文章目录

计算机组成原理
- 一、计算机系统概论
- - 1.1计算机系统简介
  - - 一、计算机的软硬件概念
    - 二、计算机系统的层次结构
    - 三、计算机体系结构和计算机组成
  - 1.2计算机的基本组成
  - 1.3计算机硬件的主要技术指标
  - - 一、机器字长
    - 二、运算速度
    - 三、存储容量
- 三、系统总线
- - 总线的基本概念
  - 总线的分类
  - 总线的特性和性能指标
  - 总线控制（重点！！！）
- 四、存储器
- - 1、概述
  - - 一、存储器分类
    - 二、存储器的层次结构
  - 2、主存储器
  - - 1、概述
    - 2、半导体存储芯片简介
    - 3、随机存取存储器（RAM）
    - 4、只读存储器（ROM）
    - 5、存储器与CPU的连接
    - 6、存储器的校验
    - 7、提高访存速度的措施
  - 3、高速缓冲存储器
  - - 一、概述
    - - 二、Cache的工作原理
      - 三、Cache的基本结构
      - 四、Cache的读写操作
      - 5、Cache的改进
    - Cache-主存的地址映射
  - 4、辅助存储器
  - - 一、概述
    - 二、磁记录原理和记录方式
    - 三、硬磁盘存储器
- 五、输入输出系统
- - 一、概述
  - - 1、输入输出系统的发展概况
    - 2、输入输出系统的组成
    - 3、I/O设备与主机的联系方式
    - 4、I/O设备与主机信息传送的控制方式
  - 二、外部设备
  - - 一、概述
    - 二、输入设备
    - 三、输出设备
    - 四、其他
    - 五、多媒体设备
  - 三、I/O接口
  - - 一、概述
    - 二、接口的功能和组成
    - 三、接口类型
    - 四、程序查询方式
    - 五、程序中断方式
    - - 1、中断的概念
      - 2、I/O中断的产生
      - 3、程序中断方式的接口电路
      - 4、I/O中断处理过程
      - 5、中断服务程序流程
    - 六、DMA方式
    - - 1、DMA方式的特点
      - 2、DMA接口的功能和组成
      - 3、DMA的工作过程
- 六、计算机的运算方法
- - 1、无符号数和有符号数
  - - 一、无符号数
    - 二、有符号数
  - 2、数的定点表示和浮点表示
  - 3、定点运算
  - 4、浮点四则运算
  - 5、算数逻辑单元
- 7、指令系统
- - 一、机器指令
  - 二、操作数类型和操作种类
  - - 1、操作数类型
    - 2、数据在存储器中的存放方式
    - 数据在存储器中的存放方式
    - 3、操作类型
  - 三、寻址方式
  - - 1、指令寻址
    - 2、数据寻址
  - 四、指令格式举例
  - - 1、设计指令格式时应考虑的各种因素
  - 五、RISC技术
- 八、CPU的结构和功能
- - 1、CPU的结构
  - - 一、CPU的功能
    - 二、CPU结构框图
    - 三、CPU的寄存器
  - 2、指令周期
  - - 一、指令周期的基本概念
    - 二、指令周期的数据流
  - 3、指令流水
  - - 一、如何提高机器速度
  - 4、中断系统

ps:部分没笔记的等再学习学习了解知识以后再补充
2020/7/12更新挂掉的图片

计算机组成原理

一、计算机系统概论

1.1计算机系统简介

现代计算机的多态性
把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体重，并且被普遍连接，形成“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，形成智慧地球

一、计算机的软硬件概念

计算机系统
- 硬件：计算机的实体，如主机、外设等。
- 软件：由具有各类特殊功能的信息（程序组成），可分为两类：系统软件、应用软件。系统软件用来管理整个计算机系统（语言处理程序、操作系统、服务型程序、数据库管理系统、网络软件）；应用软件是按任务需要编制成的各种程序如QQ、刀塔。

二、计算机系统的层次结构

系统复杂性管理的方法-1
√ 抽象

从程序员角度看层次结构：

三、计算机体系结构和计算机组成

计算机体系结构：程序员所见到的计算机系统的属性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）
计算机组成：实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令的实现）

1.2计算机的基本组成

冯·诺依曼计算机，以运算器为中心。
1. 计算机由五大部件组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
3. 指令和数据用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 存储程序
6. 以运算器为中心
现代计算机，以存储器为中心的计算机
存储器的基本组成
主存储器、MAR、MDR、存储体。
MAR：存储器地址寄存器反映存储单元的个数
MDR：存储器数据寄存器反映存储字长
运算器的基本组成和操作过程

运算器的操作过程

控制器的基本组成
完成一条指令的步骤：取指令（PC）、分析指令(IR)、执行指令（CU）
PC：存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（PC）+1→PC
IR：保存当前要执行的指令
CU：控制单元
主机完成一条指令的过程

