計(jì)算機(jī)組成原理知識(shí)點(diǎn)總結(jié)854

×××分廠產(chǎn)工職作清×××安全生單及履行動(dòng)計(jì)劃表--0202)89673《計(jì)算機(jī)組成原理》（白中英）復(fù)習(xí)第三章內(nèi)部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器的分類(lèi)按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi)：易失性：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器非易失性：磁表面存儲(chǔ)器、磁芯存儲(chǔ)器、光盤(pán)存儲(chǔ)器按存取方式分類(lèi)：存取時(shí)間與物理地址無(wú)關(guān)（隨機(jī)訪問(wèn)）：隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM——在程序的執(zhí)行過(guò)程中可讀可寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器ROM——在程序的執(zhí)行過(guò)程中只讀存取時(shí)間與物理地址有關(guān)（串行訪問(wèn)）：順序存取存儲(chǔ)器磁帶直接存取存儲(chǔ)器磁盤(pán)按在計(jì)算機(jī)中的作用分類(lèi)：主存儲(chǔ)器：隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM——靜態(tài)RAM、動(dòng)態(tài)RAM只讀存儲(chǔ)器ROM——MROM、PROM、EPROM、EEPROMFlashMemory1×××分廠產(chǎn)工職作清×××安全生單及履行動(dòng)劃計(jì)-表-0202)89673高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）輔助存儲(chǔ)器——磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)存儲(chǔ)器的分級(jí)存儲(chǔ)器三個(gè)主要特性的關(guān)系：速度、容量、價(jià)格/位多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)：高速緩沖存儲(chǔ)器（cache）、主存儲(chǔ)器、外存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)M×每單元位數(shù)N存取時(shí)間：從啟動(dòng)讀(寫(xiě))操作到操作完成的時(shí)間存取周期：兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作所需間隔的最小時(shí)間，時(shí)間單位為ns。存儲(chǔ)器帶寬：?jiǎn)挝粫r(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量，位/秒、字節(jié)/每秒，是衡量數(shù)據(jù)傳輸速率的重要技術(shù)指標(biāo)。SRAM存儲(chǔ)器基本存儲(chǔ)元：用一個(gè)鎖存器(觸發(fā)器)作為存儲(chǔ)元?；镜撵o態(tài)存儲(chǔ)元陣列雙譯碼方式讀周期、寫(xiě)周期、存取周期2×××分廠產(chǎn)工職作清×××安全生單及履行動(dòng)計(jì)劃表--0202)89673DRAM存儲(chǔ)器基本存儲(chǔ)元：由一個(gè)MOS晶體管和電容器組成的記憶電路。存儲(chǔ)原理：所存儲(chǔ)的信息1或0由電容器上的電荷量來(lái)體現(xiàn)（充滿電荷：1；沒(méi)有電荷：0）。一個(gè)DRAM存儲(chǔ)元的寫(xiě)、讀、刷新操作DRAM的刷新：集中式刷新和分散式刷新（P73）存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充位擴(kuò)展——增加存儲(chǔ)字長(zhǎng)字?jǐn)U展——增加存儲(chǔ)字的數(shù)量字、位擴(kuò)展例題只讀存儲(chǔ)器ROM掩模ROM、可編程ROM（PROM、EPROM——光擦除可編程可讀存儲(chǔ)器、EEPROM——電擦除可編程存儲(chǔ)器）、Flash存儲(chǔ)器并行存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器：指同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫(xiě)控制線路。多模塊交叉存儲(chǔ)器：連續(xù)地址分布在相鄰的不同模塊內(nèi)，同一個(gè)模塊內(nèi)的地址都是不連續(xù)的。對(duì)連續(xù)字的成塊傳送可實(shí)現(xiàn)多模塊流水式并行3×××分廠×××安全生產(chǎn)工作履職清單及行動(dòng)計(jì)劃表--0202)89673存取，大大提高存儲(chǔ)器的帶寬。