组成原理复习笔记之(01)概论

第01章 概论

存储程序:

• 特点:
  
  • 1 五大基本部分: 运算器, 存储器, 控制器, IO设备(进和出各算一部分)
  • 2 二进制 表示 指令 和 数据.
  • 3 将 将指令和数据 先放入 存储器;
    
    • 然后 再启动 计算机 工作.

• 弱点:

  • 存储器 的访问 会成为 瓶颈.

• 目前 出现了一些突破 存储程序 控制的 计算机: —-即 非冯计算机.

  • 数据驱动的数据流计算机
  • 需求驱动的归约计算机
  • 模式匹配驱动的智能计算机
  • 等.

硬件组成:

• 五大组成部分:
  
  • (1)运算器,
  • (2)存储器,
  • (3)控制器,
  • (4)IO设备(进和出各算一部分).
• 运算器 和 控制器 —-> 组成 CPU.
• 中心部分:
  
  • 早期: 以 运算器 为中心.
  • 现在: 以 存储器 为中心.
• 四个信息流:
  
  • (1)其4种信息流:
    
    • 1) 控制信息:
      
      • 控制器 向各个部分 输入的信息,
      • 所有部分(包括主存)都接受这个信息.
    • 2) 数据信息:
      
      • 各部分(除控制器外) 与 主存 交换的信息.
      • 读出/写入 主存单元中.
      • —-但 其所操作的地址单元 受控制器控制.
    • 3) 地址信息:
      
      • 控制器 向 主存 发出的信息.
    • 4) 指令信息:
      
      • 主存 向 控制器 发出的信息.
  • (2)特点:
    
    • 1) 指令信息 是 控制器 的唯一输入.—-由主存 传递信息给 控制器.
    • 2) 地址 和 指令 只存在在 主存 和 控制器 的.
    • 3) 其余部分 都受到: 控制信息 和 数据信息 这两部分 控制.
• IO设备 会有两种 概念: ADC 和 DAC.
• 存储器:
  
  • (1)存放两个东西: 程序 和 数据.
  • (2)存储系统三级:
    
    • 1) 高速缓冲存储器cache.
      
      • —-可能在 CPU中, 也可能 在 CPU外.
      • —-介于CPU和内存之间, 不属于CPU.—-虽然可能存在在CPU中.
    • 2) 主存—-RAM/ROM.
    • 3) 辅助存储器—-比如 硬盘什么的—-CPU不可直接访问.
  • (3)这三者的不同之处:
    
    • 访问速度
    • 容量大小
    • 是否被CPU直接读入
• 运算器:
  
  • 对信息处理/运算.
  • 进行:
    
    • 算术运算
    • 逻辑运算.
  • 三部分组成:
    
    • ALU: 进行算术逻辑运算, 即加法和逻辑运算.
    • 寄存器组: 用于提供操作数, 用于暂存结果.
    • 判断逻辑电路 和 控制电路.
  • 内部核心:
    
    • 加法器
    • 若干个 通用寄存器 和 累加寄存器, 用于 暂存操作数 和 存放运算结果
  • 两种不同风格的运算器:—-区分是: 如何向ALU提供操作数.
    
    • (1)带多路选择器的运算器, 即内部总线是单向的.
      
      • —-即 ALU的两个输入端 分别是 两个选择器,
        
        • 每一个寄存器 都有专门的单独的电路直通ALU的两个选择器.
    • (2)带输入锁存器的运算器, 即内部总线是双向的.
      
      • —-即 ALU的两个输入端 分别是 两个锁存器(暂存器),
        
        • 采用总线结构来连接内部各寄存器 和 ALU两端的锁存器.
        • 这种方式 就会有如下三种之分:
          
          • 单总线结构
          • 双总线结构
          • 三总线结构
• 控制器:
  
  • 计算机的 指挥中心.
  • 两个角度:
    
    • (1)输入: 从主存中得到指令.
    • (2)输出: 从 主存 输入地址; 向 其它部件 输出 控制指令, 用于 安排协调 各部件的工作.
• 总线结构:
  
  • 各大基本部件之间, 是通过 BUS 连接起来的.
  • 通常采用的是: 单总线结构: —- 这个单总线 即 系统总线. —- 小微型计算机 是这样子的.
  • 总线的特点:
    
    • (1)总线 是 分时 地 发送/接收 各部分的信息.
    • (2)分时发送, 同时接收.
    • (3)挂在总线上的两个部分 都可以 直接进行信息交流, 无需 CPU 进行干预.
    • (4)易于进行设备扩充, 而且连接灵活.
    • (5)外部总线: 分成 地址总线 / 数据总线 / 控制总线.
    • (6)内部总线:
      
      • 只有 数据总线.
      • 但也分成:
        
        • 单向: 对应于 带多路选择器的运算器.
        • 双向: 对应于 带锁存器的运算器. —-分 单总线/双总线/三总线.
  • 单向总线: —- 比如 地址总线.
  • 双向总线: —- 比如 数据总线.

哈佛结构 和 普林斯顿结构.

• (1)普林斯顿结构:
  
  • (a) 指令 和 数据 共用存储器, 不加区别.
  • (b) 共用数据总线.
  • (c) 指令 和 数据 的宽度相同.
  • (d) 不能同时读取 指令和数据.
• (2)哈佛结构:
  
  • (a) 两个存储器: PM(程序存储器) 和 DM(数据存储器)
  • (b) 两组总线:
    
    • PM 和 CPU之间一组: 地址总线 和 数据总线.
    • DM 和 CPU之间一组: 地址总线 和 数据总线.
  • (c) 允许同时获取 指令字 和 操作数.
  • (d) 指令 和 数据 可以有不同的 数据宽度.
• (3)现在微机通常常用的是:
  
  • (a) Cache中采用 哈佛结构—-即 分为: 指令Cache 和 数据Cache.
  • (b) 主存 采用 普林斯顿结构.

计算机系统:

• 硬件 + 软件. 还有 固件.

• 计算机系统 的 多层次结构:

  实际机器:
      硬件.
      微程序指令.
      机器指令语言.
  虚拟机:
      作业控制语言等----操作系统级.
      汇编语言.
      高级语言.
      应用语言.
  

几个概念:

• 机器字长:

  • 加法器/寄存器 的 位数 决定的.
    
    • —-即 一般等于 内部寄存器 的 大小.

• 数据通路宽度:

  • 数据总线 一次 所能 并行传送信息的位数.
    
    • —-影响到 信息传送的能力, 从而 影响计算机 的 有效处理速度.
  • 数据通路宽度, 不代表 内部寄存器 的大小.
    
    • —-比如 64位数据总线 + 32位内部寄存器, 因为可能其内部有两条32位流水线.