计算机知识点整合

计算机系统： 硬件： 软件：系统软件：又称为系统程序，主要用于管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，高效运行。（标准程序库、语言处理系统、操作系统、服务系统、数据库系统、网络软件） 应用软件：用户根据任务需要所编制的各种程序。（科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、事务管理程序）汇编语言没有通用性，每台机器必须有一种与之相应的汇编语言。计算机体系结构：能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构和功能特性。（指令系统体现了机器的属性）计算机组成：指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。（指令的实现，如取指令、分析指令、取操作数、运算）冯诺依曼计算机的特点：1、由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备组成。 2、指令和数据以同等地位存放在存储器内，并可按地址寻访。 3、指令和数据均用二进制数表示。 4、指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器的位置。 5、指令在存储器内按顺序存放，通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。 6、机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。现代计算机以存储器为中心。数据线单向的，控制线双向。现代计算机： I/O设备（外部设备）、主机（CPU、主存储器）组成。主存储器是存储器子系统中的一类，用来存放程序和数据，可直接与CPU交换信息，另一类是辅助存储器，简称辅存，又称外存。CPU：ALU算术逻辑单元（用于算术逻辑运算）、CU控制单元（解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令）机器字长指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关，字长越长，数的表示范围就越大，精度就越高。存储器容量包括主存容量和辅存容量。主存容量指主存中存放二进制代码的总位数：存储容量=存储单元个数存储字长 MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储字长。一个字节定义为8位二进制代码。（反映主存容量）例：辅存容量常用字节数来表示：（例）计算机运算速度：计算机的运算速度采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，单位：MIPS（百万条指令每秒），或用CPI（执行一条指令所需的时钟周期（机器主频的倒数），或用FLOPS（浮点运算次数每秒）。计算机的多级层次结构：机器语言：用0、1代码表示的语言汇编语言：符号式的程序设计语言高级语言：面向问题的语言（C、basic、pascal）指令：程序：指令的集合计算机系统的五大部件之间的互连方式有：1、分散连接(各部件之间使用单独的连线) 2、总线连接（各部件连到一组公共信息传输线上）总线：连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。总线传输的特点：总线实际上是由许多传输线或通路组成，每条线可一位一位地传输二进制代码，一串二进制代码可在一段时间内逐一传输完成。若干条传输线可以同时传输若干位二进制代码。总线分类：（数据传送方式）：1、并行传输总线(按传输数据的宽度：8、16、32、64)2、串行传输总线 （使用范围）：计算机总线、测控总线、网络通信总线 （连接部件）：1、片内总线：CPU芯片内部、寄存器与寄存器之间、寄存器与算逻单元ALU之间2、系统总线：CPU、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。（又称板内总线或板间总线） 按传输信息的不同分为： 数据总线：传输各功能不见之间的数据信息，双向，其位数与机器字长、存储字长有关。数据总线的位数是数据总线的宽度。若数据总线宽度是8，指令字长是16，则在取指阶段必须两次访问主存。 地址总线：指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址。