百川各种 I/O设备；
信息的缓冲处理等。
（ 5） I/O端口的位置,BUS与外设之间
（ 6） I/O端口的类型：并、串、视频,USB等
（不同设备，不同规则）
BUS特点,
共享与高速
二、计算机分类,
1.按 cpu分类,单处理机；多处理机；
16位,32位 …,
2.按计算机整体性能分类
– 巨型机（ SuperComputer）
– 大型机（ MainFrame）
– 小型计算机（ Mini computer）
– PC机（主力军）
– 特殊用户的 PC机 — 工作站（ workstation）
– 不同档次的计算机担任不同的角色
– 例,c/s模式下的计算机
三、微处理器与 PC机
1,VLSI技术产生了微处理器 (简称为 ?P或 MP)
主要参数,
字长（ 2n）：一次处理数据的宽度
工作频率 ;结构与功能 p31表 2— 1
2、独特的单片机,
（ 1） MP+Memory+BUS+I/O端口
做在一个芯片上
（ 2）应用：家电；智能 xx；军事
1,I nt e l 公司微处理器主要技术参数比较
处理器
主要参数
8086
8028
6
8038
6
80486
P e nt iu
m
P e nt iu m
P r o
P e nt iu m
Ⅱ
P e nt iu m
Ⅲ
P e nt iu m 4
推出时间 1978 1982 1985 1989
1993 ~ 1
99 6
1995 ~1
997
1997 ～
1998
1999
2000
主频
( MHz )
4.7 7
6 ～
2 0
16 ～
33
33 ～
100
60 ～
200
150 ～
2 00
233 ～
333
450 ～
1 4 00
1 5 00 ～
306 0
晶体管数
目
2.9
万
13,4
万
27,5
万
120 万 310 万 550 万 750 万 950 万
4200 万
制造工艺
( 微米 )
>2 1.5
1.5 ~1
.0
1,0~0,8
0.8 ～
0,35
0.6 ～
0.3 5
0.3 5 ～
0.2 5
0.2 5 ～
0.1 3
0.1 8 ～ 0.1 3
封装形式
与引脚
D I P,
40
P GA,
68
P GA,
132
P GA,1
68
P GA,2
73
S P GA,
2 96
双
S P GA,3
87
P in
S EC,24
2
F C -
P GA,37
0
F C - P GA2,
478
3、生产微处理器厂家及网址
Intel公司 www.intel.com
AMD公司 Cyrix公司 Motorola公司
Apple公司 ……,
4,MP与 PC的关系,
（ 1） MP决定 pc的型号（举例）
（ 2）概念,
兼容机、原装机、组装机（ DIY）
小结 ;习题 P31
回顾
? 计算机的 逻辑结构
? 计算机的 物理结构
? 计算机硬件部件
? 计算机分类
? 讲, CPU
计算机的 逻辑 结构
? 控制器是分散的, 总线也是控制器
中央处理器
外存储器
内存储器
输出设
备
系统总线
输入设
备
控制器 控制器 控制器
I/ O 端口 I/ O 端口 外存储器接口
运算器 存储器
控制器
输入 输出
（ p26 图 2-1）
计算机的 物理 结构 1P37
? 主板
处理器
I / O 端口
软驱及 IDE
硬盘连接器
存储器插座
电源连接器
PCI 总线槽
CPU 插座
（ p37图 2-8）
主板示例
计算机的物理结构 2
? 芯片组
P entium 4
CP U 总线 (400 或 533 M H z )
82850E
M CH
A G P 4X
图形显示接口
双通道
(4.2G B/s )
828 01B A
ICH 2
USB 接口 (x4)
以太网接口
P CI 插槽 ( 若干 )
(3,2 或 4.2G B/s )
RD RA M
RD RA M
(>1G B/s )
F las h BIO S
U ltra AT A /100
硬盘 接口 (x2)
(10 0M B/s )
5.1 声道音频接口
(13 3 M B/s )
存储器总线
计算机的物理结构 3
键盘
鼠标器
打印机
显示器
麦克风
网线
I/O 总线
I/O 接口
硬盘，光
驱
I/O 设备 CPU
主板
I/O 设备
I/O 控制器
（ 扩充卡 ）
机箱
插座
板卡
插座
I/O 控制器
PCI 插槽
内存
主
板
插
槽
机箱
芯片组
ID E 接口
一、结构,
1.ALU+CON+Regisfer
2.CPU与内存的关系 （ p32图 2-4）
3.为什么 CPU的结构越来越复杂
①冗余部件 — 提速度,扩精度 （ 见 p32图 2-5）
②增加 Register
③ 增加高速存储器 Cache
④ 指令预取部件（实现流水线）
⑤扩展 DSP功能（多媒体）
⑥扩展通信功能 （底层的通信协议）
2.2 CPU的结构与原理
寄
存
器
运
算
器
控 制 器
指 令
数 据
运算结果
中
央
处
理
器 操作命令 内
存
储
器
CPU的组成及其与内存的关系
Pentium处理器的结构
提高速度的措施,
s 提高时钟频率
s 增加数据位数
s 采用通用寄存器临时存放
中间运算结果
s 采用多个运算器
s 增加 cache存储器
s 采取流水线方式执行指令
扩充功能的措施,
s 增加浮点运算指令
s 增加 MMX指令
s 增加 SIMD指令
指令预取
指令译码
控制器
整 数
A LU
1
浮 点
点 运算器
指令 cache
数据 cache
R O M
控
制
器
运
算
器
整 数
A LU 2
总
线
接
口
部
件
地
址
转
换
部
件
内
存
寄
存
器
组
奔腾微处理器
Pentium 4处理器的封装
478-Pin micro PGA封装
CPU的安装
1.程序：完成某任务, 指令, 的集合
2.指令：①机器语言 /命令语言；二进制形式
②操作码 +操作数（地址）
③指令系统与 CPU硬件兼容性问题
（不同公司的 cpu的各自的指令系统）
④同一系列的, 向下兼容问题, 。
二, 指令与指令系统
回顾
(10月 7日补课 )
2.1 计算机组成与分类 P25
逻辑组成结构与物理组成结构
2.2 CPU的结构与原理 P31
ALU+CON+Register
看 CPU安装录象
今天讲,指令的执行
三, 指令执行讨论简介,
1.宏观,
取指令
执行指令
2.微观； （ p35 图 2-7）
3.如何提速？ — 流水线过程
4.回顾计算机工作原理
中央处理器的概念结构
指令执行过程,
(1)CPU访问存储器取得
(2)控制器进行译码。
(3)
(4)运算器完成运算处理。
(5)运算结果保存。
(6) 修改指令地址，准
备执行下一条指令。
寄
存
器
运
算
器
控 制 器
指 令
数 据
运算结果
中
央
处
理
器
操作命令
内
存
储
器
命令
Pentium处理器中指令执行的
流水线过程
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
指令预取
指令译码
地址计算
执行运算
回送结果
四, CPU性能
1.CPU处理速度指标
MIPS,单字长定点指令百万条数 /秒
MFLOPS：单字长浮点指令百万条数 /秒
2.与 MIPS相关的 cpu性能参数,
①工作频率,nMHZ nGHZ
