计算机组成原理(第二版)唐朔飞----各章节知识点

第一章知识总结（一）2017-04-19马辉安阳师院mh一个完整的计算机系统包括了硬件和软件两个子系统。硬件部分按冯诺依曼观点分为运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大功能部件。它们之间用系统总线进行连接。系统总线按传输内容分地址总线、数据总线和控制总线三类。软件部分包括系统软件和应用软件两类，它们通常使用机器语言、汇编语言和高级语言三种计算机语言进行编写。由于机器硬件电路只能识别用0、1编写成的机器语言程序，所以用汇编或高级语言编写的源程序在运行前需使用汇编程序、编译程序或解释程序进行翻译。软件的狭义观点是：软件是人们编制的具有各类特殊功能的程序，广义观点是：软件是程序以及开发、使用和维护程序需要的所有文档。为了简化对复杂的计算机系统的理解，对计算机系统进行了层次结构划分，通常分为微程序机器、传统机器语言机器、操作系统虚拟机、汇报语言虚拟机、高级语言虚拟机等。从不同角度、层次理解机器的功能与使用方法，简化了需要掌握的知识内容。虚拟机：依赖于一定的系统软件，所体现出的具有某种结构、功能和使用方法的计算机。计算机组成原理关注传统机器语言机器M1和微程序机器M0，它们是实际机器，所看到的机器功能与结构由硬件电路直接实现。冯诺依曼关于计算机结构的观点：1、计算机由五大功能部件组成。2、指令和数据均用二进制数表示，以同等地位存放于存储器中。3、存储器按地址进行访问。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中的位置。5、指令在存储器内按顺序存放，通常被顺序执行，在特定条件下，可根据运算结果或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。现代大部分机器仍采用“存储程序”思想构建，仍属于冯诺依曼结构的计算机。典型的冯诺依曼计算机以运算器为中心，现代计算机转化为以存储器为中心。现代计算机可认为由三大部分组成：CPU（包含了运算器和控制器、及高速缓存）、I/O设备及主存储器。CPU和主存合起来称主机（及电源、总线与I/O接口），I/O设备也称外设。运算器的核心是算术逻辑单元ALU，控制器的核心是控制单元CU。外存（辅存）属于I/O设备。第一章知识总结（二）2017-04-20马辉安阳师院mh存储元件（或称存储基元、存储元）：能存放一位二进制代码“0”或“1”的电路。存储单元：包含若干存储元，可存放一串二进制代码，通常对每一个存储单元分配一个唯一的单元地址。存储字：一个存储单元中所存放的二进制代码内容。存储字长：一个存储字二进制代码的位数。主存的工作方式就是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取（读出）。这种存取方式称为按地址存取，即按地址访问存储器（访存）。MAR：存储器地址寄存器，用来存放欲访问的存储单元的地址。MDR：存储器数据寄存器，用来存放从存储单元读出的代码或准备写入某存储单元的代码，其位数与存储字长相等。如若MAR为16位，MDR为32位，则配套存储容量为2的16次方乘于32位，即2Mb或256KB。ALU：算术逻辑单元ACC（或A、或AC）：累加器MQ：乘商寄存器X：操作数寄存器PC：程序计数器，存放欲执行指令的地址。IR：指令寄存器，存放当前正执行的指令代码。CU：控制单元，分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。机器字长：CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU中的通用寄存器位数一致。存储容量：包括主存容量和辅存容量，存储器能存放二进制代码量的表示。可以用总位数表示，或用字节数表示，主存更通常用单元数乘于存储字长表示。主频：CPU工作所使用的时钟信号的频率。主频取导为时钟周期，表示一个时钟信号持续的时间长度。MIPS：每秒钟执行多少百万条指令。（GIPS）CPI：执行一条指令所需的时钟周期个数。FLOPS：每秒浮点运算次数。（MFLOPS或GFLOPS或TFLOPS）第二章知识总结2017-04-21马辉安阳师院mh1946年，第一台电子数字计算机ENIAC诞生于美国宾夕法尼亚大学，它采用电子管构造，使用十进制运算。早期计算机的更新换代集中体现在组成计算机基本电路的元器件上，按此可以把计算机发展分为：第一代，电子管计算机；第二代，晶体管计算机；第三代，中小规模集成电路计算机；第四代，大规模、超大规模集成电路计算机。现代计算机作为一门独立学科迅猛发展，是由于微处理器的出现、软件技术的完善及应用范围的不断扩宽所带来的必然结果。1971年，美国Intel公司研制成世界上第一个4位的微处理器芯片4004。摩尔定律：微芯片上集成的晶体管数目每3年翻两番。微型计算机的发展在很大程度上取决于微处理器的发展，而微处理器的发展又依赖于芯片集成度和处理器主频的提高。计算机的应用：科学计算数据处理计算机控制（工业控制、实时控制等）网络应用（电子商务、网络教育、电子政务等）多媒体应用（电子动画、虚拟现实等）办公自动化管理信息系统CAD/CAM/CIMS/CAI人工智能（模式识别、语音识别、专家系统、机器人、自然语言理解等）第三章知识总结（一）2017-05-02马辉安阳师院mh总线：是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，理论上，允许多个部件同时从总线上接收相同的信息。从不同角度可以有不同的总线分类方法：按数据传送方式：并行传输总线和串行传输总线按总线使用范围：计算机总线、测控总线、网络通信总线按传输方向：单向总线和双向总线按连接部件的不同：片内总线、系统总线、通信总线片内总线：为并行总线，该组线路可传各种类型信息系统总线：为并行总线，按传输信息的不同，再分为数据总线、地址总线和控制总线三个组成部分。通信总线越来越多用串行总线总线的使用要考虑如下总线特性：机械特性、电气特性、功能特性、时间特性总线的性能指标最重要的是总线带宽（或叫总线数据传输率），单位时间内总线上传输数据的位数，以每秒传输多少位或多少字节表示。注意区分MBps和Mbps关键因素：一秒能传多少次，每次能传多少位。总线标准：ISA：工业标准结构总线EISA：扩充的工业标准结构总线VESA：视频电子标准协会总线PCI：外围部件互连总线AGP：加速图形端口总线USB：通用串行总线PCI-Express总线RS-232C总线第三章知识总结（二）2017-05-03马辉安阳师院mh总线主设备：对总线有控制权的设备或模块总线从设备：没有总线控制权，只能响应主设备发来的总线命令的设备或模块理解：1、在有些系统中主设备、从设备不是固定的2、主设备不一定就是向总线发送数据信息的设备总线判优控制（总线仲裁）：分配总线控制权，决定谁是主设备判优控制分为集中式和分布式两大类集中式细分为：1、链式查询：需三根线完成控制，但优先级固定，对故障敏感2、计数器定时查询：优先级灵活3、独立请求：需2n根线完成控制，速度最快通常将完成一次总线操作的时间称为总线周期，可分为4个阶段申请分配阶段；寻址阶段；传数阶段；结束阶段但对只有一个主设备的简单系统，可只需寻址和传数两个阶段。总线通信控制主要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。通常用四种方式：同步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信。同步通信：通信双方由统一时标信号控制数据传送。（按双方工作速度，确定一个时间标准，对双方动作的时间配合固定下来，什么时间就该干什么，完成通信过程，理论上任何设备间都可采用，通常用在速度较一致的设备间。）异步通信：没有公共的时钟标准，允许双方速度不一致，采用应答信号（握手信号）联络，决定双方的操作。异步通信的应答方式按联系紧密程度分不互锁、半互锁和全互锁三种。异步并行通信中有专门线路传输应答信号，但异步串行通信中为传输应答信号和信息，通常要约定传输字符格式，如：1个起始位（低电平），5～8个数据位，1个奇偶校验位，1或1.5或2个终止位（高电平）。传送时起始位后面紧跟的是传送字符的最低位。起始位至终止位构成一帧。