計算機組成原理

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目錄

計算機概述
數據
總線
CPU
存儲器
輸入/輸出設備
計算機的時標系統

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計算機概述

計算機的基本組成:

• 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種數據

• 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

• 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,輸出操作或內存訪問

• 輸入設備:　　　　實現計算程序和原始數據的輸入

• 輸出設備:　　　　實現計算結果輸出

組成的聯繫:

• 圖一
  

• 圖二
  

計算機的工作過程:

• 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,爲取下一條指令做準備

• 取下一條指令,分析執行,如此重複操作,直至執行完程序中全部指令,便可獲得全部指令

 

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
  

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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:　　按一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:

計算機中常用的進制數的表示:

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

不同進制之間的轉化:

• 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,並且每一位數值也用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,而其餘表示其數本身

• 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) 用思維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)

  • 邏輯否定 (‘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所有事件全部具備,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滿足時,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,不同爲1】

邏輯代數常用公式

• 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)

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總線

定義:　　連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

特點:

• 同一組總線在同一時刻只能接受一個發送源,否則會發生衝突

• 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,工作頻率,總線協議

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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)

• 地址形成器(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內部工作的時鐘頻率,是CPU運算時工作頻率

• 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作頻率以外頻的若干倍工作,CPU主頻是外頻的倍數成爲CPU的信頻,這CPU工作頻率=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可以訪問的存儲器的容量,不同型號的CPU總線寬度不同,因而使用的內存的最大容量也不一樣

• 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

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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,存放當前不立即使用的信息,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,它存放需要執行的程序與需要處理的數據,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（每個單元包含若干個儲存元件,每個元件可存一位二進制數）且每個單元有一個編號,稱爲存儲單元地址（地址）,通常一個存儲單元由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:　　一般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):　　兩次獨立的存取操作之間所需的最短時間,通常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,再增加一層稱爲高速緩衝存儲器

特點:　　比主存快5 ~10倍

虛擬存儲器:　　它是建立在主存-輔存物理結構基礎之上,由附加硬件裝置及操作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,形成一個龐大的存儲空間,因爲實“際上CPU只能執行調入主存的程序,所以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,存儲內容立即消失,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,所以密度比可讀寫存儲器高,具有易失性

• 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,但只允許編程一次）

  • 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（由電便可擦除裏面內容）

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

優點:　　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,因爲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)：可以安裝啓動管理程序的地方,有446 bytes
  <MBR是很重要的,因爲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,然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：

上圖中我們假設硬盤只有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,我們可以得到幾個重點資訊：

• 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可以有四條(硬盤的限制)>

• 這四組分割資訊我們稱爲主要(Primary)或延伸(Extended)分割槽

• 擴展分配最多只能有一個(操作系統的限制)

• 邏輯分割是由擴展分配持續切割出來的分割槽,如果擴展分配被破壞,所有邏輯分割將會被刪除

• 能夠被格式化後,作爲數據存取的分割槽爲主要分割與邏輯分割.擴展分配無法格式化

• 分割槽的最小單位爲磁柱(cylinder)

• 邏輯分割的數量依操作系統而不同,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,一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。

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輸入/輸出設備

輸入設備

分類:

• 字符:　　鍵盤

• 圖形:　　鼠標器 , 操縱桿 , 光筆

• 模擬:　　語音 , 模數轉化

• 圖像:　　攝影機 , 掃描儀 , 傳真機

• 光學閱讀:　　光學標記閱讀機 , 光學字符閱讀機

鍵盤分類(以接口類型):

•  PS∕2接口的

• USB接口的

• 無線的

鼠標分類:

•  PS∕2接口 , USB接口 ( 以接口類型 )

• 機械式鼠標 , 光電式鼠標 ( 以內部構造 )

• 兩鍵鼠標 , 三鍵鼠標 ( 以按鍵數 )

語音輸入設備: 主要部分:　　輸入器 , 模數轉換器 , 語音識別器

輸出設備

打印機:

• 分類:

  • 原理:　　用各種物理或化學的方法印刷字符

  • 分類:　　激光打印機 , 噴墨式打印

  • 特點:　　速度快，質量高，無噪聲，但價格高

  • 原理:　　利用機械動作打擊‘字體’使色帶和打印紙相撞

  • 分類:　　活字式打印 , 點陣式打印

  • 特點:　　結構簡單，價格便宜

  • 擊打式打印機

  • 非擊打式打印機

• 主要性能指標:　　分辨率 , 接口類型 , 打印速度

顯示器:

• 顯示器分辨率:　　屏幕上光柵的行數和列數

• 分類:　　陰極射線管顯示器;  液晶顯示器;  等離子顯示器

• 主要技術指標:　　像素 , 分辨率 , 屏幕尺寸 , 刷新頻率 , 點距 , 像素色彩

輸入輸出設備接口和控制方式

輸入輸出設備接口:

• 數據傳送:　　串行口;  並行口;  程序型接口;  DMA型接口

• 通用性:　　通用接口;   專用接口

• 功能選擇:　　可編程接口;  不可編程接口

輸入輸出控制方式:

• 程序查詢方式 :
  

• 中斷控制方式:
  

• 直接存儲器存取方式

• 輸入輸出處理機方式

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計算機的時標系統

時序控制方式:

同步控制方式:

• 定義 將操作時間劃分爲許多時鐘週期,週期長度固定,每個時間週期完成一步操作,各頁操作應在規定時鐘週期內完成

• 優缺點

  • 優點：時序關係比較簡單,控制部件在結構上易於集中,設計方便

  • 缺點：在時間安排利用上不經濟

• 在同步控制方式中,都有統一的時鐘信號,各種微操作都是在這一時鐘信息的同步下完成的,稱這一時鐘信號爲計算機主頻,其週期稱爲時鐘週期,稱完成一個基本操作所需要的時間爲機器週期

異步控制方式:

• 定義 各項操作按其需要選擇不同的時間,不受統一時鐘週期的約束,各步操作間的銜接與各部件之間信息交換,採取應答的方式

• 優缺點:

  • 優點：時間緊湊,能按不同部件,設備實際需求分配時間

  • 缺點：是實際異步應答所需控制比較複雜

三級時標系統:

• 指令週期

• 機器週期

• 時鐘週期

圖像顯示:

指令週期公式:

指令週期 = 時鐘週期*組成一個機械週期所需T的個數*組成一個指令週期所需M個數