组成原理第一章(v1.1)

组成原理第一章(v1.1)REPORTING目录绪论数据表示与运算存储系统中央处理器总线系统输入输出系统PART01绪论REPORTINGWENKUDESIGN包括硬件系统和软件系统两大部分，其中硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成，而软件系统则包括系统软件和应用软件。计算机系统的基本组成从微观到宏观可分为微程序机器级别、传统机器语言级别、操作系统级别、汇编语言级别、高级语言级别和应用软件级别。计算机系统的层次结构经历了电子管、晶体管、集成电路和超大规模集成电路等四个发展阶段，目前正在向生物计算和光计算等方向发展。计算机系统的发展计算机系统概述运算器控制器存储器输入/输出设备计算机的组成与结构执行各种算术和逻辑运算操作的部件，其核心部件是加法器。存放程序和数据的部件，按照存储介质的不同可分为半导体存储器、磁表面存储器和光表面存储器等。指挥、协调计算机各部件工作的部件，其实现方式有硬布线控制器和微程序控制器两种。实现计算机系统与外部世界联系的部件，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。指令的执行过程包括取指令、分析指令和执行指令三个阶段，其中取指令阶段从内存中读取指令并放入指令寄存器，分析指令阶段对指令进行译码并确定操作数的地址，执行指令阶段则根据指令的功能进行相应的操作。中断处理过程当中断请求发生时，计算机暂停当前程序的执行，转去处理中断请求，处理完中断请求后再返回原程序继续执行。中断处理过程包括中断响应、中断处理和中断返回三个阶段。系统调用过程应用程序通过系统调用请求操作系统的服务，操作系统根据系统调用的类型和参数执行相应的服务操作，并将结果返回给应用程序。系统调用过程包括参数传递、服务执行和结果返回三个阶段。计算机的工作过程PART02数据表示与运算REPORTINGWENKUDESIGN03十进制数与二进制数的转换掌握二进制、八进制、十六进制与十进制数之间的转换方法。01定点数表示法约定小数点的位置，从而确定数据的整数部分和小数部分。02浮点数表示法采用科学计数法表示数据，由尾数、基数和指数三部分组成。数值数据的表示

非数值数据的表示字符编码采用ASCII码、Unicode码等编码方式表示字符。汉字编码了解汉字的输入码、内码、字模码等编码方式。图像与声音的数字化掌握图像与声音的采样、量化和编码等数字化方法。数据的运算包括加、减、乘、除等基本算术运算。包括与、或、非等逻辑运算。包括左移和右移两种移位运算，用于数据的快速乘除和位操作等。了解运算器的组成和设计方法，如加法器、减法器、乘法器等。基本运算逻辑运算移位运算运算器设计PART03存储系统REPORTINGWENKUDESIGN存储器的定义：是能够接收和保存二进制信息，并能按接收信息的要求提供这些信息的设备。存储器的分类：按存储介质可分为半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器和生物存储器；按存取方式可分为随机存取存储器、顺序存取存储器、直接存取存储器和按内容访问的存储器；按信息的可保存性可分为非永久记忆的存储器和永久记忆性存储器；按在计算机系统中的作用可分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器、控制存储器和高速缓冲存储器。存储器的层次结构：为了缓解主存储器读写速度慢，不能满足CPU速度要求的矛盾，又要解决主存储器容量小，存不下更多的程序和数据的难题，当前计算机系统中，广泛采用了多级结构的存储器系统。存储器概述主存储器的基本组成01包括存储体、MAR（存储地址寄存器）、MDR（存储数据寄存器）、各种逻辑部件及控制电路等。主存和CPU的联系02主存的工作方式就是按CPU的指令进行读/写操作。在主存中执行读/写操作，必须有地址信息，这有赖于MAR；另外，数据要写入主存或从主存读出，这有赖于MDR。主存中存储单元地址的分配03主存各存储单元的空间位置是由单元地址号来表示的，而地址总线是用来指出存储单元地址号的，根据该地址可读出或写入一个存储字。主存储器辅助存储器的特点辅助存储器作为主存的后援设备又称为外部存储器，简称外存，它与主存一起组成了存储器系统的主存-辅存层次。辅存与主存相比具有容量大、价格低、速度慢的特点。磁带存储器磁带机是一种顺序存取的设备，存取时间较长，但存储容量大，便于携带，价格便宜，且能长期保存信息。磁盘存储器磁盘存储器是直接存取的设备，不需要顺序查找。磁盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和磁盘片组成。磁表面存储器的类型主要有磁带、磁盘存储器等。辅助存储器PART04中央处理器REPORTINGWENKUDESIGN控制器运算器寄存器组内部总线CPU的功能和组成01020304负责指令的取指、分析和执行等操作，控制计算机各部件协同工作。执行算术和逻辑运算，处理数据。包括通用寄存器、程序计数器PC、指令寄存器IR等，用于暂存数据和地址。连接CPU内部各部件，实现数据传输。包括操作码和地址码，指明要执行的操作和操作数的地址。指令格式寻址方式指令周期确定操作数有效地址的方式，如立即寻址、直接寻址、间接寻址等。CPU从取指到执行完一条指令所需的时间。030201指令系统确定CPU内部各部件的组成和连接方式。CPU的结构设计包括微程序控制和硬布线控制，实现指令的执行和控制信号的传递。CPU的控制方式如主频、CPI、MIPS等，衡量CPU的性能。CPU的性能指标CPU的设计PART05总线系统REPORTINGWENKUDESIGN总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。总线定义总线结构上通常包含多个设备接口，通过总线进行数据传输和控制。总线结构为确保不同设备间的兼容性和互操作性，总线需遵循一定的标准和规范。总线标准总线的概念和结构性能指标总线的性能指标主要包括数据传输速率、时钟频率、总线宽度、负载能力等。总线分类根据数据传输方式，总线可分为并行总线和串行总线；根据使用范围，可分为计算机总线、测控总线和网络通信总线等。影响因素总线性能受多种因素影响，如传输介质、接口电路、传输协议等。总线的分类和性能指标总线操作总线操作包括读操作和写操作，即数据从总线上读取或写入到某个设备中。定时方式总线定时方式主要有同步定时和异步定时两种。同步定时依赖于统一的时钟信号进行数据传输；异步定时则通过应答方式进行数据传输。仲裁机制当多个设备同时请求使用总线时，需要通过仲裁机制来确定哪个设备优先获得总线使用权。常见的仲裁机制有集中式仲裁和分布式仲裁两种。总线操作和定时PART06输入输出系统REPORTINGWENKUDESIGN把数据或信息送入计算机的过程。输入(Input)把计算机处理后的结果转换为人们能识别或感知的形式并送出的过程。输出(Output)用于计算机与外部世界交互的设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。I/O设备连接I/O设备与主机之间的桥梁，用于实现数据的传输和控制。I/O接口I/O系统的基本概念123数据缓冲、信号转换、设备选择、中断管理等。I/O接口的功能统一编址和独立编址。I/O端口的编址方式程序查询方式、中断方式、DMA方式和通道方式。I/O控制方式I/O接口程序查询方式CPU通过程序不断查询I/O设备的状态，直到设备准备好数据为止。这种方式简单，但CPU利用率低。当I/O设备准备好数据后，通过中断请求通知CPU，CPU响应中断后进行处理。这种方式提高了CPU的利用率，但需要额外的中断处理程序。直接内存访问方式，I/O设