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  • 计算机的外围设备就是一些输入输出设备,常见的键盘、鼠标、显示器、打印机和机械硬盘都是属于外围设备

    • 外部设备,也叫做外围设备,是除主机外的能直接或间接与计算机交换信息的装置,如键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘存储器和光盘存储器等。

    一、输入设备

    1、键盘

    • 这是最为常用的输入设备,通过键盘我们可以向计算机发出命令和输入数据
    • 键盘通常以矩阵的形式排列按键,每个按键都标明其含义和作用一个按键就是一个开关,按下按键电信号连通;松开按键电信号断开
    • 键盘输入信息的基本过程就是:①查明按下的键是哪个;②将该键翻译成能被主机接收的编码,如ASCII码;③将编码发送给主机

    2、鼠标

    • 鼠标是一种常用的定位输入设备将用户的操作与计算机屏幕上的位置信息相联系。常用的鼠标有光电式和机械式
      工作原理就是:鼠标在平面上移动,鼠标内部的传感器把运动的方向和距离检测出来,从而控制光标做相应的运动

    二、输出设备

    1、显示器

    • 显示器按显示器件分类主要有阴极射线管(CRT)显示器、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器;按所显示的信息内容分类有字符显示器、图形显示器和图像显示器。显示器属于点阵方式运行的设备,有以下主要参数:
    • 屏幕大小:以对角线长度表示,常用的是12~29英寸。
      分辨率:所能表示的像素个数,屏幕上每个光点就是一个像素,以宽和高的像素的乘积表示,如 1920*1080.
    • 灰度级:指黑白显示器中所显示的像素点的亮暗差别,在彩色显示器中则表现为颜色的不同,灰度级越多,图像层次越清楚、逼真,典型的有8位(256级)和16位等。
    • 刷新:光点只能保持极短的时间就会消失,为此必须在光点消失之前再重新扫描显示一遍,这个过程称之为刷新
    • 刷新频率:指单位时间内扫描整个屏幕内容的次数,依据人的视觉生理,刷新频率必须大于 30Hz 时才不会感到闪烁,通常显示器的刷新频率为 60~120Hz
    • 显示存储器(VRAM):也称刷新存储器,为了不断提高刷新图像的信号,必须把一帧图像信息存储在刷新存储器中。其存储容量有图像分辨率和灰度级决定,分辨率越高,灰度级越多,刷新存储器容量越大。
    	VRAM 容量 = 分辨率*灰度级位数
    	VRAM 带宽 = 分辨率*灰度级位数*帧频
    

    1)CRT 显示器

    • 主要由电子枪、偏转线圈、荫罩、高压石墨电极、荧光粉涂层和玻璃外壳 5 部分组成,具有可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等目前 LCD 显示器无法超越的优点。
    ①字符显示器
    • 显示字符的方法以点阵为基础。点阵是指由n*m个点组成的阵列;点阵的多少取决于显示字符的质量和显示字符窗口大小;字符窗口指每个字符在屏幕上所占的点数,包括字符显示点阵和字符间隔。
    • 将点阵存入由 ROM 构成的字符发生器中,在 CRT 进行光栅扫描的过程中,从字符发生器依次读出某个字符的点阵,按照点阵中0和1代码的不同控制扫描电子束的开和关,从屏幕上显示字符。对应于每个字符窗口,所需显示的字符的 ASCII 代码被存在视频存储器 VRAM 中,以备刷新。
    ②图形显示器
    • 将所显示的图形的一组坐标点和绘图命令组成显示文件存放在缓冲存储器中,缓存中的显示文件传送给矢量(线段)产生器,产生相应的模拟电压,直接控制电子束在屏幕上的移动。为屏幕上保留持久的图像,需要按一定的频率对屏幕反复刷新。这种显示器的优点是分辨率高且显示的曲线平滑。目前高质量的图形显示器采用这种随即扫描方式。缺点就是显示复杂图形时,会有闪烁感。

    2)LCD 显示器

    • 利用液晶的电光效应,由图像信号电压直接控制薄膜晶体管,再间接控制液晶分子的光学特性来显示图像。特点是体积小、重量轻、省电、无辐射、绿色环保、画面柔和、不伤眼等。

    3)LED显示器

    • 通过控制半导体发光二极管来显示文字、图形、图像等各种信息。在亮度、功耗、可视角度和刷新频率等方面优于LCD显示器。

    2、打印机

    • 按工作原理分为击打式和非击打式;按工作方式分为点阵打印机、针式打印机、喷墨打印机、激光打印机

    1)针式打印机

    • 在联机状态下,主机发出命令,在一定控制装置的作用下,间歇驱动纵向送纸和打印头横向移动,同时驱动打印机间歇冲击色带,在纸上打印出所需的内容
    • 特点:擅长“多层复写打印”,实现各种票据或蜡纸等打印;工作原理简单、造价低廉、耗材(色带)便宜。打印分辨率低,打印速度慢

    2)喷墨式打印机

    • 带电的喷墨雾点经过电极偏转后,直接在纸上形成所需的字形。彩色喷墨打印机基于三基色原理,分别喷射三种颜色的墨滴,按一定比例混合出所要求的颜色。
    • 特点:打印噪声小,可实现高质量彩色打印,打印速度较针式打印机快;防水性差,高质量打印需要专门的打印纸

    3)激光打印机

    • 计算机输出二进制信息,经过调制后激光束扫描,在感光鼓上形成潜像,在经过显影、转印和定影,在纸上得到所需的字符或图像
    • 特点:打印质量高、速度快、噪声小、处理能力强;但耗材多、价格较贵、不能复写打印多份,且对纸张要求高
    • 激光打印机是将激光技术和电子显像技术相结合的产物感光鼓也叫硒鼓,是激光打印机的核心部件

    三、外存

    • 外部存储器,也即辅助存储器,目前主要使用磁表面存储器——指把某些磁性材料薄薄地涂匀在金属铝或塑料表明上作为载磁体来存储信息,常见的磁盘存储器、磁带存储器和磁鼓存储器都属于磁表面存储器。
    • 磁表面存储器优点:存储容量大、位价格低;记录介质可重复使用;记录信息可长期保存而不丢失,甚至可脱机存档;非破坏性读出,读出时不需要再生
    • 缺点:存取速度慢,机械结构复杂,对工作环境要求高

    1、磁盘存储器

    1)组成

    ①存储区域
    • 一个硬盘含有若干记录面,每个记录面划分为若干磁道,每条磁道又划分为若干扇区,扇区也称块是磁盘读写的最小单位,磁盘按块存取。
    • 磁头数(Heads):即记录面数,表示硬盘共有多少个磁头,磁头用于读取/写入盘片上记录面的信息,一个记录面对应一个磁头。
    • 柱面数(Cylinders):表示硬盘每面盘片上共有多少条磁道;因为一个盘组中,不同记录面的相同编号——位置的诸磁道构成一个圆柱面。
    • 扇区数(Sectors):表示每条磁道上有多少个扇区
    ②硬盘存储器的组成
    • 硬盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片组成。
    • 磁盘驱动器:核心部件是磁头组件和盘片组成,温彻斯特盘是一种可移动磁头固定盘片的硬盘存储器
    • 磁盘控制器:硬盘存储器和主机的接口,主流的标准有 IDE、SCSI、SATA等。

