软考复习-计算机组成原理

计算机的基本组成

1. 计算机系统的硬件组成：基本的计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。随着硬件技术的发展，运算器、控制器等部件已经被集成在一起，统称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）。
   1. 运算器是对数据进行加工处理的部件，它主要完成算术和逻辑运算。
   2. 控制器的主要功能则是从主存中取出指令并进行分析，控制计算机的各个部件有条不紊地完成指令的功能。
   3. 存储器是计算机系统中的记忆设备，分为内部存储器（Main Memory，MM，简称内存、主存）和外存储器（简称外存）。内存的存取速度快、容量小，一般用来临时存放计算机运行时所需的程序、数据及中间结果。外存的容量大、存取的速度相对较慢，可用于长期保存信息。
   4. 寄存器是CPU中的记忆设备，用来临时存放指令、数据及运算结果。与内存储器相比，寄存器的速度要更加快。
2. 计算机软件：计算机软件是指为管理、运行、维护及应用计算机所开发的程序的相关文档的集合。

计算机的类型

• 按照体积和工作能力，计算机分为巨型机、大型机、小型机和微型机。微型机又有多种形式，如台式机、膝上型计算机或笔记本电脑、工作站、掌上计算机和个人数字助理等。
• 按照功能是否专一，计算机可分为通用计算机和专用(嵌入式)计算机。
• 按照CPU的指令系统架构，计算机分为复杂指令系统计算机和精简指令计算机。

CISC 和 RISC

计算机系统按照指令集的不同分为：复杂指令集系统和精简指令集系统。

• 按照体系结构及指令处理方式，计算机分为 单指令流单数据流计算机、单指令流多数据流计算机、多指令流单数据流计算机 和 多指令流多数据流计算机。

计算机体系结构分类-Flynn

计算机基本组成和工作原理

计算机硬件的基本组成包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部分。其中，集成在一起的运算器和控制器称为 CPU。

• 运算器（ALU）是对数据进行加工处理的部件，它既能完成算术运算又能完成逻辑运算，所以称为算术逻辑单元。
• 控制器的主要功能是从主存中 取出指令 并 进行分析，控制计算机的各个部件有条不紊地完成指令地功能。
• 存储器主要由称为内存和外存地存储器组成，为了提高整个系统地运行速度，计算机中往往还要设置寄存器、高速缓存等存储器。
• 输入／输出设备是计算机系统与外界交换信息地装置，一般通过总线和接口将主机与I／O设备有机组合在一起。

CPU

cpu 的功能：

1. 程序控制：CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序（CPU重要职能）。
2. 操作控制：一条指令功能的实现需要若干操作信号来完成，CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。
3. 时序控制：CPU通过时序电路产生的时钟信号进行定时，以控制各种操作按照指定的时序进行。
4. 数据处理：完成对数据的加工处理是CPU最根本的任务。