1.3计算机硬件的主要技术指标

一、机器字长

CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关。通常是八位

二、运算速度

影响运算速度的指标：主频、核数，每个核支持的线程数、指令的执行速度（吉普森法）、CPI(执行一条指令所需时钟周期数)、MIPS（每秒执行百万条指令）、FLOPS（每秒浮点运算次数）

三、存储容量

存放二进制信息的总位数。

主存容量：存储单元个数X存储字长，如MAR、MDR容量；字节数
辅存容量：字节数

三、系统总线

总线的基本概念

总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。
总线上信息的传送的两种方式
串行
并行
总线结构
- 单总线结构
- 双总线结构以CPU为中心
- 以存储器为中心的双总线结构
- 三总线结构
- 三总线结构的另一种形式
- 四总线结构

总线的分类

片内总线：芯片内部的总线
系统总线：计算机各部件之间的信息传输线
- 数据总线：双向与机器字长、存储字长有关
- 地址总线：单向与存储地址、I/O地址有关，由CPU发出
- 控制总线：有出有入，存储器读、存储器写、总线允许、中断确认
通信总线
- 用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信
- 传输方式：串行通信总线、并行通信总线。

总线的特性和性能指标

总线物理实现
总线的特性
- 机械特性
  尺寸、形状、管脚数、排列顺序
- 电气特性
  传输方向和有效的电平范围
- 功能特性
  每根传输线的功能：地址、数据、控制
- 时间特性
总线的性能指标
- 总线宽度
  数据线的根数
- 标准传输率
  每秒传输的最大字节数（MBps）
- 时钟同步/异步
  同步、不同步（跟异步的概念不同，有好几种方式不同步）
- 总线复用
  地址线与数据线复用。“复用”减少芯片的管脚数
- 信号线数
  地址线、数据线和控制线的总和
- 总线控制方式
  突发、自动、仲裁、逻辑、计数
- 其他指标
  负载能力（可以挂多少个I/O设备）
总线标准

总线控制（重点！！！）

一、总线判优控制
- 1、基本概念
  - 主设备（模块）：对总线有控制权
  - 从设备（模块）：响应从主设备发来的总线命令
- 2、总线判优控制的两种方式
  - 集中式
    - 链式查询
    - 计数器定时查询
    - 独立请求方式
  - 分布式
二、总线通信控制
- 1、目的
  解决通信双方协调配合问题
- 2、总线传输周期
  主设备到从设备一次完整的可靠的通信周期
  - 申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定
  - 寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令
  - 传数阶段：主模块和从摸块交换数据
  - 结束阶段：主模块撤销有关信息
- 3、总线通信的四种方式
  - 同步通信
    由统一时标控制数据传送
  - 异步通信
    采用应答方式，没有公共时钟标准
  - 半同步通信
    同步、异步结合
  - 以上这三种通信的共同点
    - 主模块发地址、命令占用总线
    - 从模块准备数据不占用总线总线空闲
    - 从模块向主模块发数据占用总线
  - 分离式通信
    充分挖掘系统总线的每个瞬间的潜力，让系统总线发挥最大效率
    一个总线传输周期
    - 子周期1 主模块申请占用总线，使用完后既放弃总线的使用权
    - 子周期2 从模块申请占用总线，将各种信息送至总线上

四、存储器

1、概述

一、存储器分类

按存储器介质份分类
- 半导体存储器（TTL（集成度低、功耗高、速度快）、MOS（功耗低，集成度高））。U盘等；易失
- 磁表面存储器（磁头、载磁体）。如磁盘、磁带等；非易失
- 磁芯存储器（硬磁材料、环状元件）；非易失
- 光盘存储器（激光、磁光材料）；非易失
按存取方式分类
- 存取时间与物理地址无关（随机访问）
  - 随机存储器在程序的执行过程中可读可写
  - 只读存储器在程序的执行过程中只读
- 存取时间与物理地址有关（串行访问）
  - 顺序存取存储器磁带
  - 直接存取存储器磁盘
在计算机中的作用分类
- 主存储器
  - RAM（可读可写）；静态RAM、动态RAM
  - ROM（只读）；MROM、PROM、EPROM、EEPROM
- 辅助存储器磁盘、磁带、光盘
- Flash Memory
- 高速缓冲存储器（Cache）

二、存储器的层次结构

存储器三个主要特性的关系
速度容量价格/位
缓存-主存层次和主存-辅存层次
缓存用来解决主存与CPU速度差距太大的问题

2、主存储器

1、概述

主存的基本组成
主存与CPU之间的联系
主存中存储单元地址的分配
主存的技术指标
- 存储容量主存存放二进制代码的总位数
- 存储速度
  1、存取时间：存储器的访问时间、读出时间、写入时间
  2、存取周期：连续两次独立的存储器操作，（读与写）所需的最小间隔时间；读周期写周期
- 存储器的带宽位/秒

