计算机的组成部分（计算机组成原理）

盘算机的组成部分（盘算机组成原理）

盘算机概述

盘算机的根本组成:

• 存储器: 实现记忆功效的部件用来寄存盘算程序及参与运算的各种数据

• 运算器: 负责数据的算术运算和逻辑运算即数据的加工处置

• 掌握器: 负责对程序规定的掌握信息进行剖析,掌握并调和输入,输出操作或内存拜访

• 输入装备: 实现盘算程序和原始数据的输入

• 输出装备: 实现盘算成果输出

组成的接洽:

• 图一

• 图二

盘算机的工作进程:

• 用户打开程序

• 体系把程序代码段和数据段送入盘算机的内存

• 掌握器从存储器中取指令

• 掌握器剖析,履行指令,为取下一条指令做预备

• 取下一条指令,剖析履行,如此反复操作,直至履行完程序中全体指令,便可获得全体指令

冯诺依曼机制:

• 程序存储

• 采取2进制

盘算机体系的系统构造:

• 图一:

• 图二

数据概述

数据信息的两种根本办法:

• 按值表现: 请求在选定的进位制中准确表现出数值，包含数字符号，小数点正负号

• 按形表现: 按必定的编码办法表现数据

信息的存储单位:

•  1KB=2^10B=1024Byte

•  1MB=2^20B=1024KB

•  1GB=2^30B=1o24MB

•  1TB=2^40B=1024GB

浮点表现法:

公式: N=2^(+-e)*(+-s)

解释:

• E为阶码 它是一个二进制正整数

• 阶符（Ef） E前的+—为阶码的符号

• S称为尾数它是一个二进制正小数

• 尾符（Sf） S前的+—为尾数的符号

• “2”是阶码E的底线

R进制表现法:

盘算机中常用的进制数的表现:

进位制 　二进制 　八进制 　十进制 　十六进制

规矩 逢二进一 逢八进一 逢十进一 逢十六进一

基数 R=2 R=8 R=10 R=16

数码 0、1 0…7 0…9 0…F

权 2^i 8^i 10^i 16^i

情势表现 B Q D H

不同进制之间的转化:

• 十进制与R进制转换:

•  十进制转R进制:

•  整数的转化: “采取除R取余法”，从最后一次除得余数读取.

•  小数部分的转化: “采取乘R取整数”将所得小数从第一次乘得整数读起，就是这个十进制小数所对应的R进制小数

•  R进制转十进制:

•  应用权相加，即将各位进制数码与它对应的权相乘，其积相加，和数即为该R进制数相对应的十进制数

• 二进制，八进制，十六进制转化:

•  （二进制 八进制）“三位并一位”

• （八进制 二进制）“一位拆三位”

• （二进制 十六进制）“四位并一位”

• （十六进制 二进制）“一位拆四位”

• （十六进制 八进制）“一位拆两位”

• （八进制 十六进制）“二位并一位”

原码,反码,补码,BCD码:

二进制的原码,反码及补码:

• 真值: 一个数的正号用“+”表现,负号用“—”表现,即为该数真值

• 机器数: 以0表现整数的符号,用1表现负数的符号,并且每一位数值也用0,1表现,这样的数叫机器数也叫机器码

• 原码: 数的原码表现在机器中用符号位的0和1表现数的正负号,而其余表现其数本身

• 反码:

• 对于正数其反码与原码雷同

• 对于负数其反码与原码的符号位不变数值各位取反即0变1,1变0

• 补码:

• 对于正数其补码与原码雷同

• 对于负数补码与原码的符号位不变,数值各位取反,末尾加1

原码,反码,补码之间的关系:

BCD码:

(二→十进制) 用思维二进制代码对一位十进制数进行编码

例：(931)10=(1001 0011 0001)2

BCD奇偶校验码:

十进制　 　BCD码 　奇校验码 　偶校验码　

0 0000 00001 00000

1 0001 00010 00011

2 0010 00100 00101

3 0011 00111 00110

4 0100 01000 01001

二进制四则运算:

运算规矩:

• 加法规矩: 0+0=0; 0+1=1+0=1 1+1=1

• 减法规矩: 0-0=0; 1-0=1; 1-1=0; 0-1=1

• 乘法规矩: 0*0=0; 0*1=1*0=0; 1*1=1

• 除法规矩: 0∕1=0; 1∕1=1

运算公式:

• 【X】补+【Y】补=【X+Y】补

• 【X-Y】补=【X+(-Y)】补=【X】补+【-Y】补

逻辑运算:

