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  • 存储器是计算机系统中的记忆设备,用来存放程序和数据。随着计算机发展,存储器在系统中的地位越来越重要。 存储器分类 存储器的种类繁多,从不同的角度对存储器可作不同的分类。 1.按存储介质分类 存储介质是指能寄存...

    学习目标:重点学习主存储器的分类、工作原理、组成方式以及与其他部件(如CPU)的联系。以及高速缓冲存储器、磁表面存储器等的基本组成和工作原理。建立起如何用不同的存储器组成具有层次结构的存储系统的概念。

    存储器是计算机系统中的记忆设备,用来存放程序和数据。随着计算机发展,存储器在系统中的地位越来越重要。

    一、存储器分类

    存储器的种类繁多,从不同的角度对存储器可作不同的分类。
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    1.按存储介质分类
    存储介质是指能寄存“0”、“1”两种代码并能区别两种状态的物质或元器件。存储介质主要有半导体器件、磁性材料和光盘等。

    • 半导体存储器 / 存储元件由半导体器件组成的存储器称为半导体存储器。
    • 磁表面存储器 / 磁表面存储器是在金属或塑料基体的表面上涂一层磁性材料作为记录介质。
    • 磁芯存储器 / 磁芯是由硬磁材料做成的环状元件,在磁芯中穿有驱动线(通电流)和读出线。
    • 光盘存储器 / 光盘存储器是应用激光在记录介质(磁光材料).上进行读/写的存储器,具有非易失性的特点。

    2.按存取方式分类
    按存取方式可把存储器分为随机存储器、只读存储器、顺序存取存储器和直接存取存储器。

    • 随机存储器( Random Access Memory ,RAM)
      RAM是一-种可读/写存储器,其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取,而且存取时间与存储单元的物理位置无关。计算机系统中的主存都采用这种随机存储器。由于存储信息原理的不同,RAM又分为静态RAM(以触发器原理寄存信息)和动态RAM(以电容充放电原理寄存信息)。
    • 只读存储器( Read Only Memory , ROM)
      ROM是只读存储器,出厂时其内容由厂家用掩膜技术写好,只可读出,但无法改写。信息已固化在存储器中,一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。
    • 串行访问存储器
      如果对存储单元进行读/写操作时,需按其物理位置的先后顺序寻找地址,则这种存储器称为串行访问存储器。

    3.按在计算机中的作用分类
    按在计算机系统中的作用不同,存储器主要分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器。

    • 主存储器(简称主存)的主要特点是它可以和CPU直接交换信息。
    • 辅助存储器(简称辅存)是主存储器的后援存储器,用来存放当前暂时不用的程序和数据,它不能与CPU直接交换信息。两者相比,主存速度快、容量小、每位价格高;辅存速度慢、容量大、价格低。
    • 缓冲存储器(简称缓存)用在两个速度不同的部件之中,例如,CPU与主存之间可设置一个快速缓存

    二、存储器的层次结构

    存储器有3个主要性能指标:速度、容量和每位价格(简称位价)。
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    • 寄存器通常都制作在CPU芯片内,寄存器中的数直接在CPU内部参与运算。
    • 主存用来存放将要参与运行的程序和数据,其速度与CPU速度差距较大,为了使它们之间速度更好地匹配,在主存与CPU之间插入了一种比主存速度更快、容量更小的高速缓冲存储器Cache。现代计算机将Cache也制作在CPU内。
    • 磁盘、磁带属于辅助存储器,其容量比主存大的多。

    存储系统层次结构主要体现在缓存一主存和主存-辅存这两个存储层次上

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    缓存—主存层次 主要解决CPU和主存速度不匹配的问题。由于缓存的速度比主存的速度高,只要将CPU近期要用的信息调人缓存,CPU便可以直接从缓存中获取信息,从而提高访存速度。主存和缓存之间的数据调动是由硬件自动完成的。

    主存—辅存层次 主要解决存储系统的容量问题。辅存的速度比主存的速度低,而且不能和CPU直接交换信息,但它的容量比主存大得多,可以存放大量暂时未用到的信息。当CPU需要用到这些信息时,再将辅存的内容调人主存,供CPU直接访问。主存和辅存之间的数据调动是由硬件和操作系统共同完成的。

    存储器的层次结构解决了速度、容量、成本这三者的矛盾。

    三、主存储器(主存)

    主存储器一般采用半导体存储器,与辅助存储器相比有容量小、读写速度快、价格高等特点。计算机中的主存储器主要由存储体、控制线路、地址寄存器、数据寄存器和地址译码电路五部分组成。从70年代起,主存储器已逐步采用大规模集成电路构成。用得最普遍的也是最经济的动态随机存储器芯片(DRAM)。

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    存储器地址寄存器(MAR)和存储器数据寄存器(MDR)是主存和CPU之间的接口。MAR可以接收由程序计数器(PC)的指令地址或来自运算器的操作数的地址,以确定要访问的单元。MDR是向主存写入数据或从主存读出数据的缓冲部件。

    读入时,根据MAR中的地址访问某个存储单元时,经过地址译码、驱动等电路,找到所需访问的单元。读出时,需经过读出放大器,将被选中单元的存储字送到MDR。写入时,MDR中的数据经过写入电路写入到被选中的单元中。

    现代计算机的主存都由半导体集成电路构成,图中的驱动器、译码器和读写电路均制作在存储芯片中,而MAR和MDR制作在CPU芯片内。存储芯片和CPU芯片可通过总线连接,如图
    在这里插入图片描述
    CPU对主存的基本操作:CPU对主存进行读写操作时,首先CPU在地址总线上给出地址信号,然后发出相应的读写命令,并在数据总线上交换信息。

    1.主存中存储单元地址的分配

    主存各存储单元的空间位置是由单元地址号来表示的,而地址总线是用来指出存储单元地址号的,根据该地址可读出或写人一个存储字。
    吐血整理!这篇带你彻底理解主存中存储单元地址的分配
    字长、字节、字、字位的区别

    2.主存的技术指标

    主存的主要技术指标是存储容量和存储速度。

    (1)存储容量
    存储容量是指主存能存放二进制代码的总位数,即 存储容量 = 存储单元个数 x 存储字长
    也可用字节总数来表示,即 存储容量 = 存储单元个数 x 存储字长 / 8

    目前的计算机存储容量大多以字节数来表示,例如,某机主存的存储容量为256 MB,则按字节寻址的地址线位数应对应28位。

    (2)存储速度
    存储速度是由存取时间和存取周期来表示的。存取时间又称为存储器的访问时间(MemoryAccessTime),是指启动–次存储器操作(读或写)到完成该操作所需的全部时间。存取时间分读出时间和写人时间两种。读出时间是从存储器接收到有效地址开始,到产生有效输出所需的全部时间。写人时间是从存储器接收到有效地址开始,到数据写人被选中单元为止所需的全部时间。

