计算机硬件基础
目录导航：
1.1 中央处理器
1.2 存储器
1.3 常用I/O设备
2.1 并行处理的概念
2.2 流水线处理机系统
2.3 并行处理机系统
2.4 多处理机系统
2.5 CISC/RISC指令系统
3.1 存储系统概述及分类
3.2 存储器层次结构
3.3 主存储器RAM
3.4 高速缓冲存储器
3.5 辅助存储器
★1.冯诺依曼体系结构：
（1）采用二进制编码
（1）数据，程序和指令都存储在主存储器中
（3）计算机硬件组成部分：运算器，控制器，存储器，输入和输出设备
2.中央处理器：运算器 + 控制器
3.主机：内存储器 + 中央处理器
4.外部设备（外设）：在计算机硬件系统中除了主机之外的设备。外设包括：输入，输出设备，外存储器。
1.1 中央处理器
1.运算器：计算机中用于信息加工的部件，它能对数据进行算术逻辑运算。通常由算数逻辑运算部件（ALU）和一些寄存器组成。
2.控制器：是指挥，协调计算机各大部件工作的指挥中心。控制器工作的实质就是解释，执行指令。
3.控制器组成部分：
（1）程序计数器PC。又称指令计数器和指令指针IP。指令地址的形成有两种可能：1是顺序执行，每执行完一条指令，PC+1；2是改变顺序，由转移类指令形成地址送到PC中。
（2）指令寄存器IR。用于存放现行指令。
（3）指令译码器。
（4）脉冲源及启停控制线路。
（5）时序信号产生部件。
（6）操作控制信号形成部件。
（7）中断机构。对异常情况和外来请求的处理。
（8）总线控制逻辑。
1.2 存储器
1.存储器：是存放二进制形式信息的部件。功能：存放程序和数据。
2.按功能进行分类：
（1）高速缓冲存储器Cache。用来临时存放指令和数据。
（2）主存储器。用来存放计算机运行时的大量数据。
（3）辅助存储器（外存储器）。
3.高速缓存器和主存储都是内存储器。若计算机没有高速缓存，则内存储器就是主存储器。
1.3 常用I/O设备
1.按照信息的传输方向分类：输入，输出，输入/输出。
2.输入设备：鼠标，键盘，扫描仪等。
3.输入设备分类：采用媒体输入的设备，交互式输入设备。
4.输出设备：显示器，打印机等。
5.输入输出设备：磁盘机，磁带，可读写光盘等。
6.键盘：由一组按键和相应的键盘控制器组成的输入设备。
7.键盘控制器：由一些逻辑电路和单片机构成，其功能是进行扫描，判断按键的位置，然后将键盘上位置码转换为相应的ASCII码，输入计算机。
8.鼠标：是一种相对定位设备。分为机械式和光电式。
9.打印机分为：击打式打印机，非击打式打印机。
10.非击打式打印机：激光打印机，喷墨打印机，热敏打印机。
11.显示器：它由监视器和显示控制器组成。
12.监视器由阴极射线管（CRT），亮度控制电路（控制栅），扫描偏转电路等部件构成。
13.在光栅扫描显示器中，为了保证屏幕上显示的图像不产生闪烁，图像必须以50~70帧/秒的速度进行刷新。
行频 = 垂直分辨率/（1-回扫所占比例）*刷新速度
水平扫描周期 = 1/行频
每一像素读出的时间 = 水平扫描周期 *（1-回扫所占比例）/水平分辨率
例题：当分辨率为640*480时，且假定水平回扫期和垂直回扫期各占水平扫描周期和垂直扫描周期的20%，图像默认为50帧/秒刷新。
求：行频（电子枪每秒在屏幕上从左到右扫描的次数），水平扫描周期，每一像素读出时间。
行频 = 480线/（1-20%）*50帧/秒 = 30000Hz = 30KHz
水平扫描周期 = 1/30KHz = 33µs
每一像素读出时间 = 33µs*（1-20%）/640 = 40~50 ns
若分辨率提高到1024*768，帧率为60帧/s。
则：
行频 = 768/（1-20%）*60 = 57.6KHz
水平扫描时间 = 1/57.6KHz = 17.4µs
每一像素读出时间 = 17.4*（1-20%）/1024 = 13.6ns
2.1 并行处理的概念
1.并行性：是指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性，它包括同时性与并发性。
2.同时性：指的是两个或两个以上的事件在同一时刻发生。
3.并发性：指的是两个或两个以上的事件在同一时间间隔发生。
4.提高计算机系统并行性的途径：时间重叠（时间因素），资源重复（空间因素），资源共享（软件方法）。
5.计算机的基本工作过程：执行一串指令，对一组数据进行处理。
