计算机组成原理
2020-12-22 15:08:35 0 举报AI智能生成
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大纲/内容
计算机组成原理
计算机系统概论
计算机是一种能够存储程序，能够自动连续地执行程序，对各种数字化信息进行算术运算或逻辑运算的快速工具
计算机的发展、特点
发展
第一代（电子管计算机)。其主要特征是采用电子管构成逻辑电路，运算速度约为几千次每秒到几万次定点加法运算每秒，生存时期大约是1946—1954年。这段时间是用机器语言或汇编语言编程，后期出现了一些简单的IO管理程序。
第二代（晶体管计算机)。其主要特征是采用分立式晶体管构成逻辑电路，运算速度为几万次每秒到几十万次每秒，生存时期约为1955—1964年。软件方面出现了高级程序设计语言，相应地出现了编译程序、子程序库、批处理管理程序等系统软件。
第三代(中、小规模集成电路计算机)。其主要特征是采用中、小规模集成电路，开始用半导体存储器作为主存，生存时期约为1965—1974年。硬件方面采用了流水线技术、微程序控制技术，提出了系列机概念。软件方面操作系统逐渐成熟，出现了虚拟存储技术、信息管理系统、网络通信软件等，开始出现独立的软件企业。
第四代（大规模、超大规模集成电路计算机)。在集成电路中，每块芯片内含有的门电路数或元件数称为集成度。每片几百门至几千门称为大规模集成电路（LSI)，更高的称为超大规模集成电路(VLSI)。一般认为第四代约从1975年开始，直至今天，当前大部分实用的计算机都属于第四代。
特点
(1)能在程序控制下自动连续地工作
计算机能执行程序，而且由于它采用存储程序工作方式，一旦输入可执行的目标程序，只要给出运行条件和起始地址，启动后计算机就能自动连续地执行程序。
(2)运算速度快
目前的计算机采用高速电子线路组成硬件，能以很高的速度工作，这不仅极大地提高了工作效率，还使许多复杂问题得以实际解决。
(3）运算精度高
由于采用数字代码表示信息，只要增加位数就能提高运算精度，这在理论上几乎没有限制。
(4）具有很强的信息存储能力
二进制代码容易被存储，如采用双稳态触发器，电容上有无电荷、不同的磁化状态等多种物理机制都可保存或暂存0、1代码。
(5）通用性强，应用领域广泛
基于信息表示的数字化，计算机能够处理范围广泛的各类信息，因此它可以应用在所有的领域。
分类
20世纪80年代以前，人们按功能、体积、价格等因素将计算机分为微型机、小型机、大中型机和巨型机。
计算机的基本组成
硬件系统
CPU
CPU (Central Processing Unit）即中央处理器，是硬件系统的核心部件，负责读取并执行指令，也就是执行程序。
主存储器
外存储器
输入输出设备
总线
总线是指一组能为多个部件分时共享的信息传输线。
系统总线可分为三组，地址总线、数据总线和控制总线
接口
软件系统
系统软件
操作系统
编译程序与解释程序
各种软件平台
应用软件
存储程序概念
1．事先编制程序
为了用计算机求解问题，需要事先编制程序。
2．事先存储程序
编好的程序经由输入设备送入计算机，存放在存储器中。
3.自动、连续地执行程序
由于程序已经事先存储在存储器中，启动计算机并运行程序后，计算机就可以依照一定顺序从存储器中逐条读取指令，按照指令的要求执行操作，直到运行的程序执行完毕。
冯.诺依曼计算机
(1)采用二进制代码表示数据和指令。
(2)采用存储程序工作方式，即事先编制程序，事先存储程序，自动、连续地执行程序。
(3)由存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备等5大部件组成计算机硬件系统。
计算机层次结构模型
微体系结构层
指令系统层
操作系统层
汇编语言层
面向问题语言层
计算机主要性能指标的含义
1．基本字长
CPU的基本字长是指参与一次运算的二进制数的位数。对此有两点需要注意:
其一，计算机中数的表示有定点数与浮点数之分，相应地有定点运算与浮点运算之分。习惯上，CPU字长是一次定点运算的字长。例如，目前微型计算机分为8、16、32、64位，就是指它的一次定点运算的位数。
