計算機組成原理

時間 2019-12-04

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計算機概述

計算機的基本組成:編程

存儲器:　　　　　實現記憶功能的部件用來存放計算程序及參與運算的各類數據數組
運算器:　　　　　負責數據的算術運算和邏輯運算即數據的加工處理緩存
控制器:　　　　　負責對程序規定的控制信息進行分析,控制並協調輸入,輸出操做或內存訪問異步
輸入設備:　　　　實現計算程序和原始數據的輸入性能
輸出設備:　　　　實現計算結果輸出字體

組成的聯繫:編碼

圖一
spa
圖二
操作系統

計算機的工做過程:

用戶打開程序
系統把程序代碼段和數據段送入計算機的內存
控制器從存儲器中取指令
控制器分析,執行指令,爲取下一條指令作準備
取下一條指令,分析執行,如此重複操做,直至執行完程序中所有指令,即可得到所有指令

馮·諾依曼機制:

程序存儲
採用2進制

計算機系統的體系結構:

圖一:
圖二

數據概述

數據信息的兩種基本方法:

按值表示:　　要求在選定的進位制中正確表示出數值，包括數字符號，小數點正負號
按形表示:　　按必定的編碼方法表示數據

信息的存儲單位:

1KB=2^10B=1024Byte
1MB=2^20B=1024KB
1GB=2^30B=1o24MB
1TB=2^40B=1024GB

浮點表示法:

公式:　　N=2^(+-e)*(+-s)

說明:

E爲階碼　　它是一個二進制正整數
階符（Ef）　　E前的+—爲階碼的符號
S稱爲尾數它是一個二進制正小數
尾符（Sf）　　S前的+—爲尾數的符號
「2」是階碼E的底線

R進製表示法:

計算機中經常使用的進制數的表示:

進位制　　　　二進制　　　　八進制　　　　十進制　　　　十六進制　　

規則　　　　　逢二進一　　　逢八進一　　逢十進一　　逢十六進一
基數　　　　　R=2　　　　　 R=8　　　　　 R=10　　　　 R=16
數碼　　　　　 0、1　　　　 0…7　　　　　 0…9　　　　　0…F
權　　　　　　 2^i　　　　　 8^i　　　　　 10^i　　　　 16^i
形式表示　　　 B　　　　　　 Q　　　　　　 D　　　　　 H

不一樣進制之間的轉化:

十進制與R進制轉換:
　　十進制轉R進制:
　　　　整數的轉化:　　　　「採用除R取餘法」，從最後一次除得餘數讀取.
　　　　小數部分的轉化:　　「採用乘R取整數」將所得小數從第一次乘得整數讀起，就是這個十進制小數所對應的R進制小數
　　R進制轉十進制:
　　　　使用權相加，即將各位進制數碼與它對應的權相乘，其積相加，和數即爲該R進制數相對應的十進制數
二進制，八進制，十六進制轉化:

（二進制八進制）「三位並一位」
（八進制二進制）「一位拆三位」
（二進制十六進制）「四位並一位」
（十六進制二進制）「一位拆四位」
（十六進制八進制）「一位拆兩位」
（八進制十六進制）「二位並一位」

原碼,反碼,補碼,BCD碼:

二進制的原碼,反碼及補碼:

真值:　　一個數的正號用「+」表示,負號用「—」表示,即爲該數真值
機器數:　　以0表示整數的符號,用1表示負數的符號,而且每一位數值也用0,1表示,這樣的數叫機器數也叫機器碼
原碼:　　數的原碼錶示在機器中用符號位的0和1表示數的正負號,而其他表示其數自己
反碼:

對於正數其反碼與原碼相同
對於負數其反碼與原碼的符號位不變數值各位取反即0變1,1變0

補碼:

對於正數其補碼與原碼相同
對於負數補碼與原碼的符號位不變,數值各位取反,末尾加1

原碼,反碼,補碼之間的關係:

BCD碼:

(二→十進制) 用思惟二進制代碼對一位十進制數進行編碼
例：(931)₁₀=(1001 0011 0001)₂

BCD奇偶校驗碼:

十進制　　　　　　BCD碼　　　　　　奇校驗碼　　　　　　偶校驗碼　　　　
0　　　　　　　　　0000　　　　　　　00001　　　　　　　00000
1　　　　　　　　　0001　　　　　　　00010　　　　　　　 00011
2　　　　　　　　　0010　　　　　　　00100　　　　　　　 00101
3　　　　　　　　　0011　　　　　　　00111　　　　　　　 00110
4　　　　　　　　　0100　　　　　　　01000　　　　　　　 01001

二進制四則運算:

運算規則:

加法規則:　　0+0=0;　　0+1=1+0=1 1+1=1
減法規則:　　0-0=0;　　1-0=1;　　1-1=0;　　0-1=1
乘法規則:　　0*0=0;　　0*1=1*0=0;　　1*1=1
除法規則:　　0∕1=0;　　1∕1=1

運算公式:

【X】補+【Y】補=【X+Y】補
【X-Y】補=【X+(-Y)】補=【X】補+【-Y】補

邏輯運算:

定義:　　實現了邏輯變量之間的運算
分類:

邏輯加法 (‘或’運算)
邏輯乘法 (‘與’運算)
邏輯否認 (‘非’運算)

邏輯運算:

‘或’:

運算規則:　　0∪0=0;　　0∪1=1;　　1∪0=1;　　1∪1=1【1—真,0—假】
運算式:　　C=A∪B 或 C=A+B(只有決定某一事件條件中有一個或一個以上成立,這事件才能發生)

‘與’:

運算規則:　　0∩0=0;　　0∩1=0;　　 1∩0=0;　　 1∩1=1
運算式:　　C=A∩B 或 C=A－B 或C=A*B(只有決定某一事件的全部事件所有具有,這事才能發生)

‘非’:

運算規則:　　ō = 1;　　ī = 0
運算式:　　C=A(當決定某一事件的條件知足時,事件不發生,反之事件發生)

‘異或’:

運算規則:　　0異或0=0;　　0異或1=1;　　1異或0=1;　　1異或1=0
運算式:　　C=A異或B【相同爲0,不一樣爲1】

邏輯代數經常使用公式

0-1律:　　　　A+0=A;　　A*0=0
重疊律:　　　　 A+1=1;　　A*1=A;　　A+A=1;　　A*A=A
互補律:　　　　 A*(!A)=0;　　A+(!A)=1
又拾律:　　　　!(!A)=A
交換律:　　　　 A+B=B+A;　　A*B=B*A
結合律:　　　　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)
摩爾定律:　　　　!(A+B)=(!A)*(!B);　　!(A*B)=(!A)+(!B)

總線

定義:　　鏈接計算機各部件之間或各計算機直接的一束公共信息線,它是計算機中傳送信息代碼的公共途徑

特色:

同一組總線在同一時刻只能接受一個發送源,不然會發生衝突
信息的發送則可同時發送給一個或多個目的地

分類:

傳送分類

串行總線　　二進制各位在一條線上是一位一位傳送的
並行總線　　一次能同時傳送多個二進制位數的總線

信息分類

數據總線　　在中央處理器與內存或I/0設備之間傳送數據
地址總線　　用來傳送單元或I/O設備接口信息
控制總線　　負責在中央處理器或內存或外設之間傳送信息

對象位置分類

片內總線　　指計算機各芯片內部傳送信息的通道<I^2C總線,SPL總線,SCI總線>
外部總線　　微機和外部設備之間總線用了插件板一級互連<ISA總線,EISA總線,PCI總線>
系統總線　　微機中各插件與系統板<USB總線,IEEE-488總線,RS-485總線,RS-232-C總線>

總線標準依據:　　物理尺寸,引線數組,信號含義,功能和時序,工做頻率,總線協議

中央處理器

運算器組成:

算術邏輯單元(ALU)
通用寄存器組(R1 ~Rn)
多路選擇器(Mn)
標誌寄存器(FR)

控制器組成:

時標發生器(TGU)
主脈衝振盪器(MF)
地址造成器(AGU)
程序計數器(PC)
指令寄存器(IR)
指令譯碼器(ID)

總線:

數據總線(DBUS)
地址總線(ABUS)
控制總線(CBUS)

CPU運行原理圖:

CPU主要性能指標:

主頻:CPU內部工做的時鐘頻率,是CPU運算時工做頻率
外頻:主板上提供一個基準節拍供各部件使用,主板提供的節拍成爲外頻
信頻:CPU做頻率之外頻的若干倍工做,CPU主頻是外頻的倍數成爲CPU的信頻,這CPU工做頻率=信頻*外頻
基本字長:CPU一次處理的二進制數的位數
地址總線寬度:地址總線寬度(地址總線的位數)決定了CPU能夠訪問的存儲器的容量,不一樣型號的CPU總線寬度不一樣,於是使用的內存的最大容量也不同
數據總線寬度:數據總線寬度決定了CPU與內存輸入∕輸出設備之間一次數據傳輸的信息量

存儲器

定義:　　計算機存儲是存放數據和程序的設備

分類:

主存儲器:　　也稱內存,存儲直接與CPU交換信息,由半導體存儲器組成
輔助存儲器:　　也稱外存,存放當前不當即使用的信息,它與主存儲器批量交換信息,由磁帶機,磁帶盤及光盤組成

存儲層次:

內存與外存的比較:

　　　　　　主存　　　　　　　　　　　輔存　　　　　　　　　　　　

類型　　　　ROM　　　　RAM　　　　　軟盤　　　硬盤　　　光盤　　

造價　　　　高　　　　高　　　　　　　低++　　　低　　　　　低+

速度　　　　快　　　　　快　　　　　　　慢++　　　慢　　　　慢+

容量　　　小+　　　　小　　　　　　　 —　　　　　—　　　　　 —

斷電　　　有　　　　　無　　　　　　　有　　　　　有　　　　　有

主存:

功能:

主存儲器是能由CPU直接編寫程序訪問的存儲器,它存放須要執行的程序與須要處理的數據,只能臨時存放數據,不能長久保存數據

組成:

存儲體(MPS):　　由存儲單元組成（每一個單元包含若干個儲存元件,每一個元件可存一位二進制數）且每一個單元有一個編號,稱爲存儲單元地址（地址）,一般一個存儲單元由8個存儲元件組成
地址寄存器(MAR):　　由若干個觸發器組成,用來存放訪問寄存器的地址,且地址寄存器長度與寄存器容量相匹配（即容量爲1K,長度無2^10=1K）
地址譯碼器和驅動器
數據寄存器(MDR):　　數據寄存器由若干個觸發器組成,用來存放存儲單元中讀出的數據,或暫時存放從數據總線來的即將寫入存儲單元的數據【數據存儲器的寬度（w）應與存儲單元長度相匹配】

主要技術指標:

存儲容量:　　通常指存儲體所包含的存儲單元數量（N）
存取時間(TA):　　指存儲器從接受命令到讀出∕寫入數據並穩定在數據寄存器（MDP）輸出端
存儲週期(TMC):　　兩次獨立的存取操做之間所需的最短期,一般TMC比TA長
存取速率:　　單位時間內主存與外部（如CPU）之間交換信息的總位數
可靠性:　　用平均故障間隔時間MTBF來描述,即兩次故障之間的平均時間間隔

高速緩衝存儲器:

定義:　　高速緩衝存儲器是由存取速率較快的電路組成小容量存儲單元,即在內存的基礎上,再增長一層稱爲高速緩衝存儲器

特色:　　比主存快5 ~10倍

虛擬存儲器:　　它是創建在主存-輔存物理結構基礎之上,由附加硬件裝置及操做系統存儲管理軟件組成的一種存儲體系,它將主存與輔存的地址空間統一編址,造成一個龐大的存儲空間,由於實「際上CPU只能執行調入主存的程序,因此這樣的存儲體系成爲「虛擬存儲器」

