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计算机组成原理笔记总结

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计算机组成原理笔记总结

第1章：计算机的系统
第3章：系统总线
第4章：存储器
一. 概述
二.主存储器
1.概述

  1. 半导体储存芯片
  2. 随机存储器（RAM）
  3. 只读存储器（ROM）
  4. 存储器与CPU的连接
  5. 存储器校验
  6. 提高访存速度的措施
    三.高速缓冲存储器（cache）
  7. 概述
  8. Cache–主存地址映射和替换策略
    四.辅助存储器（外部存储器）
    第5章：输入输出系统
    一.发展情况，了解历史
    二.系统组成
    三.I/O设备与主机的联系方式
    四.I/O设备与主机信息传送的控制方式
    第1章：计算机的系统
    硬件：指计算机实体部分。（看得见摸得着的）
    软件：通过编译具有各类特殊功能的程序组成（看不见摸不着）

冯.诺依曼计算机：以运算器为中心
现代计算机：以存储器为中心

1.计算机由运算器，存储器，控制器，输入，输出设备过构成。
2.现代计算机三大组成：CPU，I/O设备，主存储器
3.工作步骤：（1）建立数学模型 （2）确定计算方法（3）编制解题程序
4.存储容量=存储单元个数（MAR 1k=1024=2^10）x存储字长（MDR 1M=2 ^20）

ax^2+bx+c在计算机中的运行过程

各种英文代号解释

CPU:（Central Processing Unit)中央处理器
I/O设备：（Input/Output Equip-ment）输入，输出设备
MM: （Main Memory)主存储器
ALU: （Arithmetic Logic Unit）算数逻辑单元
ACC：（Accumulator）累加器
MQ：（Multiplier-Quotient Register）乘商寄存器
X：操作数寄存器
PC：（Program Counter）程序计数器
IR：（Instruction Register）指令寄存器
CU：（Control Unit）控制单元
MAR：（Memory Address Register）存储器地址寄存器，反映单元个数
MDR：（Memory Data Register）存储器数据寄存器，反映字长

第3章：系统总线
总线是信号的公共传输线，是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。

发展过程：

面向CPU的双总线：这种结构在I/O设备与主存交换信息是仍然要占用CPU，因此还会影响CPU的工作效率。
单总线结构（系统总线）：只有一组总线，当都要占用总线时，就会发生冲突。
以存储器为中心的双总线结构：由单总线基础上，在CPU与主存之间连接一条存储总线。
分类：

片内总线：芯片内部的线。
系统总线：计算机各部件之间的信息传输线。
（1）数据总线（双向）：传输数据信息。位数与机器字长，存储字长有关，是衡量性能重要参数。
（2）地址总线（单向）：指出在数据总线上数据在主存单元或I/O设备的地址，地址线的位数与存储单元的个数有关
（3）控制总线（单向，双向）：发出各种控制信号，监视各部件状态。
通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（外部系统） 传输方式：串行通信，并行通信
特性：

机器特性
电气特性
功能特性
时间特性
性能指标：

总线宽度：指数据总线的根数，用bit（位）表示，如8位（8根）。
总线带宽(数据传输速率)：既单位时间内总线上传输数据的位数，用每秒传输信息的字节数来衡量，单位用MBps(兆字节每秒)。
时钟同步/异步：数据与时钟。
总线复用：地址线和数据线的复用。
信号总线：三种总线的总和。
判优控制

主设备对总线有控制权，从设备只能响应从设备发来的总线命令
判优控制可分为集中式和分布式。
集中控制优先权仲裁方式：
（1）链式查询：控制线少，对电路故障敏感，优先级低的设备难请求
（2）计数器定时查询：控制复制
（3）独立请求方式：响应快，优先次序控制灵活

通信控制

总线周期：完成一次总线操作的时间。
目的：解决通信双方如何协调配合。
方式：
（1）同步通信：通信双方由统一时标。
（2）异步通信：采用应答方式，没有公共时钟标准。
（3）半同步通信：同步，异步结合。
（4）分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力。
第4章：存储器
一. 概述
分类：

层次结构：

性能指标：速度，容量，位价（每位价格）。

存储层次结构：
（1）缓存-主存层次：解决CPU和主存速度不匹配问题。
（2）主存-辅存层次：解决容量问题。

二.主存储器
1.概述
基本组成： 存储体（大楼）–存储单元（房间）–存储元件（床位）– 0 / 1（无人/有人）。
主存中存储单元地址的分配： 主存个存储单元的空间位置是由单元地址号来表示，地址总线是指出储存单元地址号，由地址号可以读出写入一个储存字。
技术指标：
（1）存储容量 ：指主存能存放二进制代码的总位数，也可用字节总数 来表示。
存储容量=存储单元个数 x 存储字长
存储容量=存储单元个数 x 存储字长/8
（2）存储速度 ：由存取时间和存储周期来表示。
2. 半导体储存芯片
基本结构：

容量：由地址线（单向）和数据线（双向）的位数共同反应。
列：

地址线 数据线 容量
10 4 2^10(1k)4
14 1 2^14(16k)1
13 8 2^13(8k)*8
控制线：
（1）读写控制线：决定芯片进行读写操作。
（2）片选线：用来选择储存芯片。
译码驱动方式：线选法和重合法

