@@@@我的计算机导论知识点@@@@(汗

计算机硬件子系统
计算是用来干啥的?
是实现信息转换的
而这种转换的功能是靠系统实现的
系统定义
系统可以被定义为相互联系、相互作用的元素的集合,这些元素共同构成一个具有特定功能的整体。
实现计算功能的系统之一就是微机系统
微机系统内在结构(要素相关性)实现了该微机系统的功能(指令系统)
图灵计算机结论
程序也是数据
存储程序与程序控制

数据定义
数据就是数值,也就是我们通过观察、实验或计算得出的结果。数据有很多种,最简单的就是数字。数据也可以是文字、图像、声音等。数据可以用于科学研究、设计、查证等。
程序定义
程序被定义为一系列代码化指令序列,这些指令告诉计算机如何执行计算或任务。程序由指令和数据组成,指令是命令或代码,而数据则是输入和输出的信息。程序可以是源代码或目标代码,它们共同构成了可以由计算机执行的软件产品。
在更广泛的定义中,程序可以指事物发展的次序、脉络以及方法和方式。这一定义更多地用于描述事物发展的过程或流程,如会议安排等。

图灵模型
1、数据处理器:首先计算机是一个数据处理器,可以认为计算机是一个接收输入数据、处理数据并产生输出数据的黑盒。
定义过于广泛,且没有说明所处理的类型,以及是否可以处理一种以上的类型。
2、图灵模型:
相对于数据处理器,该模型添加了一个额外的元素——程序(用来告诉计算机对数据进行处理的指令集合)
程序
输入数据→计算机→输出数据

这种模型中输出数据依赖于输入数据和程序。

3、通用图灵机:对现代计算机的首次描述,该机器只要提供了合适的程序就能做任何运算。

微型计算机结构

五大部件 运算器、控制器、存储器、I/O设备

  1. 控制器(Control):是整个计算机的中枢神经,其功能是对程序规定的控制信息进行解释,根据其要求进行控制,调度程序、数据、地址,协调计算机各部分工作及内存与外设的访问等。

  2. 运算器(Datapath):运算器的功能是对数据进行各种算术运算和逻辑运算,即对数据进行加工处理。

  3. 存储器(Memory):存储器的功能是存储程序、数据和各种信号、命令等信息,并在需要时提供这些信息。

  4. 输入(Inputsystem):输入设备是计算机的重要组成部分,输入设备与输出设备合称为外部设备,简称外设,输入设备的作用是将程序、原始数据、文字、字符、控制命令或现场采集的数据等信息输入到计算机。常见的输入设备有键盘、鼠标器、光电输入机、磁带机、磁盘机、光盘机等。

  5. 输出(Output system):输出设备与输入设备同样是计算机的重要组成部分,它把外算机的中间结果或最后结果、机内的各种数据符号及文字或各种控制信号等信息输出出来。微机常用的输出设备有显示终端CRT、打印机、激光印字机、绘图仪及磁带、光盘机等。

(cpu=控制器+运算器

主板=I/O总线,输入输出系统

存储器=内存+硬盘

I/O设备:键盘,鼠标,扫描仪,显示器等等

其中 运算器和控制器 合称为中央处理器CPU。

微型计算机采用总线结构来实现互相之间的信息传送。单一总线结构是微型计算机结构简单,以易于扩充,奠定了产品的标准化,模块话的基础。

CPU和存储器通过总线互相连接,I/O设备通过IO接口,挂接在总线上

计算机的大致工作过程

1.用户通过输入设备将信息输入到计算机中 例如键盘输入文字
2.输入设备将输入的数据发送给中央处理器(CPU)
3.CPU接收到数据后,根据指令进项计算,逻辑判断等操作。
4.CPU 将计算结果存储在内存中。
5.控制器根据指令从内存中读取数据,将结果发送给输出设备。
6.输出设备将结果显示给用户。例如在显示器上显示文字
全程由控制器控制

通过以上这些步骤,计算机能够实现信息的输入、处理和输出,完成各种任务。

总线
总线是CPU,内存储器和IO接口(以上三者简称为主机,I/O设备为简称外设)之间相互交换信息的公共通道,其工作方式采用分式方式。

总线由数据总线、地址总线和控制总线组成

数据总线从微处理器向外存储器,IO接口传输数据的通路,同时他也是从内存储器、IO接口向微处理器传送数据的通路,因为它可以在两个方向往返传送数据,称为双向总线

地址总线是微处理器向内存储器好IO接口传送地址信息的通路,它是单向总线,只能从微处理器向外传送。

控制总线是微处理器向内存储器和IO解控传送的命令信号以及外界向微处理器传送状态信号灯信息的通路。

双向总线是指连接总线的任何一个部件既可以选择发送信息又可以选择地向接收信息,是一种具有双向传输能力的计算机总线。与之相反是单向总线

五大部件 通过 总线 如何工作

如图

CPU需要从内存中读取数据时,它会通过控制总线发出读取指令,同时通过地址总线指定需要读取的数据的地址,最后通过数据总线将数据传回CPU进行处理。类似地,CPU也可以将处理结果通过总线写入内存或传输到其他设备中。

CPU 结构

CPU的引脚组成

三总线(数据总线、控制总线,地址总线 (?))

