文章目录

第一章
- 1. 什么是计算机系统
- 2. 硬件的发展
- 3. 计算机硬件的基本组成
- - 冯诺依曼结构
  - 现代计算机结构
  - 主存储器
  - 运算器
  - 控制器
  - 工作过程实例
- 4. 计算机系统的层次结构
- - 五层结构
  - 三种级别的语言
- 5. 计算机的性能指标
- - 存储器的容量
  - CPU
  - 其他
  - 常用时间单位
第二章
- 1. 进制转换
- 2. 字符与字符串
- 3. 校验码
- - 校验原理
  - 奇偶校验码
  - 海明校验码
  - 循环冗余校验码
- 4. 定点数的表示
- - 无符号数
  - 有符号数
  - - 原码
    - 反码
    - 补码
    - 移码
    - 原码、反码、补码、移码之间的对比
    - 原码、补码、移码的作用
- 5. 定点数的运算
- - 移位运算
  - - 算数移位：
    - 逻辑移位：
    - 循环移位：
  - 加减运算
  - - 原码的加减法：
    - 补码的加减法：
    - 溢出判断：
    - 符号扩展：
  - 乘法运算
  - - 乘法运算的思想
    - 原码的一位乘法
    - 补码的一位乘法
  - 除法运算
- 6. 强制类型转换
- 7. 数据的存储和排列
- 8. 浮点数的表示
- 9. 浮点数的运算
第三章
- 主存简单模型和寻址概念
- 存储器RAM
- ROM(只读存储器)
- 存储器基本概念
- 主存与CPU的连接
- 双端口RAM和多模块存储器
- 高速缓冲存储器的局部性原理及性能分析
- Cache 地址映射
- Cache 替换算法及写策略
- 虚拟存储器
第四章
- 指令系统
第五章
- CPU的功能和基本结构
- 指令周期的数据流
- 数据通路——CPU内部单总线方式
- 数据通路——专用数据通路
- 控制器——硬布线
- 控制器——微程序
- 指令流水线的概念及性能指标
- 影响流水线的元素和分类
第六章
- 总线的概念和分类
- - 总线的分类：
  - - 按数据传输格式
    - 按总线功能
    - 按时序控制方式
  - 系统总线的结构
  - - 单总线结构
    - 双总线结构
    - 三总线结构
    - 四总线结构
- 性能指标
- 总线仲裁
- - 链式查询方式
  - 计数器定时查询方法
  - 独立请求方式
- 总线操作和定时
- 总线标准
第七章
- IO系统基本概念
- 输入与输出
- 外存储器
- IO接口
- IO方式
- - 程序查询方式
  - 中断系统
  - 程序中断方式
  - DMA方式

第一章

1. 什么是计算机系统

计算机系统包含

软件
- 系统软件
  - 用来管理整个计算机系统
  - 例如操作系统，数据库管理系统DBMS，标准程序库，网络软件，语言处理程序，服务程序
- 应用软件
  - 按任务需要编制成的各种程序
  - 例如各种桌面软件
硬件
- 略

2. 硬件的发展

第一代：电子管
第二代：晶体管
第三代：中小规模集成电路
第四代：大规模，超大规模集成电路

3. 计算机硬件的基本组成

包含五大部分：

输入设备：将信息转化成机器能够识别的形式
输出设备：将结果转化为人们熟悉的形式
主存储器：存放数据和程序
运算器：算术运算，逻辑运算
控制器：指挥各部件，使程序运行

冯诺依曼结构

冯诺依曼计算机的特点：

首次提出“存储程序”概念
以运算器为中心
指令和数据以同等地位存储于存储器中，可以按地址寻访
指令和数据用二进制表示
指令由操作码和地址码组成

冯诺依曼计算机结构框图：
在这里插入图片描述

方框前为软件，方框中的部分为硬件
在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的，例如对于乘法运算，可以设计一个专门的硬件电路来实现，也可以用软件的方法，执行多次加法运算来实现

现代计算机结构

特点：

以存储器为中心
CPU = 运算器 + 控制器

现代计算机结构框图：
在这里插入图片描述

当前计算机结构框图

在这里插入图片描述

两个存储器对于的其实就是内存和硬盘

主存储器

在这里插入图片描述

cpu与主存储器通过地址总线进行交流
读数据时需要将地址信息放到MAR
写数据时需要将地址信息和数据信息分别放到MAR和MDR

名词解释：

MAR：由译码器进行地址译码后找到相应的存储单元【反应存储单元的个数】
MDR：暂存要从存储器中读或写的信息
存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
存储字（word）：存储单元中二进制代码的组合
存储字长：存储单元中二进制的位数
存储元：即存储二进制的电子元件（电容），每个存储单元可以存1bit

