计算机组成原理复习笔记-1

Abstract: 计算机组成原理期末复习知识点总结 （一版）~ 

1.计算机概述

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

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

• 取指令：控制器从存储器中取指令

• 执行指令：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

计算机系统体系结构：

内存储器：

• RAM:随机存储器

• ROM：只读型存储器

2.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

• 1024：byte——kb——MB——GB——TB

浮点表示法

R进制表示法:

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

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（直到小数部分为0；结果顺取）

• 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表示正数的符号,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:

  • 正数：反码=原码

  • 负数:反码 = 原码的符号位不变数值各位取反即0变1,1变0

• 补码:

  • 正数:其补码与原码相同

  • 负数:原码的符号位不变,数值各位取反,末尾加1

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

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)

异或运算：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;　　A1=A;　　A+A=1;　　AA=A

• 互补律:　　　　 A*(!A)=0;　　A+(!A)=1

• 又拾律:　　　 　!(!A)=A

• 交换律:　　　　 A+B=B+A;　　AB=BA

• 结合律:　　　 　A+(B+C)=(A+B)+C;　　A(BC)=(AB)C

• 分配率:　　　　 A(B+C)=AB+AC;　　A+(BC)=(A+B)*(A+C)

• 摩尔定律:　　　　!(A+B)=(!A)(!B);　　!(AB)=(!A)+(!B)

3.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

  • 外部总线　　微机和外部设备之间总线用了插件板一级互连

  • 系统总线　　微机中各插件与系统板

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。

4.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

5.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

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Cache：

• 定义：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，可读出可写入，随机存取；断电；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；一旦有了信息,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

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.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。

6.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

• 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

7.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3：完成一个指令

• 机器周期2：完成一个基本操作

• 时钟周期1：完成一步操作

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

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