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四. CPU 的结构与原理
( 一 ) 冯诺依曼计算机基本原理： 存储程序和程序控制（存储程序控制）—— 能储存大量信息，可按照程序自动高速进行计算
1. 程序是一个指令序列
2. 指令与数据都用二进制表示，预先存放在存储器内
3. 计算机工作时， CPU 从内存取出指令和数据 ，按 机器指令 的规定 ，对数据进行运算处理，直 到程序完成为止( 二 ) CPU 的结构 ：
1. 寄存器 组 ：十几个甚至几十个寄存器组成，临时存放参加运算的数据和得到的中间结果
2. 运算器 ：算术逻辑部件 ALU
3. 控制器 ： 解释指令的含义、控制运算器的操作、记录内部状态的部件
ü 指令计数器 ： 用来存放 CPU 正在执行的指令的地址 ， CPU 将按照该地址从内存读取所
要执行的指令。( 三 ) 指令
1. 定义：用来规定计算机执行的操作和操作对象所在存储位置的一个 二 进制 位串。
2. 组成： 操作码 （计算机执行何种操作的一个二进制代码）＋操作数地址（操作的内容或所在 的地址）
3. 指令执行过程：取指令、指令译码、执行指令、保存结果。 （注意顺序）( 四 ) 指令系统 （指令组）
1. 定义： CPU 所能执行的全部指令的集合
2. 每一种 CPU 都有自己独特的一组指令，计算机所能执行的指令集由该机所安装的 CPU 决定
(1) 同一公司的ＣＰＵ产品通常“向下兼容”
A. 新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。
B. 8088（8086）→ 80286 → 80386 → 80486 → Pentium → PentiumPRO → Pentium Ⅱ→ Pentium Ⅲ→ Pentium 4 （主频↑、晶体管数目↑、性价比↑）
PS: Intel 公司是国际上研制和生产微处理器最大的专业公司
(2) 不同公司生产的 CPU 各有自己的指令系统，它们 未必 互相兼容
A. 不兼容：Power 微处理器指令系统与 Intel Pentium 的指令系统差别很大
B. 相互兼容：AMD 微处理器与 Intel Pentium 的指令系统一致( 五 ) 与 CPU 速度相关的性能参数——衡量计算机优劣的主要技术指标
1. 字长 （位数）
(1) 定义： CPU 中 定点运算器 的宽度（即一次能同时进行二进制整数运算的位数）。
(2) 意义：例： 地址线数目为20 位，则 CPU 可 访问的最大内存空 间为 1MB
2. 主频 ( CPU 时钟频率 、内 部频率 )
(1) 定义：CPU 中电子线路的工作频率
(2) 意义：决定了 CPU 内部数据传输与指令执行的快慢 。主频越高，速度越快。
(3) 奔腾 4 系列主频范围： 1500 MHz ~3800MHz
(4) 注意：主频提高一倍，PC 机速度未必提高一倍
3. CPU 总线速度
(1) CPU 总线（前端总线）：用于连接 CPU 和内存的总线
(2) CPU 总线的工作频率和 数据线宽度 决定着 CPU 与内存之间传输数据的 速度 快慢
A. 数据总线宽度：决定了整个系统的数据流量的大小，包括 CPU 与二级高速缓存、 内存以及输入 / 输出设备之间一次数据传输的信息量。
4. 高速缓冲存储器（ cache ） 的容量与结构
(1) Cache 容量越大、级数越多，访问 Cache 的命中率就越高， CPU 的速度就越快。
A. CACHE 的命中率： CPU 需要的指令或数据能在 CACHE 中能直接取到的概率
(2) 关于 CACHE （ 缓存 / 快存）
A. 定义：使用 SRAM 芯片组成的一种高速缓冲存储器
B. 速度：CPU > CACHE > 内存
C. 容量：比主存小
D. 作用：弥补 CPU 与内存的速度差异， 相当于主存的延伸
(a) 不与主存统一编址，但可接受 CPU 的访问
i. CPU 局部访问原理： CPU 所执行的指令和处理的数据往往集中于存储器的 局部范围内
(b) CPU 的 Cache 中的数据是主存中部分内容的映射
5. 指令系统
6. 逻辑结构——奔腾 4 有多个运算器
7. CPU 运算速度的传统衡量方法：
(1) 每秒钟能执行的指令数目
(2) 例如： 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。五. PC 机的主机
( 一 ) 主板
1. 又称母板， 通常安装有 CPU 插座 、 CPU 调压器、 芯片组 、第 2 级高速缓存（有的已做在 CPU 中）、 存储器插座 （ SIMM 或 DIMM ）、 总线插槽（如 PCI 、 AGP 、 IDE ） 、 ROM BIOS 、时钟 /CMOS 、电池、超级 I/O 芯片等。
