深入理解计算机组成原理

e-mail

gyz00001@163.com

参考书籍

王正智

第一部分 计算机组成原理

第1章 概论

1.1 计算机的基本概念

电子计算机：
1.储存程序
2.通过执行程序指令进行复杂处理
3.输出运算结果

五个逻辑模块：（冯诺依曼）

1.1.1 信息的数字化表示

1.在计算机中用数字代码表示各种信息。
2. 在物理机制上用数字信号 表示数字代码。
3.信息数字化表示的优点：

物理上易实现信息的表示与存储

抗干扰能力墙，可靠性高

熟知的表示范围大，精度高

可表示的信息类型广泛

能用数字逻辑技术进行处理
因此，计算机中采用二进制形式表示信息

1.1.2 存储程序工作方式

编制程序

存储程序

自动、连续执行程序

输出结果

1.1.3 计算机的分类

模拟计算机

数字计算机
1.专用计算机：针对特定任务设计的计算机，例如ATM
2.通用计算机：适应性强，例如个人计算机

2.根据体积分类：

1.2.1 冯诺依曼体系

1.用二进制代码表示程序和数据。
2.采用存储程序的工作方式：将程序和数据存储起来（存储程序），让计算机自动地执行指令，完成各种复杂的运算操作（核心思想）。
3.新型地现代计算机硬件组成

存储器

运算器

控制器

输入设备

输出设备

1.2.2 计算机的发展历程

1.3.1 计算机硬件基本组成系统

1.主要部件CPU

1.运算器

主要由ALU（算术逻辑单元）构成，执行运算、逻辑运算以及移动循环等操作，是CPU功能的主要执行部件。

ALU以全加器为核心，具有多种运算功能。

运算的位数越多，计算精度就越高，但器件也更复杂。

运算器的数据宽度一般是：8位、16位、32位、64位

2.控制器

功能：产生控制命令（微命令），控制全机操作

2.存储器

功能：存储数据和数字化后的程序，以二进制代码来表示。

存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个存储电路，组成一个存储单元。

地址：存储器由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，成为地址。

存储容量：存储器所有存储单元的总数。

内存储器：即主存，一种用来存放直接为CPU提供服务的程序和数据存储器。（U盘）

外存储器：即辅存，为计算机配备的存储容量很大的辅助存储器。（磁盘存储器、光盘存储器）

3.输入/输出设备

功能：执行输入/输出信息的转换.

输入时：原始信息—->二进制代码，送入主机。

输出时：处理结果（二进制代码）—->用户能够直接感知的形式（字符、图像、声音），并输出给用户

4.总线（bus）

能为多个部件分时共享的一组信息传递通路
根据传送的信息不同，可分为三类：

传送各种数据信息的数据总线

传送各种地址信息的地址总线

传送各种控制信号的控制总线

5.接口

外设的种类、数量了变，为了讲总线与各类外设连接，须在两者之间设置一些部件，具有缓冲、转换、连接等功能。

6.计算机硬件的典型架构

微型计算机:南-北桥架构

小型计算机：多处理器架构

.超级计算机（超算）：集群式架构

1.3.2 系统软件

软件类别系统程序和应用程序：

系统软件：负责系统调度管理，提供运行和开发环境、各种服务，确保系统运行良好

应用程序：利用计算机来解决应用问题所编制的程序，如工程设计程序等。

1.3.3 硬、软件系统层次结构

计算机系统由多层次的软件+硬件组成的系统：

1.3.4 软件与硬件的逻辑等价性

软件的特点：易于实现各种逻辑和运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约

硬件的特点：可以高速实现逻辑和运算功能，但难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。
计算机中的软件，理论上都可以“固化”和“硬化”成硬件，以高执行速度

1.4计算机系统的性能指标

1.基本字长

指一次数据操作的基本位数。

它会影响计算的精度、指令的功能。

2.外频

外部频率或基频，也叫系统时钟频率。

3.常用的CPU性能指标

CPU的主频=外频*倍频系数
*== IPS==，每秒执行指令数

CPI

FLOPS，每秒执行浮点运算的次数

CPU的功耗：静态功耗、静态功耗（占主要）

4.数据传输率

带宽 = （位宽*工作频率）/8（B/S）
物理含义：单位时间内数据的传输量
注意：计算PCO-E总线的带宽时，一般还要考虑编码方式、单双工模式和通道路数等

例题：

5.存储器的容量

内存（主存）容量：指可编址的存储单元个数（取决于地址码位数）*存储单元的位宽（表明编址单位）

外存（辅存）容量：指存储器能存储的最大数据量（Byte、KB、MB、GB、TB）
外存容量与总线地址码的位数无关

第2章 数据的表示、运算与校验

2.1数值型数据的表示方法

2.1.1进位计数制

数制的基与权
在任一数制中，每一数位上允许使用的记数符号的个数被称为该数制的基数
每一位都对应一个表示该位在数码中的位置的值，这个值就是他的权。

第3章 CPU子系统

第4章 存储子系统

第5章 总线与I/O子系统

第6章 输入输出设备及其接口