例子：
在这里插入图片描述
例如宽带是用100Mbps表示，而下载速度一般用10MB/s表示

运算器

用来实现算术运算和逻辑运算

在这里插入图片描述

ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果
MQ：乘商存储器，在乘除运算时，用于存放操作数或运算结果
X：通用操作数寄存器，用于存放操作数
ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂电路实现算数运算，逻辑运算

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控制器

在这里插入图片描述

CU：控制单元：分析指令，给出控制信息
IR：指令存储器，存放当前执行的指令
PC：程序技术器，存放下一条指令地址，有自动加一功能

所以CPU完成一条指令的步骤如下：

取指令 PC
分析指令 IR
执行指令 CU

工作过程实例

如图所示：
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

总结：
在这里插入图片描述

总结：
在这里插入图片描述
注意：现在的计算机通常把MAR、MDR也集成在CPU内

4. 计算机系统的层次结构

五层结构

在这里插入图片描述

下层是上层的基础
上层是下层的扩展
汇编语言和机器语言一一对应

三种级别的语言

高级语言，汇编语言，机器语言

三种程序：

汇编程序：将汇编语言翻译成机器语言
解释程序：将源程序一条语句翻译成对应的机器语言的语句，并立即执行，每次执行都要翻译，没有生成可执行文件
编译程序：将源程序全部语句编译成对应的机器语言的语句，而后再执行机器语言程序，只需要翻译一次

5. 计算机的性能指标

存储器的容量

MAR位数反应存储单元的个数
MDR位数反应每个存储单元大小=存储字长

在这里插入图片描述

CPU

时钟周期：CPU最小的时间单位，每个当做至少要1个时钟周期
主频（时钟频率）：= 周期的倒数，单位为：Hz
CPI：执行一条指令所需的时钟周期数
CPU执行时间：运行一个程序所花费的时间
- （指令条数*CPI）/主频
- 指令条数取决于硬件设计，例如是否用多次加法取代乘法
IPS：每秒执行多少条指令 = 主频 / 平均CPI
FLOPS：每秒执行多少次浮点运算

其他

数据通路宽度：数据总线一次所能并行传送信息的位数（个硬件不见通过数据总线传输数据）
吞吐量：指的是单位时间内处理请求的数量
相应时间
基准程序：测量计算机处理速度的一种实用程序【跑分软件】

常用时间单位

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第二章

1. 进制转换

为什么计算机采用二进制

可以使用两个稳定状态的物理器件表示
1和0正好对应逻辑值真与假，方便实现逻辑运算
可以很方便的使用逻辑门电路实现算术运算

各种进制常见的书写方式
在这里插入图片描述
真值与机器数

2. 字符与字符串

在这里插入图片描述

3. 校验码

校验原理

位错误：某个比特位发生错误
码字：由若干位代码组成的一个字【分为合法码字和非法码字】
两个码字的距离：将两个码字逐位进行对比，具有不同的位的个数则成为两个码字间的距离
码距：一个编码方案可能有若干个合法码字，各合法码字的最小距离成为码距

当码距 = 1时，无检错能力
当码距 = 2时，有检错能力
当码距 = 3时，可能具有检错，纠错能力

注意：采用三个比特位传输数据，当位错误有1个时，可以检错，但位错误为2时，可能没有检错能力，这就循环冗余校验的由来

奇偶校验码

奇校验：整个校验码（有效信息位和校验位）中1的个数为奇数
偶校验：整个校验码（有效信息位和校验位）中1的个数为偶数

在这里插入图片描述

偶校验码的硬件实现：各信息进行异或（模2加）运算，得到的结果即为偶校验位

异或运算====》》异得1，同得0

偶校验的实现：所有位（包含校验位）进行异或运算，若结果为1则表示出错（两个比特位发生错误也可能导致结果为0）

海明校验码

海明码设计思路：将信息位分组进行偶校验->多个校验位，可以携带多种信息（对与错，错误位置）

求解步骤：

确定校验位个数（k个校验位，n个信息位）
确定校验位分布
- p1，p2，p3分别在1，2，4，8，16
- 空出来的其他位置依次填入信息位
- 例如n=4的时候，k=3，此时分布情况如下
求校验位
- 将信息位的位置序号用k位二进制数表示
- 校验位pi与位置序号第i位为1的信息位归为同一组，进行偶校验
- 例如：
纠错
- 例如校验方程如下：