② cache容量
③流水线级数；一条指令分几级完成,
④ 其它 ……
3.看主流 cpu产品 Intel公司的参数表 （ p36表 2-2）
小结与习题 p36
1,I n tel 公司微处理器产品的主要性能参数
处理器
主要参数
8 0 8 6 8 0 2 8 6 8 0 3 8 6 8 0 4 8 6 Pen t i u m Pen t i u m Pro Pen t i u m Ⅱ Pen t i u m Ⅲ Pen t i u m 4
主频 ( MH z) 4, 7 7 6 ～ 2 0 16 ～ 33 33 ～ 1 0 0 60 ～ 2 0 0 1 5 0 ～ 2 00 2 3 3 ～ 333 4 5 0 ～ 1 4 00 1 5 00 ～ 306 0
CPU 总线频率
(MH z)
4, 7 7 6 ～ 2 0 16 ～ 33 25 或 33 50 或 66 66 66 1 0 0 或 133
4 0 0 或 533
L 1 Cach e —— —— —— 16 KB 8 K B + 8 K B 8 K B + 8 K B 1 6 K B+ 1 6 K B 32 K B+ 32 KB 8 K B + 1 2 K B ETC
L 2 Cach e —— —— —— —— ——
2 5 6 K B, 1 / 2
主频速度
5 1 2 K B, 1 / 2
主频速度
5 1 2 K B,
主频速度
2 5 6 KB ～ 1 MB
主频速度
通用寄存器位数 16 16 32 32 32 32 32 32 32
外部数据线数目 16 16 32 32 64 64 64 64 64
地址线数目 20 24 32 32 32 36 36 36 36
存储器空间大小 1 MB 1 6 MB 4 G B 4 G B 4 G B 6 4 G B 6 4 G B 6 4 G B 6 4 G B
整数运算部件 1 1 1 1 2 4 5 5 5
浮点运算部件 外接 外接 外接 1 1 1 1 1 1
流水线级数 —— —— —— 5 5 14 14 14 20
指令系统 8 0 8 8 8 0 2 8 6 x 8 6 x 8 6 x 8 6 + x 8 6 + x 8 6 +,MMX
x 8 6 +,M MX
I SSE
x 8 6 +,M MX,
I SSE 2
例题
判断正误,
计算机的性能主要由 CPU决定,CPU
的运算速度又与 CPU的工作频率密切相
关。因此,主频为 2Ghz的 Pentium4作为
CPU的一台 PC机，比使用 主频为 1Ghz的
Pentium4作为 CPU的 PC机速度高一倍。
例题（续）
单选题,
在 CPU中，运算器的主要功能是,
A 算术运算；
B 逻辑运算；
C 算术运算与逻辑运算；
D 信息处理。
例题（续）
单选题,
Intel公司生产的 Pentium系列 CPU与
Motorola公司生产的 Power PC系列 CPU相比,
其指令系统,
A 指令条数相等；
B 相互兼容；
C 相互不兼容；
D 寻址方式完全相同。
2.3 PC机的组成（物理）
1、使用机器中的疑问,
– 启动失败,
– 感染 CIH病毒 密码问题
2、机箱,
外壳,电源,风扇,开关 …
3、机箱内,
主板,硬盘,软驱,光驱,
一、主板（芯片组与 BIOS,CMOS）
1.主板（母板）示意图：（ p37 图 2-80）
①位置？
②主板上有什么？
③两块重要的集成电路,
– CMOS存储器 （日期,密码,硬件配置参数） 需要电
池。
– BIOS只读存储器
④主板的标准化 （ ATX规格）
处理器
I / O 端口
软驱及 IDE
硬盘连接器
存储器插座
电源连接器
PCI 总线槽
CPU 插座
2.芯片组 （ chipset）
①不同的 cpu，需要不同的芯片组；芯片组决定主板
内存容量，速度，内存条类型
②主板上各部件的控制枢纽
③实例,P4 cpu使用的 chipset850
– 82850E,MCH（ Memory Confrol Hub）存储控制器
– 82801BA,I/O控制中心,
④ 概念上的总线 （ DB,AB.CB）
物理上总线的理解 P38倒 3行的提示 !
计算机的物理结构 2
? 芯片组
P entium 4
CP U 总线 (400 或 533 M H z )
82850E
M CH
A G P 4X
图形显示接口
双通道
(4.2G B/s )
828 01B A
ICH 2
USB 接口 (x4)
以太网接口
P CI 插槽 ( 若干 )
(3,2 或 4.2G B/s )
RD RA M
RD RA M
(>1G B/s )
F las h BIO S
U ltra AT A /100
硬盘 接口 (x2)
(10 0M B/s )
5.1 声道音频接口
(13 3 M B/s )
存储器总线
3,BIOS（ Basic I/O System）
① 它是一个最基本 I/O程序；是最底层的操
作系统 ;它被固化在主板的一个 ROM中,
② 它由四个部分组成,
? POST 程序
? 系统 Load 程序
? CMOS设置程序
? 基本外设驱动程序
（开机时，为什么, 键盘无 …,”）
P39
③ 加电系统启动的过程,（ p39）
Power ON 或 Resef键（主机面柜上）
（ a） post(自检） （ BIOS）
读 CMOS参数，识别硬件
（ b）系统 Load程序（ BIOS）
按盘搜索路径（ A,C：光盘）装入引导程序
说明,
1.基本外设驱动程序是从 BIOS中加载；
2.其他外设在 OS初步运行成功后再从硬盘加载；
3.有的外设驱动程序在适配卡的 Rom中,
BIOS可以 扫描端口,
4.如何改变系统参数？ （如：日期,密码,硬件,参数）
– 在 OS自举之前，按下某键（ Del）
– 进入 CMOS设置程序
– 何时需设置？ （ p40）
什么是 P&P
主板讲解结束
回顾 (10月 9日 )
2.1 计算机组成与分类 P25
逻辑组成结构与物理组成结构
2.2 CPU的结构与原理 P31
ALU+CON+Register
指令与指令系统；指令执行流水线
CPU性能参数表 P36
2.3 PC机组成 P36
一,主板,芯片组与 BIOS 今天讲,二,内存
主板的安装
二、内存
1、概述,
①存储器 =内存 +外存
②存储器的层次结构（ p40 图 2-10）
③内存分为,RAM 随机存储器
ROM 只读存储器
它们均由不同性能的集成电路组成
66
存储器
? 存储器体系
? 半导体存储器类型
Ca c he 存储器
主存储器 ( RAM 和 ROM )
外存储器（软盘、硬盘、光盘）
后备存储器（磁带、光盘）
内存储器
外存储器
半导体
存储器
只 读
存储器
ROM
随机存
取存储
器 RAM
静态随机存储器 S RA M
动态随机存储器 DRAM
掩膜 ROM （ Mask ROM ）
可编程 ROM （ P RO M ）
可擦除 P RO M （ E P RO M ）
快擦除存储器（ F la s h ROM ）
④ RAM,（断电后，信息丢失） 易失性
DRAM：动态 RAM；
集成度高,功耗低,成本低,慢,用做一般主存
SRAM：静态 RAM.特点：与上相反,用做 cache
⑤ ROM（断电后，信息保留） 非 易失性,
