【正文】 獻(xiàn)給為這門課努力攻關(guān)的所有自考學(xué)生 微機(jī)原理與接口技術(shù)自考練習(xí) 馮 諾依曼計算機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理 中央處理器 輸入設(shè)備 存儲器 輸出設(shè)備 運算器和控制器 (1) 計算機(jī)的工作由程序控制，程序是一個指令序列，指令是能被計算機(jī)理解和執(zhí)行的操作命令； (2) 程序 (指令 )和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，均存放在存儲器中； (3) 存儲器中存放的指令和數(shù)據(jù)按地址進(jìn)行存取 ； (4) 指令是由 CPU一條一條順序執(zhí)行的。 計算機(jī)系統(tǒng) 硬件 主機(jī) 微處理器 (CPU) 運算器 控制器 內(nèi)存儲器 只讀存儲器 (ROM) 隨機(jī)存儲器 (RAM) 外存儲器 ——硬盤、軟盤、光盤 外部設(shè)備 輸入設(shè)備 ——鍵盤、鼠標(biāo)、光筆、掃描儀 輸出設(shè)備 ——顯示器、打印機(jī)、繪圖儀 軟件 系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng) 語言編譯系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 應(yīng)用軟件 文字處理軟件 … 圖形軟件 輔助設(shè)計軟件 計算機(jī)系統(tǒng)組成框圖 … 寄存器組 輸入輸出接口 微型計算機(jī) 單片機(jī)（可沒有 ROM） 單板機(jī) 臺式 PC的物理組成 臺式 PC 主機(jī) 外部設(shè)備 顯示卡 芯片組 BIOS ROM CMOS PCI插槽 (I/O總線 ) 網(wǎng)卡 鍵盤 鼠標(biāo)器 麥克風(fēng) 攝像頭 U盤、移動硬盤 顯示器 打印機(jī) 音箱 /耳機(jī) 聲卡 硬盤、軟驅(qū) 光盤驅(qū)動器 主板 機(jī)箱、電源 CPU 內(nèi)存條 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 外存儲器 I/O接口 1 音箱 5 CPU 2 調(diào)制解調(diào)器 6 鍵盤 3 麥克風(fēng) 7 鼠標(biāo)器 4 內(nèi)存條 8 CD驅(qū)動器 9 軟驅(qū) 10 硬盤驅(qū)動器 11 打印機(jī) 12 I/O接口 13 CRT顯示器 14 擴(kuò)展卡 臺式 PC機(jī) (立式 )的主機(jī)箱 擴(kuò)展空間 主板 存儲器插座 處理器 插槽 外部設(shè)備插口 (I/O接口 ) 光驅(qū)及硬盤的IDE連接器 電源連接器 PCI總線槽 CPU插座 顯示卡的插槽 南橋 芯片 ROM BIOS CMOS 存儲器 北橋 芯片 主板作用： ______________________________ ROM BIOS作用： ___________________________ CMOS作用： ______________________________ _________________________________________ 安裝所有的電子器件、電路與接口 存放基本輸入 /輸出系統(tǒng) (BIOS) 存放硬件配置信息和系統(tǒng)的基本參數(shù)（日期、時間、口令等） 華碩 P5Q主板 CPU插座 內(nèi)存條插座 IDE （ATA） 硬盤光驅(qū)連接器 PCI插槽 芯片組 各種 I/O插口 顯卡插槽 PCIE插槽 芯片組的作用 y ALU 寄存器組 CPU總線接口 R6 CPU(前端 )總線 I/O 總線 主板擴(kuò)展槽 PCI接口 南橋芯片 I/O 總線 中央處理器 指令計數(shù)器 指令寄存器 磁盤控制器 以太網(wǎng)卡 USB 控制器和接口 鼠標(biāo)器 鍵盤 網(wǎng)線 disk 聲卡 視頻卡 光驅(qū) 主存儲器 0 A 北橋芯片 y 存儲器總 線 顯卡 是 PC機(jī)各組成部分相互連接和通信的樞紐 控制器 寄存器組 運算器 CPU的性能 計算機(jī)的性能主要表現(xiàn)為程序執(zhí)行速度的快慢，由許多因素決定，例如 CPU、內(nèi)存、硬盤、顯卡等，但通常 CPU是主要因素， CPU的性能高低主要表現(xiàn)為 CPU的速度。 字長 （位數(shù)）：指通用寄存器和定點運算器的寬度； 指令系統(tǒng) ：指令的類型、數(shù)目和功能等影響程序執(zhí)行速度； 邏輯結(jié)構(gòu) ： CPU包含的定點運算器和浮點運算器的數(shù)目、采用的流水線結(jié)構(gòu)和級數(shù)、指令分支預(yù)測的機(jī)制、執(zhí)行部件的數(shù)目等 內(nèi)核數(shù)目； 高速緩存 （ cache）：其的容量與結(jié)構(gòu)影響速度； 主頻 （ CPU內(nèi)部時鐘頻率）：它決定著 CPU芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸與操作速度的快慢； 總線 ：決定著 CPU與內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)速度快慢。 