2. 意义： PC 机中所有部件和设备都以主板为基础进行安装和互相连接， 主板的稳定性影响着整个计算机系统的稳定性。
3. 扩充卡及接口
(1) 扩展板卡或扩充卡：
A. 定义： 插在 PC 机主板总线插槽中的电路板
B. 包括： 显卡、声卡、 网卡 、视频卡等
(2) 扩充卡通过卡上的印刷插头插在主板上的 PCI （或 ISA 、 PCIE ）总线插槽中。
(3) 许多扩充卡的功能可以部分或全部集成在主板上 （例如，软盘、硬盘、串行口、并行口、 声音、图形显示、网络连接等控制电路都可以集成在主板上 ）， 因此不再需要插接相应的适配卡。
(4) 主板的物理尺寸已经标准化 ； ATX 规格主板正向 BTX 规格转换
4. BIOS 与 CMOS
(1) BIOS （ Basic I/O System ， 基本输入 / 输出系统 ）
A. 定义：最基本 I/O 机器语言 程序 ；它控制着系统全部硬件的运行，又为高层软件提 供底层调用。
B. 地位：PC 机软件最基础的部分 （没有 BIOS 的 PC 机无法正常启动）
C. BIOS 存放在 ROM 中 ，是非易失性的
D. 组成（四个部分）： ① POST （ Power On Self Test ，加电自检—— 测试 PC 机各部件 的工作状态是否正常 ） 程序；②系统 Load （自举装入）程序 ；③ CMOS 设置程序 ； ④ 基本外设驱动程序——键盘、显示器和硬盘特别说明：① 基本外设 （仅包括键盘、显示器、软驱和硬盘等）的控制程序（即“ 驱
动程序 ”）必须 预先存放在 BIOS ROM 中 ，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。
(2) CMOS：
A. CMOS RAM 是主板上的一块可读写的存储芯片。
B. 在 CMOS RAM 中存储了用户对计算机硬件所设置的参数配置信息 ，如当前日期时 间、硬盘数目与容量、开机密码等。
C. CMOS 芯片是易失性存储器 ，需主板电池供电
D. 在下列情况下需要启 CMOS 设置程序对系统进行设置：
(a) PC 机组装好之后 第一次加电
(b) 系统增加、减少或更换硬件或 I／O 设备
(c) CMOS 芯片 因 更换电池 、病毒侵害、放电等原因造成其 内容丢失或被错误修改.
(d) 用户希望更改或设置开机密码
(e) 系统因某种需要而调整某些参数（改变启动系统时访问外存储器的顺序）
(3) BIOS 与 CMOS 的区别： 通过 BIOS 设置程序对 CMOS 参数进行设置
A. BIOS 是主板上一块 ROM 芯片， CMOS 是主板上的一块可读写的 RAM 芯片，靠后 备电池供电，即使系统掉电后信息也不会丢失
B. BIOS 中存放的是系统设置程序，CMOS 中存放的是这个程序所设置的数据；
5. 芯片组
(1) 定义：PC 机各组成部分的枢纽，连接着 CPU 、内存条、硬盘接口、网络接口、 PCI 插 槽等.
(2) 意义：主板上的 所有存储控制和 I/O 控制功能大都集成在芯片组内 （既实现了 PC 机系 统总线的功能，又提供了各种 I/O 接口及相关的控制）
(3) 组成：南桥（ICH ，增强的 I/O 控制）、北桥（ MCH ，存储控制）两片 VLSI 集成电路组 成。
(4) 特别说明： ① CPU 类型或参数不同时需要配用不同的芯片组 ；② CPU 的系统时钟及各种 与其同步的时钟均由 芯片组 提供 ；③ 芯片组（ 北桥 芯片 ）决定了主板上所能安装的内存最大容量、速度、可使用的内存条类型。
( 二 ) 内存储器
1. 内存储器和外存储器组成一个层状的塔式结构
(1) 目的：优化存储器的性能／价格比
(2) 存储器按读写速度由高到低排列：Cache 、 RAM 、硬盘、光盘
2. 内存储器
(1) 由称为存储器芯片的 半导体 集成电路组成
(2) 分类
A. RAM （随机存取存储器， Random Access Memory ）
(a) 特点： 易失性 （断电后信息一般会立即丢失）、可读可写
(b) 动态随机存取存储器 DRAM
i. 特点：需要定时刷新、 较慢、 电路简单，集成度高，成本较低
ii.用途：内存储器的主体部分（主存）
(c) 静态随机存取存储器 SRAM
i. 不需要刷新、 较快
ii. 用途： 高速缓冲存储器 Cache
B. ROM (Read Only Memory) 即只读存储器
(a) 特点： 非易失性（断电后信息不会丢失） 、可读不可写（一般情况下，除 Flash ROM ）
(b) 应用：存放内容不变的信息
(c) 注意： Flash ROM ( 快擦除 ROM ，或闪存 ) ——新型的非易失性存储器，但又像 RAM 一样能快速方便地写入信息。主要用于数码相机、优盘和 存储 BIOS 程序.- 主存储器
