计算机组成原理 | 第四章《存储系统》学习笔记

引言 & 声明

  《计算机组成原理》是计算机及有关信息技术专业的一门核心基础课程。
  在学习《计算机导论》、《程序设计基础》等课程、对计算机应用有基本掌握之后，便需要了解计算机的基本组成和工作原理。此外，对于后继课程，如《操作系统》等的学习，也需要在掌握计算机基本工作原理的基础上来进行。因此，从课程的地位来说，《计算机组成原理》在整个课程体系中起着承上启下的作用，是计算机及相关专业的主要课程之一。

以上介绍引用自《计算机组成原理》教材“引言”部分。

  本文取材于学习时所做的课程笔记，引用资料部分另行标注。
  本人水平有限，错误之处在所难免，欢迎读者批评、指正，我也会在适当时间进行修正与补充。

第一章 计算机系统概论

  本章主要介绍了计算机的发展史和发展趋势，并对计算机的应用领域有一综合的描述。随后从硬件系统和软件系统的角度介绍了计算机系统的组成结构，着重介绍了五大功能部件以及操作系统的功能。并从层次结构的角度分析了计算机的层次结构。最后就如何衡量计算机的性能做了初步讨论。

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第二章 计算机中数据的表示方法

  本章主要讨论了计算机中数值数据的表示方法，介绍二、八、十、十六进制数据的表示和相互转化方法。接着了讨论有符号数据在计算机中的表示（原码、反码、补码和移码等）。同时介绍了非数值数据——字符、汉字、声音、图形、图像在计算机中的表示方法。最后讨论了计算机中常用的检验编码（奇偶校验码、交叉校验码、CRC校验码和海明校验码）。

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第三章 运算方法和运算部件

  本章讨论了在计算机内部完成各种基本逻辑运算和算术运算的方法。主要基于定点数和浮点数的运算方法，较详细地论证了各种运算方法的依据。在论证过程中又主要针对补码表示的机器数进行讨论。

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第四章 存储系统

  现代计算机是依据存储程序的原理而设计的。计算机的工作步骤和处理对象都存放在存储器中。存储器采用什么样的存储介质、怎样组织存储系统，以及怎样控制存储器存取操作都是至关重要的。

此章节主要介绍存储器的基本工作原理、组成以及提高存储器性能的重要途径——高速缓冲存储器和虚拟存储器。

4.1& 存储系统概述

4.1.1 存储器分类

   ① 按存储介质分类
$$\{\begin{array}{c}半导体存储器\\ \\ 磁表面存储器\end{array}$$

   ② 按存取方式分类
$$\{\begin{array}{c}随机存储器\\ \\ 顺序存储器\end{array}$$

   ③ 按存储器的读写功能分类
$$\{\begin{array}{c}只读存储器\\ \\ 随机存储器\end{array}$$

   ④ 按信息的可保存性分类
$$\{\begin{array}{c}非永久记忆的存储器\\ \\ 永久记忆的存储器\end{array}$$

   ⑤ 按串、并行读取方式分类
$$\{\begin{array}{c}并行存取方式存储器\\ \\ 串行存取方式存储器\end{array}$$

   ⑥ 按在计算机中的作用分类
$$\{\begin{array}{c}主存储器\\ 辅助存储器\\ 缓冲存储器\\ 控制存储器\\ 串行存取方式存储器\end{array}$$

4.1.2 存储器的分级结构

   （1）快速缓冲存储器（Cache）：解决CPU与主存之间的速度匹配问题。

   （2）主存储器：写入、保存数据，需要时可以读出数据。

   （3）外存储器：增大计算机的存储容量。

4.1.3 存储器的分级结构

（三层次存储系统）

   【主存储器的技术指标】

   存储容量：在一个存储器中所能容纳的存储单元的总数。

   存储时间（访问时间）：指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。

   存储周期：连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间。

4.2& 半导体读写存储器

   半导体存储器的主要优点：存取速度快，存储体积小，可靠性高，价格低廉。
   半导体读写存储器的特点：断电后所保存的信息会丢失。

4.3& 半导体只读存储器

   半导体只读存储器分三类

$$\{\begin{array}{c}掩摸式只读存储器ROM\\ 可编程只读存储器PROM\\ 可擦可编程只读存储器EPROM\end{array}$$

   半导体只读存储器ROM的特点：所存储的信息不会丢失，即当电流掉电后又恢复上电时，存储信息不变。

第五章 指令系统

  指令是要求计算机执行某种操作的命令，一台计算机所有机器指令的集合就构成该机器的指令系统。
  本章首先说明指令系统的发展与性能要求，然后介绍指令的一般格式。重点讲述寻址方式、指令的分类及功能。

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第六章 中央处理器（CPU）

  计算机的硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。随着集成电路的出现及其集成度的提高，设计者将控制器和运算器集成在一片集成电路上，称作微处理器，通常称之为中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）。CPU是计算机的核心部件。本章介绍CPU的功能、结构及工作原理。

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第七章 总线系统

  总线技术是计算机系统的一个重要技术，总线的结构直接影响着计算机的性能，它是承载计算机系统各个部件之间信息传递的桥梁。

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第八章 计算机的外围设备

  计算机的外围设备主要包括输入设备、输出设备、外部存储设备，以及数据通信设备和过程控制设备。它们的功能是在计算机和其他设备之间，以及计算机与计算机之间提供联系。

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第九章 输入输出系统

  计算机系统输入/输入（I/O）的种类日益增多，使得输入/输出设备在计算机系统中的影响日益显著。

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（已完结 2021.05.23）