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计算机原理
第一章绪论
1.计算机是一种能够按照指令对各种数据和信息进行自动加工和处理的电子设备。

它诞生于20世纪中叶。

2.计算机特点:速度快、精度高、能记忆、会判断和自动化
3.世界上第一台电子计算机(ENIAC)诞生于美国，是在科学计算方面的应用
4.电子计算机发展历经4个阶段
第一代:电子管计算机逻辑元件:电子管
第二代:晶体管计算机逻辑元件:晶体管出现管理程序和高级编程语言
第三代:集成电路计算机逻辑元件:中小规模集成电路出现操作系统和诊断程序，高级语言更加流行
第四代:超大规模集成电路计算机元件:微处理器和其他超大规模集成电路进入网络时代
5.计算机的应用领域
①科学计算(数值计算)应用最早的领域应用于地质勘查、火箭发射
②信息处理应用最广泛应用于人口普查资料的分类、汇总和股市行情的实时管理，办公室自动化，企业管理，情报检索，会计，情报检索
③过程控制应用于无人工厂、数控机床
④计算机辅助设计(CAD)计算机辅助教学(CAI)辅助制造(CAM)辅助教育(CAE)辅助测试(CAT)辅助出版(CAP)
⑤人工智能智能机器人
⑥网络应用
6.计算机的分类
①按功能和用途:通用计算机(胜任各种工作)专用计算机(高效、经济)
②按工作原理:数字、模拟、混合计算机
③按性能和规模:巨型、大型、中型、小型、微型计算机、单片机
7.计算机的发展趋势:巨型化、微型化、网络化、智能化
8.一台完整的计算机应包括硬件和软件两部分。