cpu 的组成：

同上。

存储系统

存储系统的分类：

1. 按存储器所处的位置，可分为内存和外存。内存也称为主存，设在主机内或主机板上，用来存放机器当前运行所需要的程序和数据，以便向 CPU 提供信息。相对于外存，其特点是容量小速度快。外存也称为辅存，如磁盘、磁带、光盘等，用来存放当前不参加运行的大量信息，在需要时，可把需要的信息调入内存。相对于内存，外存的容量大、速度慢。
2. 按构成存储器的材料，可分为磁存储器、半导体存储器和光存储器。磁存储器是磁性介质制作的，如磁芯、磁泡、磁膜、磁鼓、磁带和磁盘等。半导体存储器根据所用元件又分为双极型和MOS型：根据是否需要刷新，又可分为静态（static memory）和动态（dynamic memory）两类。
3. 按工作方式可分为读写存储器和只读存储器。
   1. 读写存储器（Random Access Memory，RAM）既能读取数据也能存入数据的存储器。这类存储器的特点是它存储信息的易失性，即一旦去掉存储器的供电电源，则存储器所存信息也随之丢失。
   2. 只读存储器所存信息是非易失的，也就是它存储的信息去掉供电电源后不会丢失，当电源恢复后它所存储的信息依然存在。根据数据的写入方式，这种存储器又可细分位ROM、PROM、EPROM、EEPROM等类型。
   3. 固定只读存储器（Read　Only　Memory，ROM）这种存储器是在厂家生产时就写好数据的，其内容只能读出，不能改变。所以这种存储器又称为掩膜ROM。这类存储器一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。
   4. 可编程的只读存储器（Programmable　Read　Only　Memory，PROM）其中的内容可以由用户一次性地写入，写入后不能修改。
   5. 可擦除可编程的只读存储器（Erasable　Programmable　Read　Only　Memory，EPROM）其中的内容既可以读出，也可以由用户写入，写入后还可以修改。改写的方法是，写入之前先用紫外线照射１５～２０分钟以擦去所有信息，然后再用特殊的电子设备写入信息。
   6. 可擦除可编程的只读存储器（Erasable　Programmable　Read　Only　Memory，EPROM）其中的内容既可以读出，也可以由用户写入，写入后还可以修改。改写的方法是，写入之前先用紫外线照射１５～２０分钟以擦去所有信息，然后再用特殊的电子设备写入信息。
   7. 闪速存储器（Flash Memory）简称闪存，闪存的特性介于EPROM和EEPROM之间，类似于EEPROM，闪存也可以使用电信号进行信息的擦除操作。整块闪存可以在数秒内删除，速度远快于EPROM。
4. 按访问方式可分为按地址访问的存储器和按内容访问的存储器。
5. 按寻址方式分类可分为随机存储器、顺序存储器和直接存储器。
   1. 随机存储器（Random Access Memory，RAM）这种存储器可对任何存储单元存入或读取数据，访问任何一个存储单元所需的时间是相同的。
   2. 顺序存储器（Sequentially Addressed Memory，SAM）访问数据所需要的时间与数据所在的存储位置相关，磁带是典型的顺序存储器。
   3. 直接存储器（Direct Addressed Memory，DAM）介于随机存取和顺序存取之间的一种寻址方式。磁盘是一种直接存取存储器，它对磁道的寻址是随机的，而在一个磁道内，则是顺序寻址。

存储系统的层次结构：

不同的存储器，通过适当的硬件、软件有机的组合在一起形成计算机的存储体系。一般情况下，计算机的存储结构可由三级结构进行描述。其中高速缓存（cache）的速度最快，其次是主存储器（MM），处于最低层的辅助存储器（外存储器）的速度最慢。若将 CPU 内部的寄存器也看做是存储器的一个层次，则可将存储系统分为四层结构。

层次化的多级存储结构：局部性原理，性价比方案。

反应存储性能的主要属于：

• 存储周期（Memory Cycle Time，MCT）是指连续两次存储器访问的最小时间间隔，记作 Tm。
• 带宽（bandwidth）指存储器的数据传送速率，即每秒传送的数据位数，记作Bm。假设存储器传送的数据宽度为W位（即一个存储周期中读取或写入的位数），那么：Bm=W/Tm（b/s）。

例题：

外存储器：

外存储器用来存放暂时不用的程序和数据，外存上的信息以文件的形式存储。CPU 不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位调入主存方可访问。外存储器由电磁表面存储器（如磁盘、磁带）及光盘存储器构成。

常用的外存储器：

1. 磁盘存储器：由盘片、驱动器、控制器和接口构成。盘片用来存储信息。驱动器用于驱动磁头沿盘面作径向运动以寻找目标磁道位置，驱动盘片以额定速率稳定旋转，并实现控制数据的写入和读出。控制器接受主机发来的命令，将它转换成磁盘驱动器的控制命令，并实现主机和驱动器之间数据格式的转换及数据传送，以控制驱动器的读/写操作。一个控制器可以控制多台驱动器。接口是主机和磁盘存储器之间的连接部件。
2. 硬盘：硬盘中可记录信息的磁介质表面叫做记录面。每一个记录面上都分布着若干同心的闭合圆环，称为磁道。数据就记录在磁道上。使用时要对磁道进行编号，按照半径递减的次序从外到里编号，最外一圈为0道，往内道号依次增加。最内圈的位密度称为最大位密度。为了方便记录信息，磁盘上的每个磁道又分为若干段，每一段称为一个扇区。例如每个磁道分为16段、32段等。

