计算机系统基础知识

计算机系统基础知识

1.计算机系统基础硬件组成

计算机的硬件运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个大部件组成。

    • 运算器和控制器等部件被集成在一起统称为中央处理器(CPU),CPU是硬件系统的核心,用于数据加工处理,完成各种算术、逻辑运算及控制功能
    • 存储器:是计算器中的记忆设备,分为内部存储和外部存储。
    • 输入设备和输出设备统称为外部设备(简称外设),输入设备用于输入原始数据及各种命令,输出设备则用于输出计算机运行的结果

2.CUP

CPU功能
    1. 程序控制:cpu通过执行指令来控制程序的执行顺序
    2. 操作控制:cup产生的每条指令的操作信号发送到对应的部件,控制相应的部件按照指令的功能完成操作
    3. 时间控制:对指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间、及出现的时间顺序进行严格的控制
    4. 数据处理:对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理
CPU组成
运算器

运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器等组成,运算器主要有两个功能

    1. 执行所有的算术运算
    2. 执行所有的逻辑运算和逻辑测试
    • 算术逻辑单元(ALU) 对数据的算术运算和逻辑运算
    • 累加寄存器 (AC) 简称为累加器,当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时,为ALU提供一个工作区
    • 数据缓冲寄存器(DR)用于cpu和内存,外设之间数据传送的交换站,和在操作速度上的缓冲
    • 状态条件寄存器(PSW) 保存算术运算和逻辑运算指令运行和测试结果的各种条件码内容
控制器

控制器控制这个整个cup的工作,决定计算机运行过程的自动化。控制器一般包括:指令控制逻辑,时序控制逻辑、总线控制逻辑和中断控制逻辑等

    1. 指令寄存器(IR)当CPU执行一条指令时,先从内存储器取到缓冲寄存器中,在送到IR中,ID根据IR的内容产生各种微操作指令,控制部件完成功能。
    2. 程序计数器(PC)PC具有寄存信息和计数两种功能,所以又称为指令计数器。程序的执行分为两种,一种是顺序执行,一种是转移执行。
    3. 地址寄存器(AR)保存当前CPU所访问的内存单元地址。由于内存和CPU存在着操作上速度的差异,所以需要使用AR保持地址信息,直到内存的读/写操作完成
    4. 指令译码器(ID) 对指令中的操作码字段进行分析解释,识别该指令规定操作,向操作控制器发出具体的控制信号,控制各部件完成工作

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时序控制逻辑:就是为每条指令按照时间顺序提供应有的控制信号

总线控制逻辑:为多个功能部件服务的信息通路的控制电路

中断控制逻辑:用于控制各种中断请求,并根据优先级别进行排队,交给cpu处理

寄存器组:寄存器组分为专用寄存器和通用寄存器,运算器和控制器的寄存器是专用寄存器,作用是固定的。通用寄存器可以由程序员规定其用途。

数据表示

原码

反码

在反码表示中,最高位是符号位,0表示正数,1表示负数,正数的反码与原码相同,负数的反码则是其绝对值按位取反,数值0的反码表示有两种形式:

第一种:0 0000000 第二种: 1 1111111

补码

移码

定点数

定点数:就是小数点的位置固定不变的数。小数点的位置通常有两种约定方式:定点整数(纯整数,小数点在最低有效数值位之后)和定点小数(纯小数,小数点在最高有效数值位之前)

有效范围:

浮点数

用阶码和位数来表示数称为浮点数,这种方法也叫做浮点表示法

工业标准IEEE754

IEEE754是由IEEE指定的有关浮点数的工业标准,被广泛采用,表示形式如下:

IEEE754标准被编码的值分为3种不同情况:规格化的值、非规格化的值和特殊值,规格化的值为最普遍的情形

    1. 规格化的值

当阶码部分的二进制值不全为0也不全为1时,所表示的是规格化的值。例如在单精度浮点格式下

阶码为10110011

偏移量为127(01111111)