电源(VCC,GND)

时钟信号(CLK)

钟信号通常被用于同步电路当中,扮演计时器的角色,保证相关的电子组件得以同步运作。 时钟信号(Clock Signal)是时序逻辑的基础,用于决定逻辑单元中的状态何时更新,是有固定周期并与运行无关的信号量。

计算机时钟频率是指CPU或其他同步电路中时钟的基础频率,通常以赫兹(Hz)为单位。12

它决定了计算机每秒钟能够执行的指令周期数,即处理器每秒钟完成的振荡周期数,通常以MHz(兆赫兹)或GHz(千兆赫兹)为单位。时钟频率的高低在很大程度上反映了CPU速度的快慢,理论上讲,处理器的主频越高,运行速度也就越快,单位时钟周期内完成的指令就越多。

CPU功能

控制器
1.指令控制:程序的顺序控制,称为指令控制。

2.操作控制:管理把并产生由内存取出的每条指令的操作信号,把各种操作信号送往相应的部件,从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

3.时间控制对各种操作实施时间上的定时,称为一时间控制。

运算器
1.数据加工:所谓数据加工,就是对数据进行算数运算和逻辑运算处理

CPU的基本功能就是取指令、分析指令和执行指令。
1.取指令
控制器能自动形成指令的地址,并能发出取指令的命令,将此地址中的指令取到控制器中。
2.分析指令
分析指令包括两部分:(1)此指令完成什么操作,即控制器需要发出什么操作命令(2)分析参与这次操作的操作数地址
3.执行指令
执行指令就是根据分析指令产生的“操作命令”和“操作数地址”的要求,形成操作控制信号序列,通过对运算器、存储器和I/O设备的操作,执行此指令。
4.此外
控制器还要能控制主机与I/O设备交换信息及对总线的管理,甚至能处理机器运行过程中出现的异常情况(掉电)和特殊请求(打印),即处理中断的能力。

CPU基本组成

传统CPU组成:运算器、控制器。(在冯诺依曼的定义中)

现代的CPU的基本部分有:运算器、控制器和CPU缓存

CPU逻辑结构图

计算机执行一条指令的主要步骤,包括取指、译码、执行、回写。

第一步取指

指令执行的第一步,取指。取指这一步所要做的是控制器将指令的地址送往存储器,存储器按给定的地址读出指令内容,送回控制器。

首先控制器会发出控制信号将PC寄存器中的内容通过内部总线传送到MAR中。

下一步,MAR将会把这个地址送到地址总线上,与此同时,控制电路会在控制总线上发出相应的控制信号

这样存储器的MAR寄存器就会收到地址总线上传送来的地址并把它保存下来。存储器中的控制逻辑,也会受到控制总线中传送来的控制信号

这样存储器通过地址译码器就可以查找到对应地址0001的存储单元的内容,并将该存储单元的内容送到MDR寄存器中。

然后存储器的控制逻辑,会通过控制总线向CPU反馈当前的传输已经准备好了,同时,MDR之中的内容也会送数据总线上。随后,CPU中的控制电路检测到来自控制总线的准备好的信号,就知道当前数据总线上已经准备好了数据

因此,MDR寄存器就会将当前数据总线上传送来的数值保存下来,这就获得了我们所要取的指令。

MDR中的内容还必需要传送到指令寄存器中,也就是IR寄存器。当指令的编码已经保存到IR寄存器中
PC寄存器更新为下一条指令所需要访问的地址。

第二步译码
这一步控制器会分析指令的操作性质,并向相关的部件发出指令所需的控制信号。

当前的指令计算器IR中指令编码会送到指令译码部件。

指令译码部件根据指令编码,很快会发现这是一条加法指令。而且,是要把R0和存储器中地址为6的单元的内容相加,并把结果存放到R0中。然後,控制电路就据此产生对应的控制信号,并发到相关部件中。这样译码阶段就到此完成了。

第三步执行
控制器会从通用寄存器或者存储器中取出操作数,并命令运算器对操作数进行指令规定的运算。

首先,根据这条指令我们会发现,还需要去取操作数,其中一个操作数在存储器里中。

那么,随后的过程类似于取指阶段的操作。MAR将地址发到地址总线。同时,控制电路在控制总线发出读操作的控制信号,存储器的MAR控制逻辑会接收到相应的信号,然后查找到对应的地址,查找的地址会送到MDR这个寄存器。然後,控制逻辑会向CPU反馈当前数据已经准备好了的信号。然後,MDR的内容也会被放置到数据总线上,CPU会接收数据并保存在MDR寄存器中。