单向，地址线的位数与存储单元的个数有关。 控制总线：用于发出各种控制信号，还起到监视各部件状态的作用。对任一控制线来说，它的传输是单向的，但就控制总线总体来说，它是双向的。 3、通信总线：计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。 按传输方式分：串行通信和并行通信。总线特性：机械特性：总线在机械连接方式上的一些性能。 电气特性：总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。 功能特性：总线中每根传输线的功能。 时间特性：总线中的任一根线在什么时间内有效。总线性能指标：总线宽度：数据总线的根数，用bit（位）表示。 总线带宽：总线的数据传输速率，即单位时间内总线上传输数据的位数常用每秒传输信息的字节数来衡量，单位为MBps（兆字节每秒）。例： 时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线成为同步总线，不同步的为异步总线。总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。信号线数：地址总线、数据总线、控制总线三种总线的总和。总线控制方式：包括突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。其他：如负载能力、电源电压、总线宽度能否扩展等总线标准：系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面1、 ISA总线2、 EISA总线3、 VESA(VL-BUS)总线4、 PCI总线（已成为现代计算机中最常用的总线之一）特点：高性能、良好的兼容性、支持即插即用、支持多主设备能力、具有与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力、提供数据和地址奇偶校验功能、支持两种电压（5V、3.5V）、可扩充性好、软件兼容性好、采用多路复用技术5、 AGP总线6、 RS-232C总线（串行）7、 USB总线 特点：具有真正的即插即用特性、具有很强的连接能力、数据传输率、标准统一、连接电缆轻巧，电源体积缩小、生命力强总线结构：单总线：结构简单、容易扩充，但不允许两个以上的部件在同一时刻向总线传输信息，效率低 多总线：效率高总线控制的原因：由于总线上连接着多个部件，什么时候由哪个部件发送信息，如何给信息传送定时，如何防止信息丢失，如何避免多个部件同时发送，如何规定接受信息的部件等一系列问题都需要由总线控制器统一管理。总线控制包括：总线判优控制（冲裁逻辑）、通信控制总线上所连接的各类设备，按其对总线有无控制功能分为主设备、从设备。总线判优控制分为：集中式：控制逻辑集中在一处1、 链式查询：特点：只需很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，且易于扩充设备，但对电路障碍很敏感，且优先级别低的设备很难获得请求。确定总线使用权需用：2根。2、 计数器定时查询：特点：计数可以从0开始，此时一旦设备的优先次序被固定，设备的优先级就按0,1,2，n的顺序降序排列，且固定不变，计数也可以从上一次计数的终止点开始，即是一种循环方法，此时设备使用总线的优先级相等，计数器的初始值还可以由程序设置，故优先次序可以改变。但增加了控制线束，控制较复杂。确定总线使用权需用： (n)/2根。3、 独立请求方式：特点：响应速度快，优先次序控制灵活，但控制线数量多，总线控制更复杂。确定总线使用权需用：2n根。 分布式：控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上总线周期：完成一次总线操作的时间。分为4个阶段：1、 申请分配阶段2、 寻址阶段：3、 传数阶段：4、 结束阶段：对于仅有一个主模块的简单系统，无需申请、分配和撤出，总线使用权始终归它。总线通信控制：解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调如何配合。 方式：1、同步通信：通信双方由统一时标控制数据传送 2、异步通信：允许各模块速度不一致，灵活性和选择性。应答方式有：不互锁、半互锁、全互锁 3、半同步通信： 4、分离式通信：为减轻总线的负载，总线上的各部件应按优先级占用总线。