表示的真正的值:10110011-01111111 = 00110100(52)

b.非规格化值

当阶码部分的二进制全为0时,所表示的数是非规格化的。在这种情况下,指数的真值为1-偏移量,尾数的值就是二进制形式对应的小数,不包含隐含的1。

c.特殊值

当阶码部分的二进制值全为1时,表示特殊值。当尾数部分全为0表示无穷大,

当符号位为0时表示+∞,

当符号位为1时,表示-∞。当浮点运算溢出的时候,用无穷来表示。

当尾数部分不全为0时,称为“NaN”,即“不是一个数”。当运算结果不是实数或者无穷,就表示“NaN”

浮点数的运算

校验码

在计算机系统运行时,为了确保数据在传送过程种正确无误,通常使用校验码的方法来检测传送的数据是否出错。

编码分为两类:合法编码和错误编码

合法编码:用于传送数据

错误编码:不允许在数据种出现的编码

常用的3种校验码:奇偶校验码、海明校验码和循环冗余校验码

奇偶校验码
海明校验码

海明校验码是放在数据位的特定位置上插入k个校验码(特定位置就是在2n 次方上)

设数据位是n,检验位是K,则n和k必须满足一下关系

2k -1>= n+k

例如:八位数的校验 那么校验位就应该是4 24-1 >=8+4

检测错误的方法:

循环冗余校验码

循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check ,CRC)广泛应用与数据通信领域和磁介质存储系统中,它利用生成多项式位k的数据位产生r个校验位来进行编码,编码长度为k+r,格式如下

循环冗余校验码是由两部分组成:左边为信息码,右边为校验码。

计算机体系结构

计算机体系结构、计算机组织和计算机实现

    • 计算机体系结果:是指计算机的概念性结构和功能属性
    • 计算组织:是指计算机体系结构的逻辑实现,包括机器内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计
    • 计算机实现:是指计算机组织的物理实现

计算机体系结构分类

从宏观上按处理机的数量进行分类,单处理系统、并行处理与多处理系统和分布式处理系统

    1. 单处理系统:利用一个处理单元与其他外部设备结合起来,实现存储、计算、通信、输入和输出等功能的系统
    2. 并行处理与多处理系统:将两个以上的处理机互相连起来,彼此进行通信协调
    3. 分布式处理系统

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从微观上来按照并行程度来分类,Flynn分类法、洪泽云分类法、Handler分类法和Kuck分类法

    1. Flynn分类法:按照指令流和数据流的多少进行分类。指令流为机器执行的指令序列,数据流是由指令调用的数据序列。Flynn分类法分为四种:单指令流、单数据流;单指令流、多数据流;多指令流、单数据流;多指令流、多数据流
    2. 洪泽云分类法:按照并行度对各种计算系统结构进行分类。并行度的是计算机系统在单位时间内能够处理的最大二进制位数。分为:字串行位串行计算机;字并行为串行计算机;字串行位并行;字并行位并行
    3. Handler分类法:基于硬件并行的分法
    4. Kuck分类法:用指令流和执行流来划分,和Flynn分类法相似,也是四种

指令系统

一个处理器支持的指令和指令的字节的编码叫做指令集体系结构

指令集体系结构分类

从体系结构的观点对指令集进行分类

从暂存机制分类,根据在cpu内部存储操作数的区别可以分为;

堆栈、累加器、寄存器组

CISC和RISC

1.CISC(Complex Instruction Set Computer)指的是复杂指令集计算机,的基本思想进一步增强原有指令的功能,用更加复杂的新指令来取代原先由软件子程序完成的功能。实现软件功能的硬化。目前绝大部分计算机都是使用CISC

2.RISC (Reduced Instruction Set Computer)指的是精简指令集计算机,的基本思想通过减少指令总数和简化指令功能降低硬件设计的复杂度,使指令能单周期执行,并通过优化编译提高指令的执行速度,采用盈布线控制逻辑优化编译程序