cache基本原理避免CPU“空等”現(xiàn)象CPU和主存（DRAM）的速度差異程序訪問(wèn)的局部性原理cache由高速的SRAM組成cache的基本原理命中、未命中、命中率例題cache與主存的地址映射全相聯(lián)映像：主存中的任一塊可以映象到緩存中的任一塊。直接映像：每個(gè)緩存塊可以和若干個(gè)主存塊對(duì)應(yīng)；每個(gè)主存塊只能和一個(gè)緩存塊對(duì)應(yīng)。組相聯(lián)映像：某一主存塊j按模u映射到緩存的第i組中的任一塊。替換算法先進(jìn)先出算法（FIFO）：把一組中最先調(diào)入cache的塊替換出去，不需要隨時(shí)記錄各個(gè)塊的使用情況，所以實(shí)現(xiàn)容易，開(kāi)銷(xiāo)小。近期最少使用算法（LRU）：將近期內(nèi)長(zhǎng)久未被訪問(wèn)過(guò)的行(塊)換出。每行設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，4×××分廠產(chǎn)工職作清×××安全生單及履行動(dòng)劃計(jì)-表-0202)89673cache每命中一次，命中行計(jì)數(shù)器清零，其它各行計(jì)數(shù)器增1。當(dāng)需要替換時(shí)，比較各特定行的計(jì)數(shù)值，將計(jì)數(shù)值最大的行換出。最不經(jīng)常使用（LFU）：被訪問(wèn)的行計(jì)數(shù)器增加1，換值小的行，不能反映近期cache的訪問(wèn)情況。隨機(jī)替換：從特定的行位置中隨機(jī)地選取一行換出。cache的寫(xiě)操作策略寫(xiě)回法、全寫(xiě)法、寫(xiě)一次法第六章總線系統(tǒng)總線的概念總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)機(jī)構(gòu)，是多個(gè)系統(tǒng)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路?？偩€的分類(lèi)內(nèi)部總線——CPU內(nèi)部連接各寄存器及運(yùn)算部件之間的總線。系統(tǒng)總線——CPU和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中其他高速功能部件相互連接的總線。按系統(tǒng)傳輸信息的不同，又可分為三類(lèi)：數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線。I/O總線——中、低速I(mǎi)/O設(shè)備之間互相連接5×××分廠×××安全生產(chǎn)工作履職清單及行動(dòng)劃計(jì)-表-0202)89673的總線?？偩€性能指標(biāo)總線寬度：指數(shù)據(jù)總線的根數(shù)。尋址能力：取決于地址總線的根數(shù)。PCI總線的地址總線為32位，尋址能力達(dá)4GB。傳輸率：也稱為總線帶寬，是衡量總線性能的重要指標(biāo)。例題總線的連接方式：1.單總線結(jié)構(gòu)：在許多單處理器的計(jì)算機(jī)中，使用單一的系統(tǒng)總線來(lái)連接CPU、主存和I/O設(shè)備，叫做單總線結(jié)構(gòu)。總線上信息傳送方式串行傳送：使用一條傳輸線，采用脈沖傳送（有脈沖為1，無(wú)脈沖為0）。連續(xù)幾個(gè)無(wú)脈沖的處理方法：位時(shí)間。并行傳送：每一數(shù)據(jù)位需要一條傳輸線，一般采用電位傳送（電位高為1，電位低為0）。分時(shí)傳送：總線復(fù)用、共享總線的部件分時(shí)使用總線?？偩€接口I/O接口，也叫適配器，和CPU數(shù)據(jù)的交換一6×××分廠×××安全生產(chǎn)工作履職清單及行動(dòng)計(jì)劃表--0202)89673定是并行的方式，和外設(shè)數(shù)據(jù)的交換可以是并行的，也可以是串行的?？偩€的仲裁集中式仲裁：有統(tǒng)一的總線仲裁器。鏈?zhǔn)讲樵兎绞?、?jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式、獨(dú)立請(qǐng)求方式分布式仲裁：不需要中央仲裁器，每個(gè)潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁器和仲裁號(hào)?？偩€的定時(shí)同步定時(shí)：事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻由總線時(shí)鐘信號(hào)來(lái)確定。異步定時(shí)：后一事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)刻取決于前一事件的出現(xiàn)，即建立在應(yīng)答式或互鎖機(jī)制基礎(chǔ)上。PCI總線PCI：外圍設(shè)備互連，PCI總線：連接各種高速的PCI設(shè)備。PCI是一個(gè)與處理器無(wú)關(guān)的高速外圍總線，又是至關(guān)重要的層間總線。它采用同步時(shí)序協(xié)議和集中式仲裁策略，并具有自動(dòng)配置能力。PCI總線支持無(wú)限的猝發(fā)式傳送。即插即用。