    2)磁记录原理

    • 原理:磁头和磁性记录介质相对运动时,通过电磁转换完成读/写操作
    • 编码方法:按某种规律,把一串二进制信息变换成存储介质磁层中的一个磁化翻转状态的序列,并使读/写控制电路容易、可靠地实现转换。
    • 磁记录方式:通常采用调频制(FM)和改进型调频制(MFM)的记录方式。

    3)磁盘的性能指标

    • 容量:磁盘所能存储的字节总数,分为格式化容量和非格式化容量两种;非格式化指磁记录表面可以利用的磁化单元总数,格式化容量指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量
    • 记录密度:指盘片单位面积记录的二进制信息量,通常以道密度、位密度和面密度表示;道密度指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数,位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数,面密度是指位密度和道密度的乘积。
    • 平均存取时间:由寻道时间、旋转延迟时间和传输时间构成,前两部分取平均值,因为寻道和找扇区的距离远近不一。寻道是指磁头移动到目的磁道;旋转延迟时间,是指磁头定位到要读/写扇区的时间,取旋转一周时间的一半。
    • 数据传输速率:磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数;设磁盘转数 r 转/秒,每条磁道容量 N 字节,则传输率为:
      Dr = rN

    4)磁盘地址

    • 磁盘地址格式如下:
      驱动器号 柱面号 盘面号 扇区号

    • 若计算机有四个驱动器,每个驱动器一个磁盘,每个磁盘 256 个磁道(磁面)、16 个盘面,每个盘面 16 个扇区,则需要 18 位二进制代码才能确定一个扇区:2 位驱动器号+8 位柱面号+4 位盘面号+4 位盘面号。

    5)硬盘的工作过程

    • 硬盘操作:寻址、读盘、写盘。每个操作对应一个控制字,因此硬盘工作时,先取控制字再执行控制字。硬盘属于机械式部件,读写操作是串行的,不能再同一时刻既读又写,也不能再同一时刻读两组数据或写两组数据

    2、磁盘阵列

    • RAID,廉价冗余磁盘阵列;指将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘,数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问,具有更好的存储性能、可靠性和安全性
    • RAID 分为5级方案,在这些方案中,无论何时有磁盘损坏,都可随时拔出受损的磁盘再插入好的磁盘,而数据不会损坏,提高了系统可靠性。
    		RAID0:无冗余和无校验的磁盘阵列。
    		RAID1:镜像磁盘阵列。
    		RAID2:采用纠错的海明校验码的磁盘阵列。
    		RAID3:位交叉奇偶校验的磁盘阵列。
    		RAID4:块交叉奇偶校验的磁盘阵列。
    		RAID5:无独立的奇偶校验磁盘阵列。
    
    • RAID0 将连续多个数据块交替存放在不同物理磁盘的扇区中,几个磁盘交叉并行读写,扩大了存储容量,提高存取速度,但是没有容错能力
    • RAID1 让两个磁盘同时进行读写,互为备份,若一个磁盘故障,可从另一个磁盘读出数据,也就是两个磁盘当一个磁盘使用
    • RAID 通过使用多个磁盘提高传输速率通过再磁盘上并行存取来提高存储系统的吞吐量;通过镜像功能提高安全可靠性;通过数据校验提供容错能力

    3、光盘存储器

    • 利用光学原理读/写信息的存储装置,采用聚焦激光束对盘式介质以非接触方式记录信息
      完整的光盘存储系统由光盘片、光盘驱动器、光盘控制器和光盘驱动软件组成。光盘片由透明的聚合物基片、铝合金反射层、漆膜保护层的固盘构成。
    • 特点:具有存储密度高、携带方便、成本低、容量大、存储期限长和容易保存等优点
    • 光盘类型如下:
    		CD-ROM:只读型光盘,只能读出其中的内容,不能写入或修改。
    		CD-R:只可写入一次信息,之后不可修改。
    		CD-RW:可读可写光盘,可以重复读写。
    		DVD-ROM:高容量的CD-ROM,DVD 表示通用数字化多功能盘。
    

    4、固态硬盘

    • 采用高性能的 Flash Memory作为硬盘来记录数据,这种“硬盘”称为固态硬盘;固态硬盘除了需要 Falsh Memory 外,还需要其他硬件和软件的支持。

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  • 计算机组成原理基本概念汇总

    千次阅读 2015-07-28 00:27:44
    现在把组成原理的基本知识点与大家分享,希望大家在这门课的学习中少走弯路。 计算机系统概论 把以软件为主实现的机器称为虚拟机器;把由硬件和固件实现的机器称为实际机器。 高级语言的翻译程序有编译程序和解释...

          计算机组成原理是计算机科目中偏向于硬件的,我真的没学好,唯一做的好的笔记还是比较完整的。哈哈。这门课真的是博大精深。现在把组成原理的基本知识点与大家分享,希望大家在这门课的学习中少走弯路。

    计算机系统概论

    把以软件为主实现的机器称为虚拟机器;把由硬件和固件实现的机器称为实际机器。
    高级语言的翻译程序有编译程序和解释程序两种。
    计算机系统的层次结构从低到高:
    (1)微程序机器(第0级)、
    (2)传统机器(第1级)、
    (3)操作系统机器(第2级)、
    (4)汇编语言机器(第3级)、
    (5)高级语言机器(第4级)、
    (6)应用语言机器(第5级)。

    在计算机技术中,一种本来存在的事物或属性,从某种角度看却好像不存在,称为透明性。
    一个完整的计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
    计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。
    存储器由内存(cache,主存(ROM,RAM))和辅存组成。
    主机由CPU(控制器、运算器、cache)和内存组成。
    辅存又叫外存。辅存中的信息既可以读出又可以写入,所以辅存是输入输出设备。
    输入设备、输出设备和辅助存储器都位于主机之外,称为外围设备,简称外设。由于外设的作用是完成输入输出操作,所以外设又称IO设备。
    系统总线包括地址总线、数据总线、控制总线。
    运算器由ALU(核心)、GR、PSW寄存器组成。
    控制器由PC、IR、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。
    系统软件包括:

    (1)语言处理程序、
    (2)操作系统、
    (3)服务性程序、
    (4)数据库管理系统。


    逻辑等价性:软件和硬件在逻辑功能上是等效的,同一功能既可以用软件也可以用硬件或固件实现。从原理上讲,软件实现的功能完全可以用硬件或固件完成,同样,硬件实现的逻辑功能也可以用软件完成。
    用硬件实现的功能有较高的执行速度,成本也相对较高,而且硬件也不易更改,灵活性也较差。通常硬件实现一些最基本的功能,软件实现一些比较复杂的功能。
    运算方法和运算器

