计算机组成原理
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计算机组成原理
johnnyky 发表于2年前
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目录

计算机概述
数据
总线
CPU
存储器
输入/输出设备
计算机的时标系统


计算机概述

计算机的基本组成:

  • 存储器:     实现记忆功能的部件用来存放计算程序及参与运算的各种数据

  • 运算器:     负责数据的算术运算和逻辑运算即数据的加工处理

  • 控制器:     负责对程序规定的控制信息进行分析,控制并协调输入,输出操作或内存访问

  • 输入设备:    实现计算程序和原始数据的输入

  • 输出设备:    实现计算结果输出

组成的联系:

  • 图一

  • 图二

计算机的工作过程:

  • 用户打开程序

  • 系统把程序代码段和数据段送入计算机的内存

  • 控制器从存储器中取指令

  • 控制器分析,执行指令,为取下一条指令做准备

  • 取下一条指令,分析执行,如此重复操作,直至执行完程序中全部指令,便可获得全部指令

 

冯·诺依曼机制:

  • 程序存储

  • 采用2进制

计算机系统的体系结构:

  • 图一:

  • 图二


数据概述

数据信息的两种基本方法:

  • 按值表示:  要求在选定的进位制中正确表示出数值,包括数字符号,小数点正负号

  • 按形表示:  按一定的编码方法表示数据

信息的存储单位:

  •  1KB=2^10B=1024Byte

  •  1MB=2^20B=1024KB

  •  1GB=2^30B=1o24MB

  •  1TB=2^40B=1024GB

浮点表示法:

公式:  N=2^(+-e)*(+-s)

说明:

  • E为阶码  它是一个二进制正整数

  • 阶符(Ef)  E前的+—为阶码的符号

  • S称为尾数它是一个二进制正小数

  • 尾符(Sf)  S前的+—为尾数的符号

  • “2”是阶码E的底线

R进制表示法:

计算机中常用的进制数的表示:

进位制    二进制    八进制    十进制    十六进制  

规则       逢二进一    逢八进一      逢十进一      逢十六进一
基数       R=2      R=8      R=10     R=16
数码       0、1       0…7      0…9      0…F
权        2^i       8^i       10^i       16^i
形式表示     B        Q        D         H

不同进制之间的转化:

  • 十进制与R进制转换:
      十进制转R进制:
        整数的转化:    “采用除R取余法”,从最后一次除得余数读取.
        小数部分的转化:  “采用乘R取整数”将所得小数从第一次乘得整数读起,就是这个十进制小数所对应的R进制小数
      R进制转十进制:
        使用权相加,即将各位进制数码与它对应的权相乘,其积相加,和数即为该R进制数相对应的十进制数

  • 二进制,八进制,十六进制转化:

    •  (二进制 八进制)“三位并一位”

    • (八进制 二进制)“一位拆三位”

    • (二进制 十六进制)“四位并一位”

    • (十六进制 二进制)“一位拆四位”

    • (十六进制 八进制)“一位拆两位”

    • (八进制 十六进制)“二位并一位”

原码,反码,补码,BCD码:

二进制的原码,反码及补码:

  • 真值:  一个数的正号用“+”表示,负号用“—”表示,即为该数真值

  • 机器数:  以0表示整数的符号,用1表示负数的符号,并且每一位数值也用0,1表示,这样的数叫机器数也叫机器码

  • 原码:  数的原码表示在机器中用符号位的0和1表示数的正负号,而其余表示其数本身

  • 反码:

    • 对于正数其反码与原码相同

    • 对于负数其反码与原码的符号位不变数值各位取反即0变1,1变0

  • 补码:

    • 对于正数其补码与原码相同

    • 对于负数补码与原码的符号位不变,数值各位取反,末尾加1

原码,反码,补码之间的关系:

BCD码:

(二→十进制) 用思维二进制代码对一位十进制数进行编码
例:(931)10=(1001 0011 0001)2

BCD奇偶校验码:

十进制      BCD码      奇校验码      偶校验码    
0         0000       00001        00000
1         0001       00010        00011
2         0010       00100        00101
3         0011       00111        00110
4         0100       01000        01001 

二进制四则运算:

运算规则:

  • 加法规则:  0+0=0;  0+1=1+0=1 1+1=1

  • 减法规则:  0-0=0;  1-0=1;  1-1=0;  0-1=1

  • 乘法规则:  0*0=0;  0*1=1*0=0;  1*1=1

  • 除法规则:  0∕1=0;  1∕1=1

运算公式:

  • 【X】补+【Y】补=【X+Y】补

  • 【X-Y】补=【X+(-Y)】补=【X】补+【-Y】补

逻辑运算:

  • 定义:  实现了逻辑变量之间的运算

  • 分类:

    • 逻辑加法 (‘或’运算)

    • 逻辑乘法 (‘与’运算)

    • 逻辑否定 (‘非’运算)

逻辑运算:

  • ‘或’:

    • 运算规则:  0∪0=0;  0∪1=1;  1∪0=1;  1∪1=1【1—真,0—假】

    • 运算式:  C=A∪B 或 C=A+B(只有决定某一事件条件中有一个或一个以上成立,这事件才能发生)

  • ‘与’:

    • 运算规则:  0∩0=0;  0∩1=0;   1∩0=0;   1∩1=1

    • 运算式:  C=A∩B 或 C=A-B 或C=A*B(只有决定某一事件的所有事件全部具备,这事才能发生)

  • ‘非’:

    • 运算规则:  ō = 1;  ī = 0

    • 运算式:  C=A(当决定某一事件的条件满足时,事件不发生,反之事件发生)

  • ‘异或’:

    • 运算规则:  0异或0=0;  0异或1=1;  1异或0=1;  1异或1=0

    • 运算式:  C=A异或B【相同为0,不同为1】

逻辑代数常用公式

  • 0-1律:        A+0=A;  A*0=0

  • 重叠律:       A+1=1;  A*1=A;  A+A=1;  A*A=A

  • 互补律:       A*(!A)=0;  A+(!A)=1

  • 又拾律:       !(!A)=A

  • 交换律:       A+B=B+A;  A*B=B*A

  • 结合律:       A+(B+C)=(A+B)+C;  A*(B*C)=(A*B)*C

  • 分配率:       A*(B+C)=A*B+A*C;  A+(B*C)=(A+B)*(A+C)

  • 摩尔定律:    !(A+B)=(!A)*(!B);  !(A*B)=(!A)+(!B)


总线

定义:  连接计算机各部件之间或各计算机直接的一束公共信息线,它是计算机中传送信息代码的公共途径

特点:

  • 同一组总线在同一时刻只能接受一个发送源,否则会发生冲突

  • 信息的发送则可同时发送给一个或多个目的地

分类:

  • 传送分类

    • 串行总线  二进制各位在一条线上是一位一位传送的

    • 并行总线  一次能同时传送多个二进制位数的总线

  • 信息分类

    • 数据总线  在中央处理器与内存或I/0设备之间传送数据

    • 地址总线  用来传送单元或I/O设备接口信息

    • 控制总线  负责在中央处理器或内存或外设之间传送信息

  • 对象位置分类

    • 片内总线  指计算机各芯片内部传送信息的通道<I^2C总线,SPL总线,SCI总线>

    • 外部总线  微机和外部设备之间总线用了插件板一级互连<ISA总线,EISA总线,PCI总线>

    • 系统总线  微机中各插件与系统板<USB总线,IEEE-488总线,RS-485总线,RS-232-C总线>

总线标准依据:  物理尺寸,引线数组,信号含义,功能和时序,工作频率,总线协议


中央处理器

运算器组成:

  • 算术逻辑单元(ALU)

  • 通用寄存器组(R1 ~Rn)

  • 多路选择器(Mn)

  • 标志寄存器(FR)

控制器组成:

  • 时标发生器(TGU)

  • 主脉冲振荡器(MF)

  • 地址形成器(AGU)

  • 程序计数器(PC)

  • 指令寄存器(IR)

  • 指令译码器(ID)

总线:

  • 数据总线(DBUS)

  • 地址总线(ABUS)

  • 控制总线(CBUS)

CPU运行原理图:

CPU主要性能指标:

  • 主频:CPU内部工作的时钟频率,是CPU运算时工作频率

  • 外频:主板上提供一个基准节拍供各部件使用,主板提供的节拍成为外频

  • 信频:CPU作频率以外频的若干倍工作,CPU主频是外频的倍数成为CPU的信频,这CPU工作频率=信频*外频

  • 基本字长:CPU一次处理的二进制数的位数

  • 地址总线宽度:地址总线宽度(地址总线的位数)决定了CPU可以访问的存储器的容量,不同型号的CPU总线宽度不同,因而使用的内存的最大容量也不一样

  • 数据总线宽度:数据总线宽度决定了CPU与内存输入∕输出设备之间一次数据传输的信息量


存储器

定义:  计算机存储是存放数据和程序的设备

分类:

  • 主存储器:  也称内存,存储直接与CPU交换信息,由半导体存储器组成

  • 辅助存储器:  也称外存,存放当前不立即使用的信息,它与主存储器批量交换信息,由磁带机,磁带盘及光盘组成

存储层次:

内存与外存的比较:

      主存                辅存              

类型    ROM    RAM         软盘      硬盘     光盘  

造价    高        高         低++    低     低+

速度    快      快         慢++    慢       慢+

容量     小+      小          —     —      —

断电     有      无          有     有     有

主存:

功能:

主存储器是能由CPU直接编写程序访问的存储器,它存放需要执行的程序与需要处理的数据,只能临时存放数据,不能长久保存数据

组成:

  • 存储体(MPS):  由存储单元组成(每个单元包含若干个储存元件,每个元件可存一位二进制数)且每个单元有一个编号,称为存储单元地址(地址),通常一个存储单元由8个存储元件组成

  • 地址寄存器(MAR):  由若干个触发器组成,用来存放访问寄存器的地址,且地址寄存器长度与寄存器容量相匹配(即容量为1K,长度无2^10=1K)

  • 地址译码器和驱动器

  • 数据寄存器(MDR):  数据寄存器由若干个触发器组成,用来存放存储单元中读出的数据,或暂时存放从数据总线来的即将写入存储单元的数据【数据存储器的宽度(w)应与存储单元长度相匹配】


    

主要技术指标:

  • 存储容量:  一般指存储体所包含的存储单元数量(N)

  • 存取时间(TA):  指存储器从接受命令到读出∕写入数据并稳定在数据寄存器(MDP)输出端

  • 存储周期(TMC):  两次独立的存取操作之间所需的最短时间,通常TMC比TA长

  • 存取速率:  单位时间内主存与外部(如CPU)之间交换信息的总位数

  • 可靠性:  用平均故障间隔时间MTBF来描述,即两次故障之间的平均时间间隔

高速缓冲存储器:

定义:  高速缓冲存储器是由存取速率较快的电路组成小容量存储单元,即在内存的基础上,再增加一层称为高速缓冲存储器

特点:  比主存快5 ~10倍

虚拟存储器:  它是建立在主存-辅存物理结构基础之上,由附加硬件装置及操作系统存储管理软件组成的一种存储体系,它将主存与辅存的地址空间统一编址,形成一个庞大的存储空间,因为实“际上CPU只能执行调入主存的程序,所以这样的存储体系成为“虚拟存储器”

ROM与RAM

RAM(随机存储器)

可读出,也可写入,随机存取,意味着存取任一单元所需的时间相同,当断电后,存储内容立即消失,称为易失性

ROM(只读存储器)

  • 定义:  ROM一旦有了信息,不易改变,结构简单,所以密度比可读写存储器高,具有易失性

  • 分类:

    • 固定掩模型ROM(不能再修改)

    • PROM可编程之读存储器(由用户写入,但只允许编程一次)

    • EPROM可擦除可编程只读存储器(可用紫外线照射擦除里面内容)

    • E2PROM电擦除可编程只读存储器(由电便可擦除里面内容)

辅存(硬盘)

说明:  是以铝合金圆盘为基片,上下两面涂有磁性材料而制成的磁盘

优点:  体积小,重量轻,防尘性好,可靠性高,存储量大,存取速度快,但多数它们固定于主机箱内,故不便携带,价格也高于软盘

性能指标:  转速,超频性能,缓存,单碟容量,传输模式,发热量,容量,平均等待时间

硬盘组成图:

          

注意:

在整颗磁碟的第一个磁区特别的重要,因为他记录了整颗磁碟的重要资讯! 磁碟的第一个磁区主要记录了两个重要的资讯,分别是:

  • 主要启动记录区(Master Boot Record, MBR):可以安装启动管理程序的地方,有446 bytes
    <MBR是很重要的,因为当系统在启动的时候会主动去读取这个区块的内容,这样系统才会知道你的程序放在哪里且该如何进行启动>

  • 分割表(partition table):记录整颗硬盘分割的状态,有64 bytes

磁盘分区表(partition table):

利用参考对照磁柱号码的方式来切割硬盘分区! 在分割表所在的64 bytes容量中,总共分为四组记录区,每组记录区记录了该区段的启始与结束的磁柱号码. 若将硬盘以长条形来看,然后将磁柱以直条图来看,那么那64 bytes的记录区段有点像底下的图示:

上图中我们假设硬盘只有400个磁柱,共分割成为四个分割槽,第四个分割槽所在为第301到400号磁柱的范围.

由於分割表就只有64 bytes而已,最多只能容纳四笔分割的记录, 这四个分割的记录被称为主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽. 根据上面的图示与说明,我们可以得到几个重点资讯:

  • 其实所谓的『分割』只是针对那个64 bytes的分割表进行配置而已!