第七章外圍設(shè)備外圍設(shè)備的定義和分類(lèi)7×××分廠×××安全生產(chǎn)工作履職清單及行動(dòng)劃計(jì)-表-0202)89673除了CPU和主存外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的每一部分都可作為一個(gè)外圍設(shè)備來(lái)看待。外圍設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備和過(guò)程控制設(shè)備幾大類(lèi)。磁記錄原理計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器又稱磁表面存儲(chǔ)設(shè)備。所謂磁表面存儲(chǔ)，是用某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來(lái)存儲(chǔ)信息。磁盤(pán)存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器均屬于磁表面存儲(chǔ)器。磁性材料上呈現(xiàn)剩磁狀態(tài)的地方形成了一個(gè)磁化元或存儲(chǔ)元，是記錄一個(gè)二進(jìn)制信息位的最小單位。磁表面存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)原理在磁表面存儲(chǔ)器中，利用一種稱為磁頭的裝置來(lái)形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)。通過(guò)電-磁變換，利用磁頭寫(xiě)線圈中的脈沖電流，可把一位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài)；通過(guò)磁-電變換，利用磁頭讀出線圈，可將由存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài)表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。磁盤(pán)的組成和分類(lèi)硬磁盤(pán)是指記錄介質(zhì)為硬質(zhì)圓形盤(pán)片的磁8×××分廠×××安全生產(chǎn)工作履職清單及行動(dòng)劃計(jì)-表-0202)89673表面存儲(chǔ)設(shè)備。它主要由磁記錄介質(zhì)、磁盤(pán)控制器、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器三大部分組成。溫徹斯特磁盤(pán)簡(jiǎn)稱溫盤(pán)，是一種采用先進(jìn)技術(shù)研制的可移動(dòng)磁頭固定盤(pán)片的磁盤(pán)機(jī)。它是一種密封組合式的硬磁盤(pán)，即磁頭、盤(pán)片、電機(jī)等驅(qū)動(dòng)部件乃至讀寫(xiě)電路等組裝成一個(gè)不可隨意拆卸的整體。磁盤(pán)上信息的分布記錄面、磁道、扇區(qū)磁道編號(hào)磁盤(pán)地址由記錄面號(hào)（也稱磁頭號(hào)）、磁道號(hào)和扇區(qū)號(hào)三部分組成。磁盤(pán)存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)存儲(chǔ)密度：存儲(chǔ)密度分道密度、位密度和面密度。道密度：沿磁盤(pán)半徑方向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù)，單位道/英寸。位密度：磁道單位長(zhǎng)度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)，單位為位/英寸。面密度：位密度和道密度的乘積，單位為位/平方英寸。平均存儲(chǔ)時(shí)間=尋道時(shí)間+等待時(shí)間+數(shù)據(jù)傳送9×××分廠×××安全生產(chǎn)工作履職清單及行動(dòng)劃計(jì)-表-0202)89673時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸率例題磁盤(pán)cache磁盤(pán)cache是為了彌補(bǔ)慢速磁盤(pán)和主存之間速度上的差異。磁盤(pán)陣列RAIDRAID：獨(dú)立磁盤(pán)冗余陣列（廉價(jià)冗余磁盤(pán)陣列），或簡(jiǎn)稱磁盤(pán)陣列。簡(jiǎn)單的說(shuō)，RAID是一種把多塊獨(dú)立的硬盤(pán)（物理硬盤(pán)）按不同方式組合起來(lái)形成一個(gè)硬盤(pán)組（邏輯硬盤(pán)），從而提供比單個(gè)硬盤(pán)更高的存儲(chǔ)性能和提供數(shù)據(jù)冗余的技術(shù)。組成磁盤(pán)陣列的不同方式成為RAID級(jí)別。RAID0提高存儲(chǔ)性能的原理是把連續(xù)的數(shù)據(jù)分散到多個(gè)磁盤(pán)上存取，這樣，系統(tǒng)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求就可以被多個(gè)磁盤(pán)并行的執(zhí)行，每個(gè)磁盤(pán)執(zhí)行屬于它自己的那部分?jǐn)?shù)據(jù)請(qǐng)求。這種數(shù)據(jù)上的并行操作可以充分利用總線的帶寬，顯著提高磁盤(pán)整體存取性能。