    符号位相加向前产生的进位要丢掉。
    正溢:两个正数相加,若运算结果大于机器所能表示的最大正数。
    负溢:两个负数相加,若运算结果小于机器所能表示的最小负数。
    定点数(定点整数、定点小数)判断溢出方法:

    单符号位法。在同符号数相加时,结果的符号位与被加数和加数的符号位相异时才发生溢出。
    进位判断法。当符号位向前产生的进位值与尾数最高位向前产生的进位值相异时才发生溢出。
    双符号位法。将数的两个符号位都看作是数的一部分参与运算,运算结果的最高符号位向前产生的进位要丢掉。若运算结果的双符号位相同,即00,11时,表示结果没有发生溢出;若运算结果的双符号位不同,即01,10时,运算结果发生溢出。01表示正溢,10表示负溢。

    原码一位乘法:两个n位小数相乘,要进行n次加、n次右移。
     逻辑非就是按位求反。(注意逻辑非的符号)
    逻辑加就是逻辑或。(注意有两种符号)
    逻辑乘就是逻辑与。(注意有两种符号)
    码距:根据任意两个合法码之间至少有几个二进制位不相同而确定的。若任意两个合法码之间仅有一位不同,则码距为1.
    合理增大码距,就能提高发现错误的能力。
    奇偶校验码是一种开销最小,能发现数据中一位出错情况的编码,常用于存储器的读写检查。
    实现原理:在每组代码代码中增加一个冗余位,使码距由1到2.如果合法编码中有奇数个位发生了错误,则该编码成为非法编码。增加的冗余位称为奇偶校验位。

    奇偶校验码只能发现一位错或奇数个位错,但不能确定是哪一位,因此没有纠错能力。不能发现偶数个位错。

    存储系统

    存储器用来存放程序和数据。
    存储元(存储位元)可以存储一位二进制代码。这个二进制代码是存储器中最小的存储单元。
    若干个存储位元组成一个存储单元,一个存储单元可以存储一个机器字或一个字节。存放一个机器字的存储单元是字存储单元,存放一个字节的存储单元是字节存储单元。对应的存储单元地址称为字地址和字节地址。
    存储器分类:

    按存储介质分:半导体存储器(主存)、磁表面存储器(磁盘)、光盘存储器(CD)。
    按存取方式分:随机存储器(半导体存储器)、顺序存储器(磁带)、半顺序存储器(磁盘)。
    按读写功能分:只读存储器(ROM)、读写存储器(RAM)。
    半导体存储器按读写功能分:ROM、RAM
    按信息的可保存性分:易失性存储器(RAM)、非易失性存储器(ROM)。
    按在计算机中的作用分:主存、缓存、辅存、控制存储器

    存储层次设计的主要依据是程序的局部性原理。包括时间局部性和空间局部性。
    三级存储层次:cache、主存、辅存。
    RAM按在运行中能否长时间保存信息分SRAM和DRAM。(注意:当掉电时,存储的信息都消失,是易失性存储器。)
    SRAM利用双稳态触发器保存信息,只要不断电,信息不会丢失。
    DRAM利用电容存储电荷保存信息,要定期给电容充电才能保存信息。
    SRAM速度快,但是集成度低,功耗大。DRAM相反。
    MROM:掩膜式ROM
    PROM:可编程ROM
    EPROM:紫外线擦除可编程ROM
    EEPROM:电擦除可编程ROM
    半导体存储器的容量扩展方法:字扩展法、位扩展法、字位扩展法
    位扩展法:用多个存储器芯片对字长进行扩充。
    字扩展法:增加存储器中的字的数量。
    高速存储器有双端口RAM(按地址访问)、多模块交叉存储器(按地址访问)、相联存储器(按内容访问)。都可以提高CPU和主存之间的数据传输速率。
    双端口RAM同一存储器有两组相互独立的读写控制电路。由于并行的独立操作,因此是一种高速存储器。
    多模块交叉存储器实现流水式并行存取提高存储器带宽。(各模块并行操作。)
    存储器模块的两种组织方式:顺序方式、交叉方式。
    相联存储器的基本原理是把存储单元所存内容的某一部分作为检索项,去检索该存储器,把符合的存储单元内容读入读出。
    cache从功能上看,是主存的缓冲存储器,由高速的SRAM组成,全部功能由硬件实现。Cache对系统程序员和应用程序员都是透明的。
    CPU和cache之间的数据交换以字为单位,cache和主存之间数据交换以块为单位。
    重点:cache的工作过程。每当给出一个主存地址进行访存时,都必须通过主存—cache地址映像变换机构判断该访问字是否已在cache中。如果在cache中(cache命中),则地址映像变换机构将主存地址变换成cache地址去访问cache;如果不在cache中(cache不命中),则产生cache块失效,此时就需要从访问主存的通路中把块调入cache,并直接送往处理机。如果cache已经装不进了,则发生cache块冲突,就需要使用相应的替换算法调出块,并修改地址映像表。
    在有cache的主存系统中都采用多模块交叉存储器。
    cache访存的优先级高于通道和CPU。
    cache性能参数计算!
    cache和主存的地址映像变换(理解)

    全相联映像(硬件自动完成):主存中的任一块可以被放置到cache中的任意一个位置。冲突概率最低。Cache空间利用率最高。
    直接映像(硬件自动完成):主存中的每一块只能映像到cache的唯一一个位置。把主存空间按cache的空间分成区。冲突概率很高。Cache空间利用率很低。
    组相联映像:组间直接映像、组内全相联。
    指令系统

    指令系统性能要求

    完备性
    有效性
    规整性
    兼容性

    按照指令地址码个数不同,分为零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令
    操作码的位数决定了不同功能指令的多少。位数越多,所能表示的操作功能越丰富。
    指令的操作码两种编码格式:等长操作码、变长操作码(哈夫曼编码、扩展操作码)
    寻址方式是指寻找指令或操作数有效地址的方式方法。
    指令的寻址方式(简单)   数据的寻址方式(复杂)
    指令的寻址方式

    顺序寻址方式:当执行一段程序时,要执行的下一条指令便是程序当中正在执行指令的下一条(PC)。
    跳跃寻址方式

    操作数的寻址方式

    隐含寻址
    立即寻址
    寄存器直接寻址
    寄存器间接寻址
    直接寻址
    间接寻址
    相对寻址
    基址寻址
    变址寻址
    自动增量减量寻址
    堆栈寻址




