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计算机组成原理--组成篇

2021/7/20 17:36:38 浏览:

 导学:

计算机的总线

总线的概述:

通用串行总线(USB)

  • 提供了计算机对外的接口
  • 不同的设备都可以通过USB接口进行连接
  • 连接的标准,促使外围设备接口的统一

解决不同设备之间的通信问题

总线分类:

片内总线

  • 芯片内部的总线
  • 寄存器与寄存器之间
  • 寄存器与控制器、运算器之间
  • 高集成度芯片内部的信息传输线

系统总线

 CPU、主内存、IO设备、各组件之间的信息传输线

数据总线

双向传输各个部件的数据信息

数据总线的位数(总线宽度)是数据总线的重要参数

一般与CPU位数相同(32位、64位)

地址总线

指定源数据或目的数据在内存中的地址

地址总线的位数与存储单元有关

控制总线

 控制总线是用来发出各种控制信号的传输线

控制信号经由控制总线从一个组件发给另一个组件

控制总线可以监视不同组件之间的状态(就绪/未就绪)

总线的仲裁:

解决不同设备使用总线的优先顺序的一个设备

链式查询

好处:电路复杂度低,仲裁方式简单

坏处:优先级低的设备难以获得总线使用权;对电路故障比较敏感

计时器定时查询

仲裁控制器对设备编号并使用计数器累计计数

接收到仲裁信号后,往所有设备发出计数值

计数值与设备编号一致则获得总线使用权

独立请求

每个设备均由总线独立连接仲裁器

设备可单独向仲裁器发送请求和接收请求

当同时接收到多个请求信号,仲裁器有权按优先级分配使用权

 好处:响应速度快,优先顺序可动态改变

坏处:设备连线多,总线控制复杂

计算机的输入/输出设备

常见的输入输出设备:

字符输入设备

键盘:薄膜键盘、机械键盘、电容键盘

图像输入设备

鼠标、数位板、扫描仪

图像输出设备

显示器、打印机、投影仪

输入输出接口的通用设计:

数据线

是I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线

单向传输数据线

双向传输数据线

状态线

IO设备状态向主机报告的信号线

查询设备是否已经正常连接并就绪

查询设备是否已经被占用

命令线

CPU向设备发送命令的信号线

发送读写信号、发送启动停止信号灯等

设备选择线

主机选择与I/O设备进行操作的信号线

对连接在总线上的设备进行选择

CPU与IO设备的通信:

CPU的速度与IO设备速度不一致

    

程序中断方法

提供低速设备通知CPU的一种异步方式

CPU可以在高速运转的同时兼顾低速设备的响应

当外围的IO设备准备就绪时,向CPU发出中断信号

CPU有专门的电路响应中断信号

DMA(直接存储访问方法)

DMA直接连接主存与IO设备

DMA工作时不需要CPU的参与

当主存与IO设备交换信息时,不需要中断CPU可以提高CPU的效率

计算机存储器概览

存储器分类

按存储介质分类

半导体存储器:内存、U盘、固态硬盘

磁存储器:磁带、磁盘

按存取方式分类:

随机存储器(RAM):随机读取、与位置无关

串行存储器:与位置有关、按顺序查找

只读存储器(ROM):只读不写

存储器的层次结构

 容量+价格=>位价:每比特位价格

局部性原理:CPU在访问存储器时,无论是存取指令还是存取数据,所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中

计算机的主存储器与辅助存储器

主存储器--内存:

RAM(随机存储器:Random Access Memory)

RAM通过电容存储数据,必须隔一段时间刷新一次

如果掉电,那么一段时间后将丢失所有数据

操作系统的位数与主存储器的关系:

 辅助存储器--磁盘:

表面是可磁化的硬磁特性材料

移动磁头径向运动读取磁道信息

结构图:

盘片平面图:

计算机的高速缓存

高速缓存的工作原理:

字:存放在一个存储单元中的二进制代码组合

字块:存储在连休的存储单元中而被看作是一个单元的字

 

 

示例:

命中率:

命中率是衡量缓存的重要性能指标

理论上CPU每次都能从高速缓存取数据的时候,命中率为1

 

 访问效率:

访问效率也是衡量缓存的重要性能指标 

高速缓存的替换策略:

高速缓存替换时机:

  • 随机算法

  • 先进先出算法(FIFO)

        把高速缓存看做是一个先进先出的队列

        优先替换最先进入队列的字块

流程:

  • 最不经常使用算法(LFU)

       优先淘汰最不经常使用的字块

       需要额外的空间记录字块的使用频率

流程:

  • 最近最少使用算法(LRU)

优先淘汰一段时间内没有使用的字块

有多种实现方法,一般使用双向链表

把当前访问节点置于链表前面(保证链表头部节点是最近使用的)

流程:

计算机的指令系统

机器指令的形式:

机器指令主要由:操作码和地址码组成

操作码指明指令所要完成的操作

操作码的位数反映了机器的操作种类

地址码直接给出操作数或者操作数的地址

分三地址指令、二地址指令和一地址指令

零地址指令:

在机器指令中无地址码

空操作、停机操作、中断返回操作等

机器指令的操作形式:

数据传输:

  寄存器之间、寄存器与存储单元、存储单元之间的传送

  数据读写、交换地址数据、清零置一等操作

  

算数逻辑操作类型:

  操作数之间的加减乘除运算

  操作数的与或非等逻辑位运算

位移操作:

  数据左移(乘2)、数据右移(除2)

  完成数据在算数逻辑单元的必要操作

控制指令:

  等待指令、停机指令、空操作指令、中断指令等

机器指令的寻址方式:

指令寻址:

数据寻址:

立即寻址

直接寻址

间接寻址

三种寻址方式的对比:

计算机的控制器

控制器是协调和控制计算机运行的

组成:

程序计数器:

程序计数器用来存储下一条指令的地址

循环从成宿计数器中拿出指令

当指令被拿出时,指向下一条指令

时序发生器:

电器工程领域,用于发送时序脉冲

CPU依据不同的时序脉冲有节奏的进行工作

指令译码器:

指令译码器是控制器的主要部件之一

计算机指令由操作码和地址码组成

指令寄存器:

指令寄存器也是控制器的主要部件之一

从主存或高速缓存取计算机指令

主存地址寄存器:

保存当前CPU正要访问的内存单元的地址

主存数据寄存器:

保存当前CPU正要读或写的主存数据

通用寄存器:

用于暂时存放或传送数据或指令

可保存ALU的运算中间结果

容量比一般专用寄存器容量大

计算机的运算器

运算器是用来进行数据运算加工的

数据缓冲器:

分为输入缓冲和输出缓冲

输入缓冲暂时存放外设送过来的数据

输出缓冲暂时存放发送外设的数据

ALU:

算数逻辑单元,是运算器的主要组成

常见的位运算(左右位移、与或非等)

算数运算(加减乘除)

 

状态字寄存器:

存放运算状态(条件码、进位、溢出、结果正负等)

存放运算控制信息(调试跟踪标记位、允许中断等)

通用寄存器:

用于暂时存放或传送数据或指令

可保存ALU的运算中间结果

容量比一般专用寄存器要大

计算机指令执行的过程

 指令执行的过程:

CPU的流水线的设计:

执行过程:

效率:

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