第八章輸入輸出系統(tǒng)外圍設(shè)備的速度分級(jí)10×××分廠×××安全生產(chǎn)工作履職清單及行動(dòng)計(jì)劃表--0202)89673在CPU和外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳送時(shí)加以定時(shí)：速度極慢或簡(jiǎn)單的外設(shè)：CPU只需要接受或者發(fā)送數(shù)據(jù)即可。慢速或者中速的設(shè)備：可以采用異步定時(shí)的方式。高速外設(shè)：采用同步定時(shí)方式。I/O和主機(jī)信息交換方式程序查詢方式、程序中斷方式、直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）方式、通道方式程序查詢方式數(shù)據(jù)在CPU和外圍設(shè)備之間的傳送完全靠計(jì)算機(jī)程序控制。當(dāng)需要輸入/輸出時(shí)，CPU暫停執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行設(shè)備輸入/輸出的服務(wù)程序，根據(jù)服務(wù)程序中的I/O指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。這是一種最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的輸入/輸出方式，只需要很少的硬件。但由于外圍設(shè)備動(dòng)作很慢，程序進(jìn)入查詢循環(huán)時(shí)將浪費(fèi)CPU時(shí)間。中斷的概念中斷是指CPU暫時(shí)中止現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理隨機(jī)發(fā)生的緊急事件，處理完后自動(dòng)返回原程序的功能和技術(shù)。程序中斷方式的原理11×××分廠×××安全生產(chǎn)工作履職清單及行動(dòng)計(jì)劃表--0202)89673在程序中斷方式中，某一外設(shè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，它“主動(dòng)”向CPU發(fā)出請(qǐng)求中斷的信號(hào)，請(qǐng)求CPU暫時(shí)中斷目前正在執(zhí)行的程序而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)CPU響應(yīng)這個(gè)中斷時(shí)，便暫停運(yùn)行主程序，并自動(dòng)轉(zhuǎn)移到該設(shè)備的中斷服務(wù)程序。當(dāng)中斷服務(wù)程序結(jié)束以后，CPU又回到原來(lái)的主程序。中斷處理過(guò)程中的幾個(gè)問(wèn)題CPU只有在當(dāng)前一條指令執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入公操作時(shí)才受理設(shè)備的中斷請(qǐng)求。保存現(xiàn)場(chǎng)中斷屏蔽中斷處理過(guò)程單級(jí)中斷和多級(jí)中斷單級(jí)中斷系統(tǒng)中，所有的中斷源都屬于同一級(jí)，所有中斷源觸發(fā)器排成一行，其優(yōu)先次序是離CPU近的優(yōu)先權(quán)高。當(dāng)響應(yīng)某一中斷請(qǐng)求時(shí)，執(zhí)行該中斷源的中斷服務(wù)程序。在此過(guò)程中，不允許其他中斷源再打斷中斷服務(wù)程序，既使優(yōu)先權(quán)比它高的中斷源也不能再打斷。多級(jí)中斷系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有相當(dāng)多的中斷源，根據(jù)各中斷事件的輕重緩急程度不同而分成若干級(jí)別，每一中斷級(jí)分配給一個(gè)優(yōu)先權(quán)。12×××分廠×××安全生產(chǎn)工作履職清單及行動(dòng)計(jì)劃表--0202)89673優(yōu)先權(quán)高的中斷級(jí)可以打斷優(yōu)先權(quán)低的中斷服務(wù)程序，以程序嵌套方式工作。一維多級(jí)中斷是指每一級(jí)中斷里只有一個(gè)中斷源，二維多級(jí)中斷是指每一級(jí)中斷里又有多個(gè)中斷源。DMA的基本概念直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA)是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式。在這種方式中，DMA控制器從CPU完全接管對(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過(guò)CPU，而直接在內(nèi)存和I/O設(shè)備之間進(jìn)行。DMA方式一般用于高速傳送成組數(shù)據(jù)。