类型有,Mask ROM:一次形成，不可修改
PROM,EPROM,初始状态为空白，由用户
用专用装置写入（后者可以重复写入）
Flash ROM：闪存。用于 BIOS,U盘,DC中
⑥ 小结,p41 图 2-11
66
存储器
? 存储器体系
? 半导体存储器类型
Ca c he 存储器
主存储器 ( RAM 和 ROM )
外存储器（软盘、硬盘、光盘）
后备存储器（磁带、光盘）
内存储器
外存储器
半导体
存储器
只 读
存储器
ROM
随机存
取存储
器 RAM
静态随机存储器 S RA M
动态随机存储器 DRAM
掩膜 ROM （ Mask ROM ）
可编程 ROM （ P RO M ）
可擦除 P RO M （ E P RO M ）
快擦除存储器（ F la s h ROM ）
内存条的安装
2,cache
① cpu需要 cache配合,cache使用 SRAM芯片,
② 工作过程,
– 映射 (与内存一小部分对应 )
– 命中与不命中
– L1 cache与 L2 cache
– cache的容量
注意,cache对程序员是透明的
Cache在 CPU中
Cache的演变过程
存储
控制器 CPU
主存储器
DRAM
Cache
(SRAM)
存储
控制器 CPU
主存储器
DRAM
存储
控制器
主存储器
DRAM
CPU
Cache
(SRAM)
存储
控制器
主存储器
DRAM
CPU
Cache
(SRAM)
Cache
(SRAM)
Pentium 4
（ 80386无 cache）
Cache
(SRAM)
存储
控制器
主存储器
DRAM
CPU
Cache
(SRAM)
Cache的成本，工作频率 ;存取周期 ns。 详见 P36表 2-2
增加 L2
有 cache
1
2
3
4
1,Intel 公司微处理器产品的主要性能参数
处理器
主要参数
8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium 4
主频 (MHz) 4.77 6 ～ 2 0 16 ～ 33 33 ～ 100 60 ～ 200 150 ～ 2 00 233 ～ 333 450 ～ 1 4 00 1 5 00 ～ 306 0
CPU 总线频率
(MHz) 4.77 6 ～ 2 0 16 ～ 33 25 或 33 50 或 66 66 66 100 或 133
400 或 533
L1 Cache —— —— —— 16 KB 8KB+8KB 8KB+8KB 16KB+16KB 32 KB+ 32 KB 8 KB+ 12KB ETC
L2 Cache —— —— —— —— —— 256KB, 1/2 主频速度 512KB, 1/2 主频速度 512KB, 主频速度 256 KB ～ 1MB 主频速度
3,主存, （一般指 RAM）
①由多个 DRAM芯片搭建而成
②每个单元：一个 Byte；每个单元一个编号 (地址 )
③ 容量,B-KB-MB-GB-TB
④ 存取时间；读 /写一个单元数据的时间,
级别,ns（ 10-9s）
⑤主流 RAM产品与主板关系一览表,（ p43表 2-3）
公式：速度 =M的亮度 ? M的有效时钟频率,
（ M速度如何得到？ 结合 p38 图 2-9讲 ）
主存储器的类型和速度
? 内存条的类型,
①单列直插式内存条模块,
简称 SIMM内存条,早期,DB为 32b,必须成对使用
②双列直插式内存条模块,
简称 DIMM内存条,数据宽 64b，可以单条使用
③ Rambus内存条模块，简称 RIMM内存条,高 频率
详见 P43-P44 主存总效率 =内存条 +芯片组 +CPU
主存储器类型 名 称 CP U 总线
时 钟频率
存储器总线
有效时钟频率
存储器数据
通路宽度
存储器速率
S D RA M P C1 33 133 M H z 133 M H z 8 By tes 1.064 G B/s
S D RA M P C1 00 100 M H z 100 M H z 8 By tes 0.8 G B/s
D D R S D RA M P C2 66 133 M H z 266 M H z 8 By tes 2.128 G B/s
D D R S D RA M P C2 00 100 M H z 200 M H z 8 By tes 1.6 G B/s
双通道 RD RA M P C8 00 400 M H z 800 M H z 2 × 2B y tes 3.2G B/s
双通道 RD RA M P C1 060 533 M H z 106 6M H z 2 × 2B y tes 4.264 G B/s
速率的来历?
回顾,计算机的物理结构
P entium 4
CP U 总线 (400 或 533 M H z )
82850E
M CH
A G P 4X
图形显示接口
双通道
(4.2G B/s )
828 01B A
ICH 2
USB 接口 (x4)
以太网接口
P CI 插槽 ( 若干 )
(3,2 或 4.2G B/s )
RD RA M
RD RA M
(>1G B/s )
F las h BIO S
U ltra AT A /100
硬盘 接口 (x2)
(10 0M B/s )
5.1 声道音频接口
(13 3 M B/s )
存储器总线
芯片组 850
MCH的作用?
三,I/O总线与 I/O接口
I/O操作（下面详细）
①特点, (为什么需要 I/O BUS与 I/O接口 )
外设速度慢，要与 CPU可以 并行 工作
不同需求，外设种类差别大，可以 增,减 外设
各种外设与主机连接方式不同,控制复杂度 不一,
② 分门别类,使用, 专用控制器, 作为中介,
中断 的概念 （由 I/O控制器 完成）
DMA（直接存储器访问）用于高速的外部设备,
回顾,计算机的 逻辑 结构
? 控制器是分散的, 总线也是控制器
中央处理器
外存储器
内存储器
输出设
备
系统总线
输入设
备
控制器 控制器 控制器
I/ O 端口 I/ O 端口 外存储器接口
运算器 存储器
控制器
输入 输出
（ p26 图 2-1）
关于总线 1（ P46）
? 系统总线的 定义,
– 用来连接 CPU、内存、外存和各种输入输出设施并协调它们工作的
一个控制部件，其主要组成部分是用于在各部件间运载信息的一组
（或多组） 公用的传输 线，并由此而得名。
? 总线的 特点,
1 共享 ； 2 高速
? 总线的性能,
– 数据通路宽度
– 总线工作频率
? 总线的类型
总线数据传输速率（总线 带宽 ）
系统总线
其它总线
CPU总线
存储器总线
I/O总线
关于总线 2（ P47）
? 回顾,三类 I/O总线, DB,AB,CB
? 回顾,总线的位置
? 回顾,总线的控制中心,芯片组
? 总线的发展历程
– IBM PC/AT的 ISA总线 (工业标准总线 )
16bit,工作频率低 ----带宽 5MB/S到 15MB/S
– PCI(局部总线 ) 133MB/S到 266MB/S
I/O操作过程 (P45)
中
央
处
理
器
I/O 设备 1
控制
I/O 设备 k 启动
完
成
启动
完成
I/O 控制器 k
I/O 控制器 1
主存储器
数据
数据
数据
控制
请求
数据
传输
1.CPU执行 I/O指令时,
