计算机组成

计算机的硬件结构由5大部件组成，分别是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中运算器和控制器被继承在一起统称为中央处理单元（CPU）。

1.中央处理单元CPU
1.1 组成和功能
中央处理单元（CPU）由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部分组成，主要功能是进行程序控制、操作控制、时间控制、数据处理以及对系统内外中断做出响应。
1.2 运算器
运算器的功能主要是进行算数运算、逻辑运算和逻辑测试。运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以是执行部件。包括：

算数逻辑单元ALU：实现对数据的算术运算和逻辑运算。
累计寄存器AC：为ALU提供工作区，即为ALU提供数据并暂存运算结果。例如，在执行一次减法运算时，先将被减数取出暂存于AC，再取出减数同AC的内容相减，结果送回AC中。
数据缓冲寄存器DR：CPU、内存、外设之间数据传送的中转站。
状态条件寄存器PSW：包括状态标志和控制标志

1.3 控制器
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。它不仅要保证程序的正确执行，还要能够处理异常事件。

指令寄存器IR：指令从内存中取到缓冲寄存器中再暂存于IP中。其位数与指令长度有关。
程序计数器PC：内容为下一条指令的地址。
地址寄存器AR：保存当前CPU所访问的内存单元的地址。
指令译码器ID：包含操作码和地址码

2.存储系统
2.1 层次化存储结构
从上到下存储容量依次增大，存储速度依次减慢。

2.2 存储器的分类
存储器的分类：
　　按存储器所处的位置分类，可分为内存和外存。
　　按存储器的构成材料分类，可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。
　　按存储器的工作方式分类，可分为随机存储器（读写存储器）RAM和只读存储器ROM。
　　　　随机存储器又分为动态随机存取存储器DRAM和静态随机存取存储器SRAM。
　　　　只读存储器又分为固定只读存储器ROM、可编程只读存储器PROM、可擦除可编程只读存储器EPROM、电擦除可编程只读存储器EEPROM，闪速存储器DAM。
　　按存储器的访问方式分类，可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。相联存储器属于按内容访问的存储器。
　　按存储器的寻址方式分类，可分为随机存储器RAM、顺序存储器SAM和直接存储器DAM。
2.3 主存（内存）
1字节Byte=8位bit
1字=多字节（根据计算机位数决定）
内存主要是由动态随机存取存储器DRAM构成的。
内存容量计算：
内存按字节编址从①B3000H到②DABFFH的区域存储容量为
②+1－① = DAC00 - B3000 = 27C00 = 159K
可寻址范围计算：
计算机字长32位，内存容量为2GB，按字编址，可寻址范围为
字长32位即4个字节，一个地址占4个字节
2G内存可以存储2*1024MB/4B = 512M个地址，可寻址范围为512M
2.4 Cache
Cache是计算机高速缓存的组成部分之一，它依据程序的局部性原理来提高CPU数据输入输出的效率。
　　局部性原理：
　　Cache+主存结构的平均周期计算：
　　Cache地址映像：将主存地址转换成Cache地址。有三种方法，直接映像、全相联映像和组相联映像。该过程是由硬件自动完成的。
　　直接映像：主存的块和Cache块的对应关系是固定的，优点是地址变换简单，缺点是灵活性差。
　　全相联映像：允许主存的任意一块可以调入Cache存储器的任何一个块的空间中，优点是主存的块调入Cache的位置不受限制，缺点是无法从主存块号中直接获得Cache的块号，变换比较复杂，速度比较慢。
　　组相联映像：将Cache中的块分成组，规定组采用直接映像方式，而块采用全相联映像方式。
　　块冲突：Cache 在映射内存块时映射到了相同内存块。全相连冲突概率最小，直接映射块冲突最大。
2.5 虚拟存储器
虚拟存储体系采用主存–辅存两级结构。程序或数据被分成很多小块，全部存储在辅存，运行时把要用到的小块先调入主存，并把马上要用到的小块从主存调入高速缓存。
　　虚拟存储器实际是一种逻辑存储器，实质是对物理存储设备进行逻辑化处理，用户无需关心底层的物理环境，从而充分利用存储空间。
2.6 磁盘
磁盘工作原理：
3.输入输出系统
3.1 直接程序控制
外设数据的输入输出是在CPU执行程序的控制下完成的。
无条件传送
在这种方式下，外设总是准备好的，它可以无条件地随时接收CPU发来的数据，也能够无条件地随时向CPU提供需要输入的数据。
程序查询方式
CPU通过I/O指令询问指定外设的当前状态，若外设准备就绪，则进行数据的输入输出，否则CPU等待，循环查询。
　　这种方式有两大缺点：①降低CPU的效率②对外部的突发事情无法实时响应。
3.2 中断方式
当I/O系统准备好交换数据时，发出中断请求信号通知CPU，CPU街道中断请求信号后，保存正在执行程序的现场，转入I/O中断服务程序的执行，完成数据交换后再返回被打断的程序继续执行。
中断向量可保存中断服务程序的入口地址。
多重中断时，每次中断的断点保存在堆栈中。
3.3 DMA直接存储器存取方式
查询方式和中断方式都需要由CPU实现。DMA是指数据在内存与I/O设备间的直接成块传送。CPU只需在过程开始启动与过程结束时处理，实际操作由DMA硬件直接执行完成。
4.总线结构
总线是计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道，分为内部总线、系统总线和外部总线三类。
　　三总线结构：数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。
　　系统总线又称为内部总线，其速度对系统性能有极大的影响。
　　内总线：ISA、EISA、PCI、PCIE
　　外总线：SCSI、RS-232、SATA、USB、IEEE-1394

---------------------

本文来自 Liickia 的CSDN 博客 ，全文地址请点击：https://blog.csdn.net/hongtao_6/article/details/81589035?utm_source=copy