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
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