硬磁盘的主要技术指标如下：

• 道密度：为了减少干扰，磁道之间要保持一定的间隔，沿磁盘半径方向，单位长度内磁道的数目称为道密度。常用的道密度单位是：道/毫米，或道/英寸。
• 位密度：位密度是指在磁道圆周上单位长度内存储的二进制位的个数。常用的位密度单位是：b/mm，或b/in。为了简化电路设计，规定每个磁道上记录的位数是相同的。由于磁盘中各个磁道的圆的周长不同，因此不同磁道上记录的位密度是不一样的，越靠近盘芯的磁道位密度就越高，并用最内圈磁道的位密度来定义磁盘的位密度。
• 存储容量：是指整个磁盘所能存储的二进制位信息的总量。磁盘的容量有非格式化容量和格式化容量之分。一般情况下磁盘容量是指格式化容量。（非格式化容量=位密度*内圈磁道周长*每个记录面上的磁道数*记录面数，格式化容量=每个扇区的字节数*每道的扇区数*每个记录面的磁道数*记录面数）
• 平均存取时间：是指从发出读写命令开始，磁头从某一位置移动到指定位置并开始读写数据所需时间。它包括寻道时间和等待时间，是两者之和。
• 寻道时间（seek time）：是指磁头移动到目标磁道（或柱面）所需要的时间，由驱动器的性能决定，是个常数，由厂家给出。
• 等待时间（rotational latency）：等待时间是指等待读写的扇区旋转到磁头下方所用的时间，一般选用磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间。可见，提高磁盘转速可缩短这个时间。（存取时间=寻道时间+等待时间）
• 数据传输率：是指磁头找到数据的地址后，单位时间内写入或读出的字节数。（数据传输率=每个扇区的字节数*每磁道扇区数*磁盘的转速）

例题：

R10-R9-R8-R7-R6-R5-R4-R3-R2-R1-R0 -> 3+3+(33 + 3)*10 = 366
(3+3)*11=66

结构的功能和分类

广义上讲，接口是指两个相对独立子系统之间的相连部分，也常被称为界面。由于主机与各种 I／O 设备的相对独立性，它们一般是无法直接相连的，必须经过一个转换机构。用于连接主机与 I/O 设备的这个转换机构就是 I/O 接口电路，简称为 I/O 接口。

接口的分类：

按数据传送的格式可分为并行接口和串行接口。

• 并行接口采用并行传送方式，即一次把一个字节（或一个字）的所有位同时输入或输出，同时（并行）传送若干位。并行接口一般指主机与 I／O 设备之间、接口与 I／O 设备之间均以并行方式传送数据。
• 串行接口采用串行传送方式，数据的所有位按顺序逐位输入或输出。一般情况下，接口与I/O设备之间采用串行传送方式，而串行接口与主机之间则采用并行方式。

按主机访问 I/O 设备的控制方式，可分为程序查询接口、中断接口、DMA 接口、以及更复杂一些的通道控制器、I/O 处理机等。
按时序控制方式可分为同步接口和异步接口。

中断

中断的定义：

在 CPU 执行程序的过程中，由于某一个外部的或 CPU 内部事件的发生，使 CPU 暂时中止正在执行的程序，转去处理这一事件，当事件处理完毕后又回到原先被中止的程序，接着中止前的状态继续向下执行。这一过程就称为中断。
引起中断的事件就称为中断源。若中断是由 CPU 内部发生的事件引起的，这类中断源就称为内部中断源；若中断时由 CPU 外部的事件引起的，则称为外部中断源。

中断方式下的数据传送：

当 I/O 接口准备好接收数据或准备好向 CPU 传送数据时，就发出中断信号通知 CPU。对中断信号进行确认后，CPU 保存正在执行的程序的现场，转而执行提前设置好的 I/O 中断服务程序，完成一次数据传送的处理。这样，CPU 就不需要主动查询外设的状态，在等待数据期间可以执行其他程序，从而提高了 CPU 的利用率。采用中断方式管理 I/O 设备，CPU 和外设可以并行地工作。
虽然中断方式可以提高 CPU 地利用率，能处理随机事件和实时任务，但一次中断处理过程需要经历保存现场、中断处理和恢复现场等阶段，需要执行若干条指令才能处理一次中断事件。因此，这种方式无法满足高速地批量数据传送要求，所以引入 DMA 方式。

直接存储器存取方式：

直接存储器存取（Direct Memory Access，DMA　）方式地基本思想是通过硬件控制实现主存与 I／O 设备间地直接数据传送，数据地传送过程由 DMA 控制器（DMAC）进行控制，不需要 CPU 的干预。在 DMA 方式下，由 CPU 启动传送过程，即向设备发出“传送一块数据”的命令，在传送过程结束时，DMAC 通过中断方式通知 CPU 进行一些后续处理工作。
DMA 方式简化了 CPU 对数据传送的控制，提高了主机与外设并行工作的程度，实现了快速外设和主存之间成批的数据传送，使系统的效率明显提高。但 DMA 方式也有局限性，由于 DMA 控制器只能控制简单的数据传送操作，因此对外设的管理和某些控制操作仍由 CPU 承担，因此，在外设数量较多、输入／输出频繁的大、中型机中，通常设置通道，使 CPU 摆脱管理和控制外设的沉重负担。