计算机复习

第二章计算机组成原理2.12.1.2计算机的组成A计算机系统的组成A计算机硬件逻辑结构与主要部件的功能（输入设备，处理器与中央处理器，内存储器及与CPU的关系，外存储器，输出设备，系统总线，I/O接口）输入设备：输入(input)的双重含义：1.把信息送入计算机的过程;2.向计算机输入的内容输入设备(inputdevices)功能：用来向计算机输入信息输入设备的共性：不论信息的原始形态如何，输入到计算机中的信息都使用二进位来表示处理器：负责对输入信息进行各种处理（计算、排序、分类、检索等）的部件称为“处理器”。超大规模集成电路的出现，使得处理器的所有组成部分都可以制作在一块面积仅为几个平方厘米的半导体芯片上，因为体积很小，这样的处理器称为“微处理器”。一台计算机中往往有多个处理器。其中承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为“中央处理器”（CPU）.CPU的主要任务是执行指令，它按指令的规定对数据进行操作.计算机系统计算机硬件计算机软件运算器控制器输入设备存储器输出设备系统软件应用软件操作系统数据库管理系统程序语言处理系统文字处理通信···娱乐中央处理器(运算器及其控制)外存储器内存储器输出设备总线(bus)输入设备I/O接口外存储器接口控制器控制器控制器CPU控制器memorystorageI/O设备通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连I/O接口使用多个CPU实现超高速计算的技术称为“并行处理”。存储器：功能：储存以二进位形式表示的程序和数据.分类：内存储器、外存储器输出设备：输出(output)的双重含义：1.把信息送出计算机的过程;2.从计算机输出的内容输出设备(outputdevices)功能：从计算机输出信息(多数)输出设备的共性：把计算机中的二进位信息转换成人可感知的形式(文字、符号、图形、声音等)总线：功能：用于连接CPU、内存、外存和各种I/O设备并在它们之间传输信息的一组共享的传输线及其控制电路分类：CPU总线（或前端总线）：用于连接CPU和内存储器的总线I/O总线：连接内存和I/O设备（包括外存）的总线2.1.3计算机的分类B计算机的分类方法(1)按其内部逻辑结构分类（如16位机、32位机、64位机或单CPU、多CPU等）(2)按计算机的性能和用途分类（如巨型计算机、大型计算机、小型计算机、个人计算机、嵌入式计算机等）B个人计算机的特点及分类个人计算机也称个人电脑，PC机或微型计算机。特点：体积小巧、结构精简（主机与外设组合在一起）、功能丰富、使用方便、通常由个人自己操作使用，并因此而得名。分类：台式机、便携机（笔记本电脑）、平板电脑、智能手机等。2.1.4微处理器和嵌入式计算机B微处理器的含义微处理器：超大规模集成电路的出现，使得处理器的所有组成部分都可以制作在一块面积仅为几个平方厘米的半导体芯片上，因为体积很小，这样的处理器称为“微处理器”。微处理器简称μP或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的部件。微处理器是各种类型计算机的核心组成部分.2.2CPU的结构与原理2.2.1CPU的结构A计算机的基本工作原理冯·诺依曼计算机的结构与原理(1)计算机的工作由程序控制，程序是一个指令序列，指令是能被计算机理解和执行的操作命令；(2)程序(指令)和数据均以二进制编码表示，均存放在存储器中；(3)存储器中存放的指令和数据按地址进行存取；(4)指令是由CPU一条一条顺序执行的。存储控制原理：将问题的解算步骤编制成为程序，程序连同它所处理的数据都用二进位表示并预先存放在存储器中程序运行时，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。ACPU的作用及组成部件的功能（运算器、控制器、寄存器、指令译码器）CPU主要由运算器、控制器和寄存器组3个部分组成。CPU的任务：取指令并完成指令所规定的操作。