    存取周期(MemoryCycleTime)是指存储器进行连续两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所需的最小间隔时间,通常存取周期大于存取时间。现代MQS型存储器的存取周期可达100ns;双极型TTL存储器的存取周期接近于10ns。

    (3)存储器带宽
    与存取周期密切相关的指标为存储器带宽,它表示单位时间内存储器存取的信息量,单位可用字/秒或字节/秒或位/秒表示。如存取周期为500 ns ,每个存取周期可访问16位,则它的带宽为32M位/秒。带宽是衡量数据传输率的重要技术指标。存储器的带宽决定了以存储器为中心的机器获得信息的传输速度,它是改善机器瓶颈的一个关键因素。

    半导体存储芯片简介

    1.半导体存储芯片的基本结构

    半导体存储芯片采用超大规模集成电路制造工艺,在一个芯片内集成具有记忆功能的存储矩阵、译码驱动电路和读/写电路等
    译码驱动能把地址总线送来的地址信号翻译成对应存储单元的选择信号,该信号在读/写电路的配合下完成对被选中单元的读/写操作。
    读/写电路包括读出放大器和写人电路,用来完成读/写操作。
    存储芯片通过地址总线、数据总线和控制总线与外部连接。
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    地址线是单向输入的,其位数与芯片容量有关。数据线是双向的(有的芯片可用成对出现的数据线分别作为输人或输出),其位数与芯片可读出或写人的数据位数有关。数据线的位数与芯片容量有关。

    地址线和数据线的位数共同反映存储芯片的容量。地址线一次确定一个存储单元,地址线上值可能取的所有组合确定了存储单元的个数。所以,存储单元的个数=2^地址线的条数 。例如,地址线为10根,数据线为4根,则芯片容量为2’°x4=4K位; 又如地址线为14根,数据线为1根,则其容量为16K位。

    (大写K表示千的意思,大写B则表示字节,所以KB表示为信息单位千字节, 4K表示4千个寻址范围;而4KB则表示的就是4千字节)
    (位表示的是一个存储单元中能放几位二进制数)

    控制线主要有读/写控制线与片选线两种。不同存储芯片的读/写控制线和片选线可以不同。
    读/写控制线决定芯片进行读/写操作,片选线用来选择存储芯片。由于半导体存储器是由许多芯片组成的,为此需用片选信号来确定哪个芯片被选.中。

    2.半导体存储芯片的译码驱动方式
    半导体存储芯片的译码驱动方式有两种:线选法和重合法,一个16x1字节线选法存储芯片的结构示意图。它的特点是用一根字选择线(字线) ,直接选中一个存储单元的各位(如一个字节)。这种方式结构较简单,但只适于容量不大的存储芯片。

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    当地址线为全0时,译码输出X。和Y。有效,矩阵中第0行、第0列共同选中的那位即被选中。由于被选单元是由X、Y两个方向的地址决定的,故称为重合法。当欲构成1 Kx1字节的存储器时,只需用8片如图所示的芯片即可。
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    存储器与 CPU的连接

    1.存储容量的扩展

    由于单片存储芯片的容量总是有限的,很难满足实际的需要,因此,必须将若干存储芯片连在一起才能组成足够容量的存储器,称为存储容量的扩展,通常有位扩展和字扩展。

    (1)位扩展
    位扩展是指增加存储字长,例如,2片1K.x4位的芯片可组成1Kx8位的存储器,如图
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    (2)字扩展是指增加存储器字的数量。例如,用2片1 Kx8位的存储芯片可组成一个2K x 8位的存储器,即存储字增加了一倍,如图
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    (3)字、位扩展
    字、位扩展是指既增加存储字的数量,又增加存储字长。

    2.存储器与CPU的连接

    存储芯片与CPU芯片相连时,特别要注意片与片之间的地址线、数据线和控制线的连接。

    (1)地址线的连接
    存储芯片的容量不同,其地址线数也不同,CPU的地址线数往往比存储芯片的地址线数多。通常总是将CPU地址线的低位与存储芯片的地址线相连。CPU地址线的高位或在存储芯片扩充时用,或做其他用途,如片选信号等。

    (2)数据线的连接
    同样,CPU的数据线数与存储芯片的数据线数也不一定相等。此时,必须对存储芯片扩位,使其数据位数与CPU的数据线数相等。

    (3)读/写命令线的连接
    CPU读/写命令线–般可直接与存储芯片的读/写控制端相连,通常高电平为读,低电平为写。有些CPU的读/写命令线是分开的,此时CPU的读命令线应与存储芯片的允许读控制端相连,而CPU的写命令线则应与存储芯片的允许写控制端相连。

    (4)片选线的连接.
    片选线的连接是CPU与存储芯片正确工作的关键。存储器由许多存储芯片组成,哪一片被选中完全取决于该存储芯片的片选控制端CS是否能接收到来自CPU的片选有效信号。片选有效信号与CPU的访存控制信号MREQ (低电平有效)有关,因为只有当CPU要求访存时,才需选择存储芯片。

    (5)合理选择存储芯片
    合理选择存储芯片主要是指存储芯片类型(RAM或ROM)和数量的选择。通常选用ROM存放系统程序、标准子程序和各类常数等。RAM则是为用户编程而设置的。此外,在考虑芯片数量时,要尽量使连线简单方便。

    存储器的校验

    在计算机运行过程中,由于种种原因致使数据在存储过程中可能出现差错。为了能及时发现错误并及时纠正错误,通常可将原数据配成汉明编码。

    1.汉明码的组成
    汉明码是由RichardHanming于1950年提出的,它具有一位纠错能力。

    2.汉明码的纠错过程
    汉明码的纠错过程实际上是对传送后的汉明码形成新的检测位P(i=1,2,4,8,…) ,根据P的状态,便可直接指出错误的位置。P的状态是由原检测位C;及其所在小组内“1”的个数确定的。倘若按配偶原则配置的汉明码,其传送后形成新的检测位P;应为0,否则说明传送有错,并且还可直接指出出错的位置。
    例:
    在这里插入图片描述
    汉明码常常被用在纠错一位的场合,若欲实现检错两位,实用时还得再增添.一位检测位。