1980’ 1990’ 2022 2022 2022 ’ ’4核 80x86 Pentium 80核 雙核 年代 性能 提高 CPU性能的 3大措施 提高主頻 增加邏輯復(fù)雜度 增加內(nèi)核數(shù)目 處理器性能與其邏輯復(fù)雜性的平方根成正比，若邏輯復(fù)雜性提高 1倍，至多能提高40%的性能 最大瓶頸是散熱問題： ? 的 Pentium 4功耗超過 100W，溫度達(dá) 70度！ ? 主頻到 ，功耗會達(dá)到 150W！ 采用 2個處理器構(gòu)成一個雙核處理器，可以提高70%～ 80%的性能 電路與封裝技術(shù)的進(jìn)步，能把多個處理器做在單個芯片上 ； 2 .________ ； 3. ______________。 改進(jìn) CPU結(jié)構(gòu) 提高主頻 增加 CPU(核 )的數(shù)目 Instructions Results are sequenced 1. ”線程“排隊等候進(jìn)入CPU處理 并行處理 3. 每個 CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行分配給它的線程中的指令 2. 哪一個CPU空閑，就把等候的線程交給它執(zhí)行 (包含 3個內(nèi)核 ) 為什么 “ 多核 ” 可提高計算機(jī)性能 提高 CPU性能的具體措施 擴(kuò)展 CPU的字長： 32位－ 64位 擴(kuò)充 CPU指令系統(tǒng)： SSE指令 提高 CPU主頻：目前已達(dá) 4GHz； 加快 CPU前端總線的數(shù)據(jù)傳輸速率； 增大 cache存儲器容量、增加 cache的級數(shù)； 改進(jìn) CPU內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)； 超標(biāo)量結(jié)構(gòu)（多個執(zhí)行部件） ； 指令流水線執(zhí)行技術(shù)；超線程技術(shù)； 采用多內(nèi)核結(jié)構(gòu)； 高速緩存 (cache) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 8 9 14 3 4 4 1010 主存中的部分信息拷貝在 cache存儲器中 cache 主存儲器 CPU CPU芯片 隨著計算機(jī)的發(fā)展。存儲器與 CPU速度差距愈來愈大， 從內(nèi)存中存取數(shù)時， CPU往往需要等待，于是出現(xiàn)了cache。它是一種小容量高速緩沖存儲器，它由 SRAM組成，直接制作在 CPU芯片內(nèi)，速度幾乎與 CPU一樣快。當(dāng) CPU需要從內(nèi)存讀 (寫 )數(shù)據(jù)或指令時，先檢查 cache中有沒有，若有，就直接從cache中讀取，而不用訪問主存儲器。 總線 BUS 總線的定義： 用于在 CPU、內(nèi)存、外存和各種輸入輸出設(shè)備之間傳輸信息的一個共享的信息傳輸通路及其控制部件。 總線的性能： 數(shù)據(jù)通路寬度；總線工作頻率；每秒傳輸次數(shù) 總線最高傳輸速率＝ (數(shù)據(jù)通路寬度 /8) x 總線工作頻率 x 傳輸次數(shù) 總線分類 CPU RAM ROM I/O 總線控制 內(nèi)總線 存儲器擴(kuò)展模塊 I/O 擴(kuò)展模塊 外存 外設(shè) 外總線 系統(tǒng)總線 數(shù)據(jù)總線：傳輸數(shù)據(jù)信息（雙向，取決于 CPU字長） 地址總線：傳輸?shù)刂沸畔ⅲ▎蜗?，決定內(nèi)存空間） 控制總線：傳輸控制信息（雙向，取決于 CPU字長） 內(nèi)總線 ：計算機(jī)內(nèi)部各芯片之間互連，即片總線，沒統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 系統(tǒng)總線 ：各插件板之間互連，有通用標(biāo)準(zhǔn)。 外部總線 ：微機(jī)與外部設(shè)備的連接，也稱 I/O總線，有通用標(biāo)準(zhǔn)。 ① ISA（ Industry Standard Architecture） ② PCI（ Peripheral Component Interconnect） ③ PCIExpress ④ AGP(Accelerated Graphics Port) 系統(tǒng)總線 稱為“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)”，是針對 Intel8088微處理器設(shè)計的， 16位 ,數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá) 8MB/s。現(xiàn)在基本不用。 