计算机组成原理笔记总结

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第1章：计算机的系统

硬件：指计算机实体部分。（看得见摸得着的）
软件：通过编译具有各类特殊功能的程序组成（看不见摸不着）

冯.诺依曼计算机：以运算器为中心
现代计算机：以存储器为中心

1.计算机由运算器，存储器，控制器，输入，输出设备过构成。
2.现代计算机三大组成：CPU，I/O设备，主存储器
3.工作步骤：（1）建立数学模型 （2）确定计算方法（3）编制解题程序
4.存储容量=存储单元个数（MAR 1k=1024=2^10）x存储字长（MDR 1M=2 ^20）

ax^2+bx+c在计算机中的运行过程

各种英文代号解释

CPU:（Central Processing Unit)中央处理器
I/O设备：（Input/Output Equip-ment）输入，输出设备
MM: （Main Memory)主存储器
ALU: （Arithmetic Logic Unit）算数逻辑单元
ACC：（Accumulator）累加器
MQ：（Multiplier-Quotient Register）乘商寄存器
X：操作数寄存器
PC：（Program Counter）程序计数器
IR：（Instruction Register）指令寄存器
CU：（Control Unit）控制单元
MAR：（Memory Address Register）存储器地址寄存器，反映单元个数
MDR：（Memory Data Register）存储器数据寄存器，反映字长

第3章：系统总线

总线是信号的公共传输线，是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。

发展过程：

1. 面向CPU的双总线：这种结构在I/O设备与主存交换信息是仍然要占用CPU，因此还会影响CPU的工作效率。
2. 单总线结构（系统总线）：只有一组总线，当都要占用总线时，就会发生冲突。
3. 以存储器为中心的双总线结构：由单总线基础上，在CPU与主存之间连接一条存储总线。

分类：

1. 片内总线：芯片内部的线。
2. 系统总线：计算机各部件之间的信息传输线。
   （1）数据总线（双向）：传输数据信息
   （2）地址总线（单向）：指出在数据总线上数据在主存单元或I/O设备的地址
   （3）控制总线（单向，双向）：发出各种控制信号，监视各部件状态。
3. 通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（外部系统） 传输方式：串行通信，并行通信

特性：

1. 机器特性
2. 电气特性
3. 功能特性
4. 时间特性

性能指标：

1. 总线宽度：指数据总线的根数，用bit（位）表示，如8位（8根）。
2. 总线带宽(数据传输速率)：既单位时间内总线上传输数据的位数，用每秒传输信息的字节数来衡量，单位用MBps(兆字节每秒)。
3. 时钟同步/异步：数据与时钟。
4. 总线复用：地址线和数据线的复用。
5. 信号总线：三种总线的总和。

判优控制

1. 主设备对总线有控制权，从设备只能响应从设备发来的总线命令
2. 判优控制可分为集中式和分布式。

集中控制优先权仲裁方式：
（1）链式查询：控制线少，对电路故障敏感，优先级低的设备难请求
（2）计数器定时查询：控制复制
（3）独立请求方式：响应快，优先次序控制灵活

通信控制

1. 总线周期：完成一次总线操作的时间。
2. 目的：解决通信双方如何协调配合。
3. 方式：
   （1）同步通信：通信双方由统一时标。
   （2）异步通信：采用应答方式，没有公共时钟标准。
   （3）半同步通信：同步，异步结合。
   （4）分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力。

第4章：存储器

一. 概述

分类：

层次结构：

1. 性能指标：速度，容量，位价（每位价格）。
   
2. 存储层次结构：
   （1）缓存-主存层次：解决CPU和主存速度不匹配问题。
   （2）主存-辅存层次：解决容量问题。

二.主存储器

1.概述

1. 基本组成： 存储体（大楼）–存储单元（房间）–存储元件（床位）-- 0 / 1（无人/有人）。
2. 主存中存储单元地址的分配： 主存个存储单元的空间位置是由单元地址号来表示，地址总线是指出储存单元地址号，由地址号可以读出写入一个储存字。
3. 技术指标：
   （1）存储容量 ：指主存能存放二进制代码的总位数，也可用字节总数 来表示。
   存储容量=存储单元个数 x 存储字长
   存储容量=存储单元个数 x 存储字长/8
   （2）存储速度 ：由存取时间和存储周期来表示。