  • 硬盘默认的分割表仅能写入四组分割资讯<主要分割与扩展分配最多可以有四条(硬盘的限制)>

  • 这四组分割资讯我们称为主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽

  • 扩展分配最多只能有一个(操作系统的限制)

  • 逻辑分割是由扩展分配持续切割出来的分割槽,如果扩展分配被破坏,所有逻辑分割将会被删除

  • 能够被格式化后,作为数据存取的分割槽为主要分割与逻辑分割.扩展分配无法格式化

  • 分割槽的最小单位为磁柱(cylinder)

  • 逻辑分割的数量依操作系统而不同,在Linux系统中,IDE硬盘最多有59个逻辑分割(5号到63号), SATA硬盘则有11个逻辑分割(5号到15号)

  • 当系统要写入磁碟时,一定会参考磁盘分区表,才能针对某个分割槽进行数据的处理

总结:

  • 扇区(Sector)为最小的物理储存单位,每个扇区为 512 bytes;

  • 将扇区组成一个圆,那就是磁柱(Cylinder),磁柱是分割槽(partition)的最小单位;

  • 第一个扇区最重要,里面有:(1)主要启动区(Master boot record, MBR)及分割表(partition table), 其中 MBR 占有 446 bytes,而 partition table 则占有 64 bytes。


输入/输出设备

输入设备

分类:

  • 字符:  键盘

  • 图形:  鼠标器 , 操纵杆 , 光笔

  • 模拟:  语音 , 模数转化

  • 图像:  摄影机 , 扫描仪 , 传真机

  • 光学阅读:  光学标记阅读机 , 光学字符阅读机

键盘分类(以接口类型):

  •  PS∕2接口的

  • USB接口的

  • 无线的

鼠标分类:

  •  PS∕2接口 , USB接口 ( 以接口类型 )

  • 机械式鼠标 , 光电式鼠标 ( 以内部构造 )

  • 两键鼠标 , 三键鼠标 ( 以按键数 )

语音输入设备: 主要部分:  输入器 , 模数转换器 , 语音识别器

输出设备

打印机:

  • 分类:

    • 原理:  用各种物理或化学的方法印刷字符

    • 分类:  激光打印机 , 喷墨式打印

    • 特点:  速度快,质量高,无噪声,但价格高

    • 原理:  利用机械动作打击‘字体’使色带和打印纸相撞

    • 分类:  活字式打印 , 点阵式打印

    • 特点:  结构简单,价格便宜

    • 击打式打印机

    • 非击打式打印机

    • 主要性能指标:  分辨率 , 接口类型 , 打印速度

    显示器:

    • 显示器分辨率:  屏幕上光栅的行数和列数

    • 分类:  阴极射线管显示器;  液晶显示器;  等离子显示器

    • 主要技术指标:  像素 , 分辨率 , 屏幕尺寸 , 刷新频率 , 点距 , 像素色彩

    输入输出设备接口和控制方式

    输入输出设备接口:

    • 数据传送:  串行口;  并行口;  程序型接口;  DMA型接口

    • 通用性:  通用接口;   专用接口

    • 功能选择:  可编程接口;  不可编程接口

    输入输出控制方式:

    • 程序查询方式 :

    • 中断控制方式:

    • 直接存储器存取方式

    • 输入输出处理机方式


    计算机的时标系统

    时序控制方式:

    同步控制方式:

    • 定义 将操作时间划分为许多时钟周期,周期长度固定,每个时间周期完成一步操作,各页操作应在规定时钟周期内完成

    • 优缺点

      • 优点:时序关系比较简单,控制部件在结构上易于集中,设计方便

      • 缺点:在时间安排利用上不经济

    • 在同步控制方式中,都有统一的时钟信号,各种微操作都是在这一时钟信息的同步下完成的,称这一时钟信号为计算机主频,其周期称为时钟周期,称完成一个基本操作所需要的时间为机器周期

    异步控制方式:

    • 定义 各项操作按其需要选择不同的时间,不受统一时钟周期的约束,各步操作间的衔接与各部件之间信息交换,采取应答的方式

    • 优缺点:

      • 优点:时间紧凑,能按不同部件,设备实际需求分配时间

      • 缺点:是实际异步应答所需控制比较复杂

    三级时标系统:

    • 指令周期

    • 机器周期

    • 时钟周期

    图像显示:

    指令周期公式:

    指令周期 = 时钟周期*组成一个机械周期所需T的个数*组成一个指令周期所需M个数


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