    四、高速缓冲存储器

    问题的提出

    在多体并行存储系统中,由于I/0设备向主存请求的级别高于CPU访存,这就出现了CPU等待I/0设备访存的现象,致使CPU空等一段时间,甚至可能等待几个主存周期,从而降低了CPU的工作效率。为了避免CPU与I/0设备争抢访存,可在CPU与主存之间加一级缓存,这样,主存可将CPU要取的信息提前送至缓存,一且主存在与I/0设备交换时,CPU可直接从缓存中读取所需信息,不必空等而影响效率。从另一角度来看,主存速度的提高始终跟不上CPU的发展。这也希望由高速缓存Cache来解决主存与CPU速度的不匹配问题。Cache的出现使CPU可以不直接访问主存,而与高速Cache交换信息。

    通过大量典型程序的分析,发现CPU从主存取指令或取数据,在一定时间内,只是对主存局部地址区域的访问(局部性)。这是由于指令和数据在主存内都是连续存放的,并且有些指令和数据往往原理。根据这一原理,很容易设想,只要将CPU近期要用到的程序和数据提前从主存送到Cache,那么就可以做到CPU在一定时间内只访问Cache。一般Cache采用高速的SRAM制作,其价格比主存贵,但因其容量远小于主存,因此能很好地解决速度和成本的矛盾。

    Cache的工作原理

    任何时刻都有一- 些主存块处在缓存块中。CPU欲读取主存某字时,有两种可能:一种是所需要的字已在缓存中,即可直接访问Cache(CPU与Cache之间通常一次传送一 个字);另 .一种是所需的字不在Cache内,此时需将该字所在的主存整个字块一次调人Cache中(Cache与主存之间是字块传送)。如果主存块已调人缓存块,则称该主存块与缓存块建立了对应关系。

    Cache的容量与块长是影响Cache效率的重要因素,通常用“命中率”来衡量Cache的效率。命中率是指CPU要访问的信息已在Cache内的比率。

    一般而言,Cache容量越大,其CPU的命中率就越高。当然容量也没必要太大,太大会增加成本,而且当Cache容量达到-定值时,命中率已不因容量的增大而有明显的提高。块长与命中率之间的关系更为复杂,它取决于各程序的局部特性。

    Cache - 主存地址映射

    由主存地址映射到Cache地址称为地址映射。地址映射方式很多,有直接映射(固定的映射关系)、全相联映射(灵活性大的映射关系)、组相联映射(.上述两种映射的折中)。

    1.直接映射
    这种方式的优点是实现简单,只需利用主存地址的某些位直接判断,即可确定所需字块是否在缓存中。直接映射方式的缺点是不够灵活,因每个主存块只能固定地对应某个缓存块,

    2.全相联映射
    全相联映射允许主存中每一字块映射到Cache中的任何一块位置上,如图4.55所示。这种映射方式可以从已被占满的Cache中替换出任一旧字块。显然,这种方式灵活,命中率也更高。但这种方式所需的逻辑电路甚多,成本较高。

    3.组相联映射
    组相联映射是对直接映射和全相联映射的一种折中。

    替换策略

    当新的主存块需要调人Cache并且它的可用空间位置又被占满时,需要替换掉Cache的数据,这就产生了替换策略(算法)问题。在直接映射的Cache中,由于某个主存块只与一个Cache字块有映射关系,因此替换策略很简单。而在组相联和全相联映射的Cache中,主存块可以写人Cache中若干位置,这就有一个选择替换掉哪-一个Cache字块的问题,即所谓替换算法问题。理想的替换方法是把未来很少用到的或者很欠才用到的数据块替换出来,但实际上很难做到。常用的替换算法有先进先出算法、近期最少使用算法和随机法。

    五、辅助存储器

    1.辅助存储器的特点

    辅助存储器作为主存的后援设备又称为外部存储器,简称外存,与主存相比,辅存具有容量大、速度慢、价格低、可脱机保存信息等特点,属“非易失性”存储器。而主存具有速度快、成本高、容量小等特点,而且大多由半导体芯片构成,所存信息无法永久保存,属“易失性”存储器。目前,广泛用于计算机系统的辅助存储器有硬磁盘软磁盘、磁带光盘等。前三种均属磁表面存储器。

    2.磁表面存储器的主要技术指标

    (1)记录密度
    记录密度通常是指单位长度内所存储的二进制信息量。

    (2)存储容量
    存储容量是指外存所能存储的二进制信息总数量, - -般以位或字节为单位。

    (3)平均寻址时间;

    (4)数据传输率
    数据传输率D,是指单位时间内磁表面存储器向主机传送数据的位数或字节数

    (5)误码率
    误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数,它等于从辅存读出时,出错信息位数和读出信息的总位数之比。为了臧少出错率,磁表面存储器通常采用循环冗余码来发现并纠正错误。

    3.各类辅助存储器工作原理

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  • 计算机系统组成与基本工作原理

    万次阅读 多人点赞 2016-12-14 21:32:10
    计算机组成、基本工作原理

    计算机系统知识

    关键词:计算机的组成、基本工作原理、体系结构、存储系统、计算机安全、可靠性与系统性能评测。

    重点:

    1)计算机的组成:计算机的发展以及硬件、软件组成。

    2)计算机基本工作原理:数制,汉字编码和CPU结构工作流程

    3)计算机体系结构:体系结构的发展和分类、存储系统、指令系统、输入输出技术、流水线、总线、并行处理。

    4)计算机系统的可靠性、性能评估

    1计算机系统组成与基本工作原理

    1.1 计算机系统组成

    计算机系统分为硬件和软件系统。计算机硬件是计算机系统中的物质基础,是摸得见看得着的。计算机软件是程序、数据、相关文档的集合,包括系统软件和应用软件。计算机系统的组成如下:

     

    1.2计算机硬件系统

    计算机硬件5大组成部分:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

    计算机硬件的电线结构包括:单总线结构、双总线结构和采用通道的大型系统结构。

     

    单总线结构:使用一组系统总线将计算机的各个部件连接起来,各部件通过总线交换信息。

    一般用在小型或者微型计算机。

    优点:易于扩充新I/O设备,I/O设备的寄存器和主存储器可以统一编址使CPU访问I/O 加灵活。

    缺点:限制了信息传送的吞吐率。

    双总线结构:常见的就是在内存和CPU之间设置一组专有的高速存储总线。分为以CPU为中心的双总线和以存储器为中心的双总线。

     

    以存储器为中心的双总线结构:

    主存储器通过存储总线和CPU交换信息,同时可以通过系统总线与I/O设备交换信息。

    优点:信息传输效率高。

    缺点:增加硬件成本。

     

    cpu为中心的双总线结构:

    优点:控制线路简单,对I/O的总线的要求低。

    缺点:CPU效率低。

    采用通道的大型系统结构:一台主机可以连接多个通道,一个通道可以连接一台或多台I/O设备,具有较大的扩展性。由通道控制I/O设备,减少了CPU的压力,提高了系统效率。

