《计算机组成原理》复习笔记

最新推荐文章于 2025-05-07 20:03:52 发布

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分类专栏：计算机基础

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计算机组成原理复习目录

第一章计算机系统概论

1.1 计算机系统简介

1.1.1 计算机的软硬件概念

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1、计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
硬件：指计算机的实体，如主机、输入输入设备、外存储器、网络通信设备等。
主机包括中央处理器CPU和存储器，其中CPU由运算器和控制器组成。
软件：软件包括系统软件和应用软件。
系统软件：用来管理整个计算机系统，如语言处理程序、操作系统、数据库管理系统、网络软件等。
应用软件：按任务需要编制成的各种程序。

1.1.2 计算机系统的层次结构

通常，将高级语言程序翻译成机器语言程序的软件称为翻译程序。翻译程序有两种：一种是编译程序，一种是解释程序。
编译程序：是将用户编写的高级语言程序（源程序）的全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序。
解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的一条语句，并且立即执行这条语句，接着翻译源程序的下一条语句，并执行这条语句，如此重复直至完成源程序的全部翻译任务。
下图为多层次结构的计算机系统：
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1.1.3 计算机组成和计算机体系结构

计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性。（具体指令的实现，取指令、分析指令、取操作数）
计算机体系结构是指哪些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）

1.2 计算机的基本组成

1.2.1 冯·诺伊曼计算机的特点

1、计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。
2、指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。
3、指令和数据均用二进制数表示。
4、指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
5、指令在存储器内按顺序存放。
6、机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

1.2.2 计算机的硬件框图

1、现代计算机硬件框图
算数逻辑单元（Arithmetic Login Unit,ALU），用来完成算数逻辑运算。控制单元（Control Unit，CU） 用来解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令。ALU和CU是CPU的核心部件，CPU是指将运算器和控制器集成到一个电路芯片中.。I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入、输出操作。
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1.2.3 计算机的硬件组成

1、存储器的基本组成
主存储器包括存储体M、各种逻辑部件及控制电路等。存储体由许多存储单元组成，每个存储单元又包含若干个存储元件，每个存储元件能寄存一位二进制代码“0”或“1”。一个存储单元可存储一串二进制代码，称这串二进制代码为一个存储字，这串二进制代码的位数成为存储字长。

主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取（读出）。这种存取方式称为按地址存取方式，即按地址访问存储器。为了实现按地址访问的方式，主存中还必须配置两个寄存器MAR和MDR。

MAR（Memoty Address Register) 是存储器地址寄存器，用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数。如MAR=4，存储单元的个数为2的4次方。

**MDR（Memory Data Register）**是存储器数据寄存器，用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等。如MDR=8，存储字长为8位。
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2、运算器的基本组成
运算器最少包含3个寄存器和一个算数逻辑单元（ALU），其中ACC为累加器，MQ为乘商寄存器，X为操作数寄存器。

3、控制器的基本组成
控制器由程序计数器（Program Counter，PC）、指令寄存器（Instruction Register，IR) 以及 控制单元(CU) 组成。PC用来存放当前欲执行指令的地址，它与主存的MAR之间有一条直接通路，且具有自动加1的功能，即可自动形成下一条指令的地址。IR用来存放当前的指令，IR的内容来自主存的MDR。CU用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。

4、执行指令的过程
（1)取指阶段： 先命令存储器读出一条指令，程序计数器加1。
（2)分析阶段： 指出该指令要完成什么样的操作，并按寻址特征指明操作数的地址。
（3)执行阶段： 根据操作数所在的地址以及指令的操作码完成某种操作。
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1.3 计算机硬件的主要技术指标

1、机器字长
机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。
2、存储容量
存储器的容量应该包括主存容量和辅存容量。主存容量是指主存中存放二进制代码的总位数。即 存储容量 = 存储单元个数 × 存储字长
MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储字长。
现代计算机中常以字节数来描述容量的大小，因一个字节已被定义为8位二进制代码，故用字节数便能反应主存容量。
注意：单位问题
1、K是数值,一般是1024，即2的10次方，M为2的20次方。1G = 2的10次方M = 2的20次方K = 2的30次方
2、KB是单位,其中B是字节。
3、基本存储单元：
位（bit）：二进制数中的一个位数，0或1，最小单位。
字节（Byte，B）：每8位组成一个字节。

