【計(jì)算機(jī)課件】計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(三)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

?硬件系統(tǒng)的組成和主要功能

，軟件系統(tǒng)的功能和組成

，用戶、軟件和硬件

硬件系統(tǒng)的組成和主要功能

馮?諾依曼結(jié)構(gòu)：r

CPU

原始數(shù)據(jù)I

算

運(yùn)

+1輸入器

計(jì)算步驟——L存

儲

運(yùn)算結(jié)果器

輸出器控制器

硬件系統(tǒng)的組成和主要功能

1.1中央處理器(CPU)

中央處理器(CentralProcessingUnit,

CPU)也稱為微處理器，它是計(jì)算機(jī)的

“心臟”，其主要功能是執(zhí)行程序指令,

處理數(shù)據(jù)的各種運(yùn)算并完成各種控制。

(

L

.

.f

.

…

a

gm

t;

t?

中央處理器(CPU)

1.CPU的構(gòu)成：

CPU是由運(yùn)算器和控制器組成的。

運(yùn)算器(ALLI,Arithmetic-logicunit)的主

要功能是進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。

控制器的主要功能是取指令、解釋指令和

執(zhí)行指令。

中央處理器（CPU）

LCPU的構(gòu)成

運(yùn)算器與控制器的工作原理如圖所示。

中央處理器（CPU）

2.指令與程序

指令：對計(jì)算機(jī)發(fā)出的要計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的

操作命令。一般說來，一條指令對應(yīng)著計(jì)算機(jī)

二的一種基本操作。「

一臺計(jì)算機(jī)可以有許多條指令，其作用各不相同,

所有指令的集合被稱為計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)（指

令集）。在微型計(jì)算機(jī)中通常采用CISC（復(fù)雜

指令集計(jì)算機(jī)）和RISC（簡化指令集計(jì)算機(jī)）。

中央處理器(CPU)

2.指令與程序

一條指令由操作碼和地址碼兩部分組成O

操作碼地址碼

其中，操作碼是命令計(jì)算機(jī)去執(zhí)行的某種

操作(如加法、比較、跳轉(zhuǎn)等)；地址

碼是指參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)所在的單元地址。

ADDREG1REG2

中央處理器（CPU）

2.指令與程序

程序：完成既定任務(wù)的一組指令序列。計(jì)

算機(jī)程序指揮計(jì)算機(jī)按照指令執(zhí)行的順

序一步一步地控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定的算

術(shù)、邏輯和控制運(yùn)算，從而完成其預(yù)期

的復(fù)雜任務(wù)。

中央處理器(CPU)

7

3.計(jì)算機(jī)處理指令范例

加法運(yùn)算：8+4=?

MlMMRM6R1

M2MMRM7R2

M3ADD

M4

M5

M68

M74

圖2?3加法運(yùn)算程序

中央處理器(CPU)

ALU

3,計(jì)算機(jī)處理指令范例

①M(fèi)lMMRM6R1

②M2MMRM7R2

③M3ADD

圖2K第一條指令執(zhí)行過程

控制器ALU

ALU

指令指針Rl

R[

M28a

指令寄存器

累加器

MMRM7R2

圖2-5第二條指令執(zhí)行圖2-6第三條指令執(zhí)行

中央處理器（CPU）

4.CPU性能指標(biāo)

1）主頻：CPU工作的時鐘頻率。CPU的工作是周

期性的，它不斷地執(zhí)行取指令、執(zhí)行指令等操

作。這些操作需要精確定時，按照精確的節(jié)拍

工作，因此CPU需要一個時鐘電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)節(jié)

拍，一旦機(jī)器加電，時鐘電路便連續(xù)不斷地發(fā)

出節(jié)拍，就像樂隊(duì)的指揮一樣指揮CPU有節(jié)奏

地工作，這個節(jié)拍的頻率就是主頻。主頻越高,

表示一個時鐘周期內(nèi)完成固定的指令數(shù)所花費(fèi)

的時間越少，也就表示CPU運(yùn)行的速度越快。

主頻的單位是兆赫茲（MHz）。

中央處理器(CPU)

4.CPU性能指標(biāo)

2)外頻：實(shí)際上，計(jì)算機(jī)的任何部件都按

一定的節(jié)拍工作。通常是主板上提供一

個基準(zhǔn)節(jié)拍供各部件使用。主板提供的

節(jié)拍稱為外頻。

中央處理器(CPU)

4.CPU性能指標(biāo)

3)倍頻：隨著科技的發(fā)展，CPU的主頻越

來越快，而外部設(shè)備的工作頻率跟不上

CPU的工作頻率，解決的方法是讓CPU以

外頻的若干倍工作。CPU主頻相對于外頻

的倍數(shù)稱為CPU的倍頻。

可表不為：

CPU工作頻率二倍頻X外頻

中央處理器（CPU）

4.CPU性能指標(biāo)

4）字長：字長是指CPU同一時間可以處理

的數(shù)據(jù)的最多位數(shù)，字長值越大，表示

CPU性能越高。對于字長為64位的CPU,

我們稱它為64位的處理器。

中央處理器（CPU）

4.CPU性能指標(biāo)

5）高速緩存（Cache）：外存儲器的數(shù)據(jù)是通過

內(nèi)存進(jìn)入CPU的，目前CPU技術(shù)的發(fā)展越來越

快，其運(yùn)算速度越來越快，與內(nèi)存間速度的差

距影響著數(shù)據(jù)的存取速度和CPU的高效運(yùn)行，

高速緩存的出現(xiàn)協(xié)調(diào)了它們之間的差距問題，

它是內(nèi)存和CPU之間的橋梁。數(shù)據(jù)通過高速緩

存進(jìn)入CPU,其存取速度比內(nèi)存要快得多。

高速緩存分為一級高速緩存（LICache）和二級

高速緩存（L2Cache）。一級高速緩存是內(nèi)置

在CPU內(nèi)，二級高速緩存則作為一個獨(dú)立的芯

片被置于CPU外。

中央處理器（CPU）

4CPU性能指標(biāo)