3.随机存储器（RAM）
DRAM(动态)：用在主存
SRAM(静态)：用在缓存

DRAM(动态) SRAM(静态)
存储原理 容量 触发器
集成度 高 低
芯片引脚 少 多
功耗 小 大
价格 低 高
速度 慢 快
刷新 有 无
4.只读存储器（ROM）
定义： 一般保存系统程序或系统的配置信息
半导体ROM基本器件：MOS型和TTL型。

MROM:用户不发改变原始状态。
PROM：可以改变一次（一次性）。
EPROM：（多次性编程）。
EEPROM：既可局部，也可全部。
闪速存储器：快擦型存储器
5.存储器与CPU的连接
存储容量的扩展
CS （片选线 ）：连接芯片
WE：读，写

（1）位扩展 ： 指增加存储字长（就是增加数据线）。
（2）字扩展 ：指增加存储器字的数量，也称存储单元（就是增加地址线）
（3）字，位扩展 ：两个都增。

存储器与CPU连接
（1）地址线连接：通常将CPU地址线的低位与存储芯片的地址线相连（CPU地址线多于存储芯片地址线）。
（2）数据线连接 : 若存储芯片与CPU的数据线不相等，就对存储芯片进行扩位（使他们数据位数相等）。
（3）读 / 写命令线连接 ：高电平为读，低电平为写。
（4）片选线连接 ：是CPU与存储芯片正确工作的关键。片选有效信号与CPU的访存信号MREQ（低电平有效，有效时，这次访问的地址才在存储器当中）有关。
（5）合理选择存储芯片 ：ROM存放系统程序，RAM为用户编程设计。
解题步骤
（1）写出对应的二进制地址码
（2）确定芯片数量及类型
（3）分配地址线
（4）确定片选信号
（5）确定片选逻辑

6.存储器校验
汉明码：1950年提出，具有以为纠错能力。
汉明码的分组是一种非划分方式。
校验位： 指对一组数据进行效验，不和其他组共有。
7.提高访存速度的措施
目的：提高主存的存取速度
多体并行系统：采用多体模块组成的存储器。

三.高速缓冲存储器（cache）
1.概述
主要作用：解决主存与CPU速度不匹配的问题。

CPU
缓存
主存
工作原理
主存由2^n个可编译的字组成，每个字有唯一的n位地址
主存 和 缓存以块 为单位存储。
块的大小相同

CPU读取主存的字
两种情况（1）所需字已在缓存中，可直接访问Cache（一次送一个字节）。
（2）不在，将改字所在的主存整个字块调到缓存。
命中率
（1）Cache 容量越大 CPU命中率越高。
（2）命中Cache：说明主存快已经调入缓存中。
（3）未命中：未调入。
基本结构
（1）Cache存储体。
（2）地址映射变换机构
（3）替换机构
（4）Cache的读写操作

2.Cache–主存地址映射和替换策略
映射机构：主存的块可以放到缓存那些块当中。
替换机构：完成了主存当中的一个块在Cache当中的查找操作。

直接映射（不灵活）：某一 主存块只能固定映射到某一缓存块。
全相联映射（成本高）：某一主存块能 映射到任一缓存块
组相联映射：某一 主存块只能映射到某一缓存组中的存储块当中
算法：

先进先出（First-In-First-out,FIFO）算法。
近期最少使用（Least Recently Used,LRU）算法。
四.辅助存储器（外部存储器）
特点：不直接与CPU交换信息
与主存一起组成了存储器系统的主存-辅存层次

第5章：输入输出系统
你们可能看不懂我的题目，那么接下来跟我一起去了解输入输出系统的学习过程。

输入输出，通俗话讲就是进去出来（希望能过审）。

它有多牛逼呢？
它是除了CPU和存储器计算机硬件系统第三个关键部分。

一.发展情况，了解历史
早期阶段
（1）分散连接
（2）CPU与I/O设备串行工作
（4）程序查询方式
（3）I/O设备通过CPU与主存交换消息

接口模块和DMA阶段
（1）总线连接
（2）CPU和I/O设备并行
（3）工作：中断方式，DMA方式。

具有通道结构阶段
I/O设备通过通道与主机交换信息。

具有I/O处理机的阶段

二.系统组成
是由I/O软件和I/O硬件组成的。

1.I/O软件
（1）I/O指令

操作码 命令码 设备码
（2）通道指令

指出数组的首地址，传送字数，操作命令
是通道自身的指令，用来执行I/O操作
2.I/O硬件：包括接口模块和I/O设备。

三.I/O设备与主机的联系方式
I/O设备的编址方式
（1）统一编址：将I/O地址看做是存储器地址的一部分。
（2）不统一编址：指I/O地址和存储器地址分开

设备寻址：用设备选择电路识别是否被选中。

传送方式
（1）并行方式（数据同时输送）：传送快，但数据线多
（2）串行方式（逐位传送）：速度慢，但只需一根数据线和地址线

联络方式
（1）立即响应方式
（2）异步工作采用应答信号联络
（3）同步工作采用同步时标联络

连接方式
（1）辐射式：增删困难
（2）总线式：现代被采用

四.I/O设备与主机信息传送的控制方式
程序查询
程序中断
DMA方式