控制器会进一步将MDR中的数据传送到ALU的输入,目前会暂存到Y寄存器中,那么另一个操作数是放在R0中,因此,控制器还会将R0中的数据传送到ALU的另一个输入端,也就是X寄存器。

现在,两个操作数都准备好了。在控制电路的控制下ALU就会进行运算,将X、Y中的内容执行加法并计算出结果

第四步回写
也就是将运算结果写入到通用寄存器或者储存器。

现在,运算结果还在ALU的输出端,也就是Z寄存器中。控制电路会给出相应的控制信号,将Z寄存器当中的内容传送到R0中。R0目前的内容是之前的原操作数,随后会被新的结果(Z寄存器中的内容)所覆盖。

这样,我们这个加法运算的结果就已经保存到了R0寄存器中。回写阶段到此完成。

微机指令系统

指令系统的发展与性能要求

指令系统的发展

计算机的程序是由一系列的机器指令组成的。指令就是要计算机执行某种操作的命令

一台计算机中的所有机器指令的集合,称为这台计算机的指令系统。

系列计算机,就是基本指令系统相同,基本体现结构相同的一系列计算机。器必要条件是同一系列的各机种共有的制冷剂,而且新推出的机种指令系统一定包含所有旧机种所有指令 ,即实现一个“向上兼容”

对指令系统性能的要求

一个完善的指令系统赢满足如下四方面要求

完备性 是指用汇编语言便携盒各种程序是,指令系统直接提供的指令足够使用,而不必用软件来实现。

有效性 是指利用该指令系统欧编写的程序能够高效率地运行。

规整性 包括指令系统的对称性、均齐性、指令格式和数据格式一致性。

兼容性 至少能做到向上兼容。

指令格式 表示一条指令的机器字,就称为指令字,通常称为指令。

指令字长度

一个指令字中包含二进制代码的位数,称为指令字长度。

指令和数据的寻址方式

当采用地址制度方式时,形成操作室或指令地址的方式,称为寻址方式

寻址方式分为两类,即指令寻址方式和数据寻址方式;

指令寻址方式又分为 顺序寻址方式和 跳跃寻址方式

顺序寻址
由于指令地址在内存中按顺序安排,当执行一段程序时,通常是一条指令接一条指令地顺序进行。也就是说,从存储器取出第1条指令,然后执行这条指令;接着从存储器取出第2条指令,再执行第二条指令;接着再取出第3条指令。这种程序顺序执行的过程,称为指令的顺序寻址方式。为此,必须使用PC来计数指令的顺序号,该顺序号就是指令在内存中的地址。
跳跃寻址
当程序转移执行的顺序时,指令的寻址就采取跳跃寻址方式。所谓跳跃,是指下条指令的地址码不是由程序计数器给出,而是由本条指令给出。注意,程序跳跃后,按新的指令地址开始顺序执行。因此,程序计数器的内容也必须相应改变,以便及时跟踪新的指令地址。采用指令跳跃寻址方式,可以实现程序转移或构成循环程序,从而能缩短程序长度,或将某些程序作为公共程序引用。

还有个操作数寻址方式
...

微机的三种周期

指令周期:是取出并执行一条指令的时间。由于各种指令的操作功能不同,有的简单,有的复杂,因此各种指令的指令指令周期是不尽相同的。

机器周期: 指令周期常常用若干个CPU周期数来表示,CPU周期也称为机器周期。通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。

时钟周期:一个CPU周期是件有包含有若干个时钟周期。有传入CPU CLK引脚的方波周期新号确定。

三种周期的关系

一个指令周期由若干个(数目不固定)机器周期组成;
一个机器周期由若干个(数目固定)时钟周期组成;

每条指令的指令周期不同

有些指令周期就没有执行周期——例如空操作
有些指令的取指周期和执行周期是等长的
有些指令的执行周期就比较长

指令周期划分为:取址周期,间址周期,执行周期

间址周期执行的是将操作数的地址从主存中取出,执行周期执行的是取出操作数并执行相应的操作并把结果保存在给定的寄存器当中。

带中断的指令周期
如果程序执行的过程中有中断,那么就要添加一个中断周期:如果有中断请求的话,我们需要去响应中断:保存断电,形成中断服务程序的入口地址,硬件关中断

机器周期
计算机中,常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段,每一个阶段完成一项工作。每一项工作称为一个基本操作,完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。

时钟周期
是计算机中的最基本的、最小的时间单位。

不同的CPU包含包含的周期都各不相同不知道怎么写

(没写完歇会)

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