存储器的分类：（存储介质）半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器 （存取方式）随机存储器RAM（静态、动态）、只读存储器ROM、串行访问存储器 （作用） 主存储器（可以与CPU直接交换信息）、辅助存储器（主存的后援存储器，用于存放暂时不用的程序和数据）、缓冲存储器(用于两个速度不同的部件之间)、闪速存储器（flash memory）存储器的3个主要性能指标：速度、容量和位价（每位价格） 主存的主要技术指标：存储容量和存储速度 存储容量（主存能存放二进制代码的总位数）=存数单元个数存储字长（单位为b）或 存储容量（主存能存放二进制代码的总位数）=存数单元个数存储字长/8（单位为B）存储速度：由存取时间和存取周期来表示的 存取时间：（存储器的访问时间）指启动一次存储器操作到完成该操作所需的全部时间1、 写入时间：从存储器接收到有效地址开始，到数据写入被选中单元为止2、 读出时间：从存储器接收到有效地址开始，到产生有效输出所需的时间 存取周期：存储器进行连续两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间，通常大于存取时间。 存储器带宽：与存储周期密切相关，表示单位时间内存储器存取的信息量，单位字/秒或字节/秒或位/秒。 带宽是衡量数据传输率的重要技术指标。提高带宽可采取的措施：1、 缩短存取周期2、 增加存储字长，使每个存取周期可读/写更多的二进制位数3、 增加存储体半导体存储芯片的译码驱动方式：线选法、重合法动态RAM的刷新方式：集中刷新、分散刷新、异步刷新动态RAM比静态RAM应用要广泛得多，原因是：1、 动态RAM集成度远高于静态RAM2、 动态RAM行、列地址按先后顺序输送，减少了芯片引脚，封装尺寸也减少3、 动态RAM功耗比静态的小4、 价格便宜，容量大，静态RAM的存储周期比动态的快48倍，但价格也贵816倍动态RAM的缺点：速度慢，需要再生，也需要配置再生电路，也需要消耗一部分功率，通常容量不大的高速缓冲存储器大多用静态RAM对于半导体ROM而言，基本器件为：MOS和TTL只读存储器：掩膜ROM（MROM）：容量为11位。无法改变原始状态 PROM：可实现一次性编程的只读存储器 EPROM：是可擦除可编程的只读存储器EPROM的改写方法：一是用紫外线照射，但擦除时间长且不能对个别需要改写的单元进行单独擦除或重写。二是用电气方法将存储内容擦除，再重写FLASH MEMORY（闪速存储器、快擦型存储器）的优点：它是在EPROM、EEPROM工艺基础上产生的一种新型的、具有性能价格比更好、可靠性更高的可擦写非易失性存储器，价格便宜、集成度高、电可擦除重写、可整片擦除、重写速度快、存储器访问周期短、功耗低、计算机接口简单、大容量闪存可代替磁盘等。提高访存速度的措施：1、单体多字系统 2、多体并行系统：高位地址可表示体号，地位地址为体内地址 3、高性能存储芯片：也是提高主存速度的措施之一 SDROM（同步DROM） RDROM 带CACHE的DRAM(CDRAM) 4、高速缓冲存储器（cache）存储器控制部件：具有合理安排各部件请求访问的顺序以及控制主存读/写操作的功能。 组成：排队器、存控标记触发器、节拍发生器、控制线路辅助存储器：特点：容量大、速度慢、价格低、可脱机保存信息等，属“非易失性”存储器主存储器：特点：容量小、成本高、速度快，且大多由半导体芯片构成，所存信息无法永久保存。辅助存储器：硬磁盘、软磁盘、磁带、光盘等，前三种为磁表面存储器磁表面存储器的主要技术指标：1、记录密度：单位长度内所存储的二进制信息量，磁盘存储器用道密度和位密度表示，磁带则用位密度表示。 道密度： 位密度（线密度）： 在磁盘中，各磁道所记录的信息量是相同的，位密度则不同，一般指磁盘的位密度时，指的是最内圈磁道上的位密度（最大位密度）。2、存储容量：所能存的二进制信息总数量，一般以位或字节为单位。 磁盘的存储容量计算公式： 磁盘有非格式化容量（可利用的磁化单元总数）和格式化容量（按某种特定的记录格式所能存储信息的总量）两个指标。3、平均寻址时间：分两部分：一、磁头寻找目标磁道的找道时间 二、磁头等待欲读/写的磁道区段旋转到磁头下方所需要的等待时间4、数据传输速率：单位时间内磁表面存储器向主机传送数据的位数或字节数，它与记录密度、记录介质的运动速度有关。 5、误码率：衡量磁表面存储器出错概率的参数，它等于从辅存读出时，出错信息位数和读出信息的总位数之比。