计算机系统基础.ppt

1、计算机系统的基础、CPU的组件、CPU是计算机系统的关键组件，由计算单元(ALU)、控制单元(CU)、寄存器组、总线接口组件等组成。ALU负责完成算术和逻辑运算功能。CU控制计算机命令执行过程；寄存器组用于存储正在执行的命令、操作数和中间结果。ALU和CU通过CPU内部总线连接，CPU、存储和I/O设备通过系统总线连接。CPU控制器由程序计数器、命令寄存器、命令解码器、状态/条件寄存器、时序生成器和微操作信号生成器组成。主要功能是从内存中删除命令，下一个命令指出在内存中的位置，通过命令寄存器将命令传递到命令解码器，通过命令分析发送适当的控制和计时信息，控制和调整计算机的每个组件。执行有序的任务

2、，完成说明中列出的任务。严格控制CPU功能、命令控制和程序执行顺序是CPU的首要任务。操作控制，CPU生成操作信号，传递给控制部件，检测每个部件发送的信号，是按照指示完成规定任务的基础。时序控制，将时间控制应用于操作信号是时序控制。只有严格的计时控制才能确保每个功能组件的组合构成有机的计算机系统。数据处理、计算和处理称为数据加工。数据处理是完成程序功能的基础，也是CPU的基本任务。CPU的特性，CPU通过总线控制存储和I/O操作。CPU通过发出简单的命令来执行复杂的任务或任务。CPU能够根据简单实用的实际数字进行判断，即通过简单的判断控制程序流。内存、内存是计算机用来存储信息的内存部分，用于存

3、储程序、原始数据、中间结果和最终结果。存储由许多存储单元组成。为区分徐璐其他存储单元，请为每个存储单元提供一个称为地址的编号。运行程序时，CPU会自动连续地从内存中删除命令，并执行命令中规定的操作。计算机必须在每次完成命令时至少执行一次访问内存的操作，并将处理结果存储在内存中。因此，内存是微机系统不可缺少的组成部分，是计算机中各种信息的存储和交换中心。计算机的存储系统由多种存储设备组成，主要有访问速度、访问方法、存储容量和成本等性能指标。按访问分类的内存、只读内存ROM:通常用于存放微型计算机的系统管理员、显示器等。随机访问内存RAM:通常用于存储输入、输出数据和中间结果，以及与外部内存交换信

4、息。顺序访问内存SAM:只能按与存储设备物理位置相关的特定顺序访问。顺序读取和写入的特点和操作速度慢，经常用作磁带等外部内存内存。直接访问内存DAM:访问数据时，DAM可以直接访问存储介质，而无需执行完全按序搜索。例如，磁盘和磁盘是典型的直接访问内存。存储介质特定的内存分类，半导体内存：由多个芯片组成的大容量存储。半导体存储器分为双极型半导体存储器和MOS型半导体存储器。阳极半导体存储器使用TTL电路或ECL电路作为存储设备，访问速度快，但功耗高，集成度低，速度快，容量小。MOS型半导体存储器主要使用主存储器。磁表面存储器：根据记录介质的形状，磁表面存储器具有光盘、磁带、鼓、磁卡等结构。主要特

5、征是存储容量大，比特价格低，但结构是机械组合，工艺复杂，访问速度慢，主要用作辅助存储。根据其他分类方法的存储分类、信息的可存储性，分类为非易失性存储器和非易失性存储器。(莎士比亚，非挥发性，非挥发性，非挥发性，非挥发性，非挥发性，非挥发性)停电后存储的信息消失的内存是非易失性内存，RAM是非易失性内存。相反，非易失性内存ROM、闪存和磁性材料内存都是非易失性内存。根据计算机的作用，它分为主内存(内存)、辅助内存(外部内存)、缓冲内存等。主存储速度高，但容量小，比特价格高。辅助存储速度慢，容量大，价格低。缓冲内存徐璐在具有不同运行速度的两个部件之间使用，并在信息交换过程中充当缓冲。存储的关键性能

6、指标，存储容量：存储容量通常以字节(Byte)为单位。存取速度：以存取时间和存取周期来衡量。访问时间：完成存储读/写操作所需的时间，也称为读和写时间。尤其是从接收存储到寻址地址弹出或存储数据所需的时间。访问周期：连续读/写操作所需的最小时间间隔。存储带宽：每秒可访问的位数。1/存储周期显示每个周期可访问的字节数。资料速率：每秒输入/输出的资料位元数。随机访问速率=1/内存周期非随机访问读写N位所需的平均时间=平均访问时间N位/数据速率，主内存配置，主内存主要由存储器、地址解码器、驱动电路、读写电路和定时控制电路组成。储存体：元件只能储存一个资讯。半导体存储器是将多个位合并到一个芯片上，然后在某

