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  • 冯诺依曼原理与计算机的基本组成

    千次阅读 2020-06-02 21:49:06
    冯诺依曼原理 提出了“存储程序、程序控制”的设计思想,同时指出计算机的构成包括以下几个方面: (1)由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大组件组成计算机系统。 5 (2)计算机内部采用二进制表示...

    冯诺依曼原理
    提出了“存储程序、程序控制”的设计思想,同时指出计算机的构成包括以下几个方面:
    (1)由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大组件组成计算机系统。 5
    (2)计算机内部采用二进制表示数据和指令。 2
    (3)采用“存储程序和程序控制”技术(将程序事先存在主存储器中,计算机在工作时能在不需要人员干预的情况下,自动逐条取出指令并加以执行)。 存

    计算机的基本组成
    计算机应当由以下部分构成:
    中央处理器( CPU)
    输入 /输出 ( I/O)设备
    存储器 主存储器(内存储器)
    辅助存储器(外存储器)

    在这里插入图片描述1.中央处理器(Central Processing Unit, CPU
    由运算器和控制器构成主要部件,也称微处理器。
    CPU的工作原理和一个工厂对产品的加工过程类似。首先输入工厂的原料(指令和数据输入到主存储器),经过物资分配部门的调度分配(控制器的控制),被送往生产线(累加器的计算处理),生产出成品(处理结果)后,再存储在仓库(主存储器)中,最后拿到市场上去卖(结果输出)。
    (一)控制器 控制器是计算机的控制中心,其主要作用是指挥计算机的各部件能自动协调地工作.控制器每次从
    存储器中读取一条指令,经过分析译码,产生一串操作命令,发向各个部件,控制各部件的动作,使整个系统连续地
    有条不紊地运行。
    控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控制器等部件组成。
    概括地说,控制器的主要工作是反复从存储器逐条取出指令 分析指令 执行指令
    (二)运算器 运算器是一个信息加工的部件,在控制器的指挥下,它对数据可以进行算术运算和逻辑运算。主要由算术逻辑运算单元(ALU),加法器和通用寄存器组成。
    运算器的功能击要包括:
    1.实现对数据的算术运算和逻辑运算。
    2.暂时存放参与运算的数据和某些中间结果。
    3.挑选参加运算的数据,选中要执行的运算的功能,并把运算结果输出到指定的xx中。

    CPU的性能:
    字长:指计算机内部一次可以处理的二进制位数,字长越长,可以表示的有效位数就越多,运算精度越高,计算机的处理能力越强。常用的字长为8位、16位、32位和64位,这个就是字长啊。。。
    主频:指CPU处理数据的速度,以MHz和GHz 为单位。主频越快,处理速度越快。
    主频 = 外频 * 倍频系数
    MIPS 每秒执行的指令数。
    2.存储器
    存储器是计算机中用来存放程序和数据的部件,是计算机中各种信息存储和交流的中心。存储器的基本功能是在控制器的控制下按照指定的地址存入和取出信息。

    2.1.内存储器 (主存储器 就是内存)
    主存储器也称为内存储器,简称内存,它能被CPU直接访问。主存储器用来存放计算机的系统程序、即将处理的用户程序、数据和计算结果等。主存储器由电子器件构成,CPU对它的存取速度非常快,但是其容量较小。
    主存储器主要有

    2.1.1 随机访问存储器( Random Access Memory, RAM)
    RAM允许我们随机地存取内存中的数据,如果计算机断电,保存在RAM中的数据将全部丢失,所以RAM是计算机的临时存储区,而不是永久性存储区。
    RAM是计算机工作的存储区,一切要执行的程序和数据都要先装入该存储器内。随机读/写的含义是指既能读数据,也可以往里写数据。通常所说的128MB内存就是指RAM。该设备主要有两个特点:一是存储器中的数据可以反复使用,只有向存储器写入新数据时存储器中的内容才被更新;二是存储器中的信息会随着计算机的断电自然消失,所以说RAM是计算机处理数据的临时存储区。要想使数据长期保存起来,必须将数据保存在外存中。目前微机中的RAM大多采用半导体存储器,基本上是以内存条的形式进行组织,其优点是扩展方便,用户可根据需要随时增加内存;常见的内存条根据主板上的内存插槽类型有SDRAM(168线)、DDR(184线)和Rambus内存3种类型,它的存取速度用ns(纳秒)来计算,在内存条上标有-6、-7、-8等字样,该读数越小,说明内存速度越快。存储容量有64 MB、128和256MB等几种。使用时只要将内存条插在主板的内存插槽上即可。