RSIC的关键技术

      • 重叠寄存器窗口技术
      • 优化编译技术
      • 超流水及超标量技术
      • 硬布线逻辑与微程序相结合在微程序技术中
指令的流水处理

1.指令控制方式

      • 顺序方式:各条机器指令之间顺序串行执行
      • 重叠方式:是指在执行第K条指令的操作完成之前就可以开始解释第K+1条指令,通常只采用一次重叠

优点:速度有所提高,控制不太复杂

缺点:会出现冲突、转移等相关问题

      • 流水方式:模仿工业生产过程的流水线而提出的一种指令控制方式。把重复的顺序处理过程分解为若干子过程,每个子过程能用在专用的独立模块上有效地并发工作。

重叠方式和流水方式的差别:重叠方式是把一条指令解释分解为两个子过程,而“流水”则是分解为更多的子过程

    1. RISC中采用的流水技术
      • 超流水技术:通过细化流水,增加级数和提高主频使得每个周期内能完成一个甚至两个浮点操作,实质是时间换取空间
      • 超标量技术:通过内装多条流水线来同事执行多个处理,本质是以空间来换取时间
      • 超长指令字技术 :充分发挥软件作用,从而使硬件简化,性能提高
吞吐率和流水建立时间

吞吐率是指单位时间内流水线处理机流出的结果数,对于指令而言,就是单位时间内执行的指令数

存储系统

存储器

存储器层次结构

存储器根据词面意思,用来存储东西的。在计算机中,存储器包括很多,CUP中的通用寄存器,CPU中的cahce(高速缓存),主板上的主存储器,硬盘等。

Cache和主存之间的交互功能全部由硬件实现

主存和辅存之间的交互功能可由硬件和软件结合起来实现

存储器的分类

1.按位置分类

分为内存和外存,

内存(主存):通常指的是我们的内存条,用来存放机器当前运行所需要的程序和数据

外存(辅存):通常是指硬盘等,主要是用来存放不太需要运行的大量信息,需要时调入内存

2.按材料分类

可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器

3.按工作方式分类

可以分为读/写存储器(RAM)和只读存储器(ROM)

4.按访问方式分类

可以分为按地址访问和按内容访问

5.按寻址方式分类

可以分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器

相联存储器

相联存取器是一种按内容访问的存储器,其工作原理就是把数据和数据的某一部分作为关键字,按顺序写入信息,读出时并行地将该关键字和存储器中的每一单元进行比较,找出存储器中所有与关键字相同的数据。

高速缓存

高速缓存主要就是用来存放当前最活跃的程序和数据

高速缓存中的地址映像方法
    • 直接映像
    • 全相联映像
    • 组相联映像

输入/输入技术(IO)

计算机中常用的内存与接口地址的编址的两种方式:内存与接口地址独立编址、内存与接口地址统一编址

输入和输出设备与计算机的交互方式
  1. 直接控制程序

直接控制程序是指外设的数据输入/输出过程是在CPU执行程序控制下完成的。这种方式下分为两种情况:无条件传送、程序查询方式

无条件传送:外设总是准备好的,无条件的接收和发送数据到CPU

程序查询方式:通过CPU执行程序来查询外设的状态,判断外设是否准备好了

  1. 中断方式

当I/O系统在和外设交互数据的时候,I/O系统准备好了,直接向CPU发送中断信号,CUP接收到了中断信号,则停止执行正在执行的程序,执行外设交互之后,CUP继续执行停止的程序

常用的中断处理有多种方式:多中断信号线法、中断软件查询法、菊花链法、总线仲裁法和中断向量表法

  1. 直接存储器方式

直接内存存取(DMA):数据在内存和I/O成块传送,不需要CUP干预,只需CPU在开始和结束的时候处理。实际操作由DMA来完成

  1. 输入和输出处理机(IOP)

通道是一个具有特殊功能的处理器,又称为 输入输出处理器(input/output Processor),主要是可以对外设实现统一管理,完成外设和主存之间的数据传输

总线

总线是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道

总线分类

    1. 数据总线(DB):用来传输数据,是双向的
    2. 地址总线(AB):用于传送CPU发出的地址信息,是单向的
    3. 控制总线(CB): 用来传送控制信号、时序信号和状态信息等

常见的总线

    • ISA总线
    • EISA总线
    • PCI总线
    • PCI Express总线
    • 前端总线
    • RS-232C
    • SATA
    • USB
    • IEEE-1394
    • IEEE-488

安全性、可靠性、系统性能

可靠性计算模型

N模冗余系统可靠性计算方式

提高计算机可靠性一般采取一下两种措施

1.提高元器件质量,改进加工工艺与工艺结构,完善电路设计

2.发展容错技术,使得计算机硬件有故障的情况下,计算机继续可以正常运行

posted @   张and强  阅读(1674)  评论(0编辑  收藏  举报
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