计算机组成原理
目录
计算机概述
数据
总线
CPU
存储器
输入/输出设备
计算机的时标系统
计算机概述
计算机的基本组成:
- 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即数据的加工处理
- 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
组成的联系:
- 图一
- 图二
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
- 控制器从存储器中取指令
- 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
计算机系统的体系结构:
- 图一:
- 图二
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
浮点表示法:
公式: N=2^(+-e)*(+-s)
说明:
- E为阶码 它是一个二进制正整数
- 阶符（Ef） E前的+—为阶码的符号
- S称为尾数它是一个二进制正小数
- 尾符（Sf） S前的+—为尾数的符号
- “2”是阶码E的底线
R进制表示法:
计算机中常用的进制数的表示:
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
不同进制之间的转化:
- 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
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表示整数的符号,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:
- 对于正数其反码与原码相同
- 对于负数其反码与原码的符号位不变数值各位取反即0变1,1变0
- 补码:
- 对于正数其补码与原码相同
- 对于负数补码与原码的符号位不变,数值各位取反,末尾加1
原码,反码,补码之间的关系:
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
BCD奇偶校验码:
十进制 BCD码 奇校验码 偶校验码
0 0000 00001 00000
1 0001 00010 00011
2 0010 00100 00101
3 0011 00111 00110
4 0100 01000 01001
二进制四则运算:
运算规则:
- 加法规则: 0+0=0; 0+1=1+0=1 1+1=1
- 减法规则: 0-0=0; 1-0=1; 1-1=0; 0-1=1
- 乘法规则: 0*0=0; 0*1=1*0=0; 1*1=1
- 除法规则: 0∕1=0; 1∕1=1
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)
逻辑运算:
- ‘或’:
- 运算规则: 0∪0=0; 0∪1=1; 1∪0=1; 1∪1=1【1—真,0—假】
- 运算式: C=A∪B 或 C=A+B(只有决定某一事件条件中有一个或一个以上成立,这事件才能发生)
- ‘与’:
- 运算规则: 0∩0=0; 0∩1=0; 1∩0=0; 1∩1=1
- 运算式: C=A∩B 或 C=A－B 或C=A*B(只有决定某一事件的所有事件全部具备,这事才能发生)
- ‘非’:
- 运算规则: ō = 1; ī = 0
- 运算式: C=A(当决定某一事件的条件满足时,事件不发生,反之事件发生)
- ‘异或’:
- 运算规则: 0异或0=0; 0异或1=1; 1异或0=1; 1异或1=0
- 运算式: C=A异或B【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; A*1=A; A+A=1; A*A=A
- 互补律: A*(!A)=0; A+(!A)=1
- 又拾律: !(!A)=A
- 交换律: A+B=B+A; A*B=B*A
- 结合律: A+(B+C)=(A+B)+C; A*(B*C)=(A*B)*C
- 分配率: A*(B+C)=A*B+A*C; A+(B*C)=(A+B)*(A+C)
- 摩尔定律: !(A+B)=(!A)*(!B); !(A*B)=(!A)+(!B)
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<I^2C总线,SPL总线,SCI总线>
- 外部总线 微机和外部设备之间总线用了插件板一级互连<ISA总线,EISA总线,PCI总线>
- 系统总线 微机中各插件与系统板<USB总线,IEEE-488总线,RS-485总线,RS-232-C总线>
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
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
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:
内存与外存的比较:
主存 辅存
类型 ROM RAM 软盘 硬盘 光盘
造价 高 高 低++ 低 低+
速度 快 快 慢++ 慢 慢+
容量 小+ 小 — — —
断电 有 无 有 有 有
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:
定义: 高速缓冲存储器是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,也可写入,随机存取,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)
- 定义: ROM一旦有了信息,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
硬盘组成图:
注意:
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！ 磁碟的第一个磁区主要记录了两个重要的资讯,分别是：
- 主要启动记录区(Master Boot Record, MBR)：可以安装启动管理程序的地方,有446 bytes
<MBR是很重要的,因为当系统在启动的时候会主动去读取这个区块的内容,这样系统才会知道你的程序放在哪里且该如何进行启动> - 分割表(partition table)：记录整颗硬盘分割的状态,有64 bytes
磁盘分区表(partition table):
利用参考对照磁柱号码的方式来切割硬盘分区！ 在分割表所在的64 bytes容量中,总共分为四组记录区,每组记录区记录了该区段的启始与结束的磁柱号码. 若将硬盘以长条形来看,然后将磁柱以直条图来看,那么那64 bytes的记录区段有点像底下的图示：
上图中我们假设硬盘只有400个磁柱,共分割成为四个分割槽,第四个分割槽所在为第301到400号磁柱的范围.
由於分割表就只有64 bytes而已,最多只能容纳四笔分割的记录, 这四个分割的记录被称为主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽. 根据上面的图示与说明,我们可以得到几个重点资讯：
- 其实所谓的『分割』只是针对那个64 bytes的分割表进行配置而已！
- 硬盘默认的分割表仅能写入四组分割资讯<主要分割与扩展分配最多可以有四条(硬盘的限制)>
- 这四组分割资讯我们称为主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽
- 扩展分配最多只能有一个(操作系统的限制)
- 逻辑分割是由扩展分配持续切割出来的分割槽,如果扩展分配被破坏,所有逻辑分割将会被删除
- 能够被格式化后,作为数据存取的分割槽为主要分割与逻辑分割.扩展分配无法格式化
- 分割槽的最小单位为磁柱(cylinder)
- 逻辑分割的数量依操作系统而不同,在Linux系统中,IDE硬盘最多有59个逻辑分割(5号到63号), SATA硬盘则有11个逻辑分割(5号到15号)
- 当系统要写入磁碟时,一定会参考磁盘分区表,才能针对某个分割槽进行数据的处理
总结:
- 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。
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
- 击打式打印机
- 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 :
- 中断控制方式:
- 直接存储器存取方式
- 输入输出处理机方式
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
- 机器周期
- 时钟周期
图像显示:
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