向 I/O控制器发出启动命令
2.I/O控制器接受命令，负
责对 I/O设备进行全程控制,
3.当需要传输数据时,
I/O 控制器发出请求,
4.I/O控制器获得授权后,
直接与存储器 传输数据,
5.所有数据传输完毕后,
I/O控制器向 CPU报告 I/O
操作完成
直接与主存
从以上图可以看到,
? I/O操作是由计算机中许多部件协同完成的,
– CPU—— 负责 I/O操作的启动
– I/O控制器 —— 负责对 I/O设备进行全程控制
? DMA控制 —— 负责数据传输的控制
? 程序中断 —— 负责向 CPU报告 I/O操作完成的情况，实现
CPU处理与 I/O操作之间的同步与通信
关于控制器,简单 的外设控制集成在芯片组中 ;
复杂的,使用 I/O扩充卡与主板 PCI/ISA扩充槽连接
回顾 (10月 14日 )
2.3 PC机组成 (硬件各部件讲解 )
一,主板,芯片组,BIOS,CMOS(开机的过程 )
二,存储器 (多层体系结构 )
内存 (RAM,ROM),CACHE问题
三,I/O总线与芯片组 (总线控制器 )
目的,硬件各部件 并行 工作
总线的定义与各种总线分类,位置,功能
总线的带宽公式 ; 以下三者,
CPU与 总线 (控制器 )与 I/O接口的关系 (下 详 )
I/O接口的分类
? 从数据传输方式来分,
– 串行（一次只传输 1位）
– 并行（ 8位或者 16位,32位一起进行传输）
? 从数据传输速率来分,
– 高速
– 低速
? 从是否能连接多个设备来分,
– 总线式（可连接多个设备，被多个设备共享）
– 独占式（只能连接 1个设备）
? 从是否符合标准来分,
– 标准接口 （通用接口）
– 专用接口 （专用接口）
不同的设备对应不同的接口
一个接口可以接多个设备
常用 I/O接口 (P48)
键盘
鼠标器
打印机
显示器
麦克风
网线
I/O 总线
I/O 接口
硬盘，光
驱
I/O 设备 CPU
主板
I/O 设备
I/O 控制器
（ 扩充卡 ）
机箱
插座
板卡
插座
I/O 控制器
PCI 插槽
内存
主
板
插
槽
机箱
芯片组
ID E 接口
I/O接口
(连接器 )
回顾,计算机的物理结构 3
I/O总线 (主板 BUS):I/O控制器与 CPU与存储器的 通道,
名 称 数据传
输方式
数据传输速率 标 准 插头 / 插座
形式
可连接的
设备数目
通常连接的设备
串行口 串行,
双向
50 ～ 192 00 b/s RS - 232E
或 RS - 422
DB 25F 或
DB 9F
1 鼠标器, M OD EM
并行口
( 增强式 )
并行,
双向
1.5MB /s IEE E 128 4 DB 25M 1 打印机, 扫描仪
USB
（ 1.1 ）
串行,
双向
0.1875 M b/s
或 1.5MB /s
US B A 最 多 127 鼠标器，数码相机，
移动盘，扫描仪等
USB
（ 2.0 ）
串行,
双向
60M B/s US B A 最多 127 外接硬盘, 数字视频
设备等高速设备
FireW ire
(i,Li nk)
串行,
双向
12.5,25,50M B/s
最高 400 M B/s
IEE E 139 4 最多 63 数字视频设备
SCSI
并行,
双向
5,10,20,40,80 或
160 M B/s
SCSI - 2
SCSI - 3
Ultra SC SI
C50F 最多 7
或 15
硬盘，扫描仪，光驱，
磁带机
显示器输
出接口
并行,
单向
20 0 ～ 500 M B/s VGA HD B1 5 1 显示器
PS /2 接口 低速 IBM 1 键盘或鼠标器
键盘接口 串行,
单向
低速 1 键盘
红外线接
口 (IrD A)
串行,
双向
1 15,000 bps 或
4 Mbp s
红外线数
据协会
不需要 1 键盘，鼠标器，打印
机等
常用 I/O接口 (P48)
关于 USB接口
? 通用 串行总线 式接口（ Universal Serial Bus ）
? 高速、可连接多个设备、串行传输
? 传输 速率,
– USB的 1.1版,1.5 Mb/s和 12 Mb/s
– USB2.0版：高达 480Mb/s（ 60MB/s）
? 使用 4线连接器,体积小，符合即插即用规范
（ Plug & Play,即 PnP）
? 使用, USB集线器, 扩展机器的 USB接口，最多
连接 127个设备
? 可通过 USB接口由主机向外设 提供电源
（＋ 5V,100～ 500 mA）。
USB是总线?是接口?
关于 IEEE-1394接口
? 又称为 1394,i.link,FireWire
? 连接高速设备 ;400MB/S
? 此连接器 6线 (电源,地,2对传输线 )
? 接口以 级联方式 连接外设,
一个接口可接 63个设备
? 目前应用于便携机
? 发展方向,USB与 1394不仅代替传统的 IO接口,
也正代替 SCSI接口
小结 1 (P46)
键盘
鼠标器
打印机
显示器
麦克风
网线
I/O 总线
I/O 接口
硬盘，光
驱
I/O 设备 CPU
主板
I/O 设备
I/O 控制器
（ 扩充卡 ）
机箱
插座
板卡
插座
I/O 控制器
PCI 插槽
内存
主
板
插
槽
机箱
芯片组
ID E 接口
注意各部件的位置,
1.I/O设备 2； 2.I/O接口； 3.I/O控制器；,4.I/O总线
2 1
4
3
P entium 4
CP U 总线 (400 或 533 M H z )
82850E
M CH
A G P 4X
图形显示接口
双通道
(4.2G B/s )
828 01B A
ICH 2
USB 接口 (x4)
以太网接口
P CI 插槽 ( 若干 )
(3,2 或 4.2G B/s )
RD RA M
RD RA M
(>1G B/s )
F las h BIO S
U ltra AT A /100
硬盘 接口 (x2)
(10 0M B/s )
5.1 声道音频接口
(13 3 M B/s )
存储器总线
系统总线 =CPU总线 +存储器总线 +I/O总线
I/O总线 (主板 BUS):I/O控制器与 CPU与存储器的 通道,
整
体
的
概
念
I/O接口,外设与总线的连接器,
特殊的 USB,1394总线接口
小结 2
例题
A,I/O端口,AGP插槽,IDE接口。
B,IDE接口,CPU插槽,AGP接口。
C,I/O端口,CPU插槽,PCI接口。
D,I/O端口,IDE接口,PCI接口。
4,单选题,
右图是 PC机主板的示
意图，其中 (1)(2)(3)分
别是,
例题
判断正误,
计算机可以连接许多不同种类的 IO设备,
不同的 I/O设备往往需要使用不同的 I/O
接口，因此，同一种 IO接口只能连接同
一种设备。
判断正误,
并行处理系统能够把多项任务分配给不同
的 CPU同时执行，且保持系统正常有效地
工作。 NY
单选题,
下面关于内存储器的叙述中,错误 的是,
A 当前正在执行的指令和数据都必须存放在内
储器中，否则 CPU就不能进行处理。
B 内存速度快而容量相对较小，外存则速度较
慢而容量相对很大。
C 内存储器和外存储器是统一编址的，字节是
存储器的基本编址单位。
D Cache存储器也是内存储器的一部分。
C
习题
P49
何时交?
