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思维导图 |
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一、计算机的基本概念 |
计算机：是一种能够存储程序，能够 自动连续地 执行程序，对各种数字化信息进行 算术运算 或 逻辑运算 的快速工具。
冯 ·诺依曼机
1、采用二进制代码表示数据和指令
数据：计算机所处理的信息。
指令：程序的最终可执行形态。
二者均由 二进制代码 表示（0、1序列），容易用 二值逻辑电路 处理，实现处理功能逻辑化。
2、采用存贮程序工作方式
- 事先编制程序。
- 将程序存贮于计算机的存储器中。
- 计算机在运行时将自动地、连续地从 存储器 中依次取出指令加以执行。
指令记数器PC：存放 当前指令 所在存储单元的 地址 以控制指令序列的 执行顺序 。
机器以 PC内容 作为地址读取指令，再按指令给出的 操作数地址 去读取数据。
3、五大部件
由以下五大部件构成计算机硬件系统：
- 运算器：在 控制器 的控制下进行各种运算。
- 存储器：按 地址 存放或读取内容，存放数据、程序和运算的中间结果。
- 控制器：神经中枢，控制计算机各部分有序地工作。
- 输入设备和输出设备：I/O准备好，向计算机发请求，控制器发I/O命令，进行I/O操作。
数字化信息
信息分为 控制信息流 和 数据信息流 。
控制信息流：产生控制信号，控制计算机的工作。
数据信息流：计算机加工处理的对象。
- 数据信息流包含 数值型 和 非数值型。
非数值型包含字符、文字、图像、声音、逻辑值等。
1、用数字代码表示计算机中的各种信息
- 数值大小、正负：符号位：0－正数，１－负数。
- 字符：一个ASCII码字符１B，一个中文字符2B。
- 指令：每种指令按约定的指令格式，用一种数字代码表示。
- 设备状态：不同编码表示不同状态，00－空闲，01－忙，10－完成一次操作。
（1）在物理机制上，数字代码以数字型信号表示
模拟信号通过 采样 得到数字信号（时间上离散）。
脉冲数字电信号：用脉冲的有无表示0、1。
- 定时作用：脉冲的上升沿或下降沿 表某一时刻，定时。
电平数字电信号：利用 电平信号的高低 表不同的状态。
- 0 - 低电平0V，1 - 高电平+5V。
数字化方法表示信息的优点：
- 抗干扰能力强，可靠性高。
- 可获得 很宽的表示范围 及 高的精度。否则增加位数，硬件代价高。
- 物理上容易实现，并可用 双稳态触发器 或 电容 存储信息。
- 能用 数字逻辑技术 处理，这也是硬件设计的基础。
数字计算机特点
- 能在程序控制下自动连续地工作。
- 运算速度快。
- 运算精度高。
- 具有较强的信息存贮能力。
- 通用性强。
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二、计算机系统的硬软组成与层次结构 |
硬件系统
硬件：系统中可触模得到的物理设备实体，以及将它们组织为一个计算机系统的体系结构。
主机包括 CPU 和 主存 。
CPU：核心为 运算器 和 控制器 。
- 控制器有 组合逻辑控制器 和 微程序控制器 。
- 组合逻辑控制器：由若干 组合逻辑电路 产生微命令序列。
- 微程序控制器：将 微命令序列 以代码形式编成微程序，存入控制存储器。
CPU运行程序时，读取并执行微程序，产生微命令序列，解释执行机器指令序列。
存储器包括 主存、外存、高速缓冲 。
主存：内存，CPU按地址直接访问。
- 主存用的是半导体存储器。
外存：辅存，主机之外，容量大，CPU不能直接访问。
高速缓冲：CPU与主存之间，当前正使用的程序、数据复制于其中，提高CPU访存速度。
外部设备：I/O设备。
总线：主机通过一组总线连接各种I/O设备。
外围接口：I/O接口，位于总线与各种I/O设备之间，起缓冲与连接作用的部件。
1、以总线为基础的系统结构 —— 小、微型机
采用 总线结构 实现数据传递，为数据通路结构。
总线BUS: 一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。
