计算机的基本组成与工作原理.doc

第一章 计算机的基本组成与工作原理一、中央处理器（CPU） 1、运算器（1）作用：运算器主要完成算术运算和逻辑运算，实现对数据的加工与处理。（2）主要组成： 算术逻辑运算单元（ALU）：主要用于完成加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等逻辑运算，以及移位、求补等操作。 标志寄存器：用于存放算术、逻辑运算过程中产生的状态信息。 累加器（ACC）：用于暂存运算结果以及向ALU提供运算对象。2、控制器（1）作用：发出指令脉冲，控制机器各个部件协调一致地工作。（2）基本功能：从内存取指令和执行指令。（3）工作过程：从内存中取出指令，并指出下一条指令在内存中的位置，将取出的指令送入指令寄存器，启动指令译码器对指令进行分析，最后发出相应的控制信号和定时信息，控制和协调计算机的各个部件有条不紊的工作，以完成指令所规定的操作。（4）主要组成： 程序计数器（PC） 指令寄存器（IR） 指令译码器：对现行指令进行分析，确定指令类型、指令所要完成的操作以及寻址方式。 时序部件：用于产生时序脉冲和节拍电位以控制计算机各部分有序地工作。 状态/条件寄存器：用于保存指令执行完成后产生的条形码。比如：计算是否溢出、结果为正还是为负等。此外，该寄存器还保存中断和系统工作状态等信息。 微操作信号发生器：根据指令提供的操作信号、时序产生器提供的时序信号，以及各功能部件反馈的状态信号等综合特定的操作序列，从而完成对指令的执行控制。 3、寄存器（先解释寄存器）（1）定义：寄存器是CPU内部的临时存储单元，既可以用来存放数据和地址，也可以用来存放控制信息或CPU工作时的状态。（2）特点：增加寄存器的数量，就可以使CPU把执行程序时所需的数据尽可能地放在寄存器中，从而减少访问内存的次数，提高其运行速度。但是寄存器的成本很高，因此必须在性能和成本之间取个平衡点。（3）分类 累加器：是一个数据寄存器，在运算过程中暂时存放被操作数和中间运算结果，是CPU中使用最频繁的寄存器，但累加器不能用于长时间地保存一个数据。 指令寄存器：用于存放正在执行的指令。 标志寄存器：用于记录运算中产生的标志信息，一般存放指令执行结果的状态信息。 典型的标志如下： *进位标志位（C）：当运算结果最高位产生进位时置“1”。 *零标志位（Z）：当运算结果为零时置“1”。 *符号标志位（S）：当运算结果为负时置“1”。 *溢出标志位（V）：当运算结果溢出时置“1”。 *奇偶标志位（P）：当运算结果中“1”的个数为偶数时置“1”。 通用寄存器组：运算时用于暂存操作数或地址。在汇编语言中使用通用寄存器可以减少访问内存的次数，提高运算速度。 地址寄存器：包括程序计数器、堆栈计数器、变址计数器、段地址寄存器等。 其中，程序计数器指向下一条要取的指令。二、总线 1、总线的定义及分类（1）定义：计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，即一组信号线。广义的说，任何连接两个以上电子元器件的导线都可以称为总线。按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。说明：它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。（2）总线的分类：总线通常分为以下几类：芯片内总线：用于集成电路芯片内部各部分的连接。元件级总线：用于一块电路板内各元器件间的连接。内总线：又称系统总线。用于计算机各组成部分（CPU、内存、接口等）间的连接。外总线：又称通信总线。用于计算机与外设或计算机与计算机之间的连接或通信。按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。（3）时钟周期、总线周期和指令周期机器周期:通常从内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期,(也就是计算机通过内部或外部总线进行一次信息传输从而完成一个或几个微操作所需要的时间) 时钟周期：是计算机中最小的、最基本的时间单位，时钟周期表示了SDRAM所能运行的最高频率。更小的时钟周期就意味着更高的工作频率。若时钟晶振的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。如：晶振频率为6MHZ，则时钟周期Tosc=166.7ns。总线周期：通常把CPU通过总线对微处理器外部（存贮器或I/O接口）进行一次访问所需时间称为一个总线周期。指令周期：是指执行一条指令所占用的全部时间，一个指令周期通常含14个机器周期。（4）关于计算机总线的计算题公式1：总线带宽有成总线系统数据传送速率，是指单位时间传送的二进制位数（或每秒传送的字节数）。即总线带宽=存储器的数据传输率/存储周期（存储周期指连续两次存储器访问的最小时间间隔）。公式2：MIPS表示每秒百万条指令数。MIPS=指令条数/（执行时间*106）=时钟频率/(CPI*106)。