    1.3  基本工作原理

    (1)数制转换

    10进制转换成其他的都是除以要转换成的那个数,也就是说转换成二进制的就除以2,转换成八进制的就除以8,转换成十六进制的就除以16,然后倒取余数。

    不同的进位制数转化为十进制数:按权展开相加
    十进制是权是10;二进制是权是2;十六进制是权是16;八进制是权是8;
    例:110011(二进制数)=1*2^5+1*2^4+0*2^3+0*2^2+1*2^1+1*2^0=32+16+2+1=51
    1507(八进制数)=1*8^3 + 5*8^2 + 0*8^1 + 7*8^0 = 839 
    2AF5(十六进制数=2*16^3 + A*16^2+ F*16^1 + 5*16^0 = 10997

    二进制换算八进制 
    将二进制数从右到左,三位一组,不够补0
    例:二进制数10110111011换八进制数: 
    010 110 111 011 
    结果为:2673 

    二进制转换十六进制 
    二进制数转换为十六进制数的方法也类似,从右到左,四位一组,不够补0
    如上题: 
    0101 1011 1011 
    结果为:5BB

    (2)机器数与码制

    各种数据在计算机中表示的形式称为机器数,其特点是采用二进制计数制,数的符号用01表示,小数点则隐含表示而不占位置。机器数对应的实际数值称为真值。
           机器数有无符号数和带符号数之分。无符号数表示正数,在机器数中没有符号位。对于无符号数,若约定小数点的位置在机器数的最低位之后,则是纯整数;若约定小数点的位置在机器数的最高位之前,则是纯小数。对于带符号数,机器数的最高位一晴地正负的符号位,其余位则表示数值。若约定小数点的位置在机器数的最低数值位之后,则是纯整数;若约定小数点的位置 在机器数的最高数值位之前,则是纯小数位。
            为了便于运算,带符号的机器右数可采用原码,反码和补码等不同的编码方法,机器数的这些编码方法称为码制。
    1. 原码表示法
        数值X的原码记为[X]原,最高位是符号位,0表示正号,1表示负号,其余位表示数值的绝对值。
    2.反码表示法
         数值X的原码记为[X]反,最高位是符号位,0表示正号,1表示负号,正数的反码和原码相同,负数的反码则是其绝对值按位求反。
    3.补码表示法
         数值X的原码记为[X]补,最高位是符号位,0表示正号,1表示负号,正数的补码与其原码和反码相同,负数的补码则等于其反码的末尾加1
    4.移码表示法
         .移码表示法是在数X上增加一个偏移量来定义的,常用于表示浮点数中的阶码。如果机器字长为n,在偏移2的(n-1)次方的情况下,只要将将码的符号位取反便可获得相应的移码表示。

    (3)汉字编码

    区位码

       为了使每一个汉字有一个全国统一的代码,1980年,我国颁布了第一个汉字编码的国家准: GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集》基本集,这个字符集是我国中文信息处理技术的发展基础,也是目前国内所有汉字系统的统一标准。

     所有的国标汉字与符号组成一个94×94的矩阵。在此方阵中,每一行称为一个"",每一列称为一个"",因此,这个方阵实际上组成了一个有94个区(区号分别为0 194)、每个区内有94个位(位号分别为0194)的汉字字符集。一个汉字所在的区号和位号简单地组合在一起就构成了该汉字的"区位码"。在汉字的区位码中,高两位为区号,低两位为位号。

    在区位码中,01-09区为682个特殊字符,16~87区为汉字区,包含6763个汉字 。其中16-55区为一级汉字(3755个最常用的汉字,按拼音字母的次序排列)56-87区为二级汉字(3008个汉字,按部首次序排列)

    ·  需要注意的是:区位码通常都是用十进制表示的,例如字的区位码为1947,也就说它位于19区第47个字符。

    国标码

    国家标准代码,简称国标码,是中华人民共和国的中文常用汉字编码集。国家标准强制标准冠以“GB”。现时中华人民共和国官方强制使用GB 18030标准,但较旧的计算机仍然使用GB 2312国标码 =区位码(16进制化--区码和位码分别进行16进制转化)+2020H

    机内码

    计算机只识别由01组成的代码,ASCII码是英文信息处理的标准编码,汉字信息处理也必须有一个统一的标准编码。 汉字交换码(国标码)主要用于汉字信息交换,我国国家标准局于19815月颁布了《信息交换用汉字编码字符集——基本集》,代号为GB2312-80,共对6763个汉字和682个图形字符进行了编码。

    其编码原则为:汉字用两个字节表示,原则上,两个字节可以表示 256×256=65536种不同的符号,作为汉字编码表示的基础是可行的。但考虑到汉字编码与其它国际通用编码,如ASCII西文字符编码的关系,我国国家标准局采用了加以修正的两字节汉字编码方案,只用了两个字节的低7位。这个方案可以容纳128×128=16384种不同的汉字,但为了与标准ASCII码兼容,每个字节中都不能再用32个控制功能码和码值为32的空格以及127的操作码。所以每个字节只能有94个编码。这样,双七位实际能够表示的字数是:94×94=8836个。

    机内码 = 国标码 + 8080H
    机内码 = 区位码(16进制化--区码和位码分别进行16进制转化) + a0a0H

    相互转换

    内码转换为区位码

             区位码:  区码=内码高字节-0xa0

                           位码=内码低字节-0xa0

             例如:内码为:0xb9,0xfa

    16进制表示的区位码:0x19,0x5a

                      其区位码(默认为10进制):2590

    区位码转换为内码

            内码:  内码高字节=区码+0xa0

                      内码低字节=位码+0xa0

             例如:区位码为:2603

    16进制表示的区位码:0x1a,0x03

               其内码(默认为16进制)0xba,0xa3

    字模

      汉字在显示的时候,是以点阵的形式显示出来的,常见到的有16*16点阵、24*24点阵、32*32点阵。比如说16*16点阵字模如下,共256Bits,占用32 Bytes

    0x00,0x00,0xf7,0x7e,0x95,0x04,0x95,0x04,0x96,0x74,0x96,0x54,0x95,0x54,0x95,0x54,0x95,0x54,0xf5,0x54,0x97,0x74,0x04,0x04,0x04,0x04,0x05,0x04,0x04,0x14,0x04,0x08

      字模显示的时候,以两个字节表示一行像素点,16行就构成了一个完整的字模。屏幕在显示的时候,1显示为亮色,0显示为背景色,这样就能把字体显示出来。

     

