計算機組成原理

1、計算機組成原理學習總結計算機概述計算機的基本組成:· 存儲器:實現(xiàn)記憶功能的部件用來存放計算程序及參與運算的各種數(shù)據(jù)· 運算器:負責數(shù)據(jù)的算術運算和邏輯運算即數(shù)據(jù)的加工處理· 控制器:負責對程序規(guī)定的控制信息進行分析,控制并協(xié)調輸入,輸出操作或內存訪問· 輸入設備:實現(xiàn)計算程序和原始數(shù)據(jù)的輸入· 輸出設備:實現(xiàn)計算結果輸出組成的聯(lián)系:· 圖一· 圖二計算機的工作過程:· 用戶打開程序· 系統(tǒng)把程序代碼段和數(shù)據(jù)段送入計算機的內存· 控制器從存儲器中取指令· 控制器分析,執(zhí)行指令,為取下一

2、條指令做準備· 取下一條指令,分析執(zhí)行,如此重復操作,直至執(zhí)行完程序中全部指令,便可獲得全部指令 馮·諾依曼機制:· 程序存儲· 采用2進制計算機系統(tǒng)的體系結構:· 圖一:· 圖二數(shù)據(jù)概述數(shù)據(jù)信息的兩種基本方法:· 按值表示:要求在選定的進位制中正確表示出數(shù)值，包括數(shù)字符號，小數(shù)點正負號· 按形表示:按一定的編碼方法表示數(shù)據(jù)信息的存儲單位:·  1KB=210B=1024Byte·  1MB=220B=1024KB·  1GB=230B=1o24

3、MB·  1TB=240B=1024GB浮點表示法:公式:N=2(+-e)*(+-s)說明:· E為階碼它是一個二進制正整數(shù)· 階符（Ef）E前的+為階碼的符號· S稱為尾數(shù)它是一個二進制正小數(shù)· 尾符（Sf）S前的+為尾數(shù)的符號· “2”是階碼E的底線R進制表示法:計算機中常用的進制數(shù)的表示:進位制二進制八進制十進制十六進制規(guī)則  逢二進一 逢八進一    逢十進一    逢十六進一基數(shù)  R=2 R=8 R=10 R=16數(shù)碼  0、1 &#

4、160; 07 09 0F權 2i  8i  10i   16i形式表示  B  Q  D   H不同進制之間的轉化:· 十進制與R進制轉換:十進制轉R進制:整數(shù)的轉化:“采用除R取余法”，從最后一次除得余數(shù)讀取.小數(shù)部分的轉化:“采用乘R取整數(shù)”將所得小數(shù)從第一次乘得整數(shù)讀起，就是這個十進制小數(shù)所對應的R進制小數(shù)R進制轉十進制:使用權相加，即將各位進制數(shù)碼與它對應的權相乘，其積相加，和數(shù)即為該R進制數(shù)相對應的十進制數(shù)· 二進制，八進制，十六進制轉化:·  （二進制 八進制）“三位并一

5、位”· （八進制 二進制）“一位拆三位”· （二進制 十六進制）“四位并一位”· （十六進制 二進制）“一位拆四位”· （十六進制 八進制）“一位拆兩位”· （八進制 十六進制）“二位并一位”原碼,反碼,補碼,BCD碼:二進制的原碼,反碼及補碼:· 真值:一個數(shù)的正號用“+”表示,負號用“”表示,即為該數(shù)真值· 機器數(shù):以0表示整數(shù)的符號,用1表示負數(shù)的符號,并且每一位數(shù)值也用0,1表示,這樣的數(shù)叫機器數(shù)也叫機器碼· 原碼:數(shù)的原碼表示在機器中用符號位的0和1表示數(shù)的正負號,而其余表示其數(shù)本身· 反碼:&

6、#183; 對于正數(shù)其反碼與原碼相同· 對于負數(shù)其反碼與原碼的符號位不變數(shù)值各位取反即0變1,1變0· 補碼:· 對于正數(shù)其補碼與原碼相同· 對于負數(shù)補碼與原碼的符號位不變,數(shù)值各位取反,末尾加1原碼,反碼,補碼之間的關系:BCD碼:(二十進制) 用思維二進制代碼對一位十進制數(shù)進行編碼例：(931)10=(1001 0011 0001)2BCD奇偶校驗碼:十進制BCD碼奇校驗碼偶校驗碼0000000001 000001000100010 000112001000100 001013001100111 0011040

