計算機組成第三節(jié)

計算機組成第三節(jié)REPORTING目錄計算機系統(tǒng)概述中央處理器存儲器輸入輸出系統(tǒng)總線與通信計算機組成實驗PART01計算機系統(tǒng)概述REPORTINGWENKUDESIGN包括中央處理器、內(nèi)存儲器、外存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等，是計算機的物理基礎(chǔ)。硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，是計算機的靈魂，控制和協(xié)調(diào)硬件系統(tǒng)的工作。是計算機處理的對象，包括數(shù)字、文字、圖像、聲音等。030201計算機系統(tǒng)的組成高級語言級用高級語言編寫的程序需經(jīng)編譯程序或解釋程序進行翻譯或解釋。匯編語言級用匯編語言編寫的程序需經(jīng)匯編程序翻譯成機器語言程序。操作系統(tǒng)級提供資源管理、程序運行等功能，為用戶提供方便的接口。微程序機器級微指令由硬件直接執(zhí)行，微程序由微指令組成，用于描述機器指令。傳統(tǒng)機器級用機器語言編寫的程序可由微程序進行解釋，是實際機器的上層。計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的發(fā)展歷程第一代計算機（1946-1957）電子管時代，采用機器語言和匯編語言編程，主要用于科學(xué)計算。第二代計算機（1958-1964）晶體管時代，開始出現(xiàn)高級語言和操作系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域擴大。第三代計算機（1965-1970）集成電路時代，計算機性能大幅提高，出現(xiàn)分時操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)。第四代計算機（1971年至今）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代，計算機技術(shù)飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。PART02中央處理器REPORTINGWENKUDESIGN控制器運算器寄存器組內(nèi)部總線CPU的功能和組成01020304負責(zé)協(xié)調(diào)計算機各部分工作，包括取指令、分析指令和執(zhí)行指令。負責(zé)執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算，如加減乘除、與或非等。包括通用寄存器、程序計數(shù)器、指令寄存器等，用于暫存數(shù)據(jù)和地址。連接CPU內(nèi)部各部件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。03指令周期CPU從取指到執(zhí)行完一條指令所需的時間，包括取指周期、間址周期、執(zhí)行周期和中斷周期。01指令格式包括操作碼和地址碼，操作碼指明操作性質(zhì)，地址碼指明操作數(shù)地址。02尋址方式包括立即尋址、直接尋址、間接尋址等，用于確定操作數(shù)地址。指令系統(tǒng)主頻字長緩存容量核心數(shù)CPU的性能指標(biāo)CPU的時鐘頻率，單位赫茲（Hz），主頻越高，CPU處理速度越快。CPU內(nèi)部的高速緩存大小，緩存容量越大，訪問速度越快。CPU一次能處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，字長越長，處理能力越強。CPU的物理核心數(shù)量，核心數(shù)越多，并行處理能力越強。PART03存儲器REPORTINGWENKUDESIGN存儲器的分類按存儲介質(zhì)可分為半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器、光表面存儲器等；按存取方式可分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）；按在計算機中的作用可分為主存儲器、輔助存儲器、緩沖存儲器等。存儲器的層次結(jié)構(gòu)為了緩解主存儲器讀寫速度與CPU執(zhí)行速度之間的不匹配問題，計算機系統(tǒng)通常采用多級存儲器體系結(jié)構(gòu)，即Cache-主存層次和主存-輔存層次。存儲器的分類與層次結(jié)構(gòu)

主存儲器主存儲器的基本組成主存儲器由存儲體、地址譯碼器、驅(qū)動電路、讀寫電路和控制電路等組成。主存儲器的性能指標(biāo)主存儲器的性能指標(biāo)主要是存儲容量、存取時間、存儲周期和存儲器帶寬。提高主存儲器性能的措施可采用高速器件、采用層次結(jié)構(gòu)Cache-主存、調(diào)整主存結(jié)構(gòu)等措施來提高主存儲器的性能。輔助存儲器容量大、價格低、速度慢，以及可以長期保存信息。輔助存儲器的特點輔助存儲器包括硬盤、軟盤、光盤、U盤等。輔助存儲器的類型輔助存儲器的性能指標(biāo)主要是存儲容量和數(shù)據(jù)傳輸率。輔助存儲器的性能指標(biāo)硬盤是目前最常用的輔助存儲器，具有容量大、速度快、價格適中等優(yōu)點。常用的輔助存儲器輔助存儲器PART04輸入輸出系統(tǒng)REPORTINGWENKUDESIGN連接CPU與I/O設(shè)備之間的橋梁，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)、控制信號和狀態(tài)信號的傳輸。I/O接口定義包括數(shù)據(jù)緩沖、信號轉(zhuǎn)換、設(shè)備選擇、中斷管理等。