计算机组成原理复习笔记1

Abstract: 计算机组成原理期末复习知识点总结 (一版)~

1.计算机概述

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

计算机组成框架

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
  • 取指令:控制器从存储器中取指令
  • 执行指令: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

计算机系统体系结构:

计算机系统体系结构

内存储器:

  • RAM:随机存储器
  • ROM:只读型存储器

用户-计算机

2.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
  • 1024:byte——kb——MB——GB——TB

浮点表示法

R进制表示法:

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

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(直到小数部分为0;结果顺取)   
  • 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表示正数的符号,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:
    • 正数:反码=原码
    • 负数:反码 = 原码的符号位不变数值各位取反即0变1,1变0
  • 补码:
    • 正数:其补码与原码相同
    • 负数:原码的符号位不变,数值各位取反,末尾加1

码

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

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)

异或运算: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;  A1=A;  A+A=1;  AA=A
  • 互补律:     A*(!A)=0;  A+(!A)=1
  • 又拾律:     !(!A)=A
  • 交换律:     A+B=B+A;  AB=BA
  • 结合律:     A+(B+C)=(A+B)+C;  A(BC)=(AB)C
  • 分配率:     A(B+C)=AB+AC;  A+(BC)=(A+B)*(A+C)
  • 摩尔定律:    !(A+B)=(!A)(!B);  !(AB)=(!A)+(!B)

3.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
    • 外部总线  微机和外部设备之间总线用了插件板一级互连
    • 系统总线  微机中各插件与系统板

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。

4.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

5.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

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】

主存构成

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Cache:

  • 定义: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,可读出可写入,随机存取;断电;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;一旦有了信息,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

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.
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。

6.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:
    • 击打式打印机
      • 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
    • 非击打式打印机
      • 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
        • 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 :

程序查询方式

  • 中断控制方式:

中断控制方式:

  • 直接存储器存取方式
  • 输入输出处理机方式

7.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3:完成一个指令
  • 机器周期2:完成一个基本操作
  • 时钟周期1:完成一步操作

三级时标系统

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

拿钱去买猫粮和狗粮嗷 ~