2、半导体存储芯片简介

基本结构

3、随机存取存储器（RAM）

静态RAM（SRAM）
1、静态RAM基本电路
动态RAM（DRAM）
1、动态RAM基本单元电路
动态RAM和静态RAM的比较

4、只读存储器（ROM）

掩模ROM（MROM）
行列选择性交叉处有MOS管为“1”
行列选择线交叉处无MOS管为“0”
PROM（一次性编程）
EPROM（多次性编程）
EEPROM
电可擦写
局部擦写
全部擦写
Flash Memory(闪速型存储器)
EPROM 价格便宜集成度高
EEPROM 电可擦洗重写
比EEPROM快具备RAM功能

5、存储器与CPU的连接

存储容量的扩展
用2片1K X 4位的存储芯片组成1K X 8位的存储器
子扩展（增加存储子的数量）
用2片1K X 8位的存储芯片组成 2K X 8位的存储器；两个芯片不能同时操作
字、位扩展
用8片 1K X 4位存储芯片组成4K X 8位的存储器

6、存储器的校验

编码的最小距离
任意两组合法代码之间二进制位数的最少差异
编码的纠错、检错能力与编码的最小距离有关

7、提高访存速度的措施

采用高速器件
采用层次结构 Cache-主存
调整主存结构

3、高速缓冲存储器

一、概述

避免CPU“空等”现象

二、Cache的工作原理

三、Cache的基本结构

四、Cache的读写操作

读操作
“写操作” Cache和主存的一致性
- 写直达法（Write-through）
  写操作时数据既写入cache又写入主存
  写操作时间就是访问主存的时间，Cache块退出时，不需要对主存执行写操作，更新策略比较容易实现
- 写回法（Write-back）
  写操作时只把数据写入Cache而不写入主存，当Cache数据被替换出去时才写回主存
  写操作时间就是访问Cache的时间，Cache块退出时，被替换的块需写回主存增加了Cache的复杂性

5、Cache的改进

1、增加Cache的级数
片载（片内）Cache
2、统一缓存和分立缓存
指令Cache 数据Cache
与指令执行的控制方式有关（是否是流水线）

Cache-主存的地址映射

直接映射（离CPU近就采用这种方式）
某一主存块只能固定映射到某一缓存块不灵活、速度快
全相联映射
某一主存块能映射到任一缓存块成本高、速度低
组相联映射
速度快、cache的命中率高
替换算法（判断哪一个Cache块从Cache中退出）
1、先进先出（FIFO）算法
2、近期最少使用（LRU）算法

4、辅助存储器

一、概述

不直接与CPU交换信息
磁表面存储技术指标
- 记录密度
- 存储容量
  C = n X k X s
- 平均寻址时间
  寻道时间+等待时间
- 数码传输率
- 误码率
  出错信息位数与读出信息的总位数的比值

二、磁记录原理和记录方式

磁记录原理

三、硬磁盘存储器

硬磁盘存储器的类型
- 固定磁头和移动磁头
- 可换盘和固定盘
硬磁盘存储器的结构

五、输入输出系统

一、概述

1、输入输出系统的发展概况

早期
分散连接
CPU和I/O设备串行工作
接口模块和DMA阶段
总线连接
CPU和I/O设备并行工作，一个总线可以连接多个设备
具有通道结构的阶段
具有I/O处理机的阶段

2、输入输出系统的组成

一、I/O软件
1、 I/O指令 CPU指令的一部分
2、通道指令通道自身的指令
指出数组的首地址、传送字数、操作命令
二、I/O硬件
设备 I/O接口
设备设备控制器通道

3、I/O设备与主机的联系方式

一、I/O设备编址方式
1、统一编址用取数、存数指令
2、不统一编址有专用的I/O指令
二、设备选址
用设备选择电路识别是否被选中
三、传送方式
1、串行
2、并行
四、联络方式
1、立即响应
2、异步工作采用应答信号
3、同步工作采用同步时标
五、I/O设备与主机的连接方式
1、辐射式连接（分散连接）

2、总线连接
便于增删设备

4、I/O设备与主机信息传送的控制方式

一、程序查询方式
二、程序中断方式

程序中断方式流程
三、DMA方式
主存和I/O之间有一条直接数据通道
不中断执行
周期挪用（周期窃取）

二、外部设备

一、概述

外部设备大致分三类
1、人机交互设备
2、计算机信息存储设备
3、机-机通信设备调制解调器等

二、输入设备

键盘
鼠标
触摸屏

三、输出设备

显示器
1、字符显示
2、图形显示
3、图像显示
打印机
1、击打式
2、非击打式

四、其他

A/D、D/A 模拟/数字（数字/模拟）转换器
终端由键盘和显示器组成
汉字处理

五、多媒体设备

三、I/O接口

一、概述

为什么要设置接口？
1、实现设备的选择
2、实现数据缓冲达到速度匹配
3、实现数据串——并格式转换
4、实现电平转换
5、传送控制命令
6、反映设备的状态

二、接口的功能和组成

总线连接方式的I/O接口电路
功能
1、选址功能
2、传送命令的功能
3、传送数据的功能
4、反映设备状态的功能
组成
1、设备选择电路
2、命令寄存器、命令译码器
3、数据缓冲寄存器
4、设备状态标记
I/O接口的基本组成