• 定义: 实现了逻辑变量之间的运算

• 分类:

• 逻辑加法 (‘或’运算)

• 逻辑乘法 (‘与’运算)

• 逻辑否认 (‘非’运算)

逻辑运算:

• ‘或’:

• 运算规矩: 0∪0=0; 0∪1=1; 1∪0=1; 1∪1=1【1—真,0—假】

• 运算式: C=A∪B 或 C=A+B(只有决议某一事件条件中有一个或一个以上成立,这事件能力产生)

• ‘与’:

• 运算规矩: 0∩0=0; 0∩1=0; 1∩0=0; 1∩1=1

• 运算式: C=A∩B 或 C=A－B 或C=A*B(只有决议某一事件的所有事件全体具备,这事能力产生)

• ‘非’:

• 运算规矩: = 1; = 0

• 运算式: C=A(当决议某一事件的条件满足时,事件不产生,反之事件产生)

• ‘异或’:

• 运算规矩: 0异或0=0; 0异或1=1; 1异或0=1; 1异或1=0

• 运算式: C=A异或B【雷同为0,不同为1】

逻辑代数常用公式

• 0-1律: A+0=A; A*0=0

• 重叠律: A+1=1; A*1=A; A+A=1; A*A=A

• 互补律: A*(!A)=0; A+(!A)=1

• 又拾律: !(!A)=A

• 交流律: A+B=B+A; A*B=B*A

• 联合律: A+(B+C)=(A+B)+C; A*(B*C)=(A*B)*C

• 分配率: A*(B+C)=A*B+A*C; A+(B*C)=(A+B)*(A+C)

• 摩尔定律: !(A+B)=(!A)*(!B); !(A*B)=(!A)+(!B)

总线

定义: 衔接盘算机各部件之间或各盘算机直接的一束公共信息线,它是盘算机中传送信息代码的公共门路

特色:

• 同一组总线在同一时刻只能接收一个发送源,否则会产生冲突

• 信息的发送则可同时发送给一个或多个目标地

分类:

• 传送分类

• 串行总线 二进制各位在一条线上是一位一位传送的

• 并行总线 一次能同时传送多个二进制位数的总线

• 信息分类

• 数据总线 在中央处置器与内存或I/0装备之间传送数据

• 地址总线 用来传送单元或I/O装备接口信息

• 掌握总线 负责在中央处置器或内存或外设之间传送信息

• 对象地位分类

• 片内总线 指盘算机各芯片内部传送信息的通道<I^2C总线,SPL总线,SCI总线>

• 外部总线 微机和外部装备之间总线用了插件板一级互连<ISA总线,EISA总线,PCI总线>

• 体系总线 微机中各插件与体系板<USB总线,IEEE-488总线,RS-485总线,RS-232-C总线>

总线尺度根据: 物理尺码,引线数组,信号含义,功效和时序,工作频率,总线协定

中央处置器

运算器组成:

• 算术逻辑单元(ALU)

• 通用存放器组(R1 ~Rn)

• 多路选择器(Mn)

• 标记存放器(FR)

掌握器组成:

• 时标产生器(TGU)

• 主脉冲振荡器(MF)

• 地址形成器(AGU)

• 程序计数器(PC)

• 指令存放器(IR)

• 指令译码器(ID)

总线:

• 数据总线(DBUS)

• 地址总线(ABUS)

• 掌握总线(CBUS)

CPU运行原理图:

CPU重要性能指标:

• 主频:CPU内部工作的时钟频率,是CPU运算时工作频率

• 外频:主板上供给一个基准节拍供各部件应用,主板供给的节拍成为外频

• 信频:CPU作频率以外频的若干倍工作,CPU主频是外频的倍数成为CPU的信频,这CPU工作频率=信频*外频

• 根本字长:CPU一次处置的二进制数的位数

• 地址总线宽度:地址总线宽度(地址总线的位数)决议了CPU可以拜访的存储器的容量,不同型号的CPU总线宽度不同,因而应用的内存的最大容量也不一样

• 数据总线宽度:数据总线宽度决议了CPU与内存输入∕输出装备之间一次数据传输的信息量

存储器

定义: 盘算机存储是寄存数据和程序的装备

分类:

• 主存储器: 也称内存,存储直接与CPU交流信息,由半导体存储器组成

• 帮助存储器: 也称外存,寄存当前不立即应用的信息,它与主存储器批量交流信息,由磁带机,磁带盘及光盘组成

存储层次:

内存与外存的比拟:

　主存 　 辅存

类型 　ROM 　　RAM 　 软盘 硬盘 光盘

造价 高 高 低++ 低 低+

速度 快 快 慢++ 慢 慢+

容量 小+ 小 — — —

断电 有 无 有 有 有

主存:

功效:

主存储器是能由CPU直接编写程序拜访的存储器,它寄存须要履行的程序与须要处置的数据,只能临时寄存数据,不能久长保留数据

组成:

• 存储体(MPS): 由存储单元组成（每个单元包括若干个储存元件,每个元件可存一位二进制数）且每个单元有一个编号,称为存储百思特网单元地址（地址）,通常一个存储单元由8个存储元件组成

• 地址存放器(MAR): 由若干个触发器组成,用来寄存拜访存放器的地址,且地址存放器长度与存放器容量相匹配（即容量为1K,长度无2^10=1K）

• 地址译码器和驱动器

• 数据存放器(MDR): 数据存放器由若干个触发器组成,用来寄存存储单元中读出的数据,或暂时寄存从数据总线来的即将写入存储单元的数据【数据百思特网存储器的宽度（w）应与存储单元长度相匹配】

重要技巧指标:

• 存储容量: 一般指存储体所包括的存储单元数目（N）

• 存取时光(TA): 指存储器从接收命令到读出∕写入数据并稳固在数据存放器（MDP）输出端

• 存储周期(TMC): 两次独立的存取操作之间所需的最短时光,通常TMC比TA长

• 存取速率: 单位时光内主存与外部（如CPU）之间交流信息的总位数

• 可靠性: 用平均故障间隔时光MTBF来描写,即两次故障之间的平均时光间隔

高速缓冲存储器:

定义: 高速缓冲存储器是由存取速率较快的电路组成小容量存储单元,即在内存的基本上,再增长一层称为高速缓冲存储器

特色: 比主存快5 ~10倍

虚拟存储器: 它是树立在主存-辅存物理构造基本之上,由附加硬件装置及操作体系存储管理软件组成的一种存储系统,它将主存与辅存的地址空间统一编址,形成一个宏大的存储空间,因为实“际上CPU只能履行调入主存的程序,所以这样的存储系统成为“虚拟存储器”

ROM与RAM

RAM(随机存储器)

可读出,也可写入,随机存取,意味着存取任一单元所需的时光雷同,当断电后,存储内容立即消逝,称为易失性

ROM(只读存储器)

• 定义: ROM一旦有了信息,不易转变,构造简略,所以密度比可读写存储器高,具有易失性

• 分类:

• 固定掩模型ROM（不能再修正）

• PROM可编程之读存储器（由用户写入,但只许可编程一次）

• EPROM可擦除可编程只读存储器(可用紫外线照耀擦除里面内容)

• E2PROM电擦除可编程只读存储器（由电便可擦除里面内容）

辅存(硬盘)

解释: 是以铝合金圆盘为基片,高低两面涂有磁性材质而制成的磁盘

长处: 体积小,重量轻,防尘性好,可靠性高,存储量大,存取速度快,但多数它们固定于主机箱内,故不便携带,价钱也高于软盘

性能指标: 转速,超频性能,缓存,单碟容量,传输模式,发热量,容量,平均期待时光

硬盘组成图:

注意:

在整颗磁碟的第一个磁区特殊的主要,因为他记载了整颗磁碟的主要消息！ 磁碟的第一个磁区重要记载了两个主要的消息,分离是：

• 重要启动记载区(Master Boot Record, MBR)：可以安装启动管理程序的处所,有446 bytes

• <MBR是很主要的,因为当体系在启动的时候会自动去读取这个区块的内容,这样体系才会知道你的程序放在哪里且该如何进行启动>

• 分割表(partition table)：记载整颗硬盘分割的状况,有64 bytes

磁盘分区表(partition table):

应用参考对比磁柱号码的方法来切割硬盘分区！ 在分割表所在的64 bytes容量中,总共分为四组记载区,每组记载区记载了该区段的启始与停止的磁柱号码. 若将硬盘以长条形来看,然后将磁柱以直条图来看,那么那64 bytes的记载区段有点像底下的图示：

上图中我们假设硬盘只有400个磁柱,共分割成为四个分割槽,第四个分割槽所在为第301到400号磁柱的规模.