寄存器组：由十几个甚至几十个寄存器组成。寄存器的速度很快。用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间（或最后）结果。运算器：运算器用来对数据进行各种算术或逻辑运算，所以称为算术逻辑部件(ALU)，参加ALU运算的操作数通常来自通用寄存器GPR，运算结果也送回GPR。控制器：是CPU的指挥中心。由一个指令计数器（用来存放CPU正在执行的指令的地址，CPU将按照该地址从内存读取所要执行的指令。多数情况下，指令是顺序执行的，所以CPU每执行一条指令它他就加1），还有一个指令寄存器（用来保存当前正在执行的指令，通过译码器解释该指令的含义，控制运算器的操作，记录CPU的内部状态等）。运算器和控制器输入设备输出设备存储器B高速缓冲存储器（Cache）的作用及简单原理（速度、大小、位置、设置原因、命中率、存取特点）2.2.2指令与指令系统A指令的含义在计算机内部，程序是由一连串指令组成的，指令是构成程序的基本单位。指令采用二进位表示，它用来规定计算机执行什么操作。A指令的格式及个组成部分的作用大多数情况下，指令由两个部分组成：操作码：指出CPU应执行何种操作的一个命令词，例如加、减、乘、除等。操作数地址：指出该指令所操作(处理)的数据或者数据所在位置。操作数地址可能是1个、2个甚至3个，这需要由操作码决定。B指令的执行过程(1)CPU的控制器从存储器读取一条指令并放入寄存器。(2)指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作，操作数在哪里。(3)根据操作数的位置取出操作数。(4)运算器按照操作码的要求，对操作数完成规定的运算，并根据运算结果修改或设置处理器的一些状态标志。(5)把运算结果保存到指定的寄存器，需要时将结果从寄存器保存至内存单元。(6)修改指令计数器，决定下一条指令的地址。B指令系统的含义每一种CPU都有它自己独特的一组指令。CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统。B指令系统兼容性的含义（CPU互不兼容：A计算机的程序不能在B上直接运行，B计算机的程序也不能在A上直接运行）2.2.3CPU的性能指标B影响CPU运行程序速度的主要因素字长（位数）：指通用寄存器和定点运算器的宽度（即二进制整数运算的位数）指令系统：指令的类型、数目和功能等都会影响程序的执行速度逻辑结构：CPU包含的定点运算器和浮点运算器的数目、采用的流水线结构和级数、指令分支预测的机制、执行部件的数目等高速缓存（cache）的容量与结构主频（CPU内部时钟频率）：指CPU芯片中电子线路（门、触发器）的工作频率，它决定着CPU芯片内部数据传输与操作速度的快慢CPU总线速率：CPU总线（前端总线）传输速率：决定着CPU与内存之间传输数据的速度快慢内核数目。B度量CPU速度的单位（MIPS、MFLOPS）CPU的性能高低主要表现为CPU的速度，有两种衡量方法：计算每秒钟可执行的指令数目(单位：MIPS、MFLOPS)巨型计算机：xx千万亿～xx万万亿次基本运算/秒个人计算机：几千万～几亿次基本运算/秒（其中，基本运算指的是：四则运算和∧，∨等逻辑运算）PC大多以常用软件(办公软件、数字媒体处理软件和3D游戏等)的运行速度来测试CPU的性能，例如：游戏性能测试程序:3DMark整体综合性能测试程序:PCMark2.3PC的主机2.3.1主板、芯片组与BIOSA主板上内置的主要部件CPU插座、芯片组、存储器插槽、扩充卡插槽、显卡插槽、BIOS,COMS存储器、辅助芯片、用于连接外围设备的I/O接口.A芯片组的作用及主要集成块的功能芯片组是PC机各组成部分相互连接和通信的枢纽.北桥芯片：1.存储器控制功能；2.连接CPU、存储器、显卡、南桥芯片的枢纽.南桥芯片：1.多种I/O设备的控制功能；2.I/O总线(PCI总线)功能；3.提供了各种I/O接口.由于集成电路集成度越来越高，为降低系统成本，芯片组中集成了越来越多的功能，包括网卡、显卡、声卡等功能.