只有硬件和软件结合，才能使计算机正常运行、发挥作用
9.计算机绝大多数是根据冯.诺依曼计算机体系结构设计的(存储程序和程序控制)
中央处理器:控制器（CU)运算器(ALU)
RAM
主机内存储器 ROM
Cache
硬盘
10..系统软盘
外存储器(外存) 光盘
移动存储器
输入设备:摄像机、数码相机、触摸屏、扫描仪外围设备
输出设备:显示器、绘图仪
11.
操作系统:DOS、Windows
系统软件
语言处理软件:C、QBASIC、C++、Java 软件系统数据库管理系统:FoxPro、Access
服务程序
应用软件包
应用软件用户程序
第二章数据在计算机中的表示
1.计算机中的数据有两类:数值型数据、非数值型数据
2.十进制→R进制整数部分:除以R倒取余数小数部分:乘以R顺去整数部分
3.数的定点和浮点表示
①定点表示法(表示精度高)
②浮点表示法(表示范围大)
4.浮点表示法
浮点数分为阶码(整数)和尾数（小数）
阶码的位数决定浮点数的大小
尾数的位数决定浮点数的精度
5.原码、反码、补码
正数的原码、反码、补码相同负数反码是原码除符号位外取反补码是反码加一
6.范围(8位二进制)
①BCD编码
②ASCII码(美国标准信息交换代码) 为7位字符编码
空格（32)→0（48）→A（65）→a(97)
③汉字编码
区位码(共7445个)其中图形符号(682个) 一级汉字(3755个) 按拼音字母分
二级汉字(3008个) 按偏旁分
区位码+2020H=国标码+8080H=机内码
④字形码:点阵、轮廓
8.位:bit(最小的数据单位)
字节Byte 1B=8b
字:WORD（cpu能直接处理的二进制位数）
1TB=210GB=220MB=230KB=240B=243b
第三章运算方法和运算器
1.双符号位01产生正溢出
双符号位10产生负溢出
2.Z(零标志位)当运算结果为0时，Z位置1，结果非0时，Z位清0
N(符号标志位)当运算结果为负时，N位置1，结果为正时，N位清0
V(溢出标志位)当运算结果有溢出时，V位置1 ，无溢出时，V位清0
C(进位或借位标志位)
3.移位
算术右移：最低位移出，最高位不变，右移n位，结果为原数的2n分之一算术左移：最高位移出，最低位为0，左移n为，结果为原数的2n倍
逻辑右移:所有的顺序向右移一位，最低位被移出，最高位由0填充
逻辑左移:所有的顺序向左移一位，最低高位被移出，最低位由0填充
4.
单总线：操作速度慢
运算器基本结构双总线：控制电路比较简单
三总线：操作时间短
第四章指令系统
1.指令：指计算机能够识别和执行的操作指令
2.完善的指令系统：完备性、有效性、规整性、兼容性
3.指令系统：精简指令集计算机(RISC)、复杂指令集计算机(CISC)
RISC特点
①指令数目少，以使用频率高的指令为主
②指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式少
③大多数指令在一个周期内完成
④通用寄存器数量多
4.指令格式
指令由操作码和地址码组成
操作码必不可少
地址码:指出操作数的地址、指出操作结果的存储地址、指出下一条指令的地址
地址码长度为n位，寻址空间为2n
5.指令长度=操作码长度+地址码长度
6.指令格式分类:三地址指令格式、二地址指令格式、一地址指令格式、零
地址指令格式(只有操作码没有地址码)如空操作指令和停机指令等
8. 指令的类型和功能
传送指令<MOV>
数据传送类指令数据交换指令<XCHG>
入栈\出栈指令<PUSH\POP>
数据传送类指令
｛(用于寄存器、存
储单元或输入\输设置专用的I\O指令单独编址
出端口之间的数
据或地址传送) 输入\输出(I\O)类指令用通用的数据传送类指令实现I\O操作统一编址
(主机与外设间信息传送)
通过I\O处理机执行I\O操作
(提高cpu工作效率)
数据处理类指令:加(ADD)、减(SUB)、求补(NEG)、
加一(INC)、减一(DEC)、比较(CMP)、定点乘(MUL)
除(DIV)
循环控制指令<如LOOP>
(用以控制程序执
行的顺序和方向<如CALL>
<如RET>
<INT>
<HALT>：(不是关机)
处理机控制类指令空操作指令<NOP>
(用以直接控制
<EI>：触发器置1
\关中断指令<DI>：触发器置0
9.汇编语言：属于低级程序设计语言
10.机器语言：一种能被机器识别的语言
存放在计算机存储器内，直接指挥机器的运行
11.必须由汇编程序翻译成机器语言
12.8086汇编指令及对应机器指令代码
第五章存储系统
1.存储器的分类
双极型半导体存储器
型半导体存储器
静态随机存储器
只读存储器
易失性存储器
非易失性存储器
随机存储器
掩模式只读存储器
可编程只读存储器(PROM)
存储器可擦除可编程只读存储器(EPROM)
电可擦除可编程只读存储器(EEPROM) 高速缓冲存储器
2.存储器的主要性能指标
存取时间：指存储器存取信息所需时间的长短
存取周期：向存储器写入或读出一个数据所需的时间
存储容量：存储器能存放二进制代码的最大数量(存储容量=存储单元数*位数)
存储周期：连续启动两次独立存储器操作所需间隔的最小时间
存储周期和存取时间是衡量主存速度的重要指标
3.随机存储器(RAM)分为SRAM(通过双稳态触发器来存储信息)和DRAM(以来电容的充电电荷来存储信息)
4.DRAM的刷新
1)为了保持存储数据的正确，必须反复对存储单元进行充电，已恢复原来的电
荷，这一过程称为刷新
2)动态MOS存储器的刷新通常是一行一行的进行
3)从上一次对整个存储器刷新结束到下一次对整个存储器全部刷新一边所用
的时间间隔称为刷新周期(再生周期)一般为2ms
4)刷新方式
①集中式刷新
②分散式刷新
③异步式刷新
掩模式制度存储器
可编程制度存储器(PROM):可自行写入一次信息
5. 只读存储器可擦除可编程制度存储器(EPROM):多次擦写
电擦出可编程制度存储器(EEPROM):支持在线擦除
6.Cache(高速缓冲存储器)用来存放当前正在执行的程序(段)或正在处理的数据
7.在主存和cpu之间增加一个容量相对小的双极型静态RAM作为cache
8.在主存-cache存储体系中，所有的程序和数据都在主存中，cache只是存放主存中一部分程序块和数据块的副本，这是一种以块为单位的存储方式。

9.Cache位于cpu和内存之间的数据传送以块方式进行解决了cpu以内存速度不匹配的矛盾它的使用并没有增加内存的容量。

原理是程序访问的局部性
10.映射方式直接映射、全相联映射、组相联映射
11.替换策略(完全由硬件完成) 先进先出策略(FIFO策略) 近期最少使用策略(LRU策略)
12.虚拟存储器速度接近于主存，容量接近于辅存所以起价格低廉
13.虚拟存储器的管理方式:段式管理、页式管理、段页式管理
14.所谓存储系统的层次结构就是将不同容量、不同速度、不同价格的存储器有机结合起来形成一个存储系统。