    2.1.2 只读存储器(Read Only Memory, ROM)
    ROM中的信息一旦写入(写入的过程称为固化),就不能被擦除,所以,存储在ROM中的数据理论上是永久的。ROM只能读、不能写,基于这个原因,ROM常用于存储重要的系统程序和数据,如主板的BIOS(基本输入输出系统)等,即使关机后,保存在ROM中的数据也不会丢失。
    ROM􀀁是指只能读数据而不能往里写数据的存储器。ROM􀀁中的数据是由设计者和制造商事先编制好固化在里面的一些程序,使用者不能随意更改。ROM主要用于检查计算机系统的配置情况并提供最基本的输入/输出控制程序,如存储BIOS参数的CMOS芯片。其特点是计算机断电后存储器中的数据仍然存在。

    2.1.3 高速缓冲存储器 (Cache)
    Cache是指在CPU与内存之间设置一级或两极高速小容量存储器,称之为高速缓冲存储器。在计算机工作时,系统先将数据由外存读入RAM中,再由RAM读入Cache中,然后CPU直接从Cache中取数据进行操作。设置高缓就是为了解决CPU速度与RAM的速度不匹配问题。通常,Cache的容量在32 KB—256 KB之间,存/取速度在15—35 ns之间,而RAM存/取速度一般要大于80ns。
    内存储器:通常所说的内存,主板上的ROM一般也算。

    2.2.外存储器:
    硬盘、光存储设备(CD、DVD)、磁光存储设备(MO、MD)、磁带存储设备、闪存盘、闪存卡
    在这里插入图片描述
    辅助存储器也称为外部存储器,简称外存,属于海量的、永久性的存储介质,用于存放计算机系统的几乎所有的资料。外存主要有磁带、光盘、磁盘(软盘和硬盘)等形式。当运行存储在外部存储器中的某个应用程序时,计算机将在CPU(控制器)的控制下,将外部存储器中的程序和数据装载到主存储器中,然后再运行。CPU不能直接访问外部存储器。与内存相比,计算机访问外部存储器的速度要慢得多,但外部存储器的容量要大得多。
    外部存储器即外存,也称辅存,是内存的延伸,其主要作用是长期存放计算机工作所需要的系统文件、应用程序、用户程序、文档和数据等。当 CPU需要执行某部分程序和数据时,由外存调入内存以供CPU访问,可见外存的作用是扩大存储系统容量的。
    目前最常用的外存有硬盘(可移动硬盘)、软盘、光盘和磁带、移动存储器(U盘)等。通常一台微型计算机至少安装一个硬盘存储器和一个光盘存储器。硬盘存储器的特点是存储容量大、读写速度快、密封性好、可靠性高、使用方便,有些软件只需在硬盘上安装一次便能长期使用运行。软盘存储器的特点是成本低、重量轻、价格便宜、盘片易携带易保存,但运行软盘上的软件需要在每次运行时都要插入软盘,且有些大的软件如果没有硬盘存储器则根本无法运行。

    计算机存储系统
    存储系统负责将输入数倍接受到的信息以二进制的数据形式存储到存储器中。一般采用Cache、驻村和辅存三级。前者解决CPU和主存速度不匹配问题,后者解决容量问题。在存储系统中,CPU可以直接访问Cache和主存,辅存则通过主存与CPU交换信息。辅存也成为外存,常见设备包括:硬盘 光盘和u盘。

    内存储器 只读存储器ROM:永久保存数据,存储微型机的重要信息。
    随机存储器RAM:断电丢失数据,存储当前运行的程序信息(SRAM、DRAM)。
    衡量存储器性能的主要指标:
    存储速度 存取一次数据的时间,单位为纳秒 (ns); ns值越小,存取时间越短。速度越快。
    存储容量 存储器能够存储信息的总字节数,基本单位为字节 Byte。 常用单位 KB MB GB TB PB EB
    最小的存储单位是位,bit(b)。最常用的存储单位则是字节Byte(B).为了便于表示存储器的大小或容量,统一以字节为单位表示。一般用KB(千字节)、MB(兆字节)、GB(吉字节)、TB(太字节)和PB(拍字节) ,它们之间的换算关系如下:
    1KB=210B=1024B 1MB=1024KB=220B
    1GB=1024MB=230B 1TB=1024GB=240B
    1PB=1024TB=250B
    3输入输出设备
    键盘鼠标显示器。。。。 略
    4.总线 :指计算机系统部件之间的信息传送线路。通过使用总线,便于设备的扩充,易于实现设备之间互联。
    总线按照不同的层次和角度,进行分类。
    总线按功能分类:地址总线、数据总线和控制总线。
    按层次结构分类:CPU总线 存储总线 系统总线 外部总线
    按位置分类:机内总线 机外总线
    按通信方式:并行总线 串行总线
    常用标准: ISA PCI AGP 和USB
    总线的性能指标:总线位宽 总线频率 总线带宽(总线带宽=位宽*频率/8)

