1.计算机系统简介（硬件部分）

计算机系统组成

硬件

• 计算机的主体，如主机、外设

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
  • 服务性程序
  • 数据库管理系统
  • 网络软件
• 应用软件：按任务需求编写的各种软件

计算机系统层次结构

从程序员角度

• 硬件
  • 微指令系统（微程序机器M0）：由硬件直接执行微指令
  • 机器语言（实际机器M1)：用微指令解释机器指令
• 软件
  • 操作系统（虚拟机器M2）：用机器语言解释操作系统
  • 汇编语言（虚拟机器M3）：用汇编程序翻译成机器语言程序
  • 高级语言（虚拟机器M4：用编译程序翻译成汇编语言程序

计算机体系结构和计算机组成的区别

计算机系统

• 程序员所见到的计算机系统的属性的概念性的结构和功能特性
  • 指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理等

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

2.计算机的基本组成

冯·诺伊曼计算机的特点

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

• 有加减乘除指令，取地址指令

5.存储程序（重要特征）

6.以运算器为中心

我们现在普遍使用的计算机广义上都属于冯·诺伊曼计算机

冯·诺伊曼计算机硬件框图

• 缺点：以运算器为中心的计算机，使得运算器的运算速度成了计算机性能的瓶颈

以存储器为中心的现代硬件框图

主机

• CPU

  • 运算器ALU
  • 控制器CU

• 存储器

  • 主存
  • 辅存

I/O设备

• 输入设备
• 输出设备

存储器的基本组成

存储器-存储体-存储单元-存储元件（0/1）

存储体

• 主存储器
  • 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

存储单元：存放一串二进制代码，每个存储单元赋予一个地址，按地址寻访存储单元

存储字：存储单元中二进制代码的组合

存储字长：存储单元中的二进制代码位数

运算器的基本结构和工作过程

X、ACC、MQ、MQ均为寄存器

控制器的基本结构

控制器的功能

• 解释指令：取址-分析-取操作数-执行指令-保存结果
• 保证指令按次序执行

完成一条指令

• 取指令 PC：程序计数器
• 分析指令 IR：指令寄存器
• 执行指令 CU：控制单元

控制器的基本组成

• PC：存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能

• IR：存放当前欲执行的指令

• CU：执行指令

  

运算器 + 控制器 + 存储器 = 主机

主机完成一条指令的过程

• 以取数指令为例
• - 1、2、3、4：取指令 - 5、6、7、8、9：取数
• 以存数指令为例
• - 1、2、3、4：取指令 - 5、6、7、8、9：存数

一元二次方程程序的运行过程

• 将程序通过输入设备送至计算机

• 程序首地址 >> PC

• 启动程序运行

• 取指令：PC >> MAR >> M(存储体) >>MDR >> IR，PC + 1 >> PC

• 分析指令：OP操作码(IR) >> CU

• 执行指令：Ad地址码(IR) >> MAR >> M >> MDR >> ACC

  .....

• 打印结果

• 停机

计算机硬件的主要技术指标

机器字长

• CPU一次能处理数据的位数与CPU的寄存器的位数有关

运算速度

• 主频
• 核数：每个核支持的线程数
• CPI：执行一条指令所需要的时钟周期数
• MIPS：一秒执行百万条指令、
• FLOPS：每秒浮点运算次数

存储容量

• 主存容量
  • 存储单元个数*存储字长：如2^MAR (K) * MDR
  • 字节数：如2^13(b) = 1KB
• 辅存容量
  • 字节数：如80GB

3.总线

总线的基本概念

什么是总线

• 总线是连接各个部件的信息传输线吗，是各个部件共享的传输介质

总线上信息的传送

• 串行：远距离使用
• 并行 ：单板内或板间使用

总线分类

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
• 控制总线：存储器读写、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

总线控制

总线优判控制

• 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
• 总线的优判控制
  • 集中式
    • 链式查询：连接方式决定了优先级，其结构简单
    • 计数器定时查询：可通过软件方式改变优先级，较灵活
    • 独立请求方式：速度更快，总数较多
  • 分布式

总线的通信控制

• 目的：解决通信双方协调配合问题
• 总线传输周期
  • 申请分配周期：主模块申请，总线仲裁决定（即上述的总线优判控制）
  • 寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令
  • 传数阶段：主模块和从模块交换数据
  • 结束阶段：主模块撤销有关消息
• 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
  • 分离式通信：充分挖掘系统总线的一个瞬间的潜力