ROM與RAM

RAM(隨機存儲器)

可讀出,也可寫入,隨機存取,意味着存取任一單元所需的時間相同,當斷電後,存儲內容當即消失,稱爲易失性

ROM(只讀存儲器)

定義:　　ROM一旦有了信息,不易改變,結構簡單,因此密度比可讀寫存儲器高,具備易失性
分類:

固定掩模型ROM（不能再修改）
PROM可編程之讀存儲器（由用戶寫入,但只容許編程一次）
EPROM可擦除可編程只讀存儲器(可用紫外線照射擦除裏面內容)
E2PROM電擦除可編程只讀存儲器（由電即可擦除裏面內容）

輔存(硬盤)

說明:　　是以鋁合金圓盤爲基片,上下兩面塗有磁性材料而製成的磁盤

優勢:　　體積小,重量輕,防塵性好,可靠性高,存儲量大,存取速度快,但多數它們固定於主機箱內,故不便攜帶,價格也高於軟盤

性能指標:　　轉速,超頻性能,緩存,單碟容量,傳輸模式,發熱量,容量,平均等待時間

硬盤組成圖:

注意:

在整顆磁碟的第一個磁區特別的重要,由於他記錄了整顆磁碟的重要資訊！磁碟的第一個磁區主要記錄了兩個重要的資訊,分別是：

主要啓動記錄區(Master Boot Record, MBR)：能夠安裝啓動管理程序的地方,有446 bytes
<MBR是很重要的,由於當系統在啓動的時候會主動去讀取這個區塊的內容,這樣系統纔會知道你的程序放在哪裏且該如何進行啓動>
分割表(partition table)：記錄整顆硬盤分割的狀態,有64 bytes

磁盤分區表(partition table):

利用參考對照磁柱號碼的方式來切割硬盤分區！在分割表所在的64 bytes容量中,總共分爲四組記錄區,每組記錄區記錄了該區段的啓始與結束的磁柱號碼. 若將硬盤以長條形來看,而後將磁柱以直條圖來看,那麼那64 bytes的記錄區段有點像底下的圖示：

上圖中咱們假設硬盤只有400個磁柱,共分割成爲四個分割槽,第四個分割槽所在爲第301到400號磁柱的範圍.

由於分割表就只有64 bytes而已,最多隻能容納四筆分割的記錄, 這四個分割的記錄被稱爲主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽. 根據上面的圖示與說明,咱們能夠獲得幾個重點資訊：

其實所謂的『分割』只是針對那個64 bytes的分割表進行配置而已！
硬盤默認的分割表僅能寫入四組分割資訊<主要分割與擴展分配最多能夠有四條(硬盤的限制)>
這四組分割資訊咱們稱爲主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽
擴展分配最多隻能有一個(操做系統的限制)
邏輯分割是由擴展分配持續切割出來的分割槽,若是擴展分配被破壞,全部邏輯分割將會被刪除
可以被格式化後,做爲數據存取的分割槽爲主要分割與邏輯分割.擴展分配沒法格式化
分割槽的最小單位爲磁柱(cylinder)
邏輯分割的數量依操做系統而不一樣,在Linux系統中,IDE硬盤最多有59個邏輯分割(5號到63號), SATA硬盤則有11個邏輯分割(5號到15號)
當系統要寫入磁碟時,必定會參考磁盤分區表,才能針對某個分割槽進行數據的處理

總結:

扇區(Sector)爲最小的物理儲存單位，每一個扇區爲 512 bytes；
將扇區組成一個圓，那就是磁柱(Cylinder)，磁柱是分割槽(partition)的最小單位；
第一個扇區最重要，裏面有：(1)主要啓動區(Master boot record, MBR)及分割表(partition table)，其中 MBR 佔有 446 bytes，而 partition table 則佔有 64 bytes。