其中CPI表示执行一条指令所需的时钟周期数题目：跨越程序员必备训练P86-87;三、存储系统 1、存储器的分类（1）在存储器所处的位置，分为内存和外存。（2）按工作方式分为读写存储器和可读存储器。（3）按寻址方式分为 随机存储器（RAM）：这种存储器可对任何存储单元存入或读取数据，访问任何一个存储单元所需的时间是相同的。如内存。 顺序存储器：访问数据所需要的时间与数据所在的存储位置相关。如磁带。 直接存储器：介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式。比如磁盘，它对磁道的寻址是随机的，而在一个磁道内则是顺序寻址。2、存储器的层次结构（1）高速缓存（cache）：高速缓存是用来存放当前最活跃的程序和数据，作为主存局部域的副本，其构造主要偏向于静态RAM（后有解释静态RAM）组成：控制部分和cache存储器部分。工作过程：cache存储器部分用来存放主存的部分拷贝（副本）信息。控制器部分的功能是判断CPU要访问的信息是否在cache存储器内，若在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对cache存储器寻址；未命中时，要按照替换原则决定主存的一块信息放到cache存储器的哪一块里。cache的基本原理：CPU与cache之间的数据交换是以字为单位，而cache与主存之间的数据交换是以块为单位。一个块由若干定长字组成的。当CPU读取主存中一个字时，便发出此字的内存地址到cache和主存。此时cache控制逻辑依据地址判断此字当前是否在 cache中：若是，此字立即传送给CPU；若非，则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时，把含有这个字的整个数据块从主存读出送到cache中。CPU仅在所有级别的cache中都不命中时，才访问主存。cache的命中率与cache容量的关系：cache容量越大，则命中率越高；但是，增加cache的容量则意味着cache的成本增加以及cache的命中时间的增加。替换算法：随机替换算法，先进先出算法，近期最少使用算法，优先替换算法（必须先执行一次，统计cache的替换情况，然后在第二次执行该程序时便可以用最有效的方式来替换）性能分析：cache的性能是计算机系统性能的重要方面。而命中率是cache的一个重要指标，但不是最重要的指标。因此cache设计的目标是在成本允许的条件下达到较高的命中率，使存储系统具有最短的平均访问时间。多级缓存：目前所有主流处理器大都具有一级缓存和二级缓存，少数高端处理器还集成了三级缓存。其中，一级缓存可分为一级指令缓存和一级数据缓存。一级指令缓存用于暂时存储并向CPU递送各类运算指令；一级数据缓存用于暂时存储并向CPU递送运算所需数据，这就是一级缓存的作用 那么，二级缓存的作用又是什么呢？简单地说，二级缓存就是一级缓存的缓冲器：一级缓存制造成本很高因此它的容量有限，二级缓存的作用就是存储那些CPU处理时需要用到、一级缓存又无法存储的数据。同样道理，三级缓存和内存可以看作是二级缓存的缓冲器，它们的容量递增，但单位制造成本却递减。需要注意的是，无论是二级缓存、三级缓存还是内存都不能存储处理器操作的原始指令，这些指令只能存储在CPU的一级指令缓存中，而余下的二级缓存、三级缓存和内存仅用于存储CPU所需数据。 缓冲与缓存的区别：buffer（缓冲）是为了提高内存和硬盘（或其他I/0设备）之间的数据交换的速度而设计的，一般而言是根据磁盘的读写设计的，把分散的写操作集中进行，减少磁盘碎片和硬盘的反复寻道（比如往U盘里拷贝一个较大数据，U盘灯并不是马上跳动，而是要等一会）；cache（缓存）是为了提高cpu和内存之间的数据交换速度而设计，也就是平常见到的一级缓存、二级缓存、三级缓存等。简单来说，buffer是即将要被写入磁盘的，而cache是被从磁盘中读出来的。寄存器与高速缓存：严格来说，寄存器是直接在CPU内部构建的存储单元，属于CPU的一部分 缓存只是集成到cpu封装；cache是cpu寄存器和内存之间的桥梁，其缓冲加速作用；（2）主存储器 按工作方式分类：读写存储器（RAM）和只读存储器(ROM)。 静态RAM和动态RAM：根据存储单元的工作原理，RAM 又分为静态RAM 和动态RAM。静态RAM 用触发器作为存储单元存放1 和0，存取速度快，只要不掉电即可持续保持内容不变。一般静态RAM 的集成度较低（存储相同的数据，静态RAM的体积是动态RAM的6倍），成本较高。动态RAM 的基本存储电路为带驱动晶体管的电容。电容上有无电荷状态被视为逻辑1 和0。随着时间的推移，电容上的电荷会逐渐减少，为保持其内容必须周期性地对其进行刷新(对电容充电)以维持其中所存的数据，所以在硬件系统中也得设置相应的刷新电路来完成动态RAM 的刷新，这样一来无疑增加了硬件系统的复杂程度，因此在单片机应用系统中一般不使用动态RAM；但动态RAM比静态RAM集成度高、功耗低，从而成本也低，适于作大容量存储器。