其二，8位二进制数为1字节，一个字符可以用1字节的代码来表示。为了能灵活地处理字符类信息及其他以字节为单位的信息，大多数计算机既能进行全字长运算，又能支持以字节为单位的运算。另外，可以用软件实现多倍字长的运算。
2．数据通路宽度
数据总线一次所能并行传送的二进制数的位数称为数据通路宽度。
3.运算速度
同一台计算机，执行不同运算所需的时间可能不同，因而对运算速度的描述常采用不同方法。
(1) CPU时钟频率与主频
计算机的操作需要分步执行，一个时钟周期完成一步操作，所以时钟频率在很大程度上反映了CPU 速度的快慢，它是一项重要的基本指标。
计算机中有一个振荡器，它的输出经整形后形成全机最基本的脉冲序列，其频率称为主频。主频脉冲经分频后形成时钟脉冲序列，一个时钟脉冲前沿到下一个时钟脉冲前沿就形成一个时钟周期。所以主频是时钟频率的整数倍。查阅某种型号计算机的硬件技术手册，可以知道该机主频与时钟频率之间的比值。绝大多数微型计算机采用CPU主频值作为速度指标。
(2)每秒平均执行指令的条数（IPS)
(3)分别标明几种典型四则运算所需时间
如标明定点加减、乘、除、浮点运算所需时间等。现在常以浮点运算速度(FLOPS，浮点运算每秒;MFLOPS百万次浮点运算每秒)作为高速计算机的速度指标。
4．主存储器容量
CPU可直接编址访问的存储器是主存储器，需要执行的程序与需要处理的数据就存放在主存中。
主存容量表示方法
(1)字节数
大多数计算机的主存是按字节编址，即每个编址单元存放8位二进制数，称为1字节，表示为1B(Byte)。
(2)单元数（字数)x位数
有些计算机的主存可以按字编址，即每个编址单元存放一个字，其位数等于基本字长。
5．外存容量
外存储器容量一般是指联机的外存容量，以字节数表示。
6．配置的外围设备及其性能
外围设备的配置情况也是影响系统性能的重要因素。
7．系统软件配置
理论上计算机可以无止境地扩充其软件，但购置系统软件时需要考虑所需的硬件支持，如存储容量够不够。
应用
科学计算
信息管理中的数据处理
科技工程中的数据处理
自动控制
计算机辅助设计
计算机辅助制造
计算机模拟
计算机辅助教学
人工智能
娱乐活动
数据的表示
进位数制
数的机器码表示
原码
补码
反码
移码
数据格式
定点数
浮点数
编码
BCD码
ASCII码
汉字编码
可靠性编码
奇偶校验码
海明校验码
CRC校验码
运算方法与运算器
算术定点运算方法及运算部件
原码加减
补码加减
原码乘法
补码乘法
原码除法
补码除法
运算的基本运算公式
溢出判断
二进制加法/减法器
十进制加法器
阵列乘法器
阵列除法器
定点运算器的组成与结构
基本结构
多功能ALU
内部总线
存储系统
存储器系统概述
地址
存储单元
存储空间
存储器性能指标
存储系统组织
半导体存储器
SRAM
DRAM
ROM
PROM
EPROM
主存储器系统与CPU连接
三级存储体系与存取方式
高速缓冲存储器Cache
概念
地址映射方法
替换算法
读/写过程
虚拟存储器
页式虚存
段式虚存
段页式虚存
指令系统
指令系统的发展与性能指标
指令格式
寻址方式
堆栈寻址方式
指令分类与功能
RISC的概念与技术
8086/8088的寻址方式与指令系统
8086/8088汇编语言及程序设计基本技术
中央处理器
CPU功能与组成
指令周期及其表示方法
指令流程与微操作时间表
微程序控制器
微指令
微操作
微地址
微程序
微程序设计技术
流水线处理器
流水线原理
结构
接口与总线
接口的功能与分类
传送方式
串行总线接口
并行总线接口
总线的功能与分类
总线控制方式
总线通信方式
输入/输出系统
定时方式与信息交换方式
程序查询方式与接口
程序中断方式
中断概念
中断接口
单级与多级中断
DMA方式
DMA概念
基本DMA控制器
选择型DMA控制器
多路型DMA控制器
通道方式
功能
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