计算机组成原理
目标与要求 (p25)
2.1 计算机的组成与分类
一、组成,
计算机系统由硬件与软件组成
硬件：物理装置的总称
软件：程序 +数据 +文档
硬件逻辑示意图：（ p26 图 2-1）
– 主机与外设的概念
– 处理器与中央处理器的概念
– 逻辑图与物理图 （ p37图 2-8）
冯 ● 诺依曼计算机原理与结构
? 基本原理,
– 程序是一个指令序列,
– 指令与数据都用二进制表示，预先存放在存储器内,
– 计算机工作时,CPU从内存取出指令和数据，按指令
的规定，对数据进行运算处理，直到程序完成为止。
? 基本结构,5个组成部分
运算器
控制器
存储器
输入
输出
中央处理器
主机
计算机硬件
计算机的 逻辑 结构
? 控制器是分散的, 总线也是控制器
中央处理器
外存储器
内存储器
输出设
备
系统总线
输入设
备
控制器 控制器 控制器
I/ O 端口 I/ O 端口 外存储器接口
运算器 存储器
控制器
输入 输出
（ p26 图 2-1）
计算机的 物理 结构 1P37
? 主板
处理器
I / O 端口
软驱及 IDE
硬盘连接器
存储器插座
电源连接器
PCI 总线槽
CPU 插座
（ p37图 2-8）
主板示例
计算机的物理结构 2
? 芯片组
P entium 4
CP U 总线 (400 或 533 M H z )
82850E
M CH
A G P 4X
图形显示接口
双通道
(4.2G B/s )
828 01B A
ICH 2
USB 接口 (x4)
以太网接口
P CI 插槽 ( 若干 )
(3,2 或 4.2G B/s )
RD RA M
RD RA M
(>1G B/s )
F las h BIO S
U ltra AT A /100
硬盘 接口 (x2)
(10 0M B/s )
5.1 声道音频接口
(13 3 M B/s )
存储器总线
计算机的物理结构 3
键盘
鼠标器
打印机
显示器
麦克风
网线
I/O 总线
I/O 接口
硬盘，光
驱
I/O 设备 CPU
主板
I/O 设备
I/O 控制器
（ 扩充卡 ）
机箱
插座
板卡
插座
I/O 控制器
PCI 插槽
内存
主
板
插
槽
机箱
芯片组
ID E 接口
显示器
主机
软盘
硬盘 (光盘 )
开关
鼠标器
1,INPUT设备,(P26)
功能,..,
不同用途对应不同的输入设备（ 6种）
数据在计算机内部是二进制表示
2、中央处理器：（ CPU）
功能,…,
运算器（算术 +逻辑） +控制器（对运算与指令的
控制） +寄存器 Register
VLSI技术使它小于 10平方厘米
硬件各部件描述,
3,Memory存储器（内存 +外存）
（ 1）功能：存放程序与数据
（ 2）计算机工作原理：存储程序与程序控制
（ 3）内存：与 CPU较近（快）
（ 4）外存：与内存相连（慢）
4,OUTPUT设备
（ 1）功能,
把二进制信息输出为人们可识别的信息
（ 2）各种 OUTPUT设备举例
5,BUS系统总线与 I/O端口
（ 1） BUS功能：硬件各部分的公共信息通道
（ 2） BUS组成：控制器 +公共传输线
（ 3） BUS的位置,PC机的主板上
（ 4） I/O端口的作用,
海纳百川各种 I/O设备；
信息的缓冲处理等。
（ 5） I/O端口的位置,BUS与外设之间
（ 6） I/O端口的类型：并、串、视频,USB等
（不同设备，不同规则）
BUS特点,
共享与高速
二、计算机分类,
1.按 cpu分类,单处理机；多处理机；
16位,32位 …,
2.按计算机整体性能分类
– 巨型机（ SuperComputer）
– 大型机（ MainFrame）
– 小型计算机（ Mini computer）
– PC机（主力军）
– 特殊用户的 PC机 — 工作站（ workstation）
– 不同档次的计算机担任不同的角色
– 例,c/s模式下的计算机
三、微处理器与 PC机
1,VLSI技术产生了微处理器 (简称为 ?P或 MP)
主要参数,
字长（ 2n）：一次处理数据的宽度
工作频率 ;结构与功能 p31表 2— 1
2、独特的单片机,
（ 1） MP+Memory+BUS+I/O端口
做在一个芯片上
（ 2）应用：家电；智能 xx；军事
1,I nt e l 公司微处理器主要技术参数比较
处理器
主要参数
8086
8028
6
8038
6
80486
P e nt iu
m
P e nt iu m
P r o
P e nt iu m
Ⅱ
P e nt iu m
Ⅲ
P e nt iu m 4
推出时间 1978 1982 1985 1989
1993 ~ 1
99 6
1995 ~1
997
1997 ～
1998
1999
2000
主频
( MHz )
4.7 7
6 ～
2 0
16 ～
33
33 ～
100
60 ～
200
150 ～
2 00
233 ～
333
450 ～
1 4 00
1 5 00 ～
306 0
晶体管数
目
2.9
万
13,4
万
27,5
万
120 万 310 万 550 万 750 万 950 万
4200 万
制造工艺
( 微米 )
>2 1.5
1.5 ~1
.0
1,0~0,8
0.8 ～
0,35
0.6 ～
0.3 5
0.3 5 ～
0.2 5
0.2 5 ～
0.1 3
0.1 8 ～ 0.1 3
封装形式
与引脚
D I P,
40
P GA,
68
P GA,
132
P GA,1
68
P GA,2
73
S P GA,
2 96
双
S P GA,3
87
P in
S EC,24
2
F C -
P GA,37
0
F C - P GA2,
478
3、生产微处理器厂家及网址
Intel公司 www.intel.com
AMD公司 Cyrix公司 Motorola公司
Apple公司 ……,
4,MP与 PC的关系,
（ 1） MP决定 pc的型号（举例）
（ 2）概念,
兼容机、原装机、组装机（ DIY）
小结 ;习题 P31
回顾
? 计算机的 逻辑结构
? 计算机的 物理结构
? 计算机硬件部件
? 计算机分类
? 讲, CPU
计算机的 逻辑 结构
? 控制器是分散的, 总线也是控制器
中央处理器
外存储器
内存储器
输出设
备
系统总线
输入设
备
控制器 控制器 控制器
I/ O 端口 I/ O 端口 外存储器接口
运算器 存储器
控制器
输入 输出
（ p26 图 2-1）
计算机的 物理 结构 1P37
? 主板
处理器
I / O 端口
软驱及 IDE
硬盘连接器
存储器插座
电源连接器
PCI 总线槽
CPU 插座
（ p37图 2-8）
主板示例
计算机的物理结构 2
? 芯片组
P entium 4
CP U 总线 (400 或 533 M H z )
82850E
M CH
A G P 4X
图形显示接口
双通道
(4.2G B/s )
828 01B A
ICH 2
USB 接口 (x4)
以太网接口
P CI 插槽 ( 若干 )
(3,2 或 4.2G B/s )
RD RA M
RD RA M
(>1G B/s )
F las h BIO S
U ltra AT A /100
硬盘 接口 (x2)
(10 0M B/s )
5.1 声道音频接口
(13 3 M B/s )
存储器总线
计算机的物理结构 3
键盘
鼠标器
打印机
显示器
麦克风
网线
I/O 总线
I/O 接口
硬盘，光
驱
I/O 设备 CPU
主板
I/O 设备
I/O 控制器
（ 扩充卡 ）
机箱
插座
板卡
插座
I/O 控制器
PCI 插槽
内存
主
板
插
槽
机箱
芯片组
ID E 接口
一、结构,
1.ALU+CON+Regisfer
2.CPU与内存的关系 （ p32图 2-4）