    隐含寻址:有些类型的指令不是明显给出操作数的地址,而是隐含地由累加器给出操作数。
    立即寻址:指令的形式地址给出的是操作数本身。
    寄存器直接寻址:理解
    寄存器间接寻址:寄存器的内容为操作数在主存中的有效地址,由寄存器的内容访存所得到的内容才是真正的操作数。(和寄存器直接寻址比较,寄存器直接寻址的操作数在寄存器中;寄存器间接寻址的操作数在内存中。)
    直接寻址:理解
    间接寻址:理解
    相对寻址:相对于PC而言的。操作数在主存中的有效地址等于PC的内容加上指令中的位移量。
    基址寻址:对于基址寄存器而言的。操作数在主存中的有效地址等于基址寄存器的内容加上指令中的位移量。
    变址寻址:对于变址寄存器而言的。操作数在主存中的有效地址等于变址寄存器的内容加上指令中的位移量。


    CISC大多数采用微程序控制。CISC中的各种指令的使用频度相当悬殊,最常使用的是一些比较简单的指令,仅占指令总数的20%,但在程序中出现的频度却占80%,这意味着由硬件支持的指令约有80%是很少使用的。
    RISC通过精简指令系统来简化控制器设计,增加片内寄存器和高速缓存的容量,以及增加浮点运算部件和采用流水线技术提高处理器性能。
    RISC以硬连线控制为主。
    退耦的CISC/RISC既不采用纯RISC,也不采用经典的CISC,而是采用混合式的CISC/RISC体系结构。
    在指令系统的发展过程中出现过两种截然不同的方向,即CISC和RISC,他们都具有各自的优缺点。随着退耦CISC/RISC和后RISC出现,关于RISC和CISC两种体系结构性能好坏已经在很大程度上平息下来了,两者都从对方阵营参考了很多概念和技术,两种技术逐渐交融,结构上的区别也逐渐模糊。


    中央处理器

    程序一旦装入内存,中央处理器就能自动地、逐条地取指令、分析指令和执行指令。
    CPU基本功能:

    指令控制
    操作控制
    时间控制
    数据加工(这是最基本的功能)

    CPU基本组成

    控制器
    运算器
    Cache,有指令cache和数据cache

    CPU中的主要寄存器

    PC。程序计数器、指令地址寄存器、指令指针。
    IR。指令寄存器。
    AR。数据地址寄存器
    GR。通用寄存器
    PSW。状态字寄存器

    CPU取指令时,将PC的内容送入指令cache,经地址译码后选中相应的存储单元,取出一条指令并将取出的指令代码送往IR,同时自动修改PC的值形成下一条指令的地址。
    指令寄存器的作用是保存当前正在执行的一条指令。当解释一条指令时,首先根据PC的值从指令cache中取出一条指令,并将其送往IR。在这条指令执行的过程中,指令寄存器的内容始终保持不变,直到有新的指令被取出并送往IR为止。
    指令译码器用来完成对指令寄存器中的操作码字段进行译码。
    AR保存当前CPU所访问的数据cache单元的地址。
    产生控制信号并建立正确数据通路的部件叫做操作控制器。根据指令的操作码和时序信号,产生各种具有时间标志的操作控制信号,以建立正确的数据通路。
    操作控制信号的形成方法:

    微程序设计方法(微程序控制器)
    组合逻辑设计方法(硬连线控制器)

    时序产生器产生一组时序信号,及一系列的节拍电位信号和节拍脉冲信号。作用就是对各种操作控制信号实施时间上的控制。
    指令周期是指从CPU送出取指令地址到取出本条指令并执行完毕所花的时间。
    取出和执行任何一条指令所需的最短时间为两个CPU周期。
    CPU周期又叫机器周期,由若干个时钟周期组成。时钟周期通常又称节拍脉冲周期或T周期,是处理操作的最基本单位。
    用方框图语言表示指令周期。一个方框表示一个CPU周期。
    在相同的CPU结构上解释指令,所有指令的取值周期是相同的。
    从时间上看,取指令事件发生在指令周期的第一个CPU周期内,即发生在取值周期,而取数据事件发生在取值周期之后的几个CPU周期内,即发生在执行周期。

    从空间上看,如果取出的代码是指令,一定送往指令寄存器,如果取出的代码是数据,则一定送往通用寄存器或地址寄存器。

    时序信号最基本的体制是电位—脉冲制。
    一个节拍电位表示一个CPU周期的时间,包含若干个节拍脉冲。
    实现时序控制所需的时序信号,主要包含节拍电位和节拍脉冲。它们构成了CPU的时序系统。
    形成控制不同操作序列时序信号的方法,称为控制器的控制方式。
    控制器的控制方式:

    同步控制方式
    异步控制方式
    联合控制方式
    人工控制方式


    同步控制方式又称固定时序控制方式。基本思想是:选取部件中最长的操作时间作为统一的CPU周期时间,使所有的部件都能在一个CPU周期内启动并完成操作,同时,以最复杂指令所需的CPU周期数为标准作为所有指令的解释时间。即指令中所有指令的解释具有相同的CPU周期数和时钟周期数。
    异步控制方式又称可变时序控制方式。基本思想是:系统不设立统一的CPU周期数和时钟周期数,各部件按本身的速度需要占用时间。
    微程序控制基本思想:把操作控制信号编成所谓的“微指令”,存放到一个只读存储器里。当机器运行时,一条一条读出这些微指令,从而产生全机所需要的各种操作控制信号,控制相应的执行部件完成规定的操作。
    控制部件与执行部件的联系有两种,一种是通过控制线,一种是通过状态线。
    微命令:控制部件通过控制线发往执行部件的各种控制命令。
    微操作:执行部件在微命令的控制下所进行的操作。
    微操作分为相容性和相斥性。
    在机器的一个CPU周期内,一组实现一定操作功能的微命令的组合,构成一条微指令。
    在一个CPU周期内完成的操作功能由一条微指令来实现。
    微指令组成


    操作控制字段
    顺序控制字段:P字段和直接微地址组成

    一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。这个微指令序列又叫微程序。
    确定微地址方法:

    计数器方式
    多路转移方式(用组合逻辑方法设计)

    微程序控制器组成

    控制存储器
    微指令寄存器(微地址寄存器、微命令寄存器)
    地址转移逻辑

    控制存储器存放指令系统的所有微程序,是只读存储器。
    微指令寄存器用来存放控制存储器读出的一条微指令信息。其中,微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的微地址。微命令寄存器保存一条微命令的操作控制字段和P字段。
    机器指令和微指令关系:

    一条机器指令的功能由若干条微指令组成的序列来实现。
    机器指令存放在内存中,微指令固化在控制存储器中。
    每一个CPU周期对应一条微指令。

    微命令的编码方法:

    直接表示法
    编码表示法(注意:只能表示2的n次减一)
    混合表示法

    微指令格式:

    水平型微指令
    垂直型微指令

    水平型微指令:在一个CPU周期内,一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令。
    垂直型微指令:每条垂直型微指令只能完成一个操作,只包含一个或两个微操作。
    用垂直型微指令编写的微程序比用水平型微指令编写的微程序要长的多。是采用较长的微程序去换取较短的微指令结构。
    水平型微指令执行一条指令的时间短,垂直型微指令执行的时间长。
    微程序设计技术:

    静态微程序设计
    动态微程序设计

    微程序控制器的控制功能是在控制存储器和微指令寄存器直接控制下实现的,而硬连线控制器则由逻辑门组合实现的(门电路、触发器)。
    并行性的两重含义:

    同时性
    并发性

    颗粒度用来衡量软件进程所含计算量的大小,最简单的方法是用程序段的指令条数来表示。
    颗粒度的大小分为

    细粒度:小于500
    中粒度:500~2000
    粗粒度:大于2000

    并行性的等级划分(按颗粒度大小不同):

    作业级
    任务级
    例行程序或子程序级
    循环和迭代级
    语句和指令级

    层次越高的并行处理的粒度就越粗;低层次上的并行处理粒度较细。
    并行处理技术:

    时间并行
    空间并行
    时间并行+空间并行

    指令的解释方式:

    顺序解释方式
    流水解释方式

    流水线的三个阶段:

    建立
    满载
    排空

    流水解释的三种相关:

    资源相关
    数据相关
    控制相关

    56.计算吞吐率、加速比、效率。
    总线结构

    总线不仅仅是一组传输线,还包括一套管理信息传输的规则(协议)。
    总线的特性:

    物理特性
    功能特性
    电气特性
    时间特性

    地址总线的宽度指明了总线能够直接访问存储器的地址空间范围。
    数据总线的宽度指明了访问一次存储器或外设时能够交换数据的位数。
    总线相对于CPU的位置分为:

    内部总线
    外部总线

    外部总线按功用划分:

    局部总线
    系统总线
    通信总线

    总线按功能划分为:

    地址总线
    数据总线
    控制总线

    按总线在微机中的位置分:

    机内总线
    机外总线

    按数据在总线中传输位数分:

    串行总线
    并行总线

    总线按信息传送方向分:

    单向总线
    双向总线

    输入输出系统

    输入输出系统包括:

    输入输出设备
    设备控制器
    输入输出操作有关的软硬件

    为事件服务的程序称为中断服务程序或中断处理程序。
    中断是一个过程,是CPU在执行当前程序的过程中因硬件或软件的原因插入了另一段程序运行的过程。硬件原因引起的中断是不可预测的,随机的。而软中断是事先安排的。
    凡是能引起中断的设备或事件都是中断源。
    中断源向中断系统发出请求中断的申请,称中断请求。
    中断过程的4个阶段:

    中断请求
    中断响应
    中断处理
    中断返回

    在处理某级中的某个中断请求时,与它同级的或比它低级的中断请求是不能中断它的处理的,只有比它高级的中断请求才能中断其处理过程。等响应和处理完后,再继续处理原先的那个中断请求。
    没有获得允许的中断请求称为中断被屏蔽。
    鼠标和键盘以中断方式连接。


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  • 《计算机组成原理》— 外部设备

    千次阅读 2017-05-27 21:57:18
    第 10 章 外 部 设 备 基本知识点:外部设备的概念;常用的输入设备的工作原理;常用的输出设备的工作原理;...外部设备也称为外围设备,是指计算机系统中除主机(主机由 CPU 和主存构成)外的其他设备,用于直接...

    第 10 章 外 部 设 备

    基本知识点:外部设备的概念;常用的输入设备的工作原理;常用的输出设备的工作原理;硬盘存储器的工作原理;磁盘阵列的概念;光盘存储器的工作原理。

    重 点:硬盘存储器的工作原理。

    难 点:硬盘存储器的工作原理。

    10.1 知识点 1:输入和输出设备

    1. 外部设备

    外部设备也称为外围设备,是指计算机系统中除主机(主机由 CPU 和主存构成)外的其他设备,用于直接或间接与计算机交换信息、改变信息媒体或载体形式的装置。

    外部设备可分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备几大类。本章仅讨论前三类。

    外部设备的基本组成如下。

    ☆ 存储介质:具有保存信息的物理特征。

    ☆ 驱动装置:用于移动存储介质。

    ☆ 控制电路:向存储介质发送数据或从存储介质接收数据。

    2. 输入设备

    1)键盘

    键盘(Keyboard)是常用的输入设备,它是由一组开关矩阵组成,包括数字键、字母键、符号键、功能键及控制键等。每一个按键在计算机中都有它的唯一代码。当按下某个键时,键盘接口将该键的二进制代码送入计算机主机中,并将按键字符显示在显示器上。当快速输入大量字符,主机来不及处理时,先将这些字符的代码送往内存的键盘缓冲区,然后再从该缓冲区中取出进行分析处理。

    键盘工作原理:当用户按下一个键后,由硬件判断哪个键被按并将其翻译成 ASCII 码

    (编码键盘法)。

    2)鼠标

    鼠标器(Mouse)是一种手持式屏幕坐标定位设备,它是适应菜单操作的软件和图形处理环境而出现的一种输入设备,特别是在现今流行的 Windows 图形操作系统环境下应用鼠标器更是方便快捷。常用的鼠标器有机械式和光电式两种。

    鼠标工作原理:当鼠标在平面上移动时,其底部传感器把运动的方向和距离检测出来,从而控制光标做相应的运动。

    3. 输出设备

    1)显示器

    显示器种类很多,有 CRT(阴极射线管显示器)、LCD(液晶显示器)、等离子体显示器等。

    CRT 显示器工作原理:用一个电子束密集地对荧光屏高速逐行扫描,通过对电子束的扼制,控制荧光屏上各点的隐或现,从而在荧光屏上显示字符或图形。

    显示器的分辨率:显示器一般采用光栅扫描方式,用电子束从左向右、自上而下作水平扫描和垂直扫描,荧光屏上的每一个光点就是一个像素。分辨率就是整个屏幕上显示的

    光点数目,即像素的多少,如:800×600,1024×768,1280×1024 等。

    显示器的刷新率:光点只能保持极短的时间便会消失,为此必须在光点消失之前再重新扫描显示一遍,这个过程称为刷新。每秒刷新的次数称为刷新率。显示器常用的刷新率有:60Hz、70Hz、72Hz、75Hz、80Hz、85Hz、100Hz 和 120Hz 等。

    为了不断提供刷新画面信号,必须把图像信息存储在一个视频存储器(VRAM,也称

    刷新存储器或显示存储器)中,则分辨率为 a×b,每个像素用 m 个字节表示,则视频存储器容量=a×b×m,每个像素可表示 28×m种颜色,视频存储器的字长为 m。

    在字符显示器中,以点阵为基础显示字符。通常将显示屏幕划分成许多方块,每个方块称为一个字符窗口,它包括字符显示点阵和字符间隔。在其控制电路中,包含点计数器、字计数器、行计数器和排计数器等。

    其中,点计数器对一个字符的列数和字符横向间隔进行计数,为 9 分频,即输入 9 个点脉冲后完成一次计数循环,并向下一级计数器输出一个计数脉冲,这对应于一个字符横向 7 点,加上 2 点间距。