三、接口类型

1、按数据传送方式分类
并行接口
串行接口
按功能选择的灵活性分类
可编程接口
不可编程接口
按通用性分类
通用接口
专用接口
按数据传送的控制方式分类
中断接口
DMA接口

四、程序查询方式

程序查询流程

程序流程
程序查询方式的接口电路

五、程序中断方式

1、中断的概念

代办

2、I/O中断的产生

代办

3、程序中断方式的接口电路

代办

4、I/O中断处理过程

代办

5、中断服务程序流程

代办

六、DMA方式

1、DMA方式的特点

可直接从I/O设备传送到主存
DMA与主存交换数据的三种方式
- 停止CPU访问主存
  控制简单
  CPU处于不工作状态或保持状态
  未充分发挥CPU对主存的利用率
- 周期挪用（周期窃取）
  1、访存周期
  2、DMA访问主存有三种可能
  - CPU此时不访存
  - CPU正在访存
  - CPU与DMA同时请求访存
- DMA与CPU交替访问

2、DMA接口的功能和组成

1、DMA接口功能
- 向CPU申请DMA传送
- 处理总线控制权的转交
- 管理系统总线、控制数据传送
- 确定数据传送的首地址和长度
  修正传送过程中的数据地址和长度
- DMA传送结束时，给出操作完成信号
2、DMA接口的组成

3、DMA的工作过程

DMA传送过程
预处理、数据传送、后处理

六、计算机的运算方法

1、无符号数和有符号数

一、无符号数

二、有符号数

机器数与真值
原码表示法
整数、小数、
补码表示法
移码表示法

2、数的定点表示和浮点表示

代办

3、定点运算

代办

4、浮点四则运算

代办

5、算数逻辑单元

7、指令系统

一、机器指令

二、操作数类型和操作种类

1、操作数类型

地址无符号整数
数字定点数、浮点数、十进制数
字符 ASCII码
逻辑数逻辑运算

2、数据在存储器中的存放方式

数据在存储器中的存放方式

字节编址，数据在存储器汇总的存放方式（存储字长64位，机器字长32位）

3、操作类型

1、数据传送
2、算术逻辑操作
加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制
与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除
3、位移操作
算术移位、逻辑移位
循环移位
转移
无条件转移 JMP
条件转移

三、寻址方式

1、指令寻址

代办

2、数据寻址

立即寻址
直接寻址
隐含寻址
简介寻址
基址寻址
堆栈寻址

四、指令格式举例

1、设计指令格式时应考虑的各种因素

指令系统的兼容性
其他因素
操作类型包括指令个数及操作的难易程度
数据类型确定哪些数据类型可参与操作
指令格式指令字长是否固定、操作码位数、是否采用扩展操作码技术；地址码位数、地址个数、寻址方式类型
寻址方式指令寻址、操作数寻址
寄存器个数寄存器的多少直接影响指令的执行时间

五、RISC技术

代办

八、CPU的结构和功能

1、CPU的结构

一、CPU的功能

控制器的功能
取指令指令控制
分析指令
执行指令，发出各种操作命令操作控制
控制程序输入及结果的输出时间控制
总线管理处理中断
处理异常情况和特殊请求
运算器的功能
实现算术运算和逻辑运算

二、CPU结构框图

CPU与系统总线

三、CPU的寄存器

用户可见寄存器
1、通用寄存器
2、数据寄存器
3、地址寄存器
4、条件码寄存器
控制和状态寄存器
1、控制寄存器
PC->MAR->M->MDR->IR
2、状态寄存器
状态寄存器存放条件码
PSW寄存器存放程序状态字
控制单元CU和中断系统
1、CU 产生全部指令的微操作命令序列

2、指令周期

一、指令周期的基本概念

去除并执行一条指令所需的全部时间
每条指令的指令周期不同

二、指令周期的数据流

3、指令流水

一、如何提高机器速度

提高访存速度
高速芯片 Cache 多体并行
提高I/O和主机之间的传送速度
中断 DMA 通道 I/O处理机多总线
提高运算器速度
高速芯片改进算法快速进位链
提高整机处理能力
高速器件改进系统结构，开发系统的并行性

4、中断系统

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