計算機組成原理重點

1、一.馮諾依曼計算機的特點1945 年，數(shù)學(xué)家馮諾依曼研究EDVAC機時提出了“存儲程序”的概念1. 計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放于存儲器內(nèi)，并可按地址尋訪。3. 指令和數(shù)據(jù)均用二進制數(shù)表示。4. 指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)在存儲器中的位置。5. 指令在存儲器內(nèi)按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序。6. 機器以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器間的數(shù)據(jù)傳送通過運算器完成。二 . 計算機硬件框圖1. 馮諾依曼計算機是以運算器為中心的2

2、. 現(xiàn)代計算機轉(zhuǎn)化為以存儲器為中心各部件功能：1. 運算器用來完成算術(shù)運算和邏輯運算，并將運算的中間結(jié)果暫存在運算器內(nèi)。2. 存儲器用來存放數(shù)據(jù)和程序。3. 控制器用來控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運行以及處理運算結(jié)果4. 輸入設(shè)備用來將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機器能識別的信息形式（鼠標鍵盤）。5. 輸出設(shè)備可將機器運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式（打印機顯示屏）。計算機五大子系統(tǒng)在控制器的統(tǒng)一指揮下，有條不紊地自動工作。由于運算器和控制器在邏輯關(guān)系和電路結(jié)構(gòu)上聯(lián)系十分緊密，尤其在大規(guī)模集成電路制作工藝出現(xiàn)后，兩大不見往往集成在同一芯片上，合起來統(tǒng)稱為中央處理器（ CPU）。把輸入設(shè)備與輸出設(shè)備

3、簡稱為I/O 設(shè)備?，F(xiàn)代計算機可認為由三大部分組成：CPU、I/O 設(shè)備及主存儲器。CPU與主存儲器合起來又可稱為主機，I/O 設(shè)備又可稱為外部設(shè)備。主存儲器 是存儲器子系統(tǒng)中的一類，用來存放程序和數(shù)據(jù)，可以直接與CPU交換信息。另一類稱為輔助存儲器，簡稱輔存，又稱外村。算術(shù)邏輯單元 簡稱算邏部件，用來完成算術(shù)邏輯運算。控制單元用來解實存儲器中的指令，并發(fā)出各種操作命令來執(zhí)行指令。ALU和 CU是 CPU的核心部件。 I/O 設(shè)備也受 CU控制，用來完成相應(yīng)的輸入輸出操作。二、計算機硬件的主要技術(shù)指標衡量一臺計算機性能的優(yōu)劣是根據(jù)多項技術(shù)指標綜合確定的。其中，既包含硬件的各種性能指標，又包括軟

4、件的各種功能。1. 機器字長機器字長是指 CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常與 CPU的寄存器位數(shù)有關(guān)。字長越長，數(shù)的表示范圍越大，精度越高。機器的字長會影響機器的運算速度。倘若 CPU字長較短，又要運算位數(shù)較多的數(shù)據(jù)，那么需要經(jīng)過兩次或多次的運算才完成，勢必影響運算速度。機器字長對硬件的造價也有較大的影響。它將直接影響加法器（ ALU）、數(shù)據(jù)總線以及存儲字長的位數(shù)。所以機器字長的確定不能單從精度和數(shù)的表示范圍來考慮。2. 存儲容量存儲器的容量應(yīng)該包括主存容量和輔存容量。主存容量是指主存中存放二進制代碼的總位數(shù)。即存儲容量=存儲單元個數(shù) * 存儲字長。MAR的位數(shù)反映了存儲單元的個數(shù)，MDR的位

5、數(shù)反映了存儲字長。例如，MAR為16 位，根據(jù) 216=65536，表示此存儲體內(nèi)又 65536 個存儲單元（即 64K 個存儲字， 1K=1024=210）；而 MDR為 32 位，表示存儲容量 216*32=221=2M 位（ 1M=220）?，F(xiàn)代計算機中常以字節(jié)數(shù)來描述容量的大小，因一個字節(jié)已被定義為8 位二進制代碼，故用字節(jié)數(shù)便能反映主存容量。例如：上述存儲容量位2M位，也可用218 字節(jié)表示，記作218B 或 256KB。輔存容量通常用字節(jié)數(shù)來表示，例如，某機輔存（硬盤）容量為80G（ 1G=1024M=210*220=230）.3. 運算速度計算機的運算速度與許多因素有關(guān)，如機器的

6、主頻、執(zhí)行什么樣的操作、主存本身的速度等都有關(guān)。采用吉普森法，綜合考慮每條指令的執(zhí)行時間以及它們在全部操作中所占的百分比，即其中 Tm為機器運行速度；fi為第 i 種指令占全部操作的百分比數(shù)；ti為第 i 種指令的執(zhí)行時間?，F(xiàn)在機器的運算速度普遍采用單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)來衡量，并用MIPS（百萬條指令每秒）作為計量單位。也可以用CPI 即執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期（機器主頻的倒數(shù)） 。或用 FLOPS（浮點運算次數(shù)每秒）來衡量運算速度。三、第一章習(xí)題四、總線的基本概念1. 計算機系統(tǒng)的五大部件之間的互連方式有兩種，一種是各部件之間使用單獨的連線，稱為分散連接；另一種是將各部件連到一組公