3.为什么 CPU的结构越来越复杂
①冗余部件 — 提速度,扩精度 （ 见 p32图 2-5）
②增加 Register
③ 增加高速存储器 Cache
④ 指令预取部件（实现流水线）
⑤扩展 DSP功能（多媒体）
⑥扩展通信功能 （底层的通信协议）
2.2 CPU的结构与原理
寄
存
器
运
算
器
控 制 器
指 令
数 据
运算结果
中
央
处
理
器 操作命令 内
存
储
器
CPU的组成及其与内存的关系
Pentium处理器的结构
提高速度的措施,
s 提高时钟频率
s 增加数据位数
s 采用通用寄存器临时存放
中间运算结果
s 采用多个运算器
s 增加 cache存储器
s 采取流水线方式执行指令
扩充功能的措施,
s 增加浮点运算指令
s 增加 MMX指令
s 增加 SIMD指令
指令预取
指令译码
控制器
整 数
A LU
1
浮 点
点 运算器
指令 cache
数据 cache
R O M
控
制
器
运
算
器
整 数
A LU 2
总
线
接
口
部
件
地
址
转
换
部
件
内
存
寄
存
器
组
奔腾微处理器
Pentium 4处理器的封装
478-Pin micro PGA封装
CPU的安装
1.程序：完成某任务, 指令, 的集合
2.指令：①机器语言 /命令语言；二进制形式
②操作码 +操作数（地址）
③指令系统与 CPU硬件兼容性问题
（不同公司的 cpu的各自的指令系统）
④同一系列的, 向下兼容问题, 。
二, 指令与指令系统
回顾
(10月 7日补课 )
2.1 计算机组成与分类 P25
逻辑组成结构与物理组成结构
2.2 CPU的结构与原理 P31
ALU+CON+Register
看 CPU安装录象
今天讲,指令的执行
三, 指令执行讨论简介,
1.宏观,
取指令
执行指令
2.微观； （ p35 图 2-7）
3.如何提速？ — 流水线过程
4.回顾计算机工作原理
中央处理器的概念结构
指令执行过程,
(1)CPU访问存储器取得
(2)控制器进行译码。
(3)
(4)运算器完成运算处理。
(5)运算结果保存。
(6) 修改指令地址，准
备执行下一条指令。
寄
存
器
运
算
器
控 制 器
指 令
数 据
运算结果
中
央
处
理
器
操作命令
内
存
储
器
命令
Pentium处理器中指令执行的
流水线过程
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
指令预取
指令译码
地址计算
执行运算
回送结果
四, CPU性能
1.CPU处理速度指标
MIPS,单字长定点指令百万条数 /秒
MFLOPS：单字长浮点指令百万条数 /秒
2.与 MIPS相关的 cpu性能参数,
①工作频率,nMHZ nGHZ
② cache容量
③流水线级数；一条指令分几级完成,
④ 其它 ……
3.看主流 cpu产品 Intel公司的参数表 （ p36表 2-2）
小结与习题 p36
1,I n tel 公司微处理器产品的主要性能参数
处理器
主要参数
8 0 8 6 8 0 2 8 6 8 0 3 8 6 8 0 4 8 6 Pen t i u m Pen t i u m Pro Pen t i u m Ⅱ Pen t i u m Ⅲ Pen t i u m 4
主频 ( MH z) 4, 7 7 6 ～ 2 0 16 ～ 33 33 ～ 1 0 0 60 ～ 2 0 0 1 5 0 ～ 2 00 2 3 3 ～ 333 4 5 0 ～ 1 4 00 1 5 00 ～ 306 0
CPU 总线频率
(MH z)
4, 7 7 6 ～ 2 0 16 ～ 33 25 或 33 50 或 66 66 66 1 0 0 或 133
4 0 0 或 533
L 1 Cach e —— —— —— 16 KB 8 K B + 8 K B 8 K B + 8 K B 1 6 K B+ 1 6 K B 32 K B+ 32 KB 8 K B + 1 2 K B ETC
L 2 Cach e —— —— —— —— ——
2 5 6 K B, 1 / 2
主频速度
5 1 2 K B, 1 / 2
主频速度
5 1 2 K B,
主频速度
2 5 6 KB ～ 1 MB
主频速度
通用寄存器位数 16 16 32 32 32 32 32 32 32
外部数据线数目 16 16 32 32 64 64 64 64 64
地址线数目 20 24 32 32 32 36 36 36 36
存储器空间大小 1 MB 1 6 MB 4 G B 4 G B 4 G B 6 4 G B 6 4 G B 6 4 G B 6 4 G B
整数运算部件 1 1 1 1 2 4 5 5 5
浮点运算部件 外接 外接 外接 1 1 1 1 1 1
流水线级数 —— —— —— 5 5 14 14 14 20
指令系统 8 0 8 8 8 0 2 8 6 x 8 6 x 8 6 x 8 6 + x 8 6 + x 8 6 +,MMX
x 8 6 +,M MX
I SSE
x 8 6 +,M MX,
I SSE 2
例题
判断正误,
计算机的性能主要由 CPU决定,CPU
的运算速度又与 CPU的工作频率密切相
关。因此,主频为 2Ghz的 Pentium4作为
CPU的一台 PC机，比使用 主频为 1Ghz的
Pentium4作为 CPU的 PC机速度高一倍。
例题（续）
单选题,
在 CPU中，运算器的主要功能是,
A 算术运算；
B 逻辑运算；
C 算术运算与逻辑运算；
D 信息处理。
例题（续）
单选题,
Intel公司生产的 Pentium系列 CPU与
Motorola公司生产的 Power PC系列 CPU相比,
其指令系统,
A 指令条数相等；
B 相互兼容；
C 相互不兼容；
D 寻址方式完全相同。
2.3 PC机的组成（物理）
1、使用机器中的疑问,
– 启动失败,
– 感染 CIH病毒 密码问题
2、机箱,
外壳,电源,风扇,开关 …
3、机箱内,
主板,硬盘,软驱,光驱,
一、主板（芯片组与 BIOS,CMOS）
1.主板（母板）示意图：（ p37 图 2-80）
①位置？
②主板上有什么？
③两块重要的集成电路,
– CMOS存储器 （日期,密码,硬件配置参数） 需要电
池。
– BIOS只读存储器
④主板的标准化 （ ATX规格）
处理器
I / O 端口
软驱及 IDE
硬盘连接器
存储器插座
电源连接器
PCI 总线槽
CPU 插座
2.芯片组 （ chipset）
①不同的 cpu，需要不同的芯片组；芯片组决定主板
内存容量，速度，内存条类型
②主板上各部件的控制枢纽
③实例,P4 cpu使用的 chipset850
– 82850E,MCH（ Memory Confrol Hub）存储控制器
– 82801BA,I/O控制中心,
④ 概念上的总线 （ DB,AB.CB）
物理上总线的理解 P38倒 3行的提示 !
计算机的物理结构 2
? 芯片组
P entium 4
CP U 总线 (400 或 533 M H z )
82850E
M CH
A G P 4X
图形显示接口
双通道
(4.2G B/s )
828 01B A
ICH 2
USB 接口 (x4)
以太网接口
P CI 插槽 ( 若干 )
(3,2 或 4.2G B/s )
RD RA M
RD RA M
(>1G B/s )
F las h BIO S
U ltra AT A /100
硬盘 接口 (x2)
(10 0M B/s )
5.1 声道音频接口
(13 3 M B/s )
存储器总线
3,BIOS（ Basic I/O System）
① 它是一个最基本 I/O程序；是最底层的操