    字库

      字库,就是所有汉字字模的集合。显然,在编排这些字模的时候需要一定的顺序(规则),而这个规则就是机内码。根据机内码的汉字布局,将对应的汉字字模进行整合,形成字库文件。在使用的时候,应用程序根据汉字的机内码,从字库中找到对应的存储位置,取出字模,进行显示。机内码就是汉字在字库中的索引。

    在区位码中,01-09区为682个特殊字符,16~87区为汉字区,有效汉字6768个。在制作字库的时候把特殊字符删除,只使用有效汉字区。也就是说我们从第16区的第1位开始进行字模收集,当第16区收集结束,紧接着收集第17区,直到第87区编排结束。总共收集6768个汉字,占用空间216576 Bytes

    (4)CPU

    CPU从逻辑上可以划分成3个模块,分别是控制器运算器内部寄存器,这三部分由CPU内部总线连接起来。如下所示:

     

    控制器:控制单元是整个CPU的指挥控制中心,由指令寄存器IR(Instruction Register)、指令译码器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等,对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序,依次从存储器中取出各条指令,放在指令寄存器IR中,通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作,然后通过操作控制器OC,按确定的时序,向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

    运算器:是运算器的核心。可以执行算术运算(包括加减乘数等基本运算及其附加运算)和逻辑运算(包括移位、逻辑测试或两个值比较)。相对控制单元而言,运算器接受控制单元的命令而进行动作,即运算单元所进行的全部操作都是由控制单元发出的控制信号来指挥的,所以它是执行部件。

    内部寄存器:包括CPU片内缓存和寄存器组,是CPU中暂时存放数据的地方,里面保存着那些等待处理的数据,或已经处理过的数据,CPU访问寄存器所用的时间要比访问内存的时间短。采用寄存器,可以减少CPU访问内存的次数,从而提高了CPU的工作速度。但因为受到芯片面积和集成度所限,寄存器组的容量不可能很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的,分别寄存相应的数据。而通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途,通用寄存器的数目因微处理器而异。这个是我们以后要介绍这个重点,这里先提一下。

    我们将上图细化一下,可以得出CPU的工作原理概括如下:

     

    总的来说,CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据,按指令操作码的规定,对数据进行运算处理,直到程序执行完毕为止。
       上图中我没有画总线,只是用逻辑方式对其进行呈现。原因早期Intel的微处理器,诸如8085,8086/8088CPU,普遍采用了地址总线和数据总线复用技术,即将部分(或全部)地址总线与数据总线共用CPU的一些引脚。例如8086外部地址总线有20根,数据总线复用了地址总线的前16根引脚。复用的数据总线和地址总线虽然可以少CPU的引脚数,但却引入了控制逻辑及操作序列上的复杂性。所以,自80286开始,Intel的CPU才采用分开的地址总线和数据总线。
       不管是复用还是分开,对我们理解CPU的运行原理没啥影响,上图没画总线的目的就是怕有些人太过于追求细节,一头扎下去,浮不起来,不能从宏观上藐视敌人。
       OK,总结一下,CPU的运行原理就是控制单元在时序脉冲的作用下,将指令计数器里所指向的指令地址(这个地址是在内存里的)送到地址总线上去,然后CPU将这个地址里的指令读到指令寄存器进行译码。对于执行指令过程中所需要用到的数据,会将数据地址也送到地址总线,然后CPU把数据读到CPU的内部存储单元(就是内部寄存器)暂存起来,最后命令运算单元对数据进行处理加工。周而复始,一直这样执行下去,天荒地老,海枯枝烂,直到停电。
       如果你对这段话还是觉得比较晕乎,那么就看我们老师是怎么讲的:
       1、取指令:CPU的控制器从内存读取一条指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是这个样子滴:

     

     

            操作码就是汇编语言里的mov,add,jmp等符号码;操作数地址说明该指令需要的操作数所在的地方,是在内存里还是在CPU的内部寄存器里。
       2、指令译码:指令寄存器中的指令经过译码,决定该指令应进行何种操作(就是指令里的操作码)、操作数在哪里(操作数的地址)。
       3、 执行指令,分两个阶段“取操作数”和“进行运算”。
       4、 修改指令计数器,决定下一条指令的地址。

     

                                   

     

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  • 计算机系统组成 (内容资料来源于网络,本文仅做归纳整理) 一.计算机系统概述   一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统主要包括计算机的主机和外部设备,软件系统主要包括系统软件...
    计算机系统组成
    (内容资料来源于网络,本文仅做归纳整理)

    一.计算机系统概述       

        一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统主要包括计算机的主机和外部设备,软件系统主要包括系统软件和应用软件。

        计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合,通常这些部件由电路(电子元件)、机械等物理部件组成。直观地看,计算机硬件是一大堆设备,它们都是看得见摸得着的,是计算机进行工作的物质基础,也是计算机软件发挥作用、施展其技能的舞台。


    图1-1 计算机系统基本组成

        计算机软件是指在硬件设备上运行的各种程序以及有关资料。所谓程序实际上是用户用于指挥计算机执行各种动作以便完成指定任务的指令的集合。用户要让计算机做的工作可能是很复杂的,因而指挥计算机工作的程序也可能是庞大而复杂的,有时还可能要对程序进行修改与完善。因此,为了便于阅读和修改,必须对程序作必要的说明或整理出有关的资料。这些说明或资料(称之为文档)在计算机执行过程中可能是不需要的,但对于用户阅读、修改、维护、交流这些程序却是必不可少的。因此,也有人简单地用一个公式来说明包括其基本内容:软件=程序+文档。

        通常,人们把不装备任何软件的计算机称为硬件计算机或裸机。裸机由于不装备任何软件,所以只能运行机器语言程序,这样的计算机,它的功能显然不会得到充分有效的发挥。普通用户面对的一般不是裸机,而是在裸机之上配置若干软件之后构成的计算机系统。有了软件,就把一台实实在在的物理机器(有人称为实机器)变成了一台具有抽象概念的逻辑机器(有人称为虚机器),从而使人们不必更多地了解机器本身就可以使用计算机,软件在计算机和计算机使用者之间架起了桥梁。正是由于软件的丰富多彩,可以出色地完成各种不同的任务,才使得计算机的应用领域日益广泛。当然,计算机硬件是支撑计算机软件工作的基础,没有足够的硬件支持,软件也就无法正常工件。实际上,在计算机技术的发展进程中,计算机软件随硬件技术的迅速发展而发展;反过来,软件的不断发展与完善又促进了硬件的新发展,两者的发展密切地交织着,缺一不可。计算机系统的组成如图1-1所示。