6）處理器核心：又稱為內(nèi)核，是例最重要的

組成部分。CPU中心那塊隆起的芯片就是核心,

是由單晶硅以一定的生產(chǎn)工藝制造出來的，

CPU所有的計(jì)算、接受/存儲命令、處理數(shù)據(jù)都

由核心執(zhí)行。各種CPU核心都具有固定的邏輯

結(jié)構(gòu)，一級緩存、二級緩存、執(zhí)行單元、指令

級單元和總線接口等邏輯單元都會有科學(xué)的布

局。

中央處理器(CPU)

6)處理器核心:

■CPU核心是位于基板中間

的長方形或者正方形部分用學(xué)三

硅做成的芯片C所有的計(jì)算、接

收/存儲命令、處理數(shù)據(jù)都是在

這里進(jìn)行的。

為了便于CPU設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、銷售的管理，CPU

制造商會對各種CPU核心給出相應(yīng)的代號，這也

就是所謂的CPU核心類型。

不同的CPU（不同系列或同一系列）都會有不

同的核心類型（例如Pentium4的Northwood,

Willamette以及K6-2的CXT和K6-2+的ST-50等

等），甚至同一種核心都會有不同版本的類型

（例如Northwood核心就分為B0和C1等版本），

核心版本的變更是為了修正上一版存在的一些錯

誤，并提升一定的性能，而這些變化普通消費(fèi)者

是很少去注意的。

每一種核心類型都有其相應(yīng)的制造工藝（例如

0.25um>0.18um>0,23um以及0.09um等）、

際面積「（這是決定CPU成本的關(guān)鍵因素，成本

與核心面積基本上成正比）、核心電壓、電流大

小、晶體管數(shù)量、各級緩存的大小、主頻范圍、

注水線架構(gòu)和支持的指令集（這兩點(diǎn)是決定CPU

生際性能和工作效率的關(guān)鍵因素）、功耗和發(fā)熱

量的大小、封裝方式（例如S.E.P、PGA、FC-

PGA、FC-PGA2等等）、接口類型（例如Socket

370,SocketA,Socket478,SocketT,Slot1>

Socket940等等）、前端總線頻率（FSB）等等。

因此，核心類型在某種程度上決定了CPU的工作

性能。

核心決定封閉方式、接口類型等

■CPU接口是與CPU二二

晶體管連接的外部電路元仁.

CPU封裝是采用特定的材

CPU與主板交換數(shù)據(jù)的通運(yùn).

料將CPU芯片或CPU模蜩化

時也起至I」將CPU固定在捷座二

其中以防損壞妁俁護(hù)措施二作用。

一般說來，新的核心類型往往比老的核心類型具

有更好的性能（例如同頻的Northwood核心

Pentium41.8AGHz就要比Willamette核心的

Pentium4l.8GHz性能要高）。CPU核心的發(fā)

展方向是更低的電壓、更低的功耗、更先進(jìn)的

制造工藝、集成更多的晶體管、更小的核心面

積（這會降低CPU的生產(chǎn)成本從而最終會降低

CPU的銷售價(jià)格）、更先進(jìn)的流水線架構(gòu)和更多

的指令集、更高的前端總線頻率、集成更多的

功能（例如集成內(nèi)存控制器等等）以及雙核心

和多核心（也就是1個CPU內(nèi)部有2個或更多個核

心）等。CPU核心的進(jìn)步對普通消費(fèi)者而言，最

有意義的就是能以更低的價(jià)格買到性能更強(qiáng)的

CPUo

中央處理器(CPU)

參考資料：[

?英特爾CPU核心

「AMDCPU核心

@雙核心介紹

中央處理器(CPU)

5.目前CPU的市場

①Intel公司

創(chuàng)建于1968年。在短短的三十多年內(nèi)，創(chuàng)下令人矚目的

輝煌成就。1971年推出全球第一個微處理器，1981年,

IBM采用Intel生產(chǎn)的8088微處理器推出全球第一臺IBM

式機(jī)，1984年入選全美一百家最值得投資的公司，

1992年成為全球最大的半導(dǎo)體集成電路廠商，1994年

其營業(yè)額達(dá)到了118億美元，在CPU市場大約占據(jù)了80

%份額。Inte領(lǐng)導(dǎo)著CPU的世界潮流，從286、386、

486、Pentium>曇花一現(xiàn)的PentiumPro>PentiumII、

PentiumIII>Pentium4到現(xiàn)在主流的PentiumD、酷

睿2,它始終推動著微處理器的更新?lián)Q代。Intel的CPU

不僅性能出色，而且在穩(wěn)定性、功耗方面都十分理想。

什么是酷睿和酷睿2

“酷?！笔且豢铑I(lǐng)先節(jié)能的新型微架構(gòu)，設(shè)計(jì)的出

發(fā)點(diǎn)是提供卓然出眾的性能和能效，提高每瓦

特性能，也就是所謂的能效比。早期的酷睿是

基于筆記本處理器的。

酷睿2：英文Core2Duo,是英特爾推出的新一

代基于Core微架構(gòu)的產(chǎn)品體系統(tǒng)稱之一。于

2006年7月27日發(fā)布?？犷?,是一個跨平臺的

構(gòu)架體系，包括服務(wù)器版、桌面版、移動版三

大領(lǐng)域。其中，服務(wù)器版的開發(fā)代號為

Woodcrest,桌面版南井愛代號為C