作系统 ;它被固化在主板的一个 ROM中,
② 它由四个部分组成,
? POST 程序
? 系统 Load 程序
? CMOS设置程序
? 基本外设驱动程序
（开机时，为什么, 键盘无 …,”）
P39
③ 加电系统启动的过程,（ p39）
Power ON 或 Resef键（主机面柜上）
（ a） post(自检） （ BIOS）
读 CMOS参数，识别硬件
（ b）系统 Load程序（ BIOS）
按盘搜索路径（ A,C：光盘）装入引导程序
说明,
1.基本外设驱动程序是从 BIOS中加载；
2.其他外设在 OS初步运行成功后再从硬盘加载；
3.有的外设驱动程序在适配卡的 Rom中,
BIOS可以 扫描端口,
4.如何改变系统参数？ （如：日期,密码,硬件,参数）
– 在 OS自举之前，按下某键（ Del）
– 进入 CMOS设置程序
– 何时需设置？ （ p40）
什么是 P&P
主板讲解结束
回顾 (10月 9日 )
2.1 计算机组成与分类 P25
逻辑组成结构与物理组成结构
2.2 CPU的结构与原理 P31
ALU+CON+Register
指令与指令系统；指令执行流水线
CPU性能参数表 P36
2.3 PC机组成 P36
一,主板,芯片组与 BIOS 今天讲,二,内存
主板的安装
二、内存
1、概述,
①存储器 =内存 +外存
②存储器的层次结构（ p40 图 2-10）
③内存分为,RAM 随机存储器
ROM 只读存储器
它们均由不同性能的集成电路组成
66
存储器
? 存储器体系
? 半导体存储器类型
Ca c he 存储器
主存储器 ( RAM 和 ROM )
外存储器（软盘、硬盘、光盘）
后备存储器（磁带、光盘）
内存储器
外存储器
半导体
存储器
只 读
存储器
ROM
随机存
取存储
器 RAM
静态随机存储器 S RA M
动态随机存储器 DRAM
掩膜 ROM （ Mask ROM ）
可编程 ROM （ P RO M ）
可擦除 P RO M （ E P RO M ）
快擦除存储器（ F la s h ROM ）
④ RAM,（断电后，信息丢失） 易失性
DRAM：动态 RAM；
集成度高,功耗低,成本低,慢,用做一般主存
SRAM：静态 RAM.特点：与上相反,用做 cache
⑤ ROM（断电后，信息保留） 非 易失性,
类型有,Mask ROM:一次形成，不可修改
PROM,EPROM,初始状态为空白，由用户
用专用装置写入（后者可以重复写入）
Flash ROM：闪存。用于 BIOS,U盘,DC中
⑥ 小结,p41 图 2-11
66
存储器
? 存储器体系
? 半导体存储器类型
Ca c he 存储器
主存储器 ( RAM 和 ROM )
外存储器（软盘、硬盘、光盘）
后备存储器（磁带、光盘）
内存储器
外存储器
半导体
存储器
只 读
存储器
ROM
随机存
取存储
器 RAM
静态随机存储器 S RA M
动态随机存储器 DRAM
掩膜 ROM （ Mask ROM ）
可编程 ROM （ P RO M ）
可擦除 P RO M （ E P RO M ）
快擦除存储器（ F la s h ROM ）
内存条的安装
2,cache
① cpu需要 cache配合,cache使用 SRAM芯片,
② 工作过程,
– 映射 (与内存一小部分对应 )
– 命中与不命中
– L1 cache与 L2 cache
– cache的容量
注意,cache对程序员是透明的
Cache在 CPU中
Cache的演变过程
存储
控制器 CPU
主存储器
DRAM
Cache
(SRAM)
存储
控制器 CPU
主存储器
DRAM
存储
控制器
主存储器
DRAM
CPU
Cache
(SRAM)
存储
控制器
主存储器
DRAM
CPU
Cache
(SRAM)
Cache
(SRAM)
Pentium 4
（ 80386无 cache）
Cache
(SRAM)
存储
控制器
主存储器
DRAM
CPU
Cache
(SRAM)
Cache的成本，工作频率 ;存取周期 ns。 详见 P36表 2-2
增加 L2
有 cache
1
2
3
4
1,Intel 公司微处理器产品的主要性能参数
处理器
主要参数
8086 80286 80386 80486 Pentium Pentium Pro Pentium Ⅱ Pentium Ⅲ Pentium 4
主频 (MHz) 4.77 6 ～ 2 0 16 ～ 33 33 ～ 100 60 ～ 200 150 ～ 2 00 233 ～ 333 450 ～ 1 4 00 1 5 00 ～ 306 0
CPU 总线频率
(MHz) 4.77 6 ～ 2 0 16 ～ 33 25 或 33 50 或 66 66 66 100 或 133
400 或 533
L1 Cache —— —— —— 16 KB 8KB+8KB 8KB+8KB 16KB+16KB 32 KB+ 32 KB 8 KB+ 12KB ETC
L2 Cache —— —— —— —— —— 256KB, 1/2 主频速度 512KB, 1/2 主频速度 512KB, 主频速度 256 KB ～ 1MB 主频速度
3,主存, （一般指 RAM）
①由多个 DRAM芯片搭建而成
②每个单元：一个 Byte；每个单元一个编号 (地址 )
③ 容量,B-KB-MB-GB-TB
④ 存取时间；读 /写一个单元数据的时间,
级别,ns（ 10-9s）
⑤主流 RAM产品与主板关系一览表,（ p43表 2-3）
公式：速度 =M的亮度 ? M的有效时钟频率,
（ M速度如何得到？ 结合 p38 图 2-9讲 ）
主存储器的类型和速度
? 内存条的类型,
①单列直插式内存条模块,
简称 SIMM内存条,早期,DB为 32b,必须成对使用
②双列直插式内存条模块,
简称 DIMM内存条,数据宽 64b，可以单条使用
③ Rambus内存条模块，简称 RIMM内存条,高 频率
详见 P43-P44 主存总效率 =内存条 +芯片组 +CPU
主存储器类型 名 称 CP U 总线
时 钟频率
存储器总线
有效时钟频率
存储器数据
通路宽度
存储器速率
S D RA M P C1 33 133 M H z 133 M H z 8 By tes 1.064 G B/s
S D RA M P C1 00 100 M H z 100 M H z 8 By tes 0.8 G B/s
D D R S D RA M P C2 66 133 M H z 266 M H z 8 By tes 2.128 G B/s
D D R S D RA M P C2 00 100 M H z 200 M H z 8 By tes 1.6 G B/s
双通道 RD RA M P C8 00 400 M H z 800 M H z 2 × 2B y tes 3.2G B/s
双通道 RD RA M P C1 060 533 M H z 106 6M H z 2 × 2B y tes 4.264 G B/s
速率的来历?
回顾,计算机的物理结构
P entium 4
CP U 总线 (400 或 533 M H z )
82850E
M CH
A G P 4X
图形显示接口
双通道
(4.2G B/s )
828 01B A
ICH 2
USB 接口 (x4)
以太网接口
P CI 插槽 ( 若干 )
(3,2 或 4.2G B/s )
RD RA M
RD RA M
(>1G B/s )
F las h BIO S
U ltra AT A /100
硬盘 接口 (x2)
(10 0M B/s )
5.1 声道音频接口
(13 3 M B/s )
存储器总线
芯片组 850
MCH的作用?
