第三章计算机体系结构本章主要内容一、计算机系统的硬件结构3.1.1现代计算机结构的特点与冯·诺依曼型计算机结构—样，图3-1所示结构的计算机也由5大部件组成。其中，控制器（简称CU）和运算器(又称算术逻辑单元，简称ALU)在计算机中直接完成信息处理的任务，合称中央处理器(简称CPU)，输入设备和输出设备合称输入/输出设备(简称I/O设备)，加上主存储器(简称M·M)构成现代计算机3大部分。中央处理器和主存储器构成了计算机主体，称为主机；相对地又把I/O设备称作外围设备或外部设备，简称外设。于是，计算机又被看成是由主机和外设两大部分组成。但无论怎样划分，计算机的5大部件始终是相对独立的子系统，缺一不可。3.1.2计算机硬件的典型结构.2．微型机的一般结构图3-3是微型计算机的一般结构图，尽管把总线按信息类型分成了地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB，但仍然属于单总线结构。3．小型机的总线型结构（1）单总线结构图3-4是单总线的计算机系统。中央处理器、主存储器和I/O设备（通过I/O接口）以同等地位连接到系统总线上。CPU与主存储器、主存储器与I/O设备、CPU与I/O设备、I/O设备之间均可以通过系统总线交换信息。3．小型机的总线型结构（2）CPU为中心的双总线结构图3-5是以CPU为中心的双总线结构，连接CPU和主存储器的是存储总线，CPU通过该总线从主存储器中取出指令和数据，并把处理结果经该总线送回主存储器。CPU与I/O设备交换信息的通路叫输入/输出总线(I／O总线)，各种I/O设备通过I/O接口连接在I/O总线上。3．小型机的总线型结构（3）以存储器为中心的双总线结构图3-6是以存储器为中心的双总线结构。这种结构既保持了单总线结构的优点，又在CPU和主存储器之间设置了一组高速存储总线，供CPU与主存储器交换信息。当主存储器通过存储总线和CPU交换信息时，主存储器还可以通过系统总线和I/O设备交换信息，而不必经过CPU控制，即减轻了系统总线的负担，又提高了传输速率。缺点是需要增加硬件。4．大、中型计算机的通道型结构图3-7是大、中型计算机的通道型结构，分主机、通道、I/O控制器和I/O设备四级。组成大、中型计算机的目的是为了扩大系统的功能和提高系统的效率。扩大系统的功能要求配备日益增多的硬件和软件资源，提高系统的效率则强调合理地管理和调度资源。3.1.3微型计算机常见总线标准（1）PCI总线（2）AGP总线（3）SCSI接口（4）IEEE1394总线（5）USB总线二、计算机系统的硬件组成.1.中央处理器CPU的性能是由什么决定的呢？一个CPU的性能表现的决定性因素在于CPU内核的设计。超标量（Superscalar）CPU，就是在一个CPU中集成了多个ALU，多个FPU（FioatPointUnit），多个译码器和多条流水线的CPU，以并行处理的方式来提高性能。刀片式CPU；集群式；并行处理；2．控制器控制信息的发源地是控制器。控制器产生控制信息的依据来自3个方面：一是指令，存储在指令寄存器中；二是各部件的状态触发器，存放反映机器运行状态的有关信息；三是时序电路，产生的各种时序信号保证整个机器协调地工作。一台计算机的微操作序列是按照指令规定的功能，选择合适的算法并且结合计算机的结构来确定的。总之，实际执行一个微操作序列，存在着时间分配、定时及同步配合的问题，即利用怎么样的时序方式来形成微操作序列的问题。这些都是时序控制逻辑所要完成的任务。3．CPU的发展过程例如，某个指令系统的指令长度为32位，操作码长度为8位，地址长度也为8位，当收到一条：00000010000001000000000100000110的指令时，先取出前8位操作码，分析得出这是一个减法操作，有3个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地址。CUP就到内存地址00000100处取出被减数，到00000001处取出减数，送到ALU中进行减法运算，然后把结果送00000110处。这只是一个相当简化的例子，实际情况要复杂得多。.8086/80888位和16位处理器，支持20位地址总线，可以直接访问1MB存储器I/O地址。80286PC/XT16位处理器，集成了125000个晶体管。8038632位处理器，提供32位寄存器和32位地址、数据总线80486ALU和协处理器单元以64位传输数据，集成了1200000个晶体管。Pentium处理器32/64位，一条64位的数据总线，内部集成了3100000个晶体管。（66MHZ=66*8=528MB带宽）PentiumII处理器双重独立总线结构，一条总线连通二级缓存，一条总线连通