    字计数器用来同步控制一条水平扫描线的正扫和回扫。由于一排可有 80 个字符,需要在扫描正程中显示,所以当字计数器由 0 计到 80 时,光栅从左向右扫满一行。然后进入回扫逆程,设逆程须占 18 个字符扫描时间(折合值),因此字符计数器为 80+18=98 分频,即每输入 98 个计数脉冲完成一个计数循环。

    行计数器对字符窗口的高度进行控制,字符窗口的高度所占的扫描线数为 14。CRT每完成一次水平扫描,只能显示一排字符中的一行。只有依次扫描 9 行后,才能完整地显示出一排字符,再扫描 5 行并消隐之后,即形成排间的空白间距,所以行计数器为 9+5=14

    分频。

    排计数器对应于屏幕的垂直扫描及其回扫。正程显示 25 排字符,当排计数器从 0 计数到 25 时,光栅正好从上向下扫完一屏,然后进入回扫逆程,回到屏幕左上角。逆程时间等于扫描一排字符的时间,折合值为 1,所以计数分频值为 25+1=26。

    液晶显示器与 CRT 显示器相比,具有工作电压低、功耗低、体积小、重量轻、无闪烁和辐射低的优点,目前已成为主流的显示器。

    2)打印机

    打印机按打字原理来分类,有击打式(如点阵式打印机、针式打印机)和非击打式(如

    激光式打印机、喷墨式打印机)等类型。

    按工作原理来分类,打印机又分为串行打印(逐字打印)和行式打印(一次输出一行)等。打印机工作原理:当打印机启动后,接收到计算机传送来的信息,并将接收到的信息

    (内码形式)送到 RAM 暂时存起来,同时发出信号启动各电机的驱动电路,使机械系统处于工作状态,字符发生器将内码转换成打印机的点阵状态,通过驱动电路送至打印头。

    10.2 知识点 2:外存储器

    10.2.1 要点归纳

    1. 硬盘存储器

    硬盘存储器简称为硬盘,是一种磁介质存储器(磁盘)。硬盘一直是虚拟存储器技术的物质基础,执行程序时,作为交换缓冲区;关机时,硬盘作为操作系统和所有应用程序的非易失性的驻留介质。

    1)硬盘的信息分布

    在硬盘中信息分布呈记录面、磁道、圆柱面、扇区的层次:

    ☆ 记录面。硬盘驱动器中可有多个盘片(数量为 1~20 片),每个盘片有两个记录面,每个记录面对应一个磁头。

    ☆ 磁道。在读/写时,磁头固定不动,盘片高速旋转,磁化区构成一个闭合圆环,称为磁道。在盘面上,一条条磁道形成一组同心圆,最外圈的磁道为 0 号,往内则磁道号逐步增加(每个盘片可有 500~2500 条磁道)。

    ☆ 圆柱面。在一个盘组中,各记录面上相同编号(位置)的诸磁道构成一个圆柱面。

    例如,某驱动器有 4 片 8 面,则 8 个 0 号磁道构成 0 号圆柱面,8 个 1 号磁道构成1 号圆柱面,依次类推。硬盘的圆柱面数等于一个记录面上的磁道数,圆柱面号即为对应的磁道号。

    ☆ 扇区。通常将一条磁道划分为若干个段,每个段称为一个扇区或扇段,每个扇区存放一个定长信息块(如 512 个字节)。一条磁道划分多少扇区,每个扇区可存放多少字节,一般由操作系统决定。磁道上的扇区编号从 1 号开始。

    2)磁盘地址

    主机向磁盘控制器发送寻址信息,磁盘地址一般表示如下:

     

    若系统中有 4 个驱动器,每个驱动器带一个磁盘,每个磁盘有 256 个圆柱面。每个磁盘中有 16 个盘面,每个盘面划分为 16 个扇区,因此表示一个扇区地址要 18 位二进制代码,其格式如下:

     

    3)硬盘的工作过程

    一个硬盘可以有多个盘面,通常每个盘面有一个读写磁头,硬盘的主要操作是寻址、读盘和写盘。每种操作都对应一个控制字。硬盘工作时,第一步是取控制字,第二步是执行控制字。

    ① 取控制字。CPU 使用硬盘时,先启动硬盘,硬盘向 CPU 发中断请求,主机响应后,

    从主存指定单元送出控制字,并给出回答信号。硬盘把控制字存入控制字寄存器,并利用

    回答信号启动时序线路工作。

    ② 执行控制字。控制字可分为寻址、读盘、写盘三种,分别控制执行相关操作:

    ☆ 寻址操作。利用控制字中给定的地址,寻找对应扇区。

    ☆ 写盘操作。当寻址操作结束后,向 CPU 发出中断请求,取回写盘控制字。按照控制字给定的主存地址,再发取数请求,从主存中取出一个数据字,存入硬盘数据缓冲寄存器。由硬盘控制器的读写部件控制写盘操作,写入操作由盘组同步信号控制。每写完一个字,请求主存再送来一个字,同时交换字数计数器加 1,直到写完为止。

    ☆ 读盘操作。当寻址操作结束后,向 CPU 发中断请求,取回读盘控制字,放入控制字寄存器。与写盘类似,读盘操作也是由控制器的同步信号控制的。磁头读出的信号经放大整形,送入数据寄存器,汇齐一个数据字后再送入数据缓冲寄存器。硬盘向 CPU 发中断请求,将缓冲区中的数据存入指定的主存中。同时交换字数计数器加 1,直到读完为止。

    从中看到,硬盘的读写操作是串行的,不可能在同一时刻既读又写,也不可能在同一时刻写两组数据或读两组数据。

    4)硬盘的主要性能指标

    ① 硬盘容量

    一个硬盘所能存储的字节总数称为硬盘容量。硬盘容量有格式化容量和非格式化容量

    之分。非格式化容量是指磁记录表面可以利用的磁化单元总数,即:

    非格式化容量=最大位密度×最内圈磁道周长×总磁道数

    格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量:

    格式化容量=每道扇区数×扇区容量×总磁道数

    新的磁盘在使用之前需要先进行格式化,格式化实际上就是在磁盘上划分记录区,写入各种标志信息和地址信息,这些信息占用了磁盘的存储空间,故格式化之后的有效存储容量要小于非格式化容量。

    ② 记录密度

    ☆ 记录密度是指盘片表面单位上记录的二进制信息的个数,用道密度、位密度和面密度表示。

    ☆ 道密度是沿硬盘半径方向单位长度上的磁道数。

    ☆ 位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数。

    ☆ 面密度是位密度和道密度的乘积。

    硬盘驱动器的每个磁道上记录的扇区数是相同的,因而存储的信息量也是相同的,这意味着在磁盘上位密度是变化的。因为内圈磁道的周长短,外圈磁道的周长长,所以内圈磁道的位密度高,外圈磁道的位密度低,最内圈磁道的位密度(即最大位密度)决定了磁盘驱动器的容量。又因为每个磁道记录的信息量及转速是相同的,所以它们的数据传送率也是相同的。