三,I/O总线与 I/O接口
I/O操作（下面详细）
①特点, (为什么需要 I/O BUS与 I/O接口 )
外设速度慢，要与 CPU可以 并行 工作
不同需求，外设种类差别大，可以 增,减 外设
各种外设与主机连接方式不同,控制复杂度 不一,
② 分门别类,使用, 专用控制器, 作为中介,
中断 的概念 （由 I/O控制器 完成）
DMA（直接存储器访问）用于高速的外部设备,
回顾,计算机的 逻辑 结构
? 控制器是分散的, 总线也是控制器
中央处理器
外存储器
内存储器
输出设
备
系统总线
输入设
备
控制器 控制器 控制器
I/ O 端口 I/ O 端口 外存储器接口
运算器 存储器
控制器
输入 输出
（ p26 图 2-1）
关于总线 1（ P46）
? 系统总线的 定义,
– 用来连接 CPU、内存、外存和各种输入输出设施并协调它们工作的
一个控制部件，其主要组成部分是用于在各部件间运载信息的一组
（或多组） 公用的传输 线，并由此而得名。
? 总线的 特点,
1 共享 ； 2 高速
? 总线的性能,
– 数据通路宽度
– 总线工作频率
? 总线的类型
总线数据传输速率（总线 带宽 ）
系统总线
其它总线
CPU总线
存储器总线
I/O总线
关于总线 2（ P47）
? 回顾,三类 I/O总线, DB,AB,CB
? 回顾,总线的位置
? 回顾,总线的控制中心,芯片组
? 总线的发展历程
– IBM PC/AT的 ISA总线 (工业标准总线 )
16bit,工作频率低 ----带宽 5MB/S到 15MB/S
– PCI(局部总线 ) 133MB/S到 266MB/S
I/O操作过程 (P45)
中
央
处
理
器
I/O 设备 1
控制
I/O 设备 k 启动
完
成
启动
完成
I/O 控制器 k
I/O 控制器 1
主存储器
数据
数据
数据
控制
请求
数据
传输
1.CPU执行 I/O指令时,
向 I/O控制器发出启动命令
2.I/O控制器接受命令，负
责对 I/O设备进行全程控制,
3.当需要传输数据时,
I/O 控制器发出请求,
4.I/O控制器获得授权后,
直接与存储器 传输数据,
5.所有数据传输完毕后,
I/O控制器向 CPU报告 I/O
操作完成
直接与主存
从以上图可以看到,
? I/O操作是由计算机中许多部件协同完成的,
– CPU—— 负责 I/O操作的启动
– I/O控制器 —— 负责对 I/O设备进行全程控制
? DMA控制 —— 负责数据传输的控制
? 程序中断 —— 负责向 CPU报告 I/O操作完成的情况，实现
CPU处理与 I/O操作之间的同步与通信
关于控制器,简单 的外设控制集成在芯片组中 ;
复杂的,使用 I/O扩充卡与主板 PCI/ISA扩充槽连接
回顾 (10月 14日 )
2.3 PC机组成 (硬件各部件讲解 )
一,主板,芯片组,BIOS,CMOS(开机的过程 )
二,存储器 (多层体系结构 )
内存 (RAM,ROM),CACHE问题
三,I/O总线与芯片组 (总线控制器 )
目的,硬件各部件 并行 工作
总线的定义与各种总线分类,位置,功能
总线的带宽公式 ; 以下三者,
CPU与 总线 (控制器 )与 I/O接口的关系 (下 详 )
I/O接口的分类
? 从数据传输方式来分,
– 串行（一次只传输 1位）
– 并行（ 8位或者 16位,32位一起进行传输）
? 从数据传输速率来分,
– 高速
– 低速
? 从是否能连接多个设备来分,
– 总线式（可连接多个设备，被多个设备共享）
– 独占式（只能连接 1个设备）
? 从是否符合标准来分,
– 标准接口 （通用接口）
– 专用接口 （专用接口）
不同的设备对应不同的接口
一个接口可以接多个设备
常用 I/O接口 (P48)
键盘
鼠标器
打印机
显示器
麦克风
网线
I/O 总线
I/O 接口
硬盘，光
驱
I/O 设备 CPU
主板
I/O 设备
I/O 控制器
（ 扩充卡 ）
机箱
插座
板卡
插座
I/O 控制器
PCI 插槽
内存
主
板
插
槽
机箱
芯片组
ID E 接口
I/O接口
(连接器 )
回顾,计算机的物理结构 3
I/O总线 (主板 BUS):I/O控制器与 CPU与存储器的 通道,
名 称 数据传
输方式
数据传输速率 标 准 插头 / 插座
形式
可连接的
设备数目
通常连接的设备
串行口 串行,
双向
50 ～ 192 00 b/s RS - 232E
或 RS - 422
DB 25F 或
DB 9F
1 鼠标器, M OD EM
并行口
( 增强式 )
并行,
双向
1.5MB /s IEE E 128 4 DB 25M 1 打印机, 扫描仪
USB
（ 1.1 ）
串行,
双向
0.1875 M b/s
或 1.5MB /s
US B A 最 多 127 鼠标器，数码相机，
移动盘，扫描仪等
USB
（ 2.0 ）
串行,
双向
60M B/s US B A 最多 127 外接硬盘, 数字视频
设备等高速设备
FireW ire
(i,Li nk)
串行,
双向
12.5,25,50M B/s
最高 400 M B/s
IEE E 139 4 最多 63 数字视频设备
SCSI
并行,
双向
5,10,20,40,80 或
160 M B/s
SCSI - 2
SCSI - 3
Ultra SC SI
C50F 最多 7
或 15
硬盘，扫描仪，光驱，
磁带机
显示器输
出接口
并行,
单向
20 0 ～ 500 M B/s VGA HD B1 5 1 显示器
PS /2 接口 低速 IBM 1 键盘或鼠标器
键盘接口 串行,
单向
低速 1 键盘
红外线接
口 (IrD A)
串行,
双向
1 15,000 bps 或
4 Mbp s
红外线数
据协会
不需要 1 键盘，鼠标器，打印
机等
常用 I/O接口 (P48)
关于 USB接口
? 通用 串行总线 式接口（ Universal Serial Bus ）
? 高速、可连接多个设备、串行传输
? 传输 速率,
– USB的 1.1版,1.5 Mb/s和 12 Mb/s
– USB2.0版：高达 480Mb/s（ 60MB/s）
? 使用 4线连接器,体积小，符合即插即用规范
（ Plug & Play,即 PnP）
? 使用, USB集线器, 扩展机器的 USB接口，最多
连接 127个设备
? 可通过 USB接口由主机向外设 提供电源
（＋ 5V,100～ 500 mA）。
USB是总线?是接口?
关于 IEEE-1394接口
? 又称为 1394,i.link,FireWire
? 连接高速设备 ;400MB/S
? 此连接器 6线 (电源,地,2对传输线 )
? 接口以 级联方式 连接外设,
一个接口可接 63个设备
? 目前应用于便携机
? 发展方向,USB与 1394不仅代替传统的 IO接口,
也正代替 SCSI接口
小结 1 (P46)
键盘
鼠标器
打印机
显示器
麦克风
网线
I/O 总线
I/O 接口
硬盘，光
驱
I/O 设备 CPU
主板
I/O 设备
I/O 控制器
（ 扩充卡 ）
机箱
插座
板卡
插座
I/O 控制器
PCI 插槽
内存
主
板
插
槽
机箱
芯片组
ID E 接口
注意各部件的位置,
1.I/O设备 2； 2.I/O接口； 3.I/O控制器；,4.I/O总线
2 1
4
3
P entium 4
CP U 总线 (400 或 533 M H z )
82850E
M CH
A G P 4X
图形显示接口
双通道
(4.2G B/s )
828 01B A
ICH 2
USB 接口 (x4)
以太网接口
P CI 插槽 ( 若干 )
(3,2 或 4.2G B/s )
RD RA M
RD RA M
(>1G B/s )
F las h BIO S
U ltra AT A /100
硬盘 接口 (x2)
(10 0M B/s )
5.1 声道音频接口
(13 3 M B/s )
存储器总线
系统总线 =CPU总线 +存储器总线 +I/O总线
I/O总线 (主板 BUS):I/O控制器与 CPU与存储器的 通道,
整
体
的
概
念
I/O接口,外设与总线的连接器,
特殊的 USB,1394总线接口
小结 2
例题
A,I/O端口,AGP插槽,IDE接口。
B,IDE接口,CPU插槽,AGP接口。
C,I/O端口,CPU插槽,PCI接口。
D,I/O端口,IDE接口,PCI接口。
4,单选题,
右图是 PC机主板的示
意图，其中 (1)(2)(3)分
别是,
例题
判断正误,
计算机可以连接许多不同种类的 IO设备,
不同的 I/O设备往往需要使用不同的 I/O
接口，因此，同一种 IO接口只能连接同
一种设备。
判断正误,
并行处理系统能够把多项任务分配给不同
的 CPU同时执行，且保持系统正常有效地
工作。 NY
单选题,
下面关于内存储器的叙述中,错误 的是,
A 当前正在执行的指令和数据都必须存放在内
储器中，否则 CPU就不能进行处理。
B 内存速度快而容量相对较小，外存则速度较
慢而容量相对很大。
C 内存储器和外存储器是统一编址的，字节是
存储器的基本编址单位。
D Cache存储器也是内存储器的一部分。
C
习题
P49
何时交?