DMA方式的優(yōu)點(diǎn)DMA能執(zhí)行的一些操作從外圍設(shè)備發(fā)出DMA請(qǐng)求；CPU響應(yīng)請(qǐng)求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器從CPU接管總線的控制；由DMA控制器對(duì)內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元地址及數(shù)據(jù)傳送個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作；發(fā)中斷，向CPU報(bào)告DMA操作的結(jié)束。DMA傳送方式停止CPU訪問(wèn)內(nèi)存、周期挪用、DMA與CPU交13×××分廠×××安全生產(chǎn)工作履職清單及行動(dòng)劃計(jì)-表-0202)89673替訪內(nèi)DMA數(shù)據(jù)傳送過(guò)程傳送前預(yù)處理；正式傳送；傳送后處理。通道的基本概念通道是一個(gè)特殊功能的處理器，它有自己的指令和程序?qū)ｉT(mén)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸控制，而CPU將“傳輸控制”的功能下放給通道后只負(fù)責(zé)“數(shù)據(jù)處理”功能。這樣，通道與CPU分時(shí)使用內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)了CPU內(nèi)部運(yùn)算與I/O設(shè)備的平行工作。通道的功能通道具有兩種類(lèi)型的總線：系統(tǒng)總線：承擔(dān)通道與內(nèi)存、CPU與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。通道總線即I/O總線，承擔(dān)外圍設(shè)備與通道間的數(shù)據(jù)傳送任務(wù)。從邏輯結(jié)構(gòu)上講，I/O系統(tǒng)一般具有四級(jí)連接：CPU與內(nèi)存通道設(shè)備控制器外圍設(shè)備優(yōu)先級(jí)別：由于大多數(shù)I/O設(shè)備的讀寫(xiě)信號(hào)具有實(shí)時(shí)性，不及時(shí)處理會(huì)丟失數(shù)據(jù)；所以通道與CPU同時(shí)要求訪內(nèi)時(shí)，通道優(yōu)先權(quán)高于CPU。CPU對(duì)通道的管理CPU是通過(guò)執(zhí)行I/O指令以及處理來(lái)自通道的14×××分廠產(chǎn)工職作清×××安全生單及履行動(dòng)劃計(jì)-表-0202)89673中斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)通道的管理。來(lái)自通道的中斷有兩種，一種是數(shù)據(jù)傳送結(jié)束中斷，另一種是故障中斷。通道對(duì)I/O模塊的管理通道通過(guò)使用通道指令控制I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送操作，并以通道狀態(tài)字接收I/O模塊反映的外圍設(shè)備的狀態(tài)。通道的類(lèi)型選擇通道、數(shù)組多路通道、字節(jié)多路通道第九章操作系統(tǒng)支持虛擬存儲(chǔ)器的概念虛擬存儲(chǔ)器是借助于磁盤(pán)等輔助存儲(chǔ)器來(lái)擴(kuò)大主存容量，使之為更大或更多的程序所使用。是一個(gè)容量非常大的存儲(chǔ)器的邏輯模型，不是任何實(shí)際的物理存儲(chǔ)器。它指的是主存-外存層次。以透明的方式給用戶提供了一個(gè)比實(shí)際主存空間大得多的程序地址空間。實(shí)地址：或物理地址，計(jì)算機(jī)物理內(nèi)存的訪問(wèn)地址，由CPU引腳送出，是用于訪問(wèn)主存的地址，對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間——物理存儲(chǔ)空間或主存空間。虛地址：或邏輯地址，在編制程序時(shí)獨(dú)立編址，使用的地址，對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間——虛存空間或邏輯15×××分廠產(chǎn)工職作清×××安全生單及履行動(dòng)劃計(jì)-表-0202)89673地址空間。虛地址到實(shí)地址的轉(zhuǎn)換過(guò)程——程序的再定位。虛存的訪問(wèn)過(guò)程虛擬存儲(chǔ)器的用戶程序以虛擬地址編址并存放在輔存中；程序運(yùn)行時(shí)CPU以虛地址訪問(wèn)主存，由輔助硬件找出虛地址和物理地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系，判斷這個(gè)虛地址指示的存儲(chǔ)單元是否已裝入主存：如果在主存，CPU就直接執(zhí)行已在主存的程序；如果不在，要進(jìn)行輔存向主存的調(diào)度。虛存與cache的異同幾種虛擬存儲(chǔ)器段式、頁(yè)式、段頁(yè)式頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器頁(yè)、頁(yè)表：頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，虛地址空間被分成等長(zhǎng)大小的頁(yè)，稱為邏輯頁(yè)；主存空間也被分成同樣大小的頁(yè)，稱為物