6.指令流：计算机执行的指令序列。
7.数据流：指令流调用的数据序列。
8.多重性：计算机同时可处理的指令或数据的个数。
9.根据多重性，将计算机系统分类（single单一的，instruction指令，multiple多倍的，data数据）：
（1）单指令流单数据流（SISD）
（2）单指令流多数据流（SIMD）
（3）多指令流单数据流（MISD）
（4）多指令流多数据流（MIMD）
2.2 流水线处理机系统
1.计算机中的流水线是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程与其他子过程并行进行。从本质上讲，流水线技术是一种时间并行技术。
2.执行指令的过程：取指令，指令分析，执行指令。
★3.指令执行所需时间（假设每个片段所需要的时间为t，需要执行n条指令）：
T = n*3t = 3nt
T = 3t+(n-1)t = (n+2)t
2.3 并行处理机系统
1.并行处理机也成为列阵式计算机。它是操作并列的SIMD计算机。
2.并行处理机的特点：
（1）并行处理机是以单指令流多数据流方式工作的。
（2）并行处理机采用资源重复方式引入空间因素，即在系统中设置多个相同的处理单元。
（3）并行处理机是以某一类算法为背景的专用计算机。
（4）并行处理机的研究必须与并行算法的研究密切结合。
（5）并行处理机实际上是一个异构型多处理机系统。
2.4 多处理机系统
1.多处理机系统由若干台独立的计算机组成，每台计算机能够独立的执行自己的程序。属于MIMD。
2.MIMD和SIMD的本质区别：多处理机要实现任务或作业一级的并行，而并行处理机只实现指令一级的并行。
3.多处理机的特点：
（1）结构灵活性
（2）程序并行性
（3）并行任务派生
（4）进程同步
（5）资源分配和进程调度
2.5 CISC/RISC指令系统
1.CISC：复杂指令集计算机。
2.RISC：精简指令系统计算机。
3.CISC目的：
（1）使目标程序得到优化
（2）给高级语言提供更好的支持
（3）提供对操作系统的支持
4.CISC特点：多指令，多寻址方式。
5.RISC目的：复杂指令研发周期长，成本高，浪费资源。
6.RISC特点：
（1）指令数目少
（2）指令长度固定，指令格式少，寻址方式少
（3）大多指令可在一个机器周期内完成
（4）通用寄存器数量多
7.RISC的设计思想：将那些不是最频繁使用的功能（指令）由软件加以实现。
3.1 存储系统概述及分类
1.存储系统分为内存储器（高速+主存）和外存储器
3.2 存储器层次结构
1.定义：就是把各种不同容量和不同存取速度的存储器按一定的结构有机地组织在一起。
高速缓存——主存：解决存储器的速度问题。
主存——辅存：解决存储器的容量问题。
3.3 主存储器RAM
1.构成：
（1）存储体（存储矩阵）
（2）地址译码器
（3）驱动器
（4）I/O控制
（5）片选控制
（6）读/写控制
2.存储器主要技术指标
（1）存储容量
（2）存取速度
（3）可靠性
3.4 高速缓冲存储器
1.主存和高速缓冲存储器均是模块化的，并且两者之间交换数据以页为单位。
2.cpu访存地址送到高速缓冲存储器，经过联存储映像表的地址映射变换，如果要访问的内容在高速缓冲存储器中，则称为“命中”，从高速缓冲存储器中读取数据到cpu；如果内容不在c高速缓冲存储器中，则称为“不命中”“失靶”，cpu送来地址直接到主存中读取数据。
3.5 辅助存储器
1.辅助存储器用于存放当前不立即使用的信息。
2.常用的辅助存储器：磁带存储器，磁盘存储器，光盘存储器。
1.计算机应用的发展阶段：
（1）第一阶段：20世纪50年代初到末
（2）第二阶段：50年代末到70年代初
（3）第三阶段：70年代及80年代以来
（4）第四阶段：90年代以来
2.计算机信息处理技术：对各种信息媒体的获取，表示，加工与表现方法和技术。
3.计算机应用的领域：科学计算，信息管理，计算机图形学与多媒体技术，语言与文字的处理，人工智能
4.科学计算：计算机最早的应用领域。
5.信息管理：信息管理系统是由人，计算机和管理规则等组成，以采集，加工，维护和使用信息为主要功能的人—机系统。
6.多媒体技术：是计算机对文本，图形，图像，声音，动画及视频信息进行综合处理，建立有机联系，并集成为一个交互性很强的系统的一门技术。
7.CAD：计算机辅助设计
8.CAI：计算机辅助教学
φ(゜▽゜*)♪ 感谢观看，希望对你有帮助！