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  • 文章目录一、冯诺依曼简介二、冯诺依曼计算机的工作原理1、存储程序(存储系统构建与快速访问)2、程序控制(指令系统、控制器设计等)三、冯诺依曼计算机的组成(硬件+软件)1、硬件系统运算器控制器存储器输入/...

    一、冯诺依曼简介

    • 因提出“离散变量自动电子计算机方案”-EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer),被称为“计算机之父”,该方案至今仍为计算机设计者所遵循;
    • 是20世纪最重要的数学家之一,因其在现代计算机、博弈论等领域的重大贡献成为美国科学院院士。

    二、冯诺依曼计算机的工作原理

    1、存储程序(存储系统构建与快速访问)

    将程序存放在计算机的存储器中;

    2、程序控制(指令系统、控制器设计等)

    按指令地址访问存储器并取出指令,经译码依次产生指令执行所需的控制信号,实现对计算的控制,完成指令的功能。

    三、冯诺依曼计算机的组成(硬件+软件)

    1、硬件系统


    总体图

    冯诺依曼计算机的组成
    主机:CPU(运算器+控制器)、内存
    外设:输入设备、输出设备、外存储器
    总线:地址线、数据线、控制线


    运算器

    ALU
    算术运算:加、减、乘、除法等
    逻辑运算:与、或、非、移位等
    基本结构:ALU(Arithmetic Logical Unit)、寄存器、连接通路

    注重功能与结构的关系?
    ---- 指令、数据类型、性能要求等


    控制器

    控制器
    基本功能:产生指令执行过程所需要的所有控制信号、控制相关功能部件执行相应操作;
    控制信号的形式:电平信号、脉冲信号
    产生控制信号的依据:指令、状态、时序;
    控制信号的产生方式:微程序、硬布线


    存储器

    存储器
    功能:存储原程序、原数据、运算中间结果;
    工作模式:读/写;
    工作原理:按地址访问,读/写数据。

    容量1K1M1G
    地址线数102030

    输入/输出设备

    输入设备:向计算机输入数据(键盘、鼠标、网卡、扫描仪等)
    输出设备:输出处理结果(显示器、声卡、网卡、打印机等)


    2、软件系统

    对软件的理解

    • 可运行的思想和内容的数字化
      思想:算法、规律、方法–程序表达
      内容:图形、图像、数据、声音、文字等被处理的对象
    • 软件的表现形式:程序和数据(以二进制表示的信息)
    • 软件的核心:算法

    系统软件:如操作系统、网络系统和编译系统
    支持软件:开发工具、界面工具等
    应用软件:字处理软件、游戏软件等

    3、硬件与软件系统间的关系

    • 相互依存
      硬件是软件运行的基础,软件的正常运行是硬件发挥作用的重要途经。计算机系统必须要配备完善的软件系统才能正常工作,且应充分发挥其硬件的功能;
    • 逻辑等效性
      某些功能既可由硬件实现,也可由软件来实现;
    • 协同发展
      软件随硬件技术的迅速发展而发展,而软件的不断发展与完善又促进硬件的更新,两者密切地交织发展,缺一不可。

    四、计算机的层次结构

    Compiler翻译
    Assembler翻译
    解释
    应用程序
    高级语言 e.g. C
    汇编语言 e.g. MIPS
    操作系统
    指令集架构层 e.g. MIPS
    微代码层
    硬件逻辑层

    1、层次分析

    • 不同用户处在不同层次
    • 不同层次具有不同属性
    • 不同层次使用不同工具
    • 不同层次代码效率不同

    2、透明性概念

    • 本来存在的事物或属性,从某个角度去看,却好像不存在
    • 如硬件的特性对C语言程序设计者而言就具有透明性

    3、系统观

    • 当硬件结构发生变化时要想到可能对软件产生的影响;
    • 不同类型的软件对硬件有不同的要求;
    • 编程的CPU硬件相关性,编程应查阅对应的CPU的编程手册。

    4、软/硬件的分界线

    • 分界线在哪里?(指令集架构层-|-微代码层)
    • 分界线即软、硬件的接口,是指令操作硬件的入口;
    • 指令格式及指令的设计与硬件关联!
    展开全文
  • 计算机组成原理—1.1 诺依曼结构原理及层次分析 文章目录 计算机组成原理—1.1 诺依曼结构原理及层次分析 1.1.1 诺依曼计算机的工作原理 1.1.2 诺依曼计算机的组成(硬件+软件) 1)硬件系统—运算器 2...