补充：

海明码有1位纠错，2位检错能力
为了区分1位错和2位错，还需要添加“全校验位”对整体进行偶检验
例如：
注意编号的顺序

循环冗余校验码

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实例：
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计算校验位：模2除看被除数最高位为1则商为1，最高位为0则商为0。模2减也是异或运算，得到余数

循环冗余校验可以检验错误，同时也可以纠错（前提是信息位不能过多），实际应用中常用来检错
满足：在这里插入图片描述

循环冗余的体现
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4. 定点数的表示

对比：
在这里插入图片描述
二进制的定点数与浮点数也类似

无符号数

n位无符号数表示范围为0到2的n次方减1
通常只有无符号整数，没有无符号小数

有符号数

原码

关于小数点的位置，是用来确定尾数的位权
在这里插入图片描述
例子：

在这里插入图片描述
原码的取值范围：

反码

正数的反码和原码一样
负数的反码在原码的基础上数值位取反
定点整数和定点小数都一样
反码只是原码到补码的中间状态，实际上没有用处

反码的取值范围：
在这里插入图片描述

补码

正数的补码和原码一样
负数的补码是反码的末尾+1（要考虑进位）
补码真值0只有一种表示形式

补码的取值范围：
在这里插入图片描述

在定点整数和定点小数中，负数的补码转化到原码的步骤和负数的原码转化到补码的步骤一样，通过取反+1

移码

在补码的基础上将符号位取反，注意，移码只用于整数不用于小数
移码的真值0也只有一种表示方式

移码的取值范围：
在这里插入图片描述
移码的特性（真值的递增和移码的递增相同）适用于比较两个二进制数的大小，先出现1的大

原码、反码、补码、移码之间的对比

在这里插入图片描述
取值范围之间的对比：

在这里插入图片描述

技巧：
在这里插入图片描述

原码、补码、移码的作用

对于原码计算，运算器需要针对负数的符号位采用减法器进行计算，需要在硬件上设计，较为麻烦
在这里插入图片描述

通过取模求余数的方式
关于模运算的性质
在这里插入图片描述

模 = a的绝对值+a的补数
模n可以把余数分为0到n，也就是取值范围，

对于上述的14-14可以用加法替换，假设计算的位数为8位，也就是说取值范围为0到2的8次方-1，那么就意味着是模2的8次方，所以-14的补数 = 2的8次方-14的绝对值 = -14的补码

在这里插入图片描述
补码的作用：使用补码可以将减法操作转变为等价的加法，ALU中无须集成减法器，执行加法操作时，符号位一起参加运算

5. 定点数的运算

移位运算

算数移位：

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总结：
在这里插入图片描述
由于位数有限，有时候无法精确的等效乘除法

逻辑移位：

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应用在颜色RGB值计算

循环移位：

带进位位应用于大于8比特的值，移出的位放在进位位，原进位位补上空缺
在这里插入图片描述
应用于大端存储和小端存储之间的转化

加减运算

原码的加减法：

在这里插入图片描述

补码的加减法：

在这里插入图片描述

补码的加减法都会转化为加法，符号位也参与运算

溢出判断：

设计硬件实现溢出的判断
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方法一：
方法二：

方法三：

在这里插入图片描述

符号扩展：

短数据扩展为长数据
int - > long
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乘法运算

乘法运算的思想

二进制手算乘法
在这里插入图片描述

原码的一位乘法

略

补码的一位乘法

略

除法运算

略

6. 强制类型转换

c语言中定点整数都是用补码的形式存储的

实例：无符号数转有符号数，长整数转短整数，短整数转长整数
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7. 数据的存储和排列

大小端模式的区别：

大端模式便于人类阅读
小端模式便于机器处理，CPU的运算操作可以从小字节序开始处理

边界对其

拿时间换空间
字地址转化为字节地址，逻辑左移2位

8. 浮点数的表示

略

9. 浮点数的运算

略

第三章

主存简单模型和寻址概念

存储体内部名词概念
在这里插入图片描述
译码器：完成n位地址到2的n次方个控制信号的转换【该控制信号的特点是只有1个存储字长有效，其他无效】
主存的简单模型如下：