- 线路有数据线、地址线、控制线。
共享：一组总线挂多个部件。
分时：同一时刻同一组总线只接受一个发送源，否则冲突。
不同的计算机系统采用不同的总线结构。
- 比如：
1、PDP-11。
16位小型机，单总线结构，如下图：
2、 IBM-PC。
局部总线：与CPU直接连接，可访问属于主机范畴的部件。
系统总线：局部总线上的信息经总线控制器和锁存器再与外部相连，形成I/O扩展总线－系统总线。
2、采用通道或I0P的大型系统结构 —— 大、中型机
这类结构使CPU与I/O操作并行执行，I/O设备种类与数量增多。
3、提高系统性能的若干技术
- 提高单CPU性能。
- 用多个CPU构成多机系统。
总之要点是 要增强并行处理能力。
例如：
- 向量机（用向量运算器并行处理适于向量化的任务）
阵列机（多个处理部件组成一个阵列-单指令流多数据流）
多机系统（多个CPU构成多机系统）
流水处理（利用时间重叠提高并行处理能力）
超标量方式（同时执行多条指令）
超长指令字（相当于多条常规指令，提高并行速度）
多存贮休交叉访问技术（并行主存系统）
精减指令系统计算机RISC（提高单机运算速度）
软件系统
软件：各类程序和文件，是一些触摸不到的二进制信息。
1、系统软件
系统软件：负责系统的调度管理，提供程序的 运行环境 和 开发环境 ，为方便用户使用，提高计算机系统的效率 或 扩展硬件功能而编制的程序。
系统软件包括有：
- 操作系统：核心。作业调度、处理机调度、存储管理、文件系统、外围设备管理，任何其它软件必须在OS的支持下才能运行。
- 语言处理程序：包括了 解释方式 和 编译方式 。利用它们可以使源程序转变为机器指令。
- 各种服务性支撑软件：为帮助用户使用与维护计算机提供一种集成环境。
- 各种标准程序库
- 数据库管理程序
2、应用软件
应用软件：用户为解决某一特定问题而编制的程序。
层次结构模型
1、硬软组成的层次结构
2、从语言功能角度划分层次结构
机器语言物理机：执行机器语言。
虚拟机：配置软件扩充 机器功能 后所形成的计算机，实际硬件并不具备这种机器功能。
- 汇编语言虚拟机：与指令系统一一对应。
- 高级语言虚拟机：与物理机无关，算法语言。
- 专用语言虚拟机
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三、计算机的性能指标 |
1、基本字长
基本字长：参与一次运算的数的位数。位数越多，计算精度越高。
- 微机：8、16、32、64位机。
这反映了寄存器、运算部件、数据总线的位数。
硬件实现基本字长运算，软件支持实现多字长运算。
2、数据通路宽度
数据通路宽度：数据总线一次所能 并行传送 的位数。它影响信息传送能力，从而影响计算机的有效处理速度。
- CPU内部的一般等于基本字长，而外部的取决于系统总线，可与内部的相等，也可小于内部的。
- 内外相等：Intel80386，均为32位，32位机。
外部宽度小于内部：Intel8088，内16位，外8位，准16位机。
- 内外相等：Intel80386，均为32位，32位机。
3、主存容量
主存容量：CPU可以直接访问的存贮器容量。它影响计算机的处理能力。
- 按字节编址：每个存储单元为8位，即1B。
用字节数表示。如1MB、640KB。 - 按字编址：每个存储单元为一个字，字长超过8位。
用 单元数(字数) × 位数表示。如64K ×16位。
4、外存容量
外存容量：与计算机联机的外存容量。以字节数表示。
5、运算速度
- CPU时钟频率：很大程度反映CPU速度的快慢。
- 每秒平均执行指令数(IPS)。
- 几种典型四则运算所需的时间。
- 高速计算机以浮点运算速度为指标。
6、所配置的外围设备及其性能指标
7、系统软件配置情况
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参考资料
[1] 徐洁. 计算机组成原理与汇编语言程序设计(第4版) [m]. 电子工业出版社, 2017
[2] 白中英. 计算机组成原理(第3版) [m]. 科学出版社, 2000
[3] 唐朔飞. 计算机组成原理(第1版) [m]. 高等教育出版社, 2000