    计算机组成原理—1.1 冯 诺依曼结构原理及层次分析



    1.1.1 冯 诺依曼计算机的工作原理

    1. 存储程序:将程序存放在计算机的存储器中
    2. 程序控制:按指令地址访问存储器并取出指令,经译码依次产生指令执行所需的控制信号,
      实现对计算的控制,完成指令的功能。

    1.1.2 冯 诺依曼计算机的组成(硬件+软件)

    在这里插入图片描述

    1)硬件系统—运算器

    • 算术运算:加、减、乘、除等
    • 逻辑运算:与、或、非、移位等
    • 基本结构:ALU算术逻辑运算单元、寄存器(存放参与运算的数据、保存运算结果)、连接通路

    注重功能和结构的关系 !== 结构与指令、数据类型、性能要求等等相关!==

    2)硬件系统—控制器

    基本功能:产生指令执行过程中所需要的所有控制信号,控制相关功能部件执行相应操作。

    控制信号的表现形式:电平信号、脉冲信号

    产生控制信号的依据:指令、状态、时序
    在这里插入图片描述
    控制信号的产生方式or控制单元的设计方式:微程序控制【微编程】、导线直接连接【硬连线】

    3)硬件系统—存储器

    功能:存储原程序、原数据、运算中间结果

    工作方式:读、写

    工作原理:按地址访问,读、写数据

    访问存储器的容量与地址线数量的关系

    • 1K——10 1M——20 1G——30

    访问2GB的容量需要31根地址线(2的一次方等于2 )

    4)硬件系统—输入/输出设备

    部分设备可以既是硬件设备也是软件设备

    5)软件系统

    软件: 可运行的思想【算法、规律、方法等】和内容【图形、图像、数据等被处理的对象】的数字化

    软件的表现形式:程序和数据(以二进制表示的信息)

    软件的核心:算法

    大致分类:系统软件、支持软件、应用软件等

    6)硬件与软件系统间的关系

    • 相互依存
    • 逻辑等效性【某些功能既可由硬件实现,也可由软件来实现】
    • 协同发展

    1.1.3 计算机的层次结构

    在这里插入图片描述

    • 不同用户处在不同层次,本课程主要在指令集架构层和微代码层
    • 不同层次具有不同属性
    • 不同层次使用不同工具
    • 不同层次代码效率不同(越高层次代码效率越低,需不断翻译)

    一些概念掌握

    透明性概念:本来存在的事物或属性,从某个角度去看,却好像不存在;如硬件的特性对C语言程序设计者而言就具有透明性

    系统观(硬件和软件的协同):当硬件结构发生变化时要想到可能对软件产生的影响;不同类型的软件对硬件有不同的要求;编程的CPU硬件相关性,编程应查阅对应CPU的编程手册。

    软硬件的分界线: 分界线在指令集架构层。分界线即软、硬件的接口,分界线下面是硬件上面是软件,是指令操作硬件的接口;指令格式及指令的设计与硬件关联!

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  • 冯诺依曼的三大原理

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    冯.诺依曼的三大原理是 1.计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。 2.程序和数据以二进制代码... 根据冯诺依曼体系结构构成的计算机,必须具有如下功能: 把需要的程序和数据送至计算机...

    冯.诺依曼的三大原理是

    1.计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五大部分组成。

    2.程序和数据以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中,存放位置由地址确定。

    3.控制器根据存放在存储器中地指令序列(程序)进行工作,并由一个程序计数器控制指令地执行。控制器具有判断能力,能根据计算结果选择不同的工作流程。 根据冯诺依曼体系结构构成的计算机,必须具有如下功能: 把需要的程序和数据送至计算机中。 必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力。

    能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力。 能够根据需要控制程序走向,并能根据指令控制机器的各部件协调操作。 能够按照要求将处理结果输出给用户。 为了完成上述的功能,计算机必须具备五大基本组成部件,包括: 输入数据和程序的输入设备; 记忆程序和数据的存储器; 完成数据加工处理的运算器; 控制程序执行的控制器; 输出处理结果的输出设备 。

    展开全文
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