    ③ 平均存取时间 Ta

    若要读写扇区,磁盘控制器发出命令,先将磁头移动到包含有所需数据的磁道上,这个过程称为“寻道”,所需要的时间叫做寻道时间 Ts。有最小寻道时间、最大寻道时间和平均寻道时间。

    将所需扇区转到磁头之下所需要的时间称为旋转延迟时间 Tr(也称为等待时间)。大部分磁盘的转速 r 在 3600rpm~10 000rpm,平均延迟是磁盘转半圈的时间,所以大部分磁盘的平均旋转时间为 Tr=1/(2r)。

    传输时间 Tt(也称为读写时间)是指在磁头下传输一个数据块(通常是一个扇区)所需的时间。设 r 为转速(单位为转/秒),b 为每秒传送的字节数,N 为每磁道字节数,则

    Tt=b/(rN)。

    硬盘总的平均存取时间 Ta=Ts+Tr+Tt。

    若还要考虑控制器开销 Tc,则硬盘总的平均存取时间 Ta=Ts+Tr+Tt+Tc。

    ④ 数据传输率

    硬盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数,称为数据传输率。假设硬盘旋转速度为 r(转/秒),每条磁道容量为 N 个字节,则数据传输率为 Dr=rN。

    【例 10.1】已知某磁盘存储器转速为 2400 转/分,每个盘面有 200 个磁道,平均查找

    时间为 60ms,每个磁道存储容量为 96KB,求磁盘的存取时间与数据传输率。

    解:已知转速 2400 转/分=40 转/秒,则平均等待时间 Tr=1/(2×40)=12.5ms,每条磁道容

    量 N=96KB,则有:磁盘存取时间 Ta=60ms+12.5ms=72.5ms(忽略传输时间 Tt和控制器开

    销 Tc)。数据传输率 Dr=r×N=40×96KB=3840KB/s。

    5)硬盘的接口标准

    硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件,不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度,在整个系统中,硬盘接口的优劣直接影响着程序运行的快慢和系统性能的好坏。硬盘接口分为 IDE、SCSI 和 SATA 等,IDE 接口硬盘多用于家用产品中,SCSI 接口硬盘则主要应用于服务器市场中,SATA 是一种新生的硬盘接口类型,在家用市场中有着广泛的前景。

    2. 磁盘阵列

    磁盘阵列(RAID)具有容量大、速度快、可靠性高、造价低廉等特点。它是目前解决计算机 I/O 瓶颈的有效方法之一,有着广阔的发展前景。

    1)什么是 RAID

    RAID(是 Redundent Array of Inexpensive Disks 的缩写,直译为“廉价冗余磁盘阵列” ),

    也简称为磁盘阵列。后来 RAID 中的字母 I 被改为 Independent,RAID 就成了独立冗余磁盘阵列。可以把 RAID 理解成一种使用磁盘驱动器的方法,它将一组磁盘驱动器用某种逻辑方式联系起来,作为逻辑上的一个磁盘驱动器来使用。一般情况下,组成的逻辑磁盘驱动器的容量要小于各个磁盘驱动器容量的总和。

    RAID 的优点如下:

    ☆ 成本低,功耗小,传输速率高。

    ☆ 提供容错功能。

    ☆ 比起传统的大直径磁盘驱动器,在同样的容量下,RAID 价格要低许多。

    2)RAID 的分级

    RAID 可分为如表 10.1 所示的 6 个级别,在 RAID1~RAID5 的几种方案中,不论何时有磁盘损坏,都可以随时拔出受损的磁盘再插入好的磁盘,数据不会损坏,失效盘的内容可以很快地重建,重建工作由 RAID 硬件或 RAID 软件来完成。

     

    RAID0 级别把连续的多个数据块交替地分别放到不同物理磁盘的扇区中,几个磁盘交叉并行读写,不仅扩大了存储容量,而且提高了磁盘数据存取速度,但 RAID0 没有容错能力,如图 10.1 所示。

     

    RAID1 级别主要是为了提高可靠性,使两磁盘同时进行读写,互为备份,又称磁盘镜像。在工作中如果一个磁盘出现故障,可从另一磁盘中读出数据,不影响工作,也不降低

    速度。但两个磁盘当一个磁盘使用,意味着容量减少一半,如图 10.2 所示。

    RAID 各级别的比较如下。

    ☆ RAID0:高性能,磁盘利用率高,但系统可靠性差。

    ☆ RAID1:系统可靠性好,设计简单,但硬件开销大,效率低。

    ☆ RAID2:高速误差校正,数据传输速率高,设计较简单,但校正空间较大,磁盘阵列利用率较低,需要同步控制。

    ☆ RAID3:读写速度快,磁盘失效对吞吐率的影响较小,盘阵列利用率高,但设计较复杂。

    ☆ RAID4:读写速度快,磁盘阵列利用率高,但设计较复杂,磁盘失效对吞吐率的影响较大。

    ☆ RAID5:读数据速率最高,磁盘阵列利用率高,但磁盘失效对系统可靠性有一定影响,控制器设计复杂。

     

    3)磁盘阵列的实现方式

    目前实现磁盘阵列的方式主要有以下两种。

    ☆ 软件阵列:是指通过网络操作系统自身提供的磁盘管理功能将连接的普通 SCSI 卡上的多块硬盘配置成逻辑盘,组成阵列。软件阵列可以提供数据冗余功能,但是磁盘子系统的性能会有所降低,有的降幅还比较大,达 30%左右。

    ☆ 硬件阵列:使用专门的磁盘阵列卡来实现,能够提供在线扩容、动态修改阵列级别、自动数据恢复、驱动器漫游、超高速缓冲等功能。它的性能要远远高于常规非阵列硬盘,并且更安全更稳定。

    3. 光盘存储器

    光盘存储器是一种采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息的新型存储装置,具有记录密度高、存储容量大、信息保存寿命长、工作稳定可靠等特点。光盘的光道是一条由内向外的连续螺旋线,二进制数据以微观的凹痕形式记录在螺旋轨道的光道上,不同的光道其位密度可能不同。光道从盘的中心开始直到盘的边缘结束,用凹痕和凸痕的形式记录二进制“0”和“1”,然后覆上一层薄铝反射层,最后再覆上一层透明胶膜保护层,并在保护层的一面印上标记。

    光盘的类型如下:

    ☆ CD-ROM 光盘。只读型光盘,它由生产厂家预先写入数据和程序,使用时用户只能读出,不能修改或写入新内容。

    ☆ CD-R 光盘。可由用户写入信息,写入后可以多次读出,但只能写入一次,信息写入后将不能再修改,所以称为只写一次型光盘。

    ☆ CD-RW 光盘。是可以写入、擦除、重写的可逆性记录系统。这种光盘类似于磁盘,可重复读/写。

    ☆ DVD-ROM 光盘。DVD 代表通用数字化多功能光盘,简称高容量 CD。事实上,任何 DVD-ROM 光驱都是 CD-ROM 光驱。DVD 除了密度较高以外,其他技术与CD-ROM 完全相同。

    光盘存储器由光盘控制器和光盘驱动器组成:

    ☆ 光盘控制器。包括数据输入缓冲区、记录格式器、编码器、读出格式器和数据输出

    缓冲器等。

    ☆ 光盘驱动器。包括主轴电机驱动机构、定位机构、光头装置等。

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  • 计算机硬件系统基本组成

    千次阅读 2020-03-28 18:37:54
    1. 计算机硬件系统基本组成 下图是一种计算机硬件系统的简化结构模型示意图,其中包含CPU、存储器、输入/输出(IO)设备和接口等功能部件,各部件之间通过系统总线相连接。 (1) CPU CPU 是计算机硬件系统的核心部件...