7、共信息傳輸線上，稱為總線連接。 2.2. 總線定義總線是連接多個部件的信息傳輸線，是各部件共享的傳輸介質(zhì)。當多個部件與總線相連時，如果出現(xiàn)兩個或兩個以上部件同時向總線發(fā)送信息，勢必導(dǎo)致信號沖突，傳輸無效。因此在某一時刻，只允許有一個部件向總線發(fā)送信息，而多個部件可以同時從總線上接收相同的信息。總線實際上是由許多傳輸線或通路組成，每條線可一位一位地傳輸二進制代碼，一串二進制代碼可在一段時間內(nèi)逐一傳輸完成。若干條傳輸線可以同時傳輸若干位二進制代碼，例如,16 條傳輸線組成的總線可同時傳輸16 位二進制代碼。3. 采用總線連接的計算機，以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu)。其中一組總線連接CPU和主存，稱為存

8、儲總線（M總線）；另一組用來建立CPU和各 I/O 設(shè)備之間交換信息的通道，稱為輸入/ 輸出總線（ I/O 總線）。各種 I/O 設(shè)備通過 I/O 接口掛到I/O 總線上，便于增刪設(shè)備。I/O 設(shè)備與主存交換信息時占用CPU，影響 CPU工作效率。4.CPU、主存和 I/O 設(shè)備（通過I/O 接口）都掛到一組總線上，便形成單總線結(jié)構(gòu)的計算機。與主存交換信息時，CPU仍可繼續(xù)處理不訪問主存或I/O 設(shè)備的操作，使工作效率提高。但因為只有一組總線，各部件都要占用總線時，會發(fā)生沖突。必須設(shè)置總線判優(yōu)邏輯，按優(yōu)先級占用總線，影響工作速度。5. 以存儲器為中心的雙總線結(jié)構(gòu)。在單總線基礎(chǔ)上又開辟一條CPU

9、與主存之間的總線，稱為存儲主線。這組總線速度高，只供主存與CPU之間傳輸信息。提高傳輸效率，減輕系統(tǒng)總線的負擔，保留了I/O 設(shè)備與存儲器交換信息不經(jīng)過CPU的特點。五、總線的分類按數(shù)據(jù)傳送方式可分為并行傳輸總線和串行傳輸總線，在并行傳輸總線中，又可按傳輸數(shù)據(jù)寬度分為8 位、 16 位、 32 位、 64 位等傳輸總線。若按總線的使用范圍劃分，則又有計算機總線、測控總線、網(wǎng)絡(luò)通信總線等。下面按連接部件不同，介紹三類總線。1. 片內(nèi)總線 指芯片內(nèi)部的總線，如在 CPU芯片內(nèi)部，寄存器與寄存器之間、寄存器與算邏單元 ALU之間都由片內(nèi)總線連接。2. 系統(tǒng)總線 指 CPU、主存、 I/O 設(shè)備各大部

10、件之間的信息傳輸線。由于這些部件通常安放在主板或各個插件板上，故又稱板級總線或板間總線。按系統(tǒng)總線傳輸信息不同，又分為數(shù)據(jù)總線（傳輸各部件數(shù)據(jù)信息）、地址總線（源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)在主存的地址）和控制總線（發(fā)出控制信號）。3. 通信總線 用于計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的通信。由于這類聯(lián)系涉及多方面，如外部鏈接、距離遠近、速度快慢、工作方式等，按傳輸方式分為串行通信和并行通信。五、總線控制（重點）P57 頁開始及 P61 例 3.1， P62 63例 3.2例 3.3六、存儲器分類P691. 按存儲介質(zhì)分類：半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器、磁芯存儲器、光盤存儲器2. 按存取方式分類：隨機存

11、儲器、只讀存儲器、串行訪問存儲器（分為順序存取存儲器、直接存取存儲器）3. 按計算機中作用分類：主存儲器、輔助存儲器、緩沖存儲器（特點P70）七、存儲器相關(guān)內(nèi)容都要瀏覽P68-72八、主存儲器P72 4.2.1九、動態(tài) RAM的刷新 P86刷新的過程實質(zhì)上時先將原存信息讀出，再由刷新放大器形成原信息并重新寫入的再生過程。分為三種刷新方式：集中刷新、分散刷新和異步刷新。十、動態(tài) RAM與靜態(tài) RAM的比較 P87動態(tài) RAM的應(yīng)用比靜態(tài)RAM要廣泛的多。動態(tài) RAM的優(yōu)點：1. 同樣大小的芯片中，動態(tài) RAM的集成度遠高于靜態(tài) RAM，如動態(tài) RAM的基本單元電路為一個MOS管，靜態(tài) RAM的基

12、本單元電路可為46 個 MOS管。2. 動態(tài) RAM行、列地址按先后順序輸送，減少了芯片引腳，封裝尺寸也減少。3. 動態(tài) RAM的功耗比靜態(tài) RAM小4. 動態(tài) RAM的價格比靜態(tài) RAM的價格便宜。動態(tài) RAM容量是靜態(tài) RAM容量的 48倍，靜態(tài) RAM的存取周期比動態(tài)RAM的快 816 倍，但價格也貴816 倍。動態(tài) RAM的企缺點：1. 由于使用動態(tài)元件（電容） ，因此它的速度比靜態(tài) RAM低。2. 動態(tài) RAM需要再生，故需配置再生電路，也需要耗一部分功率。容量不大的高速緩沖存儲器大多用靜態(tài) RAM實現(xiàn)。十一、存儲器與 CPU的連接 P91 ( 大題 )所有內(nèi)容需要理解另： P94 例 4.1例 4.2十二、高速緩沖存儲器P109 4.3全部十三、輸入輸出系統(tǒng)P156 5.1概述十四、 I/0接口P187全部P190 5.4程序查詢方式（重點）十五、程序中斷方式（重點）P194本章要多看例題本章出大題十六、計算機