(1) 存储单元： 每个存储单元的基本单位为 1Byte （ 8bit ）
(2) 地址 ：每个存储单元（一个字节）都有一个唯一编号的地址，主存储器以字节为单位进
行连续编址， CPU 按地址对存储器进行访问
(3) 存储容量 ：
A. 定义：主存储器中所包含的存储单元的总数（即内存中可存储信息的多少）
B. 单位：MB 、 GB
C. 影响内存容量的因素：主板芯片组的型号、主板存储器插座类型与数目、CPU 地址线的宽度 .
( 4) 存取 时间 ：从 CPU 送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到 CPU （或者是把 CPU 数据写入主存）所需要的时间—— 单位： ns （ 1ns = 10 -9 秒）
(5) 内存条时把若干片 DRAM 芯片焊在一小条印制电路板上做成的部件。
(6) DDR 利用时钟的上升沿与下降沿在同一个时钟周期内实现两次数据传送（即 DDRSDRAM 的有效时钟频率是 SDRAM 的两倍）
(7) 双列直插式内存条（ DIMM 内存条）触点分布在内存条的两面( 三 ) I/O 总线与 I/O 接口
1. I/O 操作（ I/O ＝ Input ／ Output ＝输入／输出）
(1) 任务：将输入设备输入的信息送入内存的指定区域，或者将内存指定的内容送出到输出 设备。
(2) 特点：① I/O 设备速度比 CPU 慢 ，为提高系统效率， I/O 操作与 CPU 的数据处理操作是 并行的 ；② 多个 I/O 设备能同时进行工作 ( 例如一面键盘输入，一面屏幕显示，同时进行打印输出等 ) 。③ I/O 设备的种类多，性能相差很大，与计算机主机的连接方法也各不相
同
(3) 注意： 每个 ( 类 )I ／ O 设备都有各自专用的控制器 ， 它们的任务是接收 CPU 启动 I ／ O 操 作的命令后，独立地控制 I ／ O 操作的全过程
2. 总线（ bus ）：
(1) 定义：计算机各部件之间传输信息的一组公用的信号线及相关控制电路。
(2) I/O 总线（主板总线）
A. 定义：用于连接内存和 I/O 设备（包括外存）的总线（ I/O 总线与主板上扩充插槽 中的扩充卡直接相连 ）
B. I/O 总线上有三种信号：数据信号、地址信号、控制信号。
C. 总线数据传输速率（总线带宽）
(a) 定义：单位时间内总线上可传送的数据量。
(b) 总线带宽（MB/s）= （数据线宽度 /8 ）×总线工作频率（ MHz ）×每个总线周 期的传输次数
D. 典型： PCI 总线（ PCI-E 总线 ）
(a) PCI 总线的时钟与 CPU 时钟无关
(b) PCI 可支持多个外围设备
(c) PCI 能与其他 I/O 总线共存于 PC 系统中
(d) PCI 的数据线宽度可为 32 位 （数据传输速度 133MB/s ）， 也 可为 64 位（数据传 输速度 266MB/s ）
4. I/O 设备接口 ：
(1) 定义：简称 I/O 接口或 I/O 端口，指 计算机中用于连接 I/O 设备 的各种插头 / 插座以及相 应的通信规程及电器特性。（ 不包括电源插口 ）
(2) 作用：输入/ 输出设备通过 I/O 接口与各自的控制器连接起来
(3) I/O 设备接口分类：
A. 从数据传输方式来分：
(a) 串行（一次只传输 1 位） —— USB 、 IEEE1394 、 SATA
(b) 并行（8 位或者 16 位、 32 位一起进行传输）—— IDE
B. 从是否能连接多个设备来分：
(a) 总线式（可连接多个设备，被多个设备共享）
(b) 独占式（只能连接 1 个设备）
(4) USB 接口（ 通用 串行 总线式 接口， Universal Serial Bus ）
A. 传输速率：USB1.1 版： 1.5 MB/s 、 USB2.0 ： 高达 480Mb/s （ 60MB/s ）
B. 特点： 4 线 接口（红白绿黑）、 支持 热插拔 技术和 即插即用 功能、高速、 可连接多个 设备 （最多 127 个）、串行传输、 可向外设供电 （＋ 5V ， 100 ～ 500 mA ）。
C. 应用： 鼠 标 、键盘、移动硬盘、数码相机、 U 盘、打印机、扫描仪……
(5) IEEE-1394 接口 ：又称为 1394 、 FireWire ， 双向串行 传输 、 采用 差分信号 形式传输时钟 及数据 、 连接 高速设备（如 音视频设备 ） 50MB/S ～ 100 MB/S 、 6 线 接口 、 可 连接多个设备 （ 63 个）
(6) SCSI 接口（small computer interface ，小型计算机接口）：一种用于连接大容量磁盘驱动 器、扫描仪等外围设备的专门的高速 并行 端口。