3、运算速度
计算机的运算速度与许多因素有关，如机器的主频、执行什么样的操作、主存本身的速度等都有关。

第二章计算机的发展及应用

略

第三章系统总线

3.1 总线的基本概念

1、计算机系统的五大部件之间的互连方式有两种，一种是各部件之间使用单独的连线，称为分散连接；另一种是将各部件连到一组公共信息传输线上，称为总线连接。
2、总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。

3.2 总线的分类

按数据传送方式分：并行传输总线和串行传输总线。
按连接部件不同分：片内总线、系统总线和通信总线。

系统总线： 是指CPU、主存I/O设备各大部件之间地信息传输线。
通信总线： 用于计算机系统之间或计算机系统与其它系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信。

3.3 总线特性及性能指标

3.3.1 总线特性

1、机械特性：指总线在机械连接方式上的一些性能，如插头与插座使用的标准、它们的集合尺寸、形状等。
2、电气特性：指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。通常规定CPU发出的信号称为输出信号，送入CPU的信号称为输入信号。
3、功能特性：指总线中每根传输线的功能。
4、时间特性：指总线中的任一根线在什么时间内有效。

3.3.2 总线性能指标

1、总线宽度：通常指数据总线的根数。
2、总线带宽：总线带宽可理解为总线的数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量，单位可用MBps（兆字节每秒）表示。
3、时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称为同步总线，与时钟不同步工作的总线位异步总线。
4、总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。
5、信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和。

3.4 总线结构

总线结构分为单总线结构和多总线结构两种。

单总线结构：将CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）都挂在一组总线上，允许I/O设备之间、I/O设备与CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。
双总线结构：将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构。

3.5 总线控制

由于总线上连接着多个部件，什么时候由哪个部件发送信息，如何给信息传送定时，如何防止信息丢失，如何避免多个部件同时发送，如何规定接收信息的部件等一系列问题都需要由总线控制器统一管理。主要包括判优控制（仲裁逻辑）和通信控制。

3.5.1 总线判优控制

总线上所连接的各类设备，按其对总线有无控制功能可分为主设备（模块）和从设备（模块）两种。主设备对总线有控制权，从设备只能响应从主设备发来的总线命令，对总线没有控制权。总线上信息的传送是由主设备启动的，如某个主设备欲与另一个设备（从设备）进行通信时，首先由主设备发出总线请求信号，若多个主设备同时要使用总线时，就由总线控制器的判优、总裁逻辑按一定的优先等级顺序确定哪个主设备使用总线。
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3.5.2 总线通信控制

众多部件共享总线，在争夺总线控制权时，应按各部件的优先等级来解决。在通信时间上，则应按分时方式来处理，即以获得总线使用权的先后顺序分时占用总线。
通常完成一次总线操作的时间称为总线周期，可分为4个阶段：
1、申请分配阶段：取得了使用权的主模块提出申请，经总线仲裁机构决定下一传输周期的总线使用权授于某一申请者。
2、寻址阶段：取得了使用权的主模块通过总线发出本此要访问的从模块的地址及有关命令，启动参与本此传输的从模块。
3、传数阶段：主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出，经数据总线流入目的模块。
4、结束阶段：主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。
总线通信控制主要解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调如何配合。
常用四种方式：同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信。
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第四章存储器

4.1 概述

4.1.1 存储器分类

1、按存储介质分类
（1）半导体存储器： TTL、MOS
（2）磁表面存储器：磁头、磁载体
（3）磁芯存储器：硬磁材料、环状元件
（4）光盘存储器：激光、激光材料
2、按存取方式分类
按存取方式可分为：随机存储器、只读存储器、顺序存储器和直接存取存储器。
（1）随机存储器（RAM）
RAM是一种可读/写存储器，其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。计算机主存都采用这种随机存储器。
（2）只读存储器（ROM）
只读存储器只能对其存储的内容读出，而不能对其重新写入的存储器。
（3）串行访问存储器
顺序存取存储器：磁带
直接存取存储器：磁盘
2、按在计算机中的作用分类
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