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共 79 页 Chapter 3硬件：计算机的体系结构Part1 浙江大学计算学院 基础教学中心 * Overview 计算机的三个子系统 计算机的大脑：处理器系统 计算机记忆能力：存储器系统 人机交互：输入输出系统 信息公共通道：总线 微机：办公桌上的机器 输入设备：用户操作机器 输出设备：数字化表达与理解 USB接口和总线：新型的连接 多媒体计算机系统 并行处理系统 3.1 计算机的3个子系统 计算机系统结构——研究计算机硬件组成 五个组成部分——处理器、存储器、输入、输出、总线 三个子系统： 3.2 计算机的大脑：处理器系统 处理器子系统——把运算器和控制器结合在一起作为一个整体即CPU 计算机的核心——处理器，即CPU 两种CPU：RISC和CISC系统 3.2.1 中央处理器 CPU——也称为处理器（Processor） VLSI(超大规模集成电路)——集成运算器和控制器 中央处理器 ALU (Arithmetic Logical Unit) ——运算器 定点运算器 ——整数、纯小数和逻辑运算 浮点运算器——完成小数点位置不固定的数据运算 寄存器组：临时存放参与ALU运算的各种数据，具有存储特性的内部高速单元 数据寄存器：存放各种临时存放的数据 指令寄存器：专门用来存放程序的指令代码 指令计数器：存放当前所执行指令的存储器地址 中央处理器 控制单元——可类比控制人身体各部分运动的人的大脑神经中枢 指令逻辑译码，产生并发出各种控制信号完成一系列的内部/外部操作 执行由指令构成的程序确定 性能好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指令系统 今天的CPU——更复杂的技术特征：流水线技术、使用大量的内部高速缓冲存储器（Cache），降低和存储器的数据交换频率、双内核技术即在一个芯片内集成两个CPU等 3.2.2 RISC和CISC 两种类型的处理器系统的设计——CISC处理器的系统、RISC处理器的系统 CISC （Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）——Intel公司——设计思路就是基于使用大量的指令 RISC （Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机） ——从指令系统中去掉一些不常用的指令降低处理器电路的复杂程度，提高整个计算机的执行速度 RISC和CISC （Cont） RISC和CISC是两种完全相反的设计方法 主要区别：处理器拥有指令的数量和复杂程度不同 CISC——程序设计容易，有高级指令，相对CPU设计复杂 RISC——指令长度相同，简单，程序设计复杂，但速度快 采用CISC技术的Intel公司的 Pentium Xeon处理器芯片 采用RISC技术的Sun Ultra SPARC处理器芯片 3.2.3 Pentium处理器 微机市场上主流的CPU产品是Intel公司生产的微处理器系列 Intel的CPU：1978年8086~1996年80486，期间有十多个型号，都是使用数字为产品命名的 1993年后，Intel使用Pentium （奔腾，意为高速）开始给新的CPU命名 Pentium、Pentium2、Pentium 3、Pentium 4——Intel CPU型号 随着一个新型号问世，CPU的性能也得到了提升 CPU的主要技术指标 主频： CPU内部元部件的工作频率(Hz)。如Pentium4/1.7G表示该CPU为奔腾Ⅳ型，主频为1.7 GHz。CPU的主频越高，运算速度就越快。 字长（Word）： Intel 4004字长仅4位。目前主流微机CPU的字长为32 位和64 位 外频： CPU与外围部件进行信息交换的信号频率。 如CPU和存储器之间交换数据，一般使用外部信号频率进行同步。 典型的频率为100MHz、133MHz、200MHz、400MHz等 3.3 计算机记忆能力：存储器系统 实现计算机记忆功能的是存储器系统（Memory System） 存储器子系统——保存程序代码和数据的物理载体 存储器系统 结构 功能 3.3.1 存储器的结构和种类 2．存储器系统 存储器系统 Cont 存储器系统由主存储器和辅助存储器组成 主存储器一般为半导体存储器 辅助存储器——一种是磁介质，一种是光学存取设备 计算机存储器系统一般使用高速的主存储器和低速的辅助存储器结合组成 3.3.2 存储器的单元和地址 存储单元模式进行存储器数据的管理 1．存储单元：地址和内容 存储器的单元和地址 Cont 存储单元 基本单元——字节(Byte)，8位(bit)二进制 存储器地址 存储空间——被标识的主存储器中所有