7、10001000 01001 二進制四則運算:運算規(guī)則:· 加法規(guī)則:0+0=0;0+1=1+0=1 1+1=1· 減法規(guī)則:0-0=0;1-0=1;1-1=0;0-1=1· 乘法規(guī)則:0*0=0;0*1=1*0=0;1*1=1· 除法規(guī)則:01=0;11=1運算公式:· 【X】補+【Y】補=【X+Y】補· 【X-Y】補=【X+(-Y)】補=【X】補+【-Y】補邏輯運算:· 定義:實現(xiàn)了邏輯變量之間的運算· 分類:· 邏輯加法 (或運算)· 邏輯乘法 (與運算)·

8、邏輯否定 (非運算)邏輯運算:· 或:· 運算規(guī)則:00=0;01=1;10=1;11=1【1真,0假】· 運算式:C=AB 或 C=A+B(只有決定某一事件條件中有一個或一個以上成立,這事件才能發(fā)生)· 與:· 運算規(guī)則:00=0;01=0; 10=0; 11=1· 運算式:C=AB 或 C=AB 或C=A*B(只有決定某一事件的所有事件全部具備,這事才能發(fā)生)· 非:· 運算規(guī)則: = 1; = 0· 運算式:C=A(當決定某一事件的條件滿足時,事件不發(fā)生,反之事件發(fā)生)· 異或:·

9、; 運算規(guī)則:0異或0=0;0異或1=1;1異或0=1;1異或1=0· 運算式:C=A異或B【相同為0,不同為1】邏輯代數(shù)常用公式· 0-1律:    A+0=A;A*0=0· 重疊律:   A+1=1;A*1=A;A+A=1;A*A=A· 互補律:   A*(!A)=0;A+(!A)=1· 又拾律:   !(!A)=A· 交換律:   A+B=B+A;A*B=B*A· 結合律:   A+(B+C)=(A+B)+C;A*(B*C)=(A*B)*C·

10、; 分配率:   A*(B+C)=A*B+A*C;A+(B*C)=(A+B)*(A+C)· 摩爾定律:!(A+B)=(!A)*(!B);!(A*B)=(!A)+(!B)總線定義:連接計算機各部件之間或各計算機直接的一束公共信息線,它是計算機中傳送信息代碼的公共途徑特點:· 同一組總線在同一時刻只能接受一個發(fā)送源,否則會發(fā)生沖突· 信息的發(fā)送則可同時發(fā)送給一個或多個目的地分類:· 傳送分類· 串行總線二進制各位在一條線上是一位一位傳送的· 并行總線一次能同時傳送多個二進制位數(shù)的總線· 信息分類· 數(shù)據(jù)總線在

11、中央處理器與內存或I/0設備之間傳送數(shù)據(jù)· 地址總線用來傳送單元或I/O設備接口信息· 控制總線負責在中央處理器或內存或外設之間傳送信息· 對象位置分類· 片內總線指計算機各芯片內部傳送信息的通道<I2C總線,SPL總線,SCI總線>· 外部總線微機和外部設備之間總線用了插件板一級互連<ISA總線,EISA總線,PCI總線>· 系統(tǒng)總線微機中各插件與系統(tǒng)板<USB總線,IEEE-488總線,RS-485總線,RS-232-C總線>總線標準依據(jù):物理尺寸,引線數(shù)組,信號含義,功能和時序,工作頻率,總線

12、協(xié)議中央處理器運算器組成:· 算術邏輯單元(ALU)· 通用寄存器組(R1 Rn)· 多路選擇器(Mn)· 標志寄存器(FR)控制器組成:· 時標發(fā)生器(TGU)· 主脈沖振蕩器(MF)· 地址形成器(AGU)· 程序計數(shù)器(PC)· 指令寄存器(IR)· 指令譯碼器(ID)總線:· 數(shù)據(jù)總線(DBUS)· 地址總線(ABUS)· 控制總線(CBUS)CPU運行原理圖:CPU主要性能指標:· 主頻:CPU內部工作的時鐘頻率,是CPU運算時工作頻率·

