计算机组成结构week12-1(old version)

十六位体系结构计算机组成原理
十六位体系结构计算机组成原理是指计算机的硬件和软件组成原理，可以分为以下几个部分：
1.中央处理器(Central Processing Unit, CPU)：负责执行计算机指令和进行数据处理。

CPU包括指令寄存器、程序计数器、算术逻辑单元(ALU)和寄存器等。

2.存储器：存储器包括主存储器和辅助存储器。

主存储器用于存储正在运行的程序和数据，可分为RAM和ROM。

辅助存储器用于长期存储程序和数据，如硬盘、光盘等。

3.输入输出设备：用于与外部设备进行数据交互，如键盘、鼠标、打印机、显示器等。

4.总线(Bus)：计算机内各个部件之间传送数据和控制信息的通道。

总线分为数据总线、地址总线和控制总线。

5.指令系统：计算机的指令系统决定了计算机的操作特性和功能。

按照十六位体系结构，指令由16位表示，可以包括逻辑运算、算术运算、存储和转移等操作。

6.中断系统：用于处理紧急情况和异步事件，如异常中断、硬件中断和软件中断等。

7.时钟系统：用于同步计算机内各个部件的工作节奏和时序，提供时钟脉冲。

8.控制单元(Control Unit)：负责控制计算机的操作，根据指令操作码的不同，控制单元产生特定的控制信号和时序信号，控制各个部件的工作。

9.运算器(アrithmetic and Logic Unit, ALU)：负责进行算术运算和逻辑运算，包括加法、减法、乘法、除法和与、或、非、异或等逻辑运算。

以上是十六位体系结构计算机组成原理的基本内容，具体实施中可能会有一些差异。

第1章计算机系统结构1.1 微型计算机的基本结构目前流行的微型计算机的基本结构从外观上看都是由主机、显示器、键盘、鼠标等组成。

主机是微型计算机的核心，主要由系统主板、CPU、内存、硬盘、光盘驱动器、显示器适配器(显卡)、总线与接口、电源等构成，如图1-1所示，通常被封装在主机箱内。

[显示器] [机箱][主板][键盘][鼠标][网卡] [电源] [内存] [显卡] [CPU] [硬盘]图1-1 主机箱中的基本部件1.1.1 微处理器微处理器是20世纪最伟大的发明之一，也称中央处理器，简称CPU，它是微型计算机的核心部件，它包含在一个单一芯片中。

通常，微处理器封装在一个矩形盒子中，将其插在主板上的CPU插座中，通过引脚与主板相连。

微处理器是微型计算机系统的“大脑”，它决定了微型计算机的档次和主要性能指标，通过它接收来自各种输入设备的数据、处理这些数据并输出结果到相应的输出设备。

但不管是什么样的微处理器，其内部结构都是由控制单元、算术逻辑运算单元、寄存器组3个基本单元以及内部总线组成。

1. 衡量CPU的主要性能指标(1) CPU字长在CPU中一般以字为单位进行处理，字长指CPU内部各寄存器之间通过数据总线一次能够完成二进制数传递的位数，该指标反映出CPU内部运算处理的速度和效率，字越长，运算速度越快，处理能力越强。

Pentium 4 CPU字长一般为32位。

(2) CPU外频外频是系统总线的工作频率，是CPU的基准频率，单位是MHz，外频是CPU与主板之间同步运行的速度，而且目前绝大部分计算机系统中的外频也是内存与主板之间同步运行的速度。

(3) CPU主频主频也叫工作频率，指CPU的时钟频率，CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力没有直接关系。

所以在某些情况下，很可能出现主频较高的CPU而实际运算速度较低的现象。

CPU的主频=外频×倍频系数，倍频系数与CPU型号有关。

第1章计算机的基本组成1.1 概述1.1.1计算机的组成1．计算机硬件系统组成从1946年第一台以电子管为基本元件的计算机诞生到今天，计算机经过了几代的更新换代，已经形成了一个庞大的计算机家族。

尽管计算机在应用领域、硬件配置和工作速度上有着很大的差别，然而从组成结构上来看，各种计算机的硬件结构基本上还是相同的。

任何一台计算机，其硬件都是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大功能部件组成的，其硬件结构框图如图1-1所示。

图1-1计算机硬件结构框图在硬件系统中，通常把CPU、内存以及连接主要输入输出设备的接口电路统称为主机，其他部分则称为外部设备。

现在，生产厂家已能将主机制作在一块印制电路板上，这就是通常所说的主机板，简称主板。

2．指令和指令系统（1）指令（instruction）指令是指要计算机完成某个操作所发出的指示或命令，且由计算机直接识别执行。

一台计算机可以有许多指令，作用也各不相同，所有指令的集合称为计算机的指令系统。

指令通常包含操作码（operation code）和操作数（operand）两个部分，操作码指明计算机应该执行的某种操作的性质与功能，即指示计算机执行何种操作；操作数指出参加操作的数据或数据所在单元的地址。