I/O接口功能根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式可分為并行接口和串行接口；根據(jù)信號電平可分為TTL接口和RS-232接口等。I/O接口類型I/O接口CPU通過程序主動查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)，若設(shè)備準(zhǔn)備好則進行數(shù)據(jù)交換。程序查詢方式當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備好后，通過中斷請求通知CPU，CPU響應(yīng)中斷后進行數(shù)據(jù)交換。中斷控制方式在DMA控制器的管理下，I/O設(shè)備與內(nèi)存直接進行數(shù)據(jù)交換，無需CPU干預(yù)。DMA控制方式I/O控制方式以字符為單位進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，如鍵盤、打印機等。字符設(shè)備塊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備其他設(shè)備以數(shù)據(jù)塊為單位進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，如硬盤、光盤等。用于網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備，如網(wǎng)卡、路由器等。如鼠標(biāo)、掃描儀、攝像頭等。I/O設(shè)備PART05總線與通信REPORTINGWENKUDESIGN總線定義01總線（Bus）是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，在微型計算機中可以用來連接各個功能部件（插卡）的關(guān)鍵部件，是各個部件共享的傳輸介質(zhì)。總線分類02按照功能劃分，總線可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號?？偩€特性03總線的特性包括機械特性、電氣特性、功能特性和時間特性，這些特性確保了總線上各部件之間穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。總線概述協(xié)議定義總線通信協(xié)議是指總線上各部件之間進行數(shù)據(jù)傳輸時所遵循的規(guī)則和約定，包括數(shù)據(jù)的傳輸格式、傳輸順序、同步方式等。同步通信與異步通信同步通信是指通信雙方以一個公共的時鐘信號為基準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)傳輸；異步通信則是指通信雙方各自使用自己的時鐘信號，通過特定的同步方式進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸方式總線上的數(shù)據(jù)傳輸方式可分為單工、半雙工和全雙工三種。單工方式只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸；半雙工方式允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸，但不能同時進行；全雙工方式則允許數(shù)據(jù)在兩個方向上同時進行傳輸?？偩€通信協(xié)議ISA總線ISA（IndustryStandardArchitecture）總線是早期PC機中使用的總線標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，現(xiàn)已被淘汰。USB總線USB（UniversalSerialBus）總線是一種通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸速率快、支持熱插拔和易于擴展等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種計算機外設(shè)的連接。IEEE1394總線IEEE1394總線又稱FireWire或i.Link，是一種高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸速率高、支持同步和異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點，常用于音頻、視頻等多媒體設(shè)備的連接。PCI總線PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線是一種高性能、高集成度的總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代PC機中，支持即插即用和自動配置功能。常見總線標(biāo)準(zhǔn)PART06計算機組成實驗REPORTINGWENKUDESIGN03通過實驗加深對計算機組成原理的理解。01掌握計算機基本組成及工作原理。02了解計算機各部件的功能和相互作用。實驗?zāi)康暮鸵鬁?zhǔn)備所需的硬件和軟件，如計算機、示波器、邏輯分析儀、編程器等。搭建實驗環(huán)境根據(jù)實驗?zāi)康暮鸵?，設(shè)計合理的實驗方案，包括實驗步驟、測試數(shù)據(jù)等。設(shè)計實驗方案按照實驗方案進行實驗操作，記錄實驗過程中的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。進行實驗操作對實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，得出實驗結(jié)果。分析實驗結(jié)果實驗內(nèi)容和步驟實驗結(jié)果展示將實驗結(jié)果