    二、 计算机的硬件系统

        依照冯·诺依曼体系结构,计算机硬件系统由五部分组成:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。 通常,人们把运算器、控制器和存储器合起来统称为计算机的主机,而把各种输入和输出设备统称为计算机外部设备。
     
    图2-1 计算机硬件组成与各部分之间的联系

        计算机硬件的基本功能是接受计算机程序的控制来实现数据输入、运算、数据输出等一系列根本性的操作。虽然计算机的制造技术从计算机出现到今天已经发生了极大的变化,但在基本的硬件结构方面,一直沿袭着冯·诺伊曼的传统框架,即计算机硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件构成。图2-1列出了一个计算机系统的基本硬件结构。图中,实线代表数据流,虚线代表指令流,计算机各部件之间的联系就是通过这两股信息流动来实现的。原始数据和程序通过输入设备送入存储器,在运算处理过程中,数据从存储器读入运算器进行运算,运算的结果存入存储器,必要时再经输出设备输出,如图2-1。指令也以数据形式存于存储器中,运算时指令由存储器送入控制器,由控制器控制各部件的工件。

        由此可见,输入设备负责把用户的信息(包括程序和数据)输入到计算机中;输出设备负责将计算机中的信息(包括程序和数据)传送到外部媒介,供用户查看或保存;存储器负责存储数据和程序,并根据控制命令提供这些数据和程序,它包括内存(储器)和外存(储器);运算器负责对数据进行算术运算和逻辑运算(即对数据进行加工处理);控制器负责对程序所规定的指令进行分析,控制并协调输入、输出操作或对内存的访问。下面分别对其各部分进行介绍。


    1.运算器(Arithmetic Unit)

        运算器是计算机中对信息进行加工、运算的部件,它的速度决定了计算机的运算速度。运算器的功能是对二进制编码进行算术运算(加、减、乘、除)和逻辑运算(与、或、非、比较、移位)。


    2.控制器(Control Unit)

        控制器的功能是控制计算机各部分按照程序指令的要求协调工作,自动地执行程序。它的工作是按程序计数器的要求,从内存中取出一条指令并进行分析,根据指令的内容要求,向有关部件发出控制命令,并让其按指令要求完成操作。

        通常情况下是把运算器和控制器合在一起,做在一块半导体集成电路中,称为中央处理器,简称CPU。


    3.存储器(Memory)

        计算机中的存储器是计算机中用于记忆的部件,它的功能是存储程序和数据。计算机存储器通常有内部存储器及外部存储器两种。内部存储器简称内存,又称为主存储器,主要存放当前要执行的程序及相关数据。CPU可以直接对内存数据进行存、取操作,且存、取速度很快,但因为造价高(以存储单元计算),所以容量比外部存储器小。外部存储器简称外存,又称为辅助存储器,主要存放大量计算机暂时不执行的程序以及目前尚不需要处理的数据。因为造价较低,因此容量远比内存大,但存、取速度要慢得多。CPU存、取外部存储器的数据时,都必须将数据先调入内部存储器。内部存储器是计算机数据交换的中心。

        内部存储器目前均采用半导体存储器,其存储实体是芯片的一些电子线路。内部存储器又可分两类。一类是只能读不能写的只读存储器(Read Only Memory,ROM),保存的是计算机最重要的程序或数据,由厂家在生产时用专门设备写入,用户无法修改,只能读出数据来使用。在关闭计算机后,ROM存储的数据和程序不会丢失。另一类是既可读又可写的随机存储器(Random Access Memory,RAM)。在关闭计算机后,随机存储器的数据和程序就被清除。通常说“主存储器”或“内存”一般是指随机存储器。

        外部存储器主要有磁盘机(包括软盘机及硬盘机,又称为软盘驱动器和硬盘驱动器)、光盘机(光盘驱动器)及磁带机。其存储实体分别是软盘片、硬盘片和光盘片、磁带。在关闭计算机后,存储在外部存储器的数据和程序仍可保留,适合存储需要长期保存的数据和程序。不过,在PC上几乎不用磁带机。

        CPU与内部存储器一起称为计算机的主机。


    4.输入设备(Input Device

        输入设备是指向计算机输入信息的设备。它的任务是向计算机提供原始的信息,如文字、图形、声音等,并将其转换成计算机能识别和接收的信息形式送入存储器中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、手写笔、触摸屏、条形码输入设备、数字化仪等。


    5.输出设备(Output Device

        输出设备是指从计算机中输出人可以识别的信息的设备。它的功能是将计算机处理的数据、计算结果等内部信息,转换成人们习惯接受的信息形式,然后将其输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和扬声器等。

        输入/输出设备和外部存储器统称为外部设备(Peripheral Equipment)。


    三、 计算机的软件系统

        软件系统是指为了运行、管理和维护计算机所编制的各种程序的集合。软件系统按其功能可分为系统软件和应用软件两大类。


    图3-1 计算机软件分类

    1.系统软件

        系统软件是指计算机的基本软件,是为使用和管理计算机而编写的各种应用程序。系统软件包括监控程序、操作系统、汇编程序、解释程序、编译程序和诊断程序等。


    2.应用软件

        应用软件是专门为解决某个应用领域里的总体任务而编制的程序。应用程序一般由用户自行设计,有的计算机厂家也提供应用软件。


    四、计算机程序设计语言

        编写计算机程序所用的语言即计算机程序设计语言。计算机程序设计语言通常分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。

    图4-1 计算机编程语言分类

    1.机器语言

        机器语言是计算机硬件系统所能识别的、不需翻译、直接供机器使用的程序语言。机器语言用二进制代码0和1的形式表示,是唯一能被计算机直接识别的程序,执行速度最快,但编写难度大,调试修改繁琐。用机器语言编写的程序不便于记忆、阅读和书写,因此通常不用机器语言直接编写程序。


    2.汇编语言

        汇编语言是一种用助记符(英文或英文缩写)表示的面向机器的程序设计语言。汇编语言的每条指令对应一条机器语言代码,不同类型的计算机系统一般有不同的汇编语言。用汇编语言编写的程序称为汇编语言程序,机器不能直接识别和执行,必须由“汇编程序”(或汇编系统)翻译成机器语言程序才能运行。汇编语言程序比机器语言程序易读、易修改和检查,同时也保持了机器语言执行速度快、占存储空间小的优点。汇编语言适用于编写直接控制机器操作的低层程序,它与机器密切相关,不容易使用。

        机器语言与汇编语言和计算机有十分密切的关系,因此我们称之为低级语言。


    3.高级语言

        高级语言是一种比较接近自然语言和数学表达式的计算机程序设计语言。用高级语言编写的程序一般称为“源程序”,计算机不能识别和执行,要把用高级语言编写的源程序翻译成机器指令,通常有编译和解释两种方式。