用机器指令编写的程序称为机器语言程序。

指令按其功能可分为两种类型：一类是命令计算机的各个部件完成基本的算术逻辑运算、数据存取和数据传送等操作，属于操作类指令；另一类则是用来控制程序本身的执行顺序，实现程序的分支、转移等操作，属于控制转移类指令。

（2）指令系统指令系统能具体而集中的体现计算机的基本功能。

从计算机系统结构的角度看，指令系统是软件和硬件的界面，指令是对计算机进行程序控制的最小单位。

指令系统的内核是硬件，当一台机器指令系统确定之后，硬件设计师根据指令系统的约束条件构造硬件组织，由硬件支持指令系统使其功能得以实现。

而软件设计师在指令系统的基础上建立程序系统，扩充和发挥机器的功能。

电脑主机构成：1、CPU；2、主板；3、硬盘；4、内存；5、显卡；6、声卡；7、网卡；8、光驱；9、电源。

电脑机箱主板，又叫主机板、系统板或母板，它分为商用主板与工业主板两种。

主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机得主要电路系统，一般有芯片部分（BIOS芯片、CMOS 芯片等）、接口部分（COM、LPT、USB、MIDI、IDE、SATA、PS/2等）、扩展槽部分（AGP 插槽、PCI插槽、CNR插槽、内存插槽等）。

芯片BIOS芯片：就是一块方块状得存储器，里面存有与该主板搭配得基本输入输出系统程序。

能够让主板识别各种硬件，还可以设置引导系统得设备，调整CPU外频等。

BIOS芯片就是可以写入得，这方便用户更新BIOS得版本，以获取更好得性能及对电脑最新硬件得支持。

CMOS芯片：就是一种低耗电随机存贮器，其主要作用就是用来存放BIOS中得设置信息以及系统时间日期。

如果CMOS中数据损坏，计算机将无法正常工作，为了确保CMOS数据不被损坏，主板厂商都在主板上设置了开关跳线，一般默认为关闭。

当要CMOS数据进行更新时，可将它设置为可改写。

为使计算机不丢失CMOS与系统时钟信息，在CMOS芯片得附近有一个电池给她持续供电。

南北桥芯片：横跨AGP插槽左右两边得两块芯片就就是南北桥芯片。

南桥多位于PCI插槽得上面；而CPU插槽旁边，被散热片盖住得就就是北桥芯片。

北桥芯片主要负责处理CPU、内存、显卡三者间得“交通”。

南桥芯片则负责硬盘等存储设备与PCI之间得数据流通。

南桥与北桥合称芯片组。

芯片组以北桥芯片为核心，一般情况，主板得命名都就是以北桥得核心名称命名得。

芯片组在很大程度上决定了主板得功能与性能。

需要注意得就是，AMD 平台中部分芯片组因AMD CPU内置内存控制器，可采取单芯片得方式，如nⅥDIA nForce 4便采用无北桥得设计。

从AMD得K58开始，主板内置了内存控制器，因此北桥便不必集成内存控制器。

计算机体系结构演进历程计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口，它决定了计算机系统的组织结构、指令集和操作方式。

计算机体系结构的演进历程可以追溯到20世纪40年代，随着技术的不断进步和计算需求的不断增长，计算机体系结构也经历了多次重大变革和演化。

本文将以时间为轴，介绍计算机体系结构的演进历程。

1. 第一代计算机体系结构（1940年代-1950年代）第一代计算机体系结构采用的是电子管技术，计算机的硬件体系结构主要包括中央处理器（CPU）、内存和输入输出设备。