13、; 外頻:主板上提供一個基準節(jié)拍供各部件使用,主板提供的節(jié)拍成為外頻· 信頻:CPU作頻率以外頻的若干倍工作,CPU主頻是外頻的倍數(shù)成為CPU的信頻,這CPU工作頻率=信頻*外頻· 基本字長:CPU一次處理的二進制數(shù)的位數(shù)· 地址總線寬度:地址總線寬度(地址總線的位數(shù))決定了CPU可以訪問的存儲器的容量,不同型號的CPU總線寬度不同,因而使用的內存的最大容量也不一樣· 數(shù)據(jù)總線寬度:數(shù)據(jù)總線寬度決定了CPU與內存輸入輸出設備之間一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘看鎯ζ鞫x:計算機存儲是存放數(shù)據(jù)和程序的設備分類:· 主存儲器:也稱內存,存儲直接與CPU交換信息

14、,由半導體存儲器組成· 輔助存儲器:也稱外存,存放當前不立即使用的信息,它與主存儲器批量交換信息,由磁帶機,磁帶盤及光盤組成存儲層次:內存與外存的比較:主存    輔存  類型ROMRAM    軟盤   硬盤  光盤造價高    高  低+ 低低+速度快 快  慢+ 慢   慢+容量  小+  小    斷電  有 

15、無   有有有主存:功能:主存儲器是能由CPU直接編寫程序訪問的存儲器,它存放需要執(zhí)行的程序與需要處理的數(shù)據(jù),只能臨時存放數(shù)據(jù),不能長久保存數(shù)據(jù)組成:· 存儲體(MPS):由存儲單元組成（每個單元包含若干個儲存元件,每個元件可存一位二進制數(shù)）且每個單元有一個編號,稱為存儲單元地址（地址）,通常一個存儲單元由8個存儲元件組成· 地址寄存器(MAR):由若干個觸發(fā)器組成,用來存放訪問寄存器的地址,且地址寄存器長度與寄存器容量相匹配（即容量為1K,長度無210=1K）· 地址譯碼器和驅動器· 數(shù)據(jù)寄存器(MDR):數(shù)據(jù)寄存器由若干個觸發(fā)器組

16、成,用來存放存儲單元中讀出的數(shù)據(jù),或暫時存放從數(shù)據(jù)總線來的即將寫入存儲單元的數(shù)據(jù)【數(shù)據(jù)存儲器的寬度（w）應與存儲單元長度相匹配】主要技術指標:· 存儲容量:一般指存儲體所包含的存儲單元數(shù)量（N）· 存取時間(TA):指存儲器從接受命令到讀出寫入數(shù)據(jù)并穩(wěn)定在數(shù)據(jù)寄存器（MDP）輸出端· 存儲周期(TMC):兩次獨立的存取操作之間所需的最短時間,通常TMC比TA長· 存取速率:單位時間內主存與外部（如CPU）之間交換信息的總位數(shù)· 可靠性:用平均故障間隔時間MTBF來描述,即兩次故障之間的平均時間間隔高速緩沖存儲器:定義:高速緩沖存儲器是由存取速率

17、較快的電路組成小容量存儲單元,即在內存的基礎上,再增加一層稱為高速緩沖存儲器特點:比主存快5 10倍虛擬存儲器:它是建立在主存-輔存物理結構基礎之上,由附加硬件裝置及操作系統(tǒng)存儲管理軟件組成的一種存儲體系,它將主存與輔存的地址空間統(tǒng)一編址,形成一個龐大的存儲空間,因為實“際上CPU只能執(zhí)行調入主存的程序,所以這樣的存儲體系成為“虛擬存儲器”ROM與RAMRAM(隨機存儲器)可讀出,也可寫入,隨機存取,意味著存取任一單元所需的時間相同,當斷電后,存儲內容立即消失,稱為易失性ROM(只讀存儲器)· 定義:ROM一旦有了信息,不易改變,結構簡單,所以密度比可讀寫存儲器高,具有易失性

18、3; 分類:· 固定掩模型ROM（不能再修改）· PROM可編程之讀存儲器（由用戶寫入,但只允許編程一次）· EPROM可擦除可編程只讀存儲器(可用紫外線照射擦除里面內容)· E2PROM電擦除可編程只讀存儲器（由電便可擦除里面內容）輔存(硬盤)說明:是以鋁合金圓盤為基片,上下兩面涂有磁性材料而制成的磁盤優(yōu)點:體積小,重量輕,防塵性好,可靠性高,存儲量大,存取速度快,但多數(shù)它們固定于主機箱內,故不便攜帶,價格也高于軟盤性能指標:轉速,超頻性能,緩存,單碟容量,傳輸模式,發(fā)熱量,容量,平均等待時間硬盤組成圖:     

