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G1122X@qq.com1计算机组成原理第一章微型计算机的概述1.电子计算机的发展历程通常分为五代:第一代电子管时代的电子计算机;第二代晶体管时代的电子计算机;第三代小、中规模集成电路时代的电子计算机;第四代大、超大规模集成电路时代的电子计算机;新材料、新技术取代硅半导体器件和冯·诺依曼结构体系的新一代电子计算机。微型计算机始于20世纪70年代初期,是第四代电子计算机的一个重要分支。微型计算机与其他大、中、小型计算机比较,主要区别在于中央处理器(CPU)上,它将传统计算机的运算器和控制器等,集成在一块超大规模集成电路芯片上,常把微型计算机的CPU芯片称为微处理器。微处理器:将传统计算机的运算器和控制器等集成在一块超大规模集成电路芯片上。微型计算机:由微处理器为核心、再配上存储器、接口电路所组成G1122X@qq.com2微处理器、微型计算机和微型计算机系统框图冯·诺依曼计算机的组成数据与指令均以二进制数形式存放在存储器使用程序存储方式工作微处理器主要由运算器和控制器两部分组成;微型计算机主要由微处理器、存储器、外设的输入/输出接口电路组成,它们之间是由系统总线连接起来的;微型计算机系统是由微型计算机(称为裸机)、I/O设备和软件组成的。2.计算机的性能指标字长CPU一次能处理的二进制数据位数,决定着寄存器、运算器、数据总线的位数;表示的数据范围、精度存储容量主存和辅存的G1122X@qq.com3运算速度每秒所能执行的指令条数,大中型机常用--每秒百万条指令(MIPS),微型机常用--主时钟频率(主频),主存的速度兼容性软件不需修改就可在其它计算机上运行,将计算机设计为同系列可靠性用平均无故障时间表示(在规定的时间和工作条件下,正常工作而不发生任何故障的概率)微型计算机主要应用于科学计算、信息处理、计算机辅助设计、实时控制、计算机通信、人工智能和计算机仿真等方面。组成微型计算机的组装部件主要有,主板、光盘驱动器、硬磁盘驱动器、主机箱和电源等。常用的I/O设备有键盘、鼠标、显示器等。第三章存储系统微型计算机存储器系统示意图RandomAccessMemory,(RAM)随机访问方式,主存SequentialAccessMemory,顺序访问方式,磁带DirectAccessMemory,直接访问方式,磁盘AssociativeAccessMemory,关联访问方式例如cache3.存储器的主要性能指标:存储容量存取速度---对主存可靠性存储器的带宽(Bandwidth)-----对主存半导体存储器:一般可分为RAM和ROM两大类,具有存取速度快、体积小、功耗低、集成度高、稳定性强等优点,一般都采用随机访问的方式。1、、RAM数据易失,必须电源供应;仅用于临时存储数据;又可分为:静态随机存储器(StaticRAM,SRAN)和动态随机存储器(DynamicRAM,DRAM)动态随机存储器(DRAM)每个存储位元中的电容被充电、有电荷表示存储信号1被放电、无电荷表示存储信号0模拟设备;需要定时刷新:有电荷泄露(放电)的趋势,需要对电荷充电以保持原状态。需刷新电路;位元较小(集成度高)、成本低、相对慢用于主存静态随机存储器(SRAM)存储位元:双稳态触发器,存储二进制数据0/1数字设备只要电源供应,不需要定时刷新位元较大、成本高、更快用于高速缓存2、、ROM掩膜只读存储器MaskedROM,简写为MROM,储内容在芯片制造过程中,确定不能修改可编程只读存储器(ProgrammableROM,PROM)专用的编程器出厂后全“0”或全“1”一次性写入,不能修改可擦除可编程只读存储器(ErasableProgrammableROM,EPROM)专用设备写入、擦除紫外线照射,擦除芯片全部信息为1,可反复擦写电可擦除可编程只读存储器不需要先擦除,写操作时间远远大于读操作,字节级别的更新微型计算机存储器系统示意图G1122X@qq.com4大量用于单片机FlashMemory存储器(FROM)读写速度更快,块级别的更新微型硬盘存储器与CPU的连接3、、存储器的扩展位扩展、例如:用4K*4组成4K*8的存储器字扩展、各个单元的位数与所需的存储器或CPU字长相同,而单片存储芯片的容量有限例如:用16K×8位RAM芯片,扩展成64K×8位的存储器字位扩展其容量和每个单元的位数均不能满足要求时,不仅要位扩展,还需要字扩展图3.10存储器与CPU连接的示意图G1122X@qq.com54、、虚拟存储器产生原因:由于CPU的寻址空间远远大于目前内存的存储容量虚拟存储技术:增加部分硬件或软件的支持,使内存和外存形成一个有机整体,用户可以把外存和内存当做一个存储器使用。它使微型计算机具有外存的容量和近似内存的速度。第四章中央处理器CPU1、、计算机功能计算机的工作过程就是计算机执行程序的过程。首先给将要运行的程序和数据分配主存;再者,计算机工作时,CPU按顺序逐条取出指令、分析指令、执行指令,并自动跳转下一条指令,直到程序完成。2、、指令周期指令周期是指处理一条指令所需要的过程;它包括取指周期、执行周期。如下图所示:ALU(arithmeticlogicunit)运算器/算术逻辑单元CU(ControlUnit):控制器IR(InstructionRegister):指令寄存器MAR(memoryaddressregister):地址寄存器MBR(memorybufferregister):缓冲寄存器PC(ProgramCounter):累加器执行动作分为以下几类:CPU与主存间的数据传输CPU与I/O间的数据传输数据处理:算逻运算控制:操作顺序的改变,e.g.jump第六章总线分类:在微型计算机系统中,根据总线连接的对象和范围不同,可以把总线分成3层芯片总线:内部总线;系统总线:板级总线,内总线.外部总线:通信总线根据总线传输信号的不同,可以把总线分成3类。数据总线:双向总线;地址总线。是微处理器向内存、I/O发送命令信号和外界向微处理器传送状态信号等的通道;控制总线。是微处理器向内存、I/O传送控制信息的通道。有的是外设到微处理器的信号,如等待信号、中断请求信号等。G1122X@qq.com6(2.)总线的性能参数:总线时钟频率:总线的工作频率,单位为MHz,影响总线传输速率的重要因素之一。总线宽度:数据总线的位数,单位为位(bit)。(位宽)总线传输速率:在总线上每秒钟传输的最大字节数,单位为MB/s。传输速率=总线时钟频率×总线宽度/8(总线带宽)第八章输入/输出系统1、I/O接口I/O接口是指CPU与外部设备之间通过系统总线进行连接的逻辑部件(或称电路),它是CPU与外部设备进行信息交换的中转站。为了解决外部设备和CPU相连时存在的很多问题,它们之间的数据交换必须通过接口来完成按数据传输的宽度,可分为并行接口与串行接口,按输入/输出的信号,可分为数字接口和模拟接口。主机与外设之间传送的信息:数据信息、控制信息、状态信息、I/O寻址信息2、主机与外设信息传送控制方式:程序查询方式、中断处理方式、DMA(直接存储器存取)传送方式;I/O通道控制方式程序查询方式是发送指令查看外设是不是准备好,外设寄存器是不是空的;中断系统:内部中断:也称软件中断,是由处理器检测到异常情况或执行软件中断指令所引起的一种中断。外部中断:也称硬件中断,是由CPU的外部中断请求信号触发的一种中断,分为不可屏蔽中断NMI和可屏蔽中断INTR。中断顺序:内部中断、NMI中断、INTR中断和单步中断。中断的优先权判断方法:软件判优、硬件判优软件判优:优先级高的先查询,优先级低的后查询。通过修改程序可调整设备的优先级。硬件判优:是靠硬件电路实现的。一旦电路设计好,优先级就不能更改,成本较高,但速度快中断响应条件:非屏蔽中断请求,则CPU执行完现行指令后,就立即响应中断。可屏蔽中断请求,能否响应中断,还取决于CPU的中断允许触发器的状态。接口在计算机中的地位及作用数据线控制联络控制总线地址总线数据总线CPU接口外设G1122X@qq.com7中断处理的过程如下:中断的优缺点:优点:实现了外设的并行工作,大大提高了计算机系统的工作效率。