在这里插入图片描述
总容量与地址线的位数和数据线的位数有关

地址线的位数表示存储单元的个数
数据线的位数表示存储字长的大小

在这里插入图片描述
寻址：按照不同大小的单元来切分存储器能够切分成多少分

存储器RAM

半导体存储芯片的基本结构
在这里插入图片描述
片选线配合译码器可以实现容量扩充
两种RAM的比较

现在计算机采用的主存大多数是SDRAM

ROM(只读存储器)

因为RAM里面的数据容易丢失，所以采用ROM替代，指挥CPU去辅存里面将开机指令放到RAM中
在这里插入图片描述

系统程序用ROM
用户程序用RAM

ROM的分类
在这里插入图片描述

存储器基本概念

各硬件关系图
在这里插入图片描述
高速缓冲存储器（cache）

存储器的层次化结构

CPU中还有寄存器
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主存与CPU的连接

地址总线并行
因为存储芯片只能传输1位数据，而8个存储芯片可以组成一个存储器，容量就是8KB = 64 Kbit
在这里插入图片描述

通过非门的设计可以使得一个地址线有两种状态，进而控制两个存储芯片的片选信号
译码片选法（译码器）：将n条线转化为2的n次方个片选信号

在这里插入图片描述
译码器中，地址线的信号与控制线的信号的关系是：地址线的真值表示信号中的位

在这里插入图片描述
字位同时扩展

选择存储器芯片
与cpu进行连接

在这里插入图片描述

双端口RAM和多模块存储器

存储周期=存取时间+恢复时间

提高存储器工作速度，加快主存与CPU之间的连接
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高速缓冲存储器的局部性原理及性能分析

存储体系变为： “cache - 主存” 层次
时间缩短的原理是因为已经有一部分数据放到cache中，cpu与cache进行数据传输

Cache 地址映射

略

Cache 替换算法及写策略

略

虚拟存储器

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第四章

指令系统

指令：操作码（定长操作码与扩展操作码）+地址码

指令寻址方式

给出下一条指令地址
给出操作的对象的地址

在这里插入图片描述

CISC和RISC

在这里插入图片描述
对比：

指令流水线：同一个时刻让不同的指令占用不同的硬件资源

第五章

CPU的功能和基本结构

CPU的五大功能
在这里插入图片描述

控制器的作用：
在这里插入图片描述
专用数据通路：通用寄存器组与cpu的运算器连接，用于存放操作数：

采用单总线方式的运算器：

cpu内部的控制器：

cpu运算器和控制器图

cpu的基本结构可以分为四个部分

组合逻辑电路
时序逻辑电路
寄存器
中断系统

可见即可以编程
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指令周期的数据流

指令周期 = 取值周期 + 执行周期
一个指令周期包含多个机器周期，而一个机器周期又可以包含若干个时钟周期
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间接周期：也就是译码之后得到的不是操作对象，而是操作对象的地址

指令周期流程（通过触发器来判断执行到哪一步）
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取指周期
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间址周期（下图表示的是将取值周期完成之后IR值传送到MAR，为了读操作对象）

中断周期

在这里插入图片描述
指令执行方案

数据通路——CPU内部单总线方式

数据通路：
在这里插入图片描述

内部总线与系统总线：
在这里插入图片描述
数据通路的三类描述

数据通路——专用数据通路

控制器——硬布线

控制器——微程序

指令流水线的概念及性能指标

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各功能部件的利用率提升了

在这里插入图片描述

影响流水线的元素和分类

第六章

总线的概念和分类

总线的特点
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线路：真实的导线
数据通路：不同指令阶段，数据流动形成的路径

为什么要用总线？
在这里插入图片描述
总线的特性：

总线的分类：

在这里插入图片描述

按数据传输格式

串行与并行的优缺点
在这里插入图片描述

按总线功能

在这里插入图片描述
关于系统总线：

按时序控制方式

略

系统总线的结构

单总线结构

在这里插入图片描述
一组总线包含地址，数据，控制总线

双总线结构

在这里插入图片描述
优点是CPU可以将任务交给通道（也是处理器，会将存放在主存中的任务指令拿出来，去操作IO接口），如此低速IO设备就会从总线上分离出来

三总线结构

考虑到IO设备的速度有不尽相同，高速外设需要快速获取主存中的数据，所以增加DMA
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四总线结构