19、;     注意:在整顆磁碟的第一個磁區(qū)特別的重要,因為他記錄了整顆磁碟的重要資訊！ 磁碟的第一個磁區(qū)主要記錄了兩個重要的資訊,分別是：· 主要啟動記錄區(qū)(Master Boot Record, MBR)：可以安裝啟動管理程序的地方,有446 bytes<MBR是很重要的,因為當系統(tǒng)在啟動的時候會主動去讀取這個區(qū)塊的內容,這樣系統(tǒng)才會知道你的程序放在哪里且該如何進行啟動>· 分割表(partition table)：記錄整顆硬盤分割的狀態(tài),有64 bytes磁盤分區(qū)表(partition table):利用參考對照磁柱號碼的方式來切

20、割硬盤分區(qū)！ 在分割表所在的64 bytes容量中,總共分為四組記錄區(qū),每組記錄區(qū)記錄了該區(qū)段的啟始與結束的磁柱號碼. 若將硬盤以長條形來看,然后將磁柱以直條圖來看,那么那64 bytes的記錄區(qū)段有點像底下的圖示：上圖中我們假設硬盤只有400個磁柱,共分割成為四個分割槽,第四個分割槽所在為第301到400號磁柱的范圍.由於分割表就只有64 bytes而已,最多只能容納四筆分割的記錄, 這四個分割的記錄被稱為主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽. 根據(jù)上面的圖示與說明,我們可以得到幾個重點資訊：· 其實所謂的分割只是針對那個64 bytes的分割表進行配置而已！&#

21、183; 硬盤默認的分割表僅能寫入四組分割資訊<主要分割與擴展分配最多可以有四條(硬盤的限制)>· 這四組分割資訊我們稱為主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽· 擴展分配最多只能有一個(操作系統(tǒng)的限制)· 邏輯分割是由擴展分配持續(xù)切割出來的分割槽,如果擴展分配被破壞,所有邏輯分割將會被刪除· 能夠被格式化后,作為數(shù)據(jù)存取的分割槽為主要分割與邏輯分割.擴展分配無法格式化· 分割槽的最小單位為磁柱(cylinder)· 邏輯分割的數(shù)量依操作系統(tǒng)而不同,在Linux系統(tǒng)中,IDE硬盤最多有59個邏輯分割(5號到

22、63號), SATA硬盤則有11個邏輯分割(5號到15號)· 當系統(tǒng)要寫入磁碟時,一定會參考磁盤分區(qū)表,才能針對某個分割槽進行數(shù)據(jù)的處理總結:· 扇區(qū)(Sector)為最小的物理儲存單位，每個扇區(qū)為 512 bytes；· 將扇區(qū)組成一個圓，那就是磁柱(Cylinder)，磁柱是分割槽(partition)的最小單位；· 第一個扇區(qū)最重要，里面有：(1)主要啟動區(qū)(Master boot record, MBR)及分割表(partition table)， 其中 MBR 占有 446 bytes，而 partition table 則占有 64 byte

23、s。輸入/輸出設備輸入設備分類:· 字符:鍵盤· 圖形:鼠標器 , 操縱桿 , 光筆· 模擬:語音 , 模數(shù)轉化· 圖像:攝影機 , 掃描儀 , 傳真機· 光學閱讀:光學標記閱讀機 , 光學字符閱讀機鍵盤分類(以接口類型):·  PS2接口的· USB接口的· 無線的鼠標分類:·  PS2接口 , USB接口 ( 以接口類型 )· 機械式鼠標 , 光電式鼠標 ( 以內部構造 )· 兩鍵鼠標 , 三鍵鼠標 ( 以按鍵數(shù) )語音輸入設備: 主要部分:輸入器 , 模數(shù)轉換器 , 語音識別器輸出設備打印機:· 分類:· 擊打式打印機· 原理:利用機械動作打擊字體使色帶和打印紙相撞· 分類:活字式打印 , 點陣式打印· 特點:結構簡單，價格便宜· 非擊打式打印機· 原理:用各種物理或化學的方法印刷字符· 分類:激光打印機 , 噴墨式打印· 特點:速度快，質量高，無噪聲，但價格高· 主要性能指標:分辨率 , 接口類型 , 打印速度顯示器:&