（如何知道一个位传输时间？异步串行通信中也有时钟信号，通常用记够若干时钟代表传一位的时间，但该时钟信号不用于决定传输的开始和结束。）异步串行通信的数据传送速率用波特率来衡量波特率：单位时间内传送的二进制数据的位数，单位为bps。比特率：单位时间内传送的二进制有效数据的位数，单位为bps。第五章知识总结（一）原创2017-06-12马辉安阳师院mh现代计算机可认为由三大部分组成：除CPU和主存储器外，还有输入输出模块，又称I/O系统。I/O系统由I/O软件和I/O硬件两部分组成，其中I/O软件由I/O指令或通道指令编写，具有：①将用户编制的程序（或数据）输入主机内。②将运算结果输送给用户。③实现输入输出系统与主机工作的协调等作用；而I/O硬件在带有接口的I/O系统中包含接口模块及I/O设备两大部分。I/O设备与主机的联系方式包括：1、I/O设备编址方式。2、设备寻址。3、传送方式（并行传送、串行传送）。4、联络方式（立即响应、异步应答、同步联络）。5、连接方式（辐射式、总线式）等问题。其中编址方式分统一编址（不需设置专门的I/O指令）和不统一编址（需设置专用的I/O指令）两种。CPU和主存构成了主机，主机外的大部分硬件设备都可称为外部设备，简称外设。I/O设备大致可分为三类：人机交互设备、计算机信息的存储设备、机-机通信设备。其中人机交互设备可分为输入设备和输出设备两种。常见的输入设备有键盘、鼠标、触摸屏等；常见的输出设备有显示器、打印机等。显示器按显示器件划分，有阴极射线管CRT显示器、液晶LCD显示器、等离子PD显示器及发光二极管LED显示器等。分辨率和灰度等级（或颜色数）是显示器的两个重要技术指标，分辨率是指显示屏面能表示的像素点数，灰度等级是指显示像素点相对亮暗的级差。为使人眼能看到稳定的图像，显示屏需进行刷新，一般刷新频率要大于30次/秒。为进行刷新操作，需由刷新存储器（帧存储器或视频存储器）保存当前一屏信息内容，其容量与分辨率和灰度等级（或颜色数）有关，其带宽或存取周期要满足刷新要求。计算机处理汉字需考虑输入码、内码和字形码三个问题。输入码常从音、形两个角度考虑；内码用两个字节表示一个汉字，其来源于汉字统计、排序的区位码；字形码（字模码）用点阵或矢量曲线表示汉字字形，最小汉字点阵为16×16，在单色显示下该点阵一个汉字字形码需32B。国标码=区位码+2020H机内码=国标码+8080H（区位码区号在前，位号在后，从16区即10H区开始表示汉字，共1-94区，1-94位）I/O接口是指主机与I/O设备间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制，其作用有：设备选择、数据缓冲、数据格式转换、电平转换、接收控制命令、发送设备状态等。端口是指接口电路中的一些寄存器，按存放信息可分为数据端口、控制端口和状态端口等。I/O接口的分类：并行和串行接口、可编程和不可编程接口、通用和专用接口等。第五章知识总结（二）原创2017-06-13马辉安阳师院mh程序查询方式是指由CPU通过执行程序不断查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。该方式中，只要一启动I/O设备，CPU便不断查询I/O设备的准备情况，从而终止了原程序的执行。当I/O设备准备就绪后，CPU要执行I/O读写指令完成数据传输，也不能执行原程序。使CPU和I/O设备处于串行工作状态，CPU的效率不高。程序中断方式指CPU启动I/O设备后，不查询设备是否已准备就绪，继续执行自身程序，只是当I/O设备准备就绪并向CPU发送中断请求后才予以响应，提高了CPU的工作效率。计算机在执行程序的过程中，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，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，继续执行原程序，这就是“中断”。中断接口电路部分：中断请求触发器INTR：当设备准备就绪，准备向CPU提出中断请求时，对INTR置“1”，表示向CPU提请求。中断源：能向CPU提出中断请求的设备或事件统