所以主内存通常采用动态RAM；高速缓冲存储器（Cache）使用静态RAM（一般而言，高速缓存的一级缓存采用静态RAM，而二级缓存采用高速动态RAM，高速动态RAM比常规动态RAM要快，但比静态RAM慢）。 计算单位：一般以ns（nanosecond）：纳秒，时间单位。一秒的10亿分之一，即等于10的负9次方秒。常用作内存读写速度的单位，其前面数字越小表示速度越快。）（3）外存储器： 组成：*记录面：记录信息的磁介质表面。 *磁道：每一个记录面上都分布着若干同心的闭合圆环，数据就记录在磁道上。使用时需要对磁道进行编号，按照半径递减的次序从外到里编号，最外一圈为0道，往内道号依次增加。最内圈的位密度为最大位密度。 *扇区：每个磁道上又分为若干段，每一段称为一个扇区。存取时间、寻道时间和等待时间*寻道时间：磁头移动到目标磁道（柱面）所需要的时间*等待时间：待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间。一般用磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间。*存取时间：又称访问时间，是指磁盘磁头接到读写信号后，从当前位置移动到指定位置，并完成读写数据所需的时间。存取时间包括寻道时间和寻找扇区的等待时间。工作过程：根据第二点来说明。磁盘容量：磁盘能存储二进制位信息的总量，分为非格式化容量和格式化容量。一般情况下，磁盘容量指格式化容量。 非格式化容量=存放数据的盘面数*每面磁道数*磁道周长*（对应的）位密度 格式化容量=存放数据的盘面数*每面磁道数*每道扇区数*每个扇区存储的数据字节数*什么叫格式化？ 简单地说，格式化就是为磁盘做初始化的工作，以便我们能够按部就班地往磁盘上记录资料。好比我们有一所大房子要用来存放书籍，我们不会搬来书往屋里地上一扔了事，而是要先在里面支起书架，标上类别，把书分门别类地放好。我们新购买的磁盘在使用之前，要能让操作系统认得它，要先写入一些磁性的记号到磁盘上的每一扇区，便可在该操作系统下取用磁盘上的数据，这个动作就称为格式化。*格式化后容量会变小吗答：格式化后不会使硬盘变小。格式花前的容量是按照厂家计算的，而格式化后的容量是按照计算机计算的。例如：我新购买了一块80GB的硬盘，但是我在格式化后发现硬盘少了78GB的空间，请问一个80G的硬盘在格式化完后少了78GB的容量是否为正常吗？ 出现这样的问题是由于厂家和计算机系统之间的算法不同而造成的。 厂家算法：80GB=1000bit1000100080=80，000，000，000bit 系统算法：80，000，000，000bit=1024bit1024102472.2=72.2GB 通过以上的两种算法的对比，您可以清楚地发现如果按照系统算法来计算的话，会少7.8G。磁盘传输速率R：磁头找到地址后在单位时间内写入或读出的字节数。 R=B/T； 其中，B表示一个磁道上记录的数据字节数；T表示磁盘旋转一周所需的时间。（4）高速缓存、内存和硬盘的比较容量：高速缓存内存高速缓存内存硬盘，但严格意义上寄存器属于CPU，不能单独拿来比较价格：高速缓存内存硬盘(单位存储量下)高速缓存和内存只有在通电的情况下才能保存内部数据。一旦断电，高速缓存和内存里的数据会全部丢失。而硬盘内数据却不会受断电影响（正常关机）。3、虚拟存储器（1）作用：内存在计算机中的作用很大，电脑中所有运行的程序都需要经过内存来执行，如果执行的程序很大或很多，就会导致内存消耗殆尽。为了解决这个问题，Windows中运用了虚拟内存技术，即拿出一部分硬盘空间来充当内存使用，当内存占用完时，电脑就会自动调用硬盘来充当内存，以缓解内存的紧张。（2）原理：把很大的程序（数据）分成许多较小的块，全部存储在辅存中。运行时，把要用到的程序（数据）块先调入主存，并且把马上就要用到的程序块从主存调入高速缓存。这样，一边运行程序，一边进行所需程序（数据）块的调进调出，程序就能顺利地运行下去。四、输入输出技术1、微型计算机中常用的内存与接口的编址方式（1）内存与接口地址独立编址 编址方法：在该方式下，存储器地址（一般指内存地址）和接口地址是完全独立的两个地址空间。访问数据时所使用的指令也完全不同，用于接口的指令只用于接口读写，其余的指令全都是用于存储器的。 优缺点：优点是比较容易区分是对存储器操作，还是对端口进行操作，而且，外部设备不占用存储器的地址空间；缺点是用于接口的指令太少，功能太弱，操作不灵活。（2）内存与接口地址统一编址方式 编址方法：从存储器空间划出一部分地址空间给I/O设备，把I/O接口端口当作存储器单元一样访问而不设置专门的I/O指令。优缺点：优点是原则上用于存储器的指令全都可以用于接口，大大增强了对接口的操作功能；缺点是不易区分是对存储器操作还是对I/O操作，同时需要全部地址参与译码，影响速度。2、CPU与外设的三种数据交换方式（1）程序控制方式控制方法：CPU直接通过I/O指令对I/O接口进行访问操作，主机与外设之间交换信息的每个步骤均在程序中表示出来，整个I/O过程都是由CPU执行程序来完成的。无条件传送和程序查询方式：程序控制方式具体实现时分为立即程序传送方式（也叫同步传送方式或无条件传送方式）和程序查询方式（又称异步传送方式）两