其中，CPU负责执行指令和进行算术逻辑运算，内存用于存储程序和数据，输入输出设备用于与外部交互。

第一代计算机体系结构的代表性计算机包括ENIAC和EDVAC。

2. 第二代计算机体系结构（1950年代-1960年代）第二代计算机体系结构的关键技术突破是晶体管的引入，相较于电子管，晶体管更小巧可靠。

第二代计算机的硬件体系结构在第一代的基础上做了改进和扩展，引入了高速存储器、指令寄存器和磁盘存储器等新技术。

此时的计算机体系结构更加稳定可靠，并且整体性能有了明显提升。

3. 第三代计算机体系结构（1960年代-1980年代）第三代计算机体系结构的突破点是集成电路技术的应用。

集成电路将许多晶体管集成在一块芯片上，使得计算机的体积减小、功耗降低。

此时的计算机体系结构开始关注指令集和指令执行的效率，引入了微指令和流水线等技术。

代表性的计算机包括IBM System/360和DEC PDP-11。

4. 第四代计算机体系结构（1980年代-至今）第四代计算机体系结构的重要特点是微处理器的出现。

微处理器将所有的计算机部件集成在一块芯片上，大大提高了计算机的性能和可靠性。

此时的计算机体系结构开始注重并行计算和分布式系统，引入了多核处理器和超级计算机等技术。

代表性的计算机包括Intel Core系列和IBM Watson。

5. 未来计算机体系结构的发展方向当前，计算机体系结构的研究方向主要集中在提高计算性能和降低功耗。

计算机体系结构概述计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的组织和交互方式。

它定义了计算机系统内部各个组成部分的功能、连接方式以及数据传输的路径等。

计算机体系结构的设计直接影响了计算机性能、可扩展性和能效等方面的表现。

本文将概述计算机体系结构的基本概念、发展历程和常见结构类型。

一、基本概念计算机体系结构是计算机系统的“蓝图”，可以将其比作大楼的设计图。

它包括了各个部分之间的功能划分、数据传输和操作方式等。

计算机体系结构主要由以下几个方面组成：1. 处理器：负责执行计算机指令，包括算术逻辑运算、控制逻辑和数据处理等功能。

2. 存储器：用于存储程序和数据。

常见的存储器有主存储器和辅助存储器，如内存和硬盘等。

3. 输入输出设备：用于与用户进行信息交互，如键盘、鼠标、显示器等。

4. 总线：用于连接各个组件之间的数据传输通路。

主要包括数据总线、地址总线和控制总线。

二、发展历程计算机体系结构随着计算机技术的发展而不断演变和完善。

以下是计算机体系结构的三个主要发展阶段：1. 单指令流单数据流(SISD)：早期计算机采用的体系结构，指令和数据都从单一的内存存取，处理器按照指令序列依次执行，没有并发操作。

2. 单指令流多数据流(SIMD)：在SISD的基础上，引入多个处理器核心，它们可以同时处理不同的数据，但执行的指令序列相同。

3. 多指令流多数据流(MIMD)：当前普遍采用的体系结构，具有多个独立的处理器核心，可以同时执行不同的指令和处理不同的数据。

三、常见结构类型根据计算机体系结构的特点和应用需求，发展出了多种常见的结构类型。

以下是几种常见的计算机体系结构：1. 冯·诺依曼结构：由冯·诺依曼于20世纪40年代提出的经典计算机结构。

它以存储程序的概念为基础，包含了用于指令和数据存取的存储器、算术逻辑单元(ALU)、控制单元和输入输出设备等。

2. 流水线结构：将指令执行划分为多个阶段，并行处理不同的指令。

电脑主机构成：1. CPU； 2. 主板； 3. 硬盘； 4. 内存； 5. 显卡； 6. 声卡； 7. 网卡；8. 光驱；9.电源。

电脑机箱主板，又叫主机板、系统板或母板，它分为商用主板和工业主板两种。

主板一般为矩形电路板，上面安装了组成计算机的主要电路系统，一般有芯片部分（BIOS芯片、CMOS芯片等）、接口部分（COM、LPT、USB、MIDI、IDE、SATA、PS/2等）、扩展槽部分（AGP插槽、PCI插槽、CNR插槽、内存插槽等）。

芯片BIOS芯片：是一块方块状的存储器，里面存有与该主板搭配的基本输入输出系统程序。

能够让主板识别各种硬件，还可以设置引导系统的设备，调整CPU外频等。

BIOS芯片是可以写入的，这方便用户更新BIOS的版本，以获取更好的性能及对电脑最新硬件的支持。

CMOS芯片：是一种低耗电随机存贮器，其主要作用是用来存放BIOS中的设置信息以及系统时间日期。

如果CMOS中数据损坏，计算机将无法正常工作，为了确保CMOS数据不被损坏，主板厂商都在主板上设置了开关跳线，一般默认为关闭。

当要CMOS数据进行更新时，可将它设置为可改写。

为使计算机不丢失CMOS和系统时钟信息，在CMOS芯片的附近有一个电池给他持续供电。

南北桥芯片：横跨AGP插槽左右两边的两块芯片就是南北桥芯片。

南桥多位于PCI插槽的上面；而CPU插槽旁边，被散热片盖住的就是北桥芯片。

北桥芯片主要负责处理CPU、内存、显卡三者间的“交通”。

南桥芯片则负责硬盘等存储设备和PCI之间的数据流通。

南桥和北桥合称芯片组。

芯片组以北桥芯片为核心，一般情况，主板的命名都是以北桥的核心名称命名的。

芯片组在很大程度上决定了主板的功能和性能。

需要注意的是，AMD平台中部分芯片组因AMD CPU内置内存控制器，可采取单芯片的方式，如nⅥDIA nForce 4便采用无北桥的设计。

从AMD的K58开始，主板内置了内存控制器，因此北桥便不必集成内存控制器。