    1. 计算机硬件系统基本组成

    下图是一种计算机硬件系统的简化结构模型示意图,其中包含CPU、存储器、输入/输出(IO)设备和接口等功能部件,各部件之间通过系统总线相连接。
    在这里插入图片描述

    (1) CPU

    CPU 是计算机硬件系统的核心部件,CPU的主要工功能是读取并执行指令,在执行指令过程中,它通过总线向系统中的各部件发出各种控制信息,收集各部件的状态信息,与各部件交换信息。
    CPU由运算部件、寄存器组和控制器组成,它们通过CPU内部的总线相互交换信息。运算部件完成算术运算(定点数运算、浮点数运算)和逻辑运算。寄存器组用来存放数据信息和控制信息。控制器提供整个系统工作所需的各种微命令,这些微命令可以通过组合逻辑电路产生,也可以通过执行微程序产生,相应分别被称为组合逻辑和微程序控制方式。

    (2) 存储器

    存储器用来存储信息,包括程序、数据文档等。如果存储器的存储容量越大、存取速度越快,那么系统的处理能力就越强,工作速度也就越高。但是一个存储器很难同事满足大容量、高速度的要求,因此常将存储器分为主存、外存和缓存三级存储体。
    主存用来存放CPU需要使用的程序和数据。主存的每个存储单元都有固定的地址,CPU可以按地址直接访问他们。因此要求主存的存取速度很快,但目前因技术条件的限制其容量优先,一般仅为GB级。通常将CPU和主存合称为主机,因主存于主机之内,故主存又常被称为内容。
    外存位于主机之外,用来存放大量的需要联机保存但CPU暂不使用的程序和数据。需要时,CPU并不直接按地址访问它们,而是按文件名将它们从外存调入主存。因此外存的容量很大,但存取速度比主存慢,如磁盘、光盘和U盘都是常用的外存。
    告诉缓存是为了提高CPU的访问速度,在CPU和主存之间设置的一级速度很快的存储器,容量较小,用来存放CPU当前正在使用的程序和数据。告诉缓存的地址总是与主存某一区间地址相映射,工作时CPU首先访问告诉缓存,如果未找到所需的内容,再访问主存。在现代计算机中,缓存是集成在CPU内部的,一般集成了两级Cache,高端芯片甚至集成了三级缓存。

    (3) 输入/输出设备

    输入设备将各种形式的外部信息转换为计算机能够识别的代码形式送人主机。常见的输入设备有键盘、鼠标等。输出设备将计算机处理的结果转换为人们所能识别的形式输出。常见的输出设备有显示器、打印机等。
    输入设备和输出设备都与主机之间传输数据,只是传输方向不同,因此常将输入设备和输出设备合称未输入/输出(Input/Out, I/O)设备。它们在逻辑划分上位于主机之外,又称为外围设备或者外部设备,简称外设。磁盘、光盘等外存既看成可存储系统的一部分,也看成具有存储能力的输入/输出设备。

    (4) 总线

    总线是一组能为多个部件分时共享的信息传输线。现代计算机普遍采用总线结构,用一组系统系统总线将CPU、存储器和I/O设备连接起来,各部件通过这组总线交换信息。注意:任一时间只能允许一个部件或者设备通过总线发送信息,否则会引起信息碰撞;但允许多个部件同时从总线上接收信息。
    根据系统总线上传送的信息类型,系统总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。地址总线用来传送CPU和外设发向主存的地址码。数据总线用来传送CPU、主存以及外设之间需要交换的数据。控制总线用来传送控制信号,如时钟信号、CPU发现主存或外设的读/写命令和外设送往CPU的请求信号等。

    (5) 接口

    计算机系统采用确定的总线标准,每种总线标准规定了其地址线和数据线的位数、控制信号线的种类和数量等。但计算机系统所连接的各种外部设备并不是标准的,在种类与数量上是可变的。为了将标准的系统总线与各具特色的I/O设备连接起来,需要再系统总线与I/O设备之间设置了一些部件,它们具有缓冲、转换、连接等功能,这些部件就被称为I/O接口。
    计算机的各种操作都可以归结为信息的传输。信息在计算机中沿着什么途径传输直接影响硬件系统结构。
    我们将信息在计算机中的传输途径称为数据通路结构。因此,硬件系统结构的核心是数据通路结构。

    (5.1)微型计算机的"南-北"桥经典架构

    在这里插入图片描述

    该模型基于Intel平台经典的“南-北”桥布局结构,从整体架构上看,北桥芯片组主要担当内存控制、视频控制和与CPU的交互;南桥芯片组负责控制外部设备的输入/输出,如键盘、鼠标、硬盘、网络等,还承担BIOS(Basic Input/Output System)的管理任务。北桥(也称主桥)与南桥之间通过DMI(Direct Media Interface)即直接媒体接口标准的总线相互连接,以形成“CPU-北桥-南桥-外设”这种模式信息传输的控制方式。
    该模型中可能存在多种不同的总线,如FSB、DMI、PATA、PCI-E、USB、SATA等。

    (5.2) 小型计算机的硬件体系架构

    小型计算机往往侧重于以较低的硬件代价实现较强的系统功能,因此常用多组系统总线作为系统中各个部件互联的集成,如连接CPU、存储器和I/O接口,再通过接口连接外部设备。下图是惠普的双处理器小型机
    在这里插入图片描述
    双处理器机架式服务器总,两个处理器之间通过QPI(Quick Path Interconnect)总线互连。主处理器通过DMI总线与IntelC600系列芯片组互联。此外,芯片组提供14路USB2.0接口、SM(系统管理)总线、GPIO(General Purpose Input Output)即通用输入/输出端口、TMP安全控制芯片、Super I/O总线、普通PCI总线和4/8路宽带为3Gb/3的SAS(Serial attached SCSI)磁盘接口,以及8路PCI-E 2.0总线和PCI Express 卡插槽、无线局域网接口和传统的音频输出接口等。
    Intel 600系列芯片组提供的接口、插槽、总线能对存储系统和外围设备进行扩展,构建一个高性能的企业级专用小型计算机服务器。

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外围设备三个基本组成部分