由於分割表就只有64 bytes而已,最多只能容纳四笔分割的记载, 这四个分割的记载被称为重要(Primary)或延长(Extended)分割槽. 依据上面的图示与解释,我们可以得到几个重点消息：

• 其实所谓的『分割』只是针对那个64 bytes的分割表进行配置而已！

• 硬盘默认的分割表仅能写入四组分割消息<重要分割与扩大分配最多可以有四条(硬盘的限制)>

• 这四组分割消息我们称为重要(Primary)或延长(Extended)分割槽

• 扩大分配最多只能有一个(操作体系的限制)

• 逻辑分割是由扩大分配连续切割出来的分割槽,如果扩大分配被损坏,所有逻辑分割将会被删除

• 能够被格局化后,作为数据存取的分割槽为重要分割与逻辑分割.扩大分配无法格局化

• 分割槽的最小单位为磁柱(cylinder)

• 逻辑分割的数目依操作体系而不同,在Linux体系中,IDE硬盘最多有59个逻辑分割(5号到63号), SATA硬盘则有11个逻辑分割(5号到15号)

• 当体系要写入磁碟时,必定会参考磁盘分区表,能力针对某个分割槽进行数据的处置

总结:

• 扇区(Sector)为最小的物理储存单位，每个扇区为 512 bytes；

• 将扇区组成一个圆，那就是磁柱(Cylinder)，磁柱是分割槽(partition)的最小单位；

• 第一个扇区最主要，里面有：(1)重要启动区(Master boot record, MBR)及分割表(partition table)， 其中 MBR 占领 446 bytes，而 partition table 则占领 64 bytes。

输入/输出装备

输入装备

分类:

• 字符: 键盘

• 图形: 鼠标器 , 把持杆 , 光笔

• 模仿: 语音 , 模数转化

• 图像: 摄影机 , 扫描仪 , 传真机

• 光学浏览: 光学标志浏览机 , 光学字符浏览机

键盘分类(以接口类型):

•  PS∕百思特网2接口的

• USB接口的

• 无线的

鼠标分类:

•  PS∕2接口 , USB接口 ( 以接口类型 )

• 机械式鼠标 , 光电式鼠标 ( 以内部结构 )

• 两键鼠标 , 三键鼠标 ( 以按键数 )

语音输入装备: 重要部分: 输入器 , 模数转换器 , 语音辨认器

输出装备

打印机:

• 分类:

• 击打式打印机

• 原理: 应用机械动作打击‘字体’使色带和打印纸相撞

• 分类: 活字式打印 , 点阵式打印

• 特色: 构造简略，价钱廉价

• 非击打式打印机

• 原理: 用各种物理或化学的办法印刷字符

• 分类: 激光打印机 , 喷墨式打印

• 特色: 速度快，质量高，无噪声，但价钱高

• 重要性能指标: 分辩率 , 接口类型 , 打印速度

显示器:

• 显示器分辩率: 屏幕上光栅的行数和列数

• 分类: 阴极射线管显示器; 液晶显示器; 等离子显示器

• 重要技巧指标: 像素 , 分辩率 , 屏幕尺码 , 刷新频率 , 点距 , 像素颜色

输入输出装备接口和掌握方法

输入输出装备接口:

• 数据传送: 串行口; 并行口; 程序型接口; DMA型接口

• 通用性: 通用接口; 专用接口

• 功效选择: 可编程接口; 不可编程接口

输入输出掌握方法:

• 程序查询方法 :

• 中止掌握方法:

• 直接存储器存取方法

• 输入输出处置机方法

盘算机的时标体系

时序掌握方法:

同步掌握方法:

• 定义将操作时光划分为许多时钟周期,周期长度固定,每个时光周期完成一步操作,各页操作应在规定时钟周期内完成

• 优缺陷

• 长处：时序关系比拟简略,掌握部件在构造上易于集中,设计便利

• 缺陷：在时光支配应用上不经济

• 在同步掌握方法中,都有统一的时钟信号,各种微操作都是在这一时钟信息的同步下完成的,称这一时钟信号为盘算机主频,其周期称为时钟周期,称完成一个根本操作所须要的时光为机器周期

异步掌握方法:

• 定义各项操作按其须要选择不同的时光,不受统一时钟周期的束缚,各步操作间的连接与各部件之间信息交流,采用应答的方法

• 优缺陷:

• 长处：时光紧凑,能按不同部件,装备实际需求分配时光

• 缺陷：是实际异步应答所需掌握比拟庞杂

三级时标体系:

• 指令周期

• 机器周期

• 时钟周期

图像显示:

指令周期公式:

指令周期 = 时钟周期*组成一个机械周期所需T的个数*组成一个指令周期所需M个数