2. 半导体储存芯片

基本结构：

容量：由地址线（单向）和数据线（双向）的位数共同反应。
列：

地址线	数据线	容量
10	4	2^10(1k)*4
14	1	2^14(16k)*1
13	8	2^13(8k)*8

控制线：
（1）读写控制线：决定芯片进行读写操作。
（2）片选线：用来选择储存芯片。
译码驱动方式：线选法和重合法

3.随机存储器（RAM）

DRAM(动态)：用在主存
SRAM(静态)：用在缓存

	DRAM(动态)	SRAM(静态)
存储原理	容量	触发器
集成度	高	低
芯片引脚	少	多
功耗	小	大
价格	低	高
速度	慢	快
刷新	有	无

4.只读存储器（ROM）

定义： 一般保存系统程序或系统的配置信息
半导体ROM基本器件：MOS型和TTL型。

1. MROM:用户不发改变原始状态。
2. PROM：可以改变一次（一次性）。
3. EPROM：（多次性编程）。
4. EEPROM：既可局部，也可全部。
5. 闪速存储器：快擦型存储器

5.存储器与CPU的连接

1. 存储容量的扩展

CS （片选线 ）：连接芯片
WE：读，写

（1）位扩展 ： 指增加存储字长（就是增加数据线）。
（2）字扩展 ：指增加存储器字的数量，也称存储单元（就是增加地址线）
（3）字，位扩展 ：两个都增。

2. 存储器与CPU连接
   （1）地址线连接：通常将CPU地址线的低位与存储芯片的地址线相连（CPU地址线多于存储芯片地址线）。
   （2）数据线连接 : 若存储芯片与CPU的数据线不相等，就对存储芯片进行扩位（使他们数据位数相等）。
   （3）读 / 写命令线连接 ：高电平为读，低电平为写。
   （4）片选线连接 ：是CPU与存储芯片正确工作的关键。片选有效信号与CPU的访存信号MREQ（低电平有效，有效时，这次访问的地址才在存储器当中）有关。
   （5）合理选择存储芯片 ：ROM存放系统程序，RAM为用户编程设计。

解题步骤
（1）写出对应的二进制地址码
（2）确定芯片数量及类型
（3）分配地址线
（4）确定片选信号
（5）确定片选逻辑

6.存储器校验

1. 汉明码：1950年提出，具有以为纠错能力。
2. 汉明码的分组是一种非划分方式。
3. 校验位： 指对一组数据进行效验，不和其他组共有。

7.提高访存速度的措施

目的：提高主存的存取速度
多体并行系统：采用多体模块组成的存储器。

三.高速缓冲存储器（cache）

1.概述

主要作用：解决主存与CPU速度不匹配的问题。

1. 工作原理

1. 主存由2^n个可编译的字组成，每个字有唯一的n位地址
2. 主存 和 缓存以块 为单位存储。
3. 块的大小相同

2. CPU读取主存的字
   两种情况（1）所需字已在缓存中，可直接访问Cache（一次送一个字节）。
   （2）不在，将改字所在的主存整个字块调到缓存。
3. 命中率
   （1）Cache 容量越大 CPU命中率越高。
   （2）命中Cache：说明主存快已经调入缓存中。
   （3）未命中：未调入。
4. 基本结构
   （1）Cache存储体。
   （2）地址映射变换机构
   （3）替换机构
   （4）Cache的读写操作
   

2.Cache–主存地址映射和替换策略

映射机构：主存的块可以放到缓存那些块当中。
替换机构：完成了主存当中的一个块在Cache当中的查找操作。

1. 直接映射（不灵活）：某一 主存块只能固定映射到某一缓存块。
2. 全相联映射（成本高）：某一主存块能 映射到任一缓存块
3. 组相联映射：某一 主存块只能映射到某一缓存组中的存储块当中

算法：

1. 先进先出（First-In-First-out,FIFO）算法。
2. 近期最少使用（Least Recently Used,LRU）算法。

四.辅助存储器（外部存储器）

特点：不直接与CPU交换信息
与主存一起组成了存储器系统的主存-辅存层次

第5章：输入输出系统

你们可能看不懂我的题目，那么接下来跟我一起去了解输入输出系统的学习过程。

输入输出，通俗话讲就是进去出来（希望能过审）。

它有多牛逼呢？
它是除了CPU和存储器计算机硬件系统第三个关键部分。

一.发展情况，了解历史

1. 早期阶段
   （1）分散连接
   （2）CPU与I/O设备串行工作
   （4）程序查询方式
   （3）I/O设备通过CPU与主存交换消息
   

2. 接口模块和DMA阶段
   （1）总线连接
   （2）CPU和I/O设备并行
   （3）工作：中断方式，DMA方式。

3. 具有通道结构阶段
   I/O设备通过通道与主机交换信息。

4. 具有I/O处理机的阶段

二.系统组成

是由I/O软件和I/O硬件组成的。

1.I/O软件
（1）I/O指令

操作码	命令码	设备码

（2）通道指令

• 指出数组的首地址，传送字数，操作命令
• 是通道自身的指令，用来执行I/O操作

2.I/O硬件：包括接口模块和I/O设备。

三.I/O设备与主机的联系方式

1. I/O设备的编址方式
   （1）统一编址：将I/O地址看做是存储器地址的一部分。
   （2）不统一编址：指I/O地址和存储器地址分开

2. 设备寻址：用设备选择电路识别是否被选中。

3. 传送方式
   （1）并行方式（数据同时输送）：传送快，但数据线多
   （2）串行方式（逐位传送）：速度慢，但只需一根数据线和地址线

4. 联络方式
   （1）立即响应方式
   （2）异步工作采用应答信号联络
   （3）同步工作采用同步时标联络

5. 连接方式
   （1）辐射式：增删困难
   （2）总线式：现代被采用

四.I/O设备与主机信息传送的控制方式

1. 程序查询
2. 程序中断（还在努力编写。。。）。
3. DMA方式