4.存储器

概述

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
  • 只读存储器
• 存取时间与物理地址有关（串行访问）
  • 顺序存取存储器：如磁带
  • 直接存取存储器：如磁盘

按作用分类

• 主存储器

  • RAM
    • 静态RAM
    • 动态RAM
  • ROM：只读
    • 可擦写
    • 不可擦写

• 辅助存储器

  • 磁盘、磁带、光盘

• 闪存（Flash Memory）

  • U盘、SSD

• 高速缓冲存储器（Cache）

存储器的层次结构

• 
• - CPU运行相对与主存过快，导致不平衡，受限于主存，缓存-主存这一结合解决了速度问题 - 虚地址即我们写代码调试时所看见的的地址，程序访问存储器所使用的逻辑地址称为虚拟地址

主存储器

主存基本组成

主存和CPU的联系

主存中存储单元地址

• 大端模式：数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址

• 小端模式：数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址

• 

• 一根地址线只能表示0和1，cpu在内存或硬盘里面寻找一个数据时，先通过地址线找到地址，然后再通过数据线将数据取出来。 如果有32根.就可以访问2的32次方的字节，也就是4GB

半导体存储芯片

基本结构

• 芯片容量 = 2^地址线数量 * 数据线数量

随机存取存储器（RAM）

静态RAM

• 保存0，1的原理
  • 开关：利用双稳态触发器，总体来说闭合1，打开0
• 基本单元电路构成（略）
• 对单元电路如何进行读写（略）
• 典型芯片的结构（略）
• 对静态RAM芯片如何进行读写（略）

动态RAM

• 保存0，1的原理
  • 电容：含有电荷1，不含电荷0
• 由于电容会漏电，所以为了保存信息，隔段时间需要对电容充电，即所谓的动态RAM刷新

只读存储器（ROM）

1.掩模ROM（MROM)

• 行列选择线交叉处由MOS管为“1”，无MOS管为“0”

1.PROM（一次性编程）

• 熔丝断为”0“，未断为”1“

3.RPROM（多次性编程）

• N型沟道浮动栅MOS电路

4.EEPROM（多次性编程）

• 电、局部、全部可擦写

5.Flash Memory

• 如U盘

存储器与CPU的连接

地址线的连接

数据线的连接

读写命令线的连接

片选线的连接

高度缓冲存储器

概述

计算机组成原理（软件部分）

概述

接口模块和DMA阶段（现代）

• 总线连接
• CPU和I/O设备并行工作
  • 中断方式
  • MDA方式

输入输出系统的组成

• I/O软件
  • I/O指令：CPU指令的一部分
  • 通道指令：通道本身的指令（I/O有自己的处理器）
• I/O硬件
  • 设备 - I/O接口
  • I/O - 设备控制器 - 通道

I/O设备与主机的联系方式

• I/O设备的编址方式
  • 统一编址：用取数、存数指令
  • 非统一编址：在内存地址空间之外专门设置一个地址空间，有专门的I/O指令
• 设备选址
  • 用设备选择电路识别是否被选中
• 传送方式
  • 串行
  • 并行
• 联络方式
  • 立即响应：LED灯
  • 异步工作采用应答信号
    • 并行
    • 串行：串口通信
  • 同步工作采用 同步时标
• 连接方式
  • 辐射性连接（无I/O接口，不便）
  • 总线连接：便于增删设备

I/O设备与主机信息传送的控制方式

• 程序查询方式
  • CPU读I/O状态，未就绪则继续读，实际上CPU和I/O接口属于串行通信
• 程序中断方式
  • I/O工作
    • 自身准备：CPU不查询
    • 与主机交换信息：CPU暂停现行程序
• DMA方式
  • 主存和I/O之间有一条直接的数据通道
  • CPU不中断线行程序
  • 周期挪用
• 三种方式的CPU工作效率比较
  • DMA方式 > 程序中断方式 > 程序查询方式

I/O接口

接口的功能及基本组成

• 选址：设备选择电路
• 传送命令：命令寄存器、命令译码器
• 传送数据：数据缓冲寄存器
• 反应设备状态：设备状态标记

接口类型

• 按数据传送
  • 串行接口：Inter 8255
  • 并行接口：Inter 8251
• 按功能选择
  • 可编程接口：Inter 8255，Inter 8251
  • 不可变成接口：Inter 8212
• 按通用性
  • 通用接口：Inter 8255，Inter 8251
  • 专用接口：Inter 8279，Inter 8275
• 按数据传送的控制方式
  • 程序中断方式
  • DMA方式

计算机组成原理笔记

原文：https://www.cnblogs.com/main404/p/12997434.html