        编译方式是将源程序整个地翻译成用机器指令表示的目标程序,然后让计算机来执行,例如C语言。

        解释方式是将源程序逐句翻译,翻译一句执行一句,也就是边解释边执行,不产生目标程序,例如Basic语言。

        高级语言直观,易读、易懂、易调试,便于移植。

        常用的高级语言有:Basic、Fortran、Pascal、C、Java等。

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    第一章 计算机系统概述

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    在这里插入图片描述

    冯诺依曼机的特点:

    1)计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大部件组成。
    2)指令和数据以同等地位存储在存储器中,并可按地址寻址。
    3)指令和数据均用二进制代码表示。
    4)指令由操作码和地址码组成。操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
    5)指令在存储器内按顺序存放。通常,指令是顺序执行的,在特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
    6)早期的冯诺依曼机以运算器为中心,输入/输出设备通过运算器和存储器传送数据。

    不同级别的语言:

    机器语言: (二进制语言)计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
    汇编语言: 用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码,易于人们记忆和理解。
    高级语言: 为方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序。

    计算机的工作过程:

    1)把程序和数据装入主存储器。
    2)将源程序转换成可执行文件。
    3)从可执行文件的首地址开始逐条执行指令。

    计算机的性能指标:

    机器字长: 指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数。(通常与CPU的寄存器、加法器有关。
    数据通路宽带:指数据总线一次所能并行传送信息的位数(指外部数据总线的宽度,与CPU内部的数据总线宽度有可能不同)
    主存容量: 指主存储器所能存储信息的最大容量,通常以字节来衡量,也可用字数字长来表述存储容量。
    运算速度
    1)吞吐量:指系统在单位时间内处理请求的数量
    2)响应时间:指从用户向计算机发送一个请求到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间。通常包括CPU时间(运行一个程序所花费的时间)与等待时间(用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等时间)
    主频和CPU时钟周期
    1)CPU时钟周期
    2)主频
    CPI:执行一条程序所用的时钟周期数
    CPU执行时间:指运行一个程序所花费的时间。
    CPU执行时间 = CPU时钟周期数/主频=(指令条数
    CPI)/主频
    MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS

    第二章 数据的表示和运算

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    在这里插入图片描述

    在计算机系统内部,所有信息都用二进制进行编码的原因有以下几点:

    1)二进制只有0和1两种状态,使用有两个稳定状态的物理器件就可以表示二进制的每一位。制造成本低。
    2)二进制位1和0正好与逻辑值“真”和“假”对应,为计算机实现逻辑运算和程序中的逻辑判断提供了便利条件。
    3)二进制的编码和运算规则简单,通过逻辑门电路便能方便实现算术运算。

    有符号的机器表示

    (n+1)位 整数表示范围 小数表示范围
    原码和反码 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述
    补码 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述
    移码 在这里插入图片描述 移码全为0真值最小,移码全为1真值最大

    第三章 存储系统

    知识网图

    在这里插入图片描述

    DRAM刷新方式

    1)集中刷新
    在一个刷新周期内,利用一段固定的时间,依次对存储器的所有行进行逐一再生,期间停止对存储器的读写操作,即死时间,访存“死区”。
    优点:读写操作时不受刷新工作的影响,系统的存取速度较高。
    缺点:在集中刷新期间(死区)不能访问存储器。
    2)分散刷新
    把对每行的刷新分散到各个工作周期中,一个存储器的系统工作周期分为两部分:前半部分用于正常读写或保持;后半部分用于刷新某一行。
    优点:没有死区。
    缺点:加长了系统的存取周期,降低了整机的速度。
    3)异步刷新
    将刷新周期除以行数,得到两次刷新操作之间的时间间隔t,每间隔时间t产生一次刷新请求。
    前两种方法的结合,即可缩短”死时间“,又能充分利用最大刷新间隔2ms的特点。

    程序访问的局部性原理

    程序访问的局部性原理包括时间局部性和空间局部性。
    时间局部性
    指在最近的未来要用的信息很可能是现在正在使用的信息,(因为程序中存在循环)
    空间局部性
    是指在最近的未来要用到的信息,很可能与现在正在使用的信息在存储空间上是邻近的,因为指令通常是顺序存放,顺序执行的。
    高速缓冲技术
    利用程序访问的局部性原理,把程序中正在使用的部分存放在一个高速的容量较小的Cache中,使CPU的访存操作大多数针对Cache进行,从而大大提高程序的执行速度。

    虚拟存储器程序的执行过程

    CPU使用续存时,由辅存硬件找出虚地址与实地址之间的对应关系,并判断这个虚地址对应的存储单元是否已装入主存。若已在主存中,则通过地址转换,CPU可直接访问主存指示的实际单元;若不在主存中,则把包含这个字的一页或一段调入主存后再由CPU访问。若主存已满,则采用替换算法置换主存的一页或一段。

    快表

    通常采用全相联或组相联方式,每个TLB项由页表表项内容加上一个TLB标记字段组成,TLB标记用来表示该表项曲子页表中的哪个虚页号对应的页表项,所以TLB标记的内容在全相联方式下表示该页表项对应的虚页号;组相联方式下表示对应虚页号的高位部分,虚页号的低位部分用于选择TLB组的组索引。

    虚拟存储器与Cache的比较

    共同点
    1)均是为了提高系统性能,二者都有容量、速度、价格的梯度;
    2)均把数据划分为小信息块,并作为基本得传递单元,虚存系统的信息块更大;
    3)都有地址的映射、替换算法、更新策略等问题;
    4)依据程序的局部性原理,将活跃的数据放在相对高速的部件中。
    不同点:
    1)Cache主要解决系统速度,虚存为了解决主存容量;
    2)Cache由硬件实现,是硬件存储器,对所有程序员透明;而虚拟存储器由OS和硬件共同实现,是逻辑上的存储器,对系统程序员不透明,对应用程序员透明;
    3)虚拟存储器系统不命中时对系统性能影响更大;
    4)CPU与Cache和主存都建立了直接访问的通路,辅存与CPU无直接通路。

    第四章 指令系统

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    常见指令寻址方式的特点及适用情况:

    1)立即寻址:操作数获取便捷,通常用于给寄存器赋初值。
    2)直接寻址:相对于立即寻址,缩短了指令长度。
    3)间接寻址:扩大了寻址范围,便于编制程序,易于完成子程序返回。
    4)寄存器寻址:指令字较短,指令执行速度较快。
    5)寄存器间接寻址:扩大了寻址范围。
    6)基址寻址:扩大了操作数寻址范围,适用于多道程序设计,常用于为程序或数据分配存储空间。
    7)变址寻址:主要用于处理数组问题,适合编制循环程序。
    8)相对寻址:用于控制程序的执行顺序、转移等。