在这里插入图片描述

性能指标

在这里插入图片描述
关于总线带宽的计算

关于串行总线与并行总线的速度问题

总线仲裁

在这里插入图片描述

总线仲裁的分类：

集中仲裁方式
- 链式查询方法
- 计数器定时查询方法
- 独立请求方式
分布仲裁方式

链式查询方式

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三条线：总线允许，总线忙，总线请求
优先级是固定的！

计数器定时查询方法

在这里插入图片描述
解决优先级固定问题，改为设备地址

独立请求方式

在这里插入图片描述
总结：

分布仲裁方式

总线操作和定时

在这里插入图片描述

总线标准

在这里插入图片描述

第七章

IO系统基本概念

IO的演变过程是为了释放CPU压力

IO系统的演变过程
在这里插入图片描述

中断方式是为了避免CPU采用程序查询的方式，造成CPU被占用

而DMA方式为了避免高速外设采用中断方式造成CPU不断的停止，DMA总线利用DMA方式可以直接与主存交换信息，无须调用中断服务程序

DMA方式是在外设发出DMA请求时不对主存进行访问，此时外设对该主存占用
在这里插入图片描述
IO方式简介

输入与输出

外部设备定义
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主机包含cpu和主存

关于显示器的一些概念
在这里插入图片描述
刷新频率大于30Hz才不会感到闪烁

外存储器

在这里插入图片描述

磁盘存储器
在这里插入图片描述
磁盘性能之平均存取时间

在这里插入图片描述
固态硬盘

固态硬盘基于闪存，而闪存又是基于E2PROM

IO接口

这里的io接口是与设备控制器连接的部分
在这里插入图片描述
I/O接口的基本结构

基本流程

CPU访问的是IO接口中的端口（即寄存器）

编址——IO端口

在这里插入图片描述

IO方式

程序查询方式

CPU查询等待和CPU控制数据传送是通过程序执行的方式（软件），导致CPU无法执行主程序
在这里插入图片描述
缺点是CPU需要查询等待

中断系统

中断请求的分类2种方式
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
中断请求标记

中断判优（软硬件设计）

关于优先级的设定

中断处理阶段

中断隐指令

关于硬件向量法

向量地址是由中断向量地址形成部件完成的，
向量地址包含各个中断程序的中断向量地址
设计向量地址的目的是为了无须修改中断向量地址形成部件，只需要修改主存中的中断向量

中断服务程序

在这里插入图片描述
单重中断和多重中断

程序中断方式

程序中断的作用
在这里插入图片描述
程序中断方式过程

DMA方式

DMA 控制器的功能
在这里插入图片描述
CPU让出的系统总线交给DMA控制器进行控制，此时CPU不能访存

DMA结构

在这里插入图片描述
DMA传输过程

传输过程与数据传递细化

解决冲突
在这里插入图片描述

DMA方式的特点
在这里插入图片描述
中断与DMA对比

计算机组成原理【by王道考研计算机】

文章目录

第一章

1. 什么是计算机系统

2. 硬件的发展

3. 计算机硬件的基本组成

冯诺依曼结构

现代计算机结构

主存储器

运算器

控制器

工作过程实例

4. 计算机系统的层次结构

五层结构

三种级别的语言

5. 计算机的性能指标

存储器的容量

CPU

其他

常用时间单位

第二章

1. 进制转换

2. 字符与字符串

3. 校验码

校验原理

奇偶校验码

海明校验码

循环冗余校验码

4. 定点数的表示

无符号数

有符号数

原码

反码

补码

移码

原码、反码、补码、移码之间的对比

原码、补码、移码的作用

5. 定点数的运算

移位运算

算数移位：

逻辑移位：

循环移位：

加减运算

原码的加减法：

补码的加减法：

溢出判断：

符号扩展：

乘法运算

乘法运算的思想

原码的一位乘法

补码的一位乘法

除法运算

6. 强制类型转换

7. 数据的存储和排列

8. 浮点数的表示

9. 浮点数的运算

第三章

主存简单模型和寻址概念

存储器RAM

ROM(只读存储器)

存储器基本概念

主存与CPU的连接

双端口RAM和多模块存储器

高速缓冲存储器的局部性原理及性能分析

Cache 地址映射

Cache 替换算法及写策略

虚拟存储器

第四章

指令系统

第五章

CPU的功能和基本结构

指令周期的数据流

数据通路——CPU内部单总线方式

数据通路——专用数据通路

控制器——硬布线

控制器——微程序

指令流水线的概念及性能指标

影响流水线的元素和分类

第六章

总线的概念和分类