7、些芯片上扩展的存储阵列。物理内存总是由一个或多个内存芯片和控制电路组成。单个内存芯片的存储容量有限，因此通常需要将多个内存配置为特定数量的存储设备。存储容量扩展，单词扩展方法：单个内存芯片的容量表示“字数”，“单词”表示存储单元数，“位”表示每个存储单元构成的位数。如果芯片规格为16K8，则构成64K16的存储需要(64/16)K (16/8)=8个芯片。这种扩展方法通常称为词扩展法，具体实现时，新添加芯片的地址线、数据线和读/写控制线与现有芯片对应的线连接在一起，切片选择由地址总线高层控制。位扩展方法：位扩展时要扩展的总容量除以单个内存芯片的容量。如果使用8K1的内存芯片配置8K8的存储容量

8、，则需要8个芯片。在实施过程中，只需将相应的数据线、系统总线的地址线连接到内存芯片的地址线即可。由于切片选择信号的要求，切片选择信号直接接地。内存的地址编码，主内存采用随机访问方法，内存由多个存储单元组成，每个存储单元都有唯一标识称为内存地址(或物理地址)的存储设备的编号。存储内部按字节组织，相邻的两个字节称为“单词”。例如，如果存储器以从A4000H到CBFFFH的地址字节寻址(CBFFFHA4000H)，则可以表示单字节(或160KB)，即总计28000H。寻址的基础可以是字节或单词。要计算地址位数，首先计算要寻址的单词或字节数，然后获取2的对数即可。它按层将存储分层、不同的存储容量、访问

9、速度和价格的存储组织到多层存储中，并通过管理软件和辅助硬件进行组整合以形成整合的整体。将存储的程序和数据分层分布在各种存储上，形成存储系统的多层。当前计算机系统通常使用包含缓存缓存缓存缓存、主存储和次存储的三层配置存储系统。将缓存引入基于缓存的存储系统层是为了解决CPU和主内存之间的速度差异，从而提高CPU生产效率。Cache是一种存储，它位于CPU和主内存之间，具有较小的存储空间和快速访问速度，用于保存CPU上常用的命令和数据。使用高速缓存可以缩短内存访问时间，这对于提高整个处理器的性能非常有用。缓存的所有功能都由硬件实现，对程序员来说是“透明的”，因此程序员不必明确知道高速缓冲内存的存在。

10、由于缓存的存在，程序员面临着缓存速度和主内存容量都具备的存储系统。CPU不仅需要与缓存连接，还需要与主内存保持路径。Cache的实现原理，在计算机系统中安装Cache的基础是程序访问的局部原理。也就是说，要访问的数据大部分集中在内存的部分区域。Cache的命中率和辍学率，Cache的命中率和辍学率是以百分比表示的概率，是CPU访问Cache时发现的信息和要查找的信息的百分比。缓存的访问命中率为H(辍学率为1-h)。如果缓存的访问周期为t1，主阵列的访问周期时间为T2，则整个系统的平均访问时间t3=ht1 (1-h) T2。高速缓存退出算法：随机退出、先进先出退出(FIFO)、最近最小使用算法(

11、LRU)。缓存内存写入操作、直接写入：写入缓存时同时写入主内存。重写：写缓存时不立即使用主内存，淘汰时重写。符号：此方案实际上是缓冲写入直通，它首先将要写入高速缓存的数据复制到缓冲内存。然后将此副本写回主内存。)、基于磁盘内存、磁道数：磁盘上存储的信息以一系列同心圆格式写入磁盘表面的磁介质。每个同心圆称为轨道。轨道从外部到内部按顺序编号。扇区数：磁盘上的每个轨迹都分为多个圆弧段，称为一个扇区。扇区是磁盘的基本存储单位，每个扇区的存储容量统一为512字节。扇区是磁盘的基本存储单位，每个扇区的存储容量统一为512字节。读取和写入软盘时，无论数据量如何，都要读取和写入一个或多个完整扇区。硬盘和性能指