    CISC与RISC特点

    CISC的主要特点
    1)指令系统复杂庞大,指令数量一般大于200+;
    2)指令的长度不固定,指令格式多,寻址方式多;
    3)可以放村的指令不受限制;
    4)各种指令的使用频度相差很大;
    5)各种指令执行时间相差很大,大多数指令需要多个时钟周期才能完成;
    6)控制器大多数采用微程序控制,有些指令非常复杂,难以采用硬连线控制;
    7)难以用优化编译生成高效的目标代码程序。
    RISC的主要特点
    1)选取使用频率最高的一些简单指令,复杂指令的功能由简单指令的组合来实现;
    2)指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少;
    3)只有Load/Store指令访存,其余指令的操作都在寄存器之间进行;
    4)CPU中通用寄存器的数量相当多;
    5)RISC采用指令流水线技术,大部分指令在一个时钟周期内完成;
    6)以硬布线控制为主,不用或少用微程序控制;
    7)重视编译优化工作,减少程序执行时间。

    与CISC相比,RISC的优点:

    1)更能充分利用VLSI芯片的面积;
    2)更能提高运算速度;
    3)便于设计,可降低成本,提高可靠性;
    4)有利于编译程序代码优化。

    第五章 中央处理器

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    CPU的具体功能

    1)指令控制:完成取指令,分析指令和执行指令的操作,即程序的顺序执行。
    2)操作控制:CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号,把各种操作信号送往相应的部件,从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
    3)时间控制:对各种操作加以时间上的控制。
    4)数据加工:对数据进行算数和逻辑运算。
    5)中断处理:对计算机运行过程中出现的异常情况及特殊请求进行处理。

    控制器的工作原理

    根据指令操作码、指令的执行步骤(微命令序列)和条件信号来形成当前计算机各部件要用到的控制信号。计算机整机各硬件系统在这些控制信号的控制下协同运行,产生预期的执行结果。
    1)运算器部件通过数据总线与内存储器、输入输出设备传送数据。
    2)输入输出设备通过接口电路与总线相连接。
    3)内存储器、输入输出设备从地址总线接收地址信息,从控制总线得到控制信号,通过数据总线与其他部件传送数据。
    4)控制器部件从数据总线接收指令信息,从运算器部件接收指令转移地址,送出指令地址到地址总线,还要向系统中的部件提供它们运行所需要的控制信号。

    控制器的主要功能

    1)从主存中取出一条指令并指出下一条指令在主存的位置。
    2)对指令进行译码或测试,产生相应的操作控制信号,以便启动规定的动作。
    3)指挥并控制CPU、主存、输入输出之间的数据流动方向。

    CPU的控制方式

    1)同步控制方式
    系统有一个统一的时钟,所有的信号均来自这一统一的时钟信号。
    控制电路简单,但运行速度慢。
    2)异步控制方式
    不存在基准时标信号,各部件按自身固有的速度工作,通过应答方式进行联络。
    运行速度快,但控制电路比较复杂。
    3)联合控制方式
    介于同步、异步之间的一种折中。对各种不同的指令的微操作实行大部分采用同步控制,小部分采用异步控制的办法。

    硬布线控制单元设计步骤:

    1)列出微操作命令的操作时间表。根据微操作节拍安排,列出微操作命令的操作时间表(包含各个机器周期,节拍下的每条指令完成的为操作控制信号)。
    2)进行微操作信号综合。对微操作信号进行综合分析、归类,根据微操作时间表可写出各微操作控制信号的逻辑表达式并进行适当的简化。
    3)画出微操作命令的逻辑图。根据逻辑表达式可画出对应每个微操作信号的逻辑电路图,并用逻辑门电路实现。

    硬布线和微程序控制器的特点

    硬布线控制器的特点
    速度快(控制器的速度取决于电路延迟),一旦设计完成后,就不能通过其他额外修改添加新功能(将控制部件视为专门产生固定时序控制信号的逻辑电路,用最少元件和取得最高速度作为设计目标)。
    微程序控制器
    具有规整性,灵活性,可维护性等优点,但由于微程序控制器采用了存储程序原理,所以每条指令都要从控制存储器中取一次,影响速度。

    第六章 总线

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    总线传输的4个阶段

    1)申请分配阶段。由需要使用总线的主模块提出申请,经总线仲裁机构决定将下一传输周期的总线使用权授予某一申请者(分为传输请求,总线仲裁两阶段)。
    2)寻址阶段。取得使用权的主模块通过总线发出本次要访问的从模块(或从设备)的地址及相关命令,启动参与本次传输的从模块。
    3)传输阶段。主模块和从模块进行数据交换,可单向或双向进行数据传送。
    4)结束阶段。主模块的有关信息均从系统总线上撤除,让出总线的使用权。

    第七章 输入/输出系统

    知识网图

    在这里插入图片描述

    程序查询方式的工作流程

    1)CPU执行初始化程序,并预置传送参数;
    2)向Iowa接口发送命令字,启动IO设备;
    3)从外设接口读取其状态信息;
    4)CPU不断查询IO设备状态,直到外设准备就绪;
    5)传送一次数据;
    6)修改地址和计数器参数;
    7)判断传送是否结束,若未结束转3),直到计数器为0

    程序中断的作用

    1)实现CPU与IO设备的并行工作;
    2)处理硬件故障和软件错误;
    3)实现人机交互,用户干预机器需要用到中断系统;
    4)实现多道程序,分是操作,多道程序的切换;
    5)实时处理需要借助中断系统来实现快速响应;
    6)实现应用程序和操作系统的切换;
    7)多处理器系统中各处理器之间的信息交流和任务切换。

    中断处理流程

    关中断
    保存断点
    引出中断服务程序
    保存断点和屏蔽字
    开中断
    执行中断服务程序
    关中断
    恢复现场和屏蔽字
    开中断

    DMA方式与中断方式的区别

    1)中断方式时程序的切换,需要保护和恢复现场;而DMA处理预处理和后处理,其他操作均不占用CPU的任何资源
    2)对中断请求的响应只发生在每条指令执行完毕时,而对DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时,只要CPU不占用总线即可
    3)终端传送需要CPU的干预,而DMA传送过程无需CPU的干预
    4)DMA请求的优先级高于中断请求
    中断方式具有对异常事件的处理能力,而DMA仅限于传送数据块的IO操作
    6)中断方式靠程序传送数据,DMA方式靠硬件传送数据

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