由于CPU芯片越来越复杂，功能越来强大（如Corei3/i5/i7），有些已将北桥芯片的存储器控制器和图形控制器功能集成在CPU芯片之中，因此主板上北桥芯片已经消失，只需一块南桥芯片即可。BBIOSROM芯片中存储的内容、作用、存储特性、与操作系统的关系BIOS:中文名为“基本输入/输出系统”，它是存放在主板上只读存储器（ROM）芯片中的一组机器语言程序.功能：诊断计算机故障;启动计算机工作;控制基本外设的输入输出操作(键盘、鼠标、磁盘读写、屏幕显示等).BIOS芯片:保存BIOS的只读存储器(ROM)芯片.存储内容：加电自检程序程序（POST）：(PowerOnSelfTest)用于检测计算机硬件故障系统自举程序（Boot）：启动计算机工作，加载并进入操作系统运行状态CMOS设置程序：设置系统参数：日期、时间、口令、配置参数等常用外部设备的驱动程序（Driver）：实现对键盘、显示器、软驱和硬盘等常用外部设备输入输出操作的控制.由于存放在闪存中，即使机器关机，内容也不会改变。每次及其加电时，CPU总是首先执行BIOS程序，它具有诊断计算机故障及加载操作系统并启动其运行的功能。BPC机的启动过程及POST、BOOT的作用BCMOS芯片中存储的内容、作用、存储特性、与操作系统的关系（CMOS设置程序和基本外围设备的驱动程序。CMOS设置程序允许用户对系统的硬件配置信息和有关参数进行修改。CMOS中存放的信息包括：系统的日期和时间、系统的口令、系统中安装的硬盘、光盘驱动器的数目类型,及参数、显示卡的类型、启动系统时访问外存储器的顺序等）2.3.2内存储器A计算机存储器层次结构中各种存储器的性能（容量、速度、成本、作用、存取限制）内存：存取速度快，容量相对较小，与CPU高速相连，用来存放已经启动运行的程序和正在处理的程序。通常成本较高。外存：存取速度较慢，容量相对很大，与CPU并不直接连接，用于持久地存放计算机中几乎所有的信息。通常成本较低。B半导体存储器芯片的主要类别与存储特性（DRAM、SRAM）（PROM、EPROM、EEPROM、ＦlashROM）BPC机主内存储器逻辑结构和有关概念（存储单元的大小、存储单元的地址码长度与存储容量的关系、存取时间的单位，主存储器与CPU的速度匹配）主存是CPU可直接访问的存储器，用于存放供CPU处理的指令和数据特点：以字节为单位进行连续编址，每个存储单元为1个字节（8个二进位）存储容量：主存储器中所包含的存储单元的总数（单位：MB或GB）存取时间：从CPU送出内存单元的地址码开始，到主存读出数据并送到CPU（或者是把CPU数据写入主存）所需要的时间（单位：ns，1ns=10-9s）每个存储单元可以存放一个字节，每个存储单元都有一个地址，CPU按地址对存储器进行访问。解决主存储器速度比CPU慢：(1).采用cache存储器；(2).改进存储器芯片的电路和工艺，并对DRAM的存储控制技术进行改进，开发出DRAM的许多新品种。2.3.3I/O总线与I/O接口AI/O操作的任务，I/O设备的作用I/O操作的任务：输入的任务：将输入设备输入的信息送到内存储器的指定区域.输出的任务：将内存储器指定区域的内容送出到输出设备.（I/O操作也包括外存与内存之间的数据传输）I/O设备的作用：I/O设备（外设）是计算机系统的重要组成部分。计算器通过其与外界交换信息。BI/O总线的作用，包含的信号线类型和总线带宽的计算总线的定义：是计算机部件之间传输信息的一组公用的信号线及相关控制电路。用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个共享的信息传输通路及其控制部件。总线的特点：1共享；2高速.总线的参数：数据通路宽度；总线工作频率；每秒传输次数总线带宽(最高传输速率，MB/s)＝(数据通路宽度/8)x总线工作频率(MHz)x传输次数总线的类型：CPU总线（前端总线FSB）存储器总线I/O总线（目前使用的是PCI和PCI-E两种）AI/O接口的作用、类型及特点（按传输方式，按传输速率，按连接设备数量，按标准化）I/O接口：I/O设备与主机之间的连接器包括：插头/