稱外部設(shè)備互聯(lián)總線。數(shù)據(jù)傳送寬度為 32位，可以擴(kuò)展到 64位，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá) 133MB/s。 2022年 Intel提出了替代 PCI總線的新總線技術(shù)。它可工作于各種不同的物理媒介上，從通用的銅線連接到光纖連接。 加速圖形接口， Intel公司配合 Pentium處理器開發(fā)的總線標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸率可以達(dá)到 533MB/秒以上。 PCIE的優(yōu)點 PCIE即“ PCIExpress” ： x1速率可達(dá) 250MB/s， x16速率可達(dá) 5GB/s（ 2倍 , 4倍） ：包括 x x x8 及 x16， 外部總線 ① USB(Universal Serial Bus)通用串行總線接口 是為解決PC與周邊設(shè)備的通用連接而設(shè)計的，使所有的低速設(shè)備，都可以連接到統(tǒng)一的 USB接口上。允許“熱插拔”，實現(xiàn)安裝自動化。 ② IEEE 1394是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高速串行總線，由蘋果公司率先創(chuàng)立，又稱 Firewire即火線。它的特點是傳輸速度快，現(xiàn)在確定為 400MB/s，以后可望提高到 800MB/s、 、。所以傳送數(shù)字圖像信號也不會有問題。 ③ SCSI(Small Computer System Interface，小型計算機(jī)系統(tǒng)接口 ) 可與各種采用 SCSI接口標(biāo)準(zhǔn)的外部設(shè)備相連，如硬盤驅(qū)動器、掃描儀、光盤、打印機(jī)和磁帶驅(qū)動器等。但它價格相對于 IDE來說也十分昂貴，因此在普通家用電腦上不常用，一般應(yīng)用于高端工作站或者服務(wù)器領(lǐng)域。 2022/2/3 有專門的設(shè)備名 COM1 和 COM2。 是電子工業(yè)協(xié)會 (EIA) 所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口 RS232(外部總線 ) 。在 TxD和RxD上：邏輯 1(MARK)=3V～ 15V 邏輯 0(SPACE)=+3～＋ 15V。與 TTL邏輯電平不一樣，可用 TTL/EIA電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行，如 MC1488， MC1489IC。插座分為 9針或 25針兩種，目前最普遍的用途是連接鼠標(biāo)和調(diào)制解調(diào)器。 串行接口 并行接口 常被稱為打印口或并行打印機(jī)適配器，被賦予專門的設(shè)備名 LPT，為區(qū)別同一臺計算機(jī)上的多個并行端口，依次稱為 LPT LPT2等。并行接口可同時傳輸 8路信號，因此能夠一次并行傳遞完整的一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。 I/O設(shè)備接口 串行口 9針 并行口 VGA 視頻口 鍵盤接口 雙絞線接口 PS/2接口 串行口 25針 同軸電纜網(wǎng)絡(luò)接口 顯示器 接口 麥克風(fēng) 音 箱 鍵盤接口 并行口 USB 接口 以太網(wǎng) 雙絞線接口 串行口 鼠標(biāo)器 接口 (安裝在主板上的 I/O設(shè)備接口 ) I/O接口： I/O設(shè)備與主機(jī)之間的連接器 包括：插頭 /插座的形式、通訊規(guī)程和電器特性等 串行口 并行口 常用的 I/O接口及其性能參數(shù) 名 稱 數(shù)據(jù)傳輸方式 數(shù)據(jù)傳輸速率 標(biāo) 準(zhǔn) 插頭 /插座形式 可連接的設(shè)備數(shù)目 通常連接的設(shè)備 串行口 串行 , 雙向 50～ 19200 b/s EIA232 或 EIA422 DB25F或DB9F 1 鼠標(biāo)器， MODEM 并行口 (增強(qiáng)式 ) 并行 , 雙向 ，掃描儀 USB() USB() 串行 , 雙向 (慢速 ) (全速 ) USBIF A型， B型 最多 127 鍵盤，鼠標(biāo)器，數(shù)碼相機(jī)，移動盤等 USB() 串行 , 雙向 60MB/s(高速 ) USBIF A型， B型，Mini型 最多 127 外接硬盤，數(shù)字視頻設(shè)備，掃描儀等 IEEE 1394a IEEE 1394b 串行 , 雙向 50MB/s,100MB/s, 200MB/s FireWire() 最多 63 數(shù)字視頻設(shè)備 IDE 并行 , 雙向 66MB/s 100MB/s 133MB/s Ultra ATA/66 Ultra ATA/100 Ultra ATA/133 (EIDE) 1~4 硬盤，光驅(qū)，軟驅(qū) SATA 串行 , 雙向 150MB/s