硬磁盘存储器：分类（磁头的工作方式）固定磁头磁盘存储器、移动磁头磁盘存储器 （是否具有可换性）可换盘磁盘存储器、固定磁盘存储器 结构：磁盘驱动器、磁盘控制器、盘片光盘存储器：应用激光在某种介质上写入信息，然后利用激光读出信息（光存储技术） 分类：1、只读型光盘（CD-ROM） 2、只写一次型光盘（WORM） 3、可擦写光盘光盘耐用、可靠性高、记录密度高、光盘记录头分量重、体积大、寻到时间长、写入速度低、与主机交换信息速度不匹配、互换性好、存储容量大、价格贵。硬盘容量大，数据传输率高于光盘，等待时间短。存放程序的中间和结果软盘容量小，数据传输率低，寻道时间长逐渐被淘汰磁带主要用于输入输出数据和文件的存储，后备存储器（容量大）输入输出系统的发展状况：1、早期阶段 2、接口模块和DMA阶段 3、具有通道结构的阶段 4、具有I/O处理机的阶段 输入输出系统的组成：I/O软件和I/O硬件I/O软件：主要任务有：将用户编制的程序或数据输入主机内 将运算结果输送到用户 实现输入输出系统与主机工作的协调等 组成：1、I/O指令格式操作码命令码设备码与其它指令的判别代码体现I/O设备的具体操作多台I/O设备的选择码2、通道指令（通道控制字）通道指令是通道自身的指令，用来执行I/O操作，而I/O指令是CPU指令系统的一部分，是CPU用来控制输入输出的指令。I/O硬件：包括接口模块和I/O设备。 I/O设备与主机的联系方式的问题：1、I/O设备编址方式：统一编址：与内存统一不统一编址：对所有I/O设备的访问必须有专用的I/O指令 统一编址占用了存储空间，减少了主存容量，但不统一编址（独立编址）需要设I/O专用指令。 2、设备寻址：找到设备，设备号=设备地址 3、传送方式：并行（CPU与I/O设备同时传输信息，特点：速度快、但要求的数据线多） 串行（同一瞬间只能传送一位信息，特点：速度慢、但只需一根数据线和一根地线） 4、联络方式：立即响应方式异步工作采用应答信号联络同步工作采用同步时标联络 5、I/O设备与主机的连接方式：辐射式、总线式I/O设备与主机信息传送的控制方式：1、程序查询方式：（是CPU和I/O设备处于串行工作状态，CPU效率不高） 2、程序中断方式：（消除了程序查询方式的“踏步”现象，提高了CPU 的利用率，但还是存在占用CPU寄存器的现象，对CPU资源的浪费） 3、DMA方式：直接与主存交换信息，当CPU与DMA同时访问主存时，CPU总是将总线占有权让给DMA，通常将这样的占有称为窃取或挪用。I/O接口是指主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制。设置接口的原因（接口的作用）：1、寻址2、速度匹配3、并-串行转换4、电平转换5、传送控制命令6、检查状态接口和端口是不一样的概念！端口指接口电路的一些寄存器，这些寄存器分别用于存储数据信息、控制状态和状态信息，相应的端口分别称为数据端口和控制端口。若干个端口加上相应的控制逻辑才能组成接口。总线连接方式的I/O接口电路，包括：数据线，用于I/O设备与主机之间数据代码的传送，其根数等于存储字长的位数或字符的位数，可单向（必须用两组才能实现数据的输入和输出）亦可双向（一组即可）。 设备选择线，传送设备码，根数取决于I/O指令中设备码的位数，亦可视作地址线 命令线，传输CPU向设备发出的命令信号，它是一组单向总线，根数取决于命令信号多少。 状态线，将I/O设备的状态向主机报告的信号线接口的功能和组成：1、选址 2、传送命令 3、传送数据 4、反映I/O设备工作状态：接口类型：（数据传送方式）并行、串行 （功能选择的灵活性）可编程接口、不可编程接口 (通用性)通用接口、专用接口 （数据传送的控制方式）程序型接口、DMA接口程序查询过程：程序中断：在计算机程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，继续执行原程序。程序中断方式的接口电路：1、中断请求触发器（INTR）和中断屏蔽触发器（MASK）2、排队器：速度越高的I/O设备，优先级越高 3、中断向量形成部件（设备编码器）： 4、程序中断方式接口电路的基本组成（图）I/O中断处理过程中断服务程序的流程：DMA方式的特点：由于主存和DMA接口之间有一条数据通路，因此主存和设备交换信息时，不通过CPU，也不需要CPU暂停现行程序为设备服务，省去了保护现场和恢复现场，因此工作速度比程序中断方式的工作速度高。DMA与主存交换数据时采用的方法：1、停止CPU访问主存 2、周期挪用（周期窃取）：当I/