缺点:需要通过CPU执行程序来实现外设与内存之间的信息传送;每次为传输一个字节或字要中断一次,要花费时间保护断点和现场,对于高速I/O设备太慢。结论:中断方式不适用于大批量的数据高速传输。DMA直接存储方式:(DirectMemoryAccess,DMA)直接存储器存取在内存与外部设备之间开辟专用数据通道,实现外部设备与内存之间数据的直接传送,而不通过CPU.优点是:传送效率高,适用于高速传送大批量数据缺点是:电路结构复杂,硬件开销较大。为实现这种传送方式而设计的专用控制芯片称为DMA控制器(工作原理见下图)3、存储设备的接口有五大类:IDE、SCSI、USB,并行口,串口等,其中并行口与串口的速度相对慢的多。……实现并行通信的接口电路称为并行通信接口,简称并行接口。并行输入/输出设备,如打印机、扫描仪等。并行口接口特性:接口传输数据宽度:即CPU可以通过接口一次传送的数据位数。接口控制线:接口控制线用于协调并行的数据传输。内部含有数据口、控制口、状态口3部分,分别占用了3个I/O端口,通过它们实现数据输出和控制信号的输入/输出。串行通信:数据在一根传输线上一位一位的按顺序传送的通信方式.串行接口特性:只需要一条传输线,所有的数据、状态、控制信息都是在这一根传输线上传送的。计算机操作系统G1122X@qq.com8第一章:操作系统的形成与发展1、多道程序设计技术指在主存中同时存放多个作业,并允许它们交替执行。多道程序系统具有以下特征:(1)多道性。有效提高资源利用率和系统吞吐量。(2)无序性。作业完成的先后顺序与他们进入内存的顺序之间无严格的对应关系(3)宏观上并行、微观上串行。操作系统(OperatingSystem,简称OS):一组软件构成的集合。用户角度:方便用户使用资源管理角度:管理计算机资源,提高系统效率。资源包括两大类:硬件资源和信息资源。四大资源:处理机、存储器、I/O设备、软件2、操作系统的地位(OperatingSystem,简称OS)操作系统是在计算机硬件的基础上对硬件进行的第一层扩充,它是计算机系统中最核心的系统软件,其它的系统软件和应用软件都是在操作系统的基础上构建起来的。用户应用软件或应用系统其他的系统软件操作系统计算机硬件第二章、进程管理1、进程的概念多道程序系统出现—为了描述程序的并发执行,而引入进程概念。进程有很多不同的定义:进程是程序的一次执行实例。或者进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位进程实体组成:程序段+相关数据段+PCB(进程控制块)进程控制块:(ProcessControlBlock)PCB进程控制块是进程存在的标志,创建进程,实际上就是为其建立一个进程控制块。OS利用PCB来控制和管理进程。PCB是系统感知进程存在的唯一标志。进程与PCB是一一对应的。进程控制块的组织方式:PCB表:系统把所有PCB组织在一起,将它们放在内存中的固定区域,就构成了PCB表。具体时,系统根据进程的状态,将其PCB数据结构组织在相应状态的队列中。2、进程的状态及其转换状态:就绪状态(Ready),运行状态(Running),等待状态(Wait/Blocked)三种状态模型五种状态进程模型3、进程调度调度的目标、实质:合理分配处理器资源进程调度策略调度方式:时机;选择函数:调度算法G1122X@qq.com9进程调度的方式:剥夺式/抢占方式(Preemptivemode):正在运行的进程被迫将CPU的使用权交给一个按照某种剥夺原则此时更适合占用CPU的进程。常见的剥夺原则有优先权原则、短进程优先原则和时间片原则。特点:算法相对复杂些,较大的系统开销,反映出进程的优先级特征。轮转调度(RR),最短剩余时间优先(SRT),分级轮转法。非剥夺式/非抢占方式(Non-Preemptivemode):一旦把处
本文标题:计算机组成原理与操作系统
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