12、标，硬盘内存大小小，容量大，读/写速度快，使用方便，是PC中最重要的外部内存。硬盘内存外部采用铝合金外壳，封闭内部主要部件。硬盘外部包括电源接头、数据接口、控制板、固定盖板和安装螺钉孔。硬盘性能指标，支柱面数：硬盘驱动器将多个圆形磁盘沿相同的中心轴重叠，典型的磁盘数为2-14，格式化时，每个磁盘片将分割相同的磁道，并在外部进行编号，以使每个片上编号相同的磁道在空间中形成空核心的圆柱面存储结构。此圆柱面称为硬碟的圆柱面，容量：硬碟的储存容量是所有单一磁碟容量的总和。作为PC的外部存储，硬盘容量越大越好，但由于仅限于成本和体积，磁盘数量越少，因此增加单个磁盘容量是提高硬盘容量的关键。硬盘性能指标，

13、平均等待时间：数据所在扇区移至磁头下的平均时间，磁盘旋转周期的1/2，毫秒(ms)。平均寻道时间：磁头移至包含数据的磁道所需的平均时间(毫秒)。这是衡量硬盘机械能力的重要指标，平均寻道时间越小越好，通常在5-l0ms之间。平均访问时间：磁头从起始位置稳定到目标位置，找到要从目标位置读取/写入的数据扇区所需的总时间(毫秒)。平均访问时间等于平均寻道时间和平均等待时间之和。平均存取时间最能代表硬碟寻找资料所需的时间，平均存取时间越短越好。硬盘性能指标，数据传输速率：也称为磁盘的吞吐量，分为外部数据传输速率和内部数据传输速率。外部数据传输速率通常称为接口传输速率，表示主机接口将数据写入硬盘缓存的速度

14、，单位为兆字节/秒(MB/s)。主轴转速：硬盘驱动器中主轴的旋转速度(旋转/分钟(r/min)。连续无故障时间(MTBF):指示从开始执行到失败的最大时间(h)。旋转延迟：必须等待磁头到达指定磁道，所需扇区旋转到读/写磁头下面。传播时间：磁盘和内存之间信息的实际传播时间。相关公式，硬盘容量=磁柱数扇区容量(硬盘的第一个和最后一个面用于保护，计算时必须减去)磁道数=(外部半径-内部半径)通道密度记录数未格式化容量=最大位密度最大内环直径磁道总数格式化容量=每个扇区的磁道总数平均数据传输等待时间是等待读取和写入的扇区移至磁头下的时间总磁盘服务时间=寻道时间旋转延迟时间传输时间、基本输入/输出系统、

15、微机系统的输入/输出通常表示计算机与外部设备之间的信息交换(也称为通信)。输入/输出系统是计算机与外部进行数据交换的通道。各种外部设备和计算机之间的通信通过接口进行。接口部件的作用包括数据缓冲区、隔离、数据格式交换、寻址、同步联系和时序控制。外围设备、外围设备是外部设备。在计算机硬件系统中，外围设备相对于计算机主机。计算机主机处理数据前后将数据输入计算机、处理数据、输出结果的设备称为外围设备，无论其是否直接由中央处理器控制。外围设备是为计算机和外部环境提供通信手段的设备。因此，计算机主机以外的设备原则上称为外围设备。外围设备通常包括介质、设备和设备控制器。外围设备的类型各不相同，一般根据数据的

16、处理能力进行分类，分为I/O设备、外部存储设备、多媒体设备、网络通信设备、外围处理器等。I/O设备和I/O设备是人和计算机最重要的接口。可以通过向计算机发送程序、数据、命令来处理的设备都是输入设备。不同的输入设备在工作原理和工作速度上有很大差异。输入设备包括字符输入设备(如键盘、条形码阅读器、磁卡机)、图形输入设备(如鼠标、图形数字化仪、游戏杆)、图像输入设备(如扫描仪、传真、相机)、模拟输入设备(如模拟输入设备)输出可以是数字、文字、表格、图形、图像等。最常用的输出设备包括各种类型的显示器、打印机和绘图仪、数模转换器、缩微胶片输出设备等。输入/输出接口功能、寻址功能输入/输出功能数据转换功能

17、联络功能中断管理功能接收重置信号和接口初始化可编程功能错误检测功能、接口分类方法、根据数据传输格式，可分为并行接口和串行接口。通过时序控制，可以分为同步接口和异步接口。根据主机访问I/o设备的控制方式，可以分为程序查询接口、中断接口、DMA接口和通道控制器。并行和串行接口，并行接口使用并行传输方法一次输入或输出一个字节的所有位，同时传输多个位。并行接口通常是指主机和I/O设备之间、接口和I/O设备之间并行传输数据。并行接口适用于传输距离近、速度相对快的操作，电路结构相对简单。串行接口使用串行传输方法，数据的所有位都按顺序输入或输出。通常，接口和I/O设备之间使用串行传输，串行接口和主机之间使用并行处理。串行接口适合远距离传输，速度要求不高。同步