该系统可为用户提供古够大的存储容量和较快的
存取速度以及较低的价格
15.典型三级存储体系结构 价格从高到低 容量从小到大
Cache
↓解决速度、价格之间的矛盾
主存
↓解决大容量与低成本之间的矛盾
外存
第六章 中央处理器
1.CPU 的功能
① 指令控制（保证机器按顺序执行程序）<CPU 的首要任务>
② 时间控制
③ 操作控制
④ 数据加工（完成数据加工处理）<CPU 的根本任务>
算术逻辑单元
<AC>
运算器<PSW>
程序计数器<PC>（用来确定下一条指令在主存
中的地址)
指令寄存器<IR>（用来保存当前CPU 正在执行
2.CPU 的指令)
指令译码器<ID>（分析、执行指令）
时序发生器（产生周期节拍脉冲时序信号的部
件)
<Cache>（用来存放当前正在执行的程序
或正在处理的数据)
地址寄存器<MAR>（用来保存CPU 当前访问主存单元或I/O
端口的地址）
CPU 或设备内部
3.时序控制方式
流水线技术
：指CPU 内部的流水线超过通常的5-6倍以上，将流
水线步数设计的越多，其完成的速度越快，实质是以时间换取空
间
CPU 中有一条以上的流水线并且每个时钟周期 执行的操作完成一条以上的指令
<>
：多媒体扩展指令集
倍频技术：在486DX2首次使用 主频=倍频数*外频(总线的频率)
分支预测技术
4.多级时序
指令周期：读取并执行一条指令所需的时间
CPU 工作周期：在指令周期中的某一工作阶段所需的时间
又称为机器周期或基本周期
时钟周期：处理操作的最基本单位
如果指令执行时间的T 周期数与取指的T 周期数相同，称为定长CPU 工作周
期
所有指令周期的第一个周期为取指周期
第七章系统总线
1.总线是能被系统中多个部件分时共享的一组信息传输线及相关逻辑，共享是指
总线所连接的各个部件都通过它传输信息，分时是指在某一时刻总线只允许有一
个部件将信息传输到总线上。

分时共享是总显得主要特征
①单总线结构缺点:工作效率低
②多总线结构:在单总线之上，增加了存储总线
4.总线结构对计算机系统性能的影响：
最大存储容量（不受到外设数量的影响）指令系统
吞吐量:是指流入、处理、流出系统的信息速率。

主要取决于主存的存取周期
5.总线的结构类型
ISA/EISA 白色16位
PCI为白色不依附于某个具体处理器的局部总线，支持热插拔，32位总线连接显卡AGP为褐色主板上与ISA及PCI并行的一个新插槽 32位
6.总线接口(位于总线与I/O之间)
IDE/EIDE接口:连接硬盘、光驱
IEEE1394接口:串行接口
SCSI接口:小型计算机系统接口
USB：即插即用，热插拔
支持热插拔(SATA接口、USB、IEEE1394)
第八章外设的信息交换方式
程序查询(控制)方式:数据在cpu和外设间的传送完全靠计算机程序控制
程序中断方式
方式(直接存储器存取):数据直接在内存和外设之间进行
通道方式
(PPU)方式
2.程序查询和中断方式适用于数据传输率较低的外设，DMA、通道方式合PPU方式适用于数据传输速率较高的外设
程序查询、中断、DMA适用于小型机和微型机通道方式和PPU方式适用于中、大型计算机
3.当计算机系统带有多台外设时，cpu采用轮流查询的方法(cpu合外设串行工作)
4.程序中断方式(中断):cpu在执行程序的过程中，出现某些突发事件亟待处理，cpu必须暂停执行当前的程序，转去处理突发事件，处理完毕后cpu又返回原程序被中断的位置并继续执行。

5.中断的两个重要特征:程序切换(控制权的转移)和随机性
6.从处理过程看，中断过程的程序类似于子程序调用他们的相同特征是程序切换本质区别是随机性
7.外设在提出中断请求的同时，通过硬件向主机提供中断服务程序的入口地址，它称为向量地址。

这种具有产生向量地址的中断功能称为向量中断。

非向量中断不能直接提供中断服务程序的入口地址，而要采用软件查询措施，最后找到服务程序的入口地址。

8.中断源及分类
①输入/输出设备中断(键盘、打印机等工作过程中向主机发出已做好接收或发送准备的信息)
②数据通道中断(磁盘、磁带等要同主机进行数据交换)
③实时时钟中断
④故障中断(电源掉电、设备故障等要求cpu进行紧急处理)
⑤系统中断(运算过程出现溢出，数据格式非法，数据传送过程出现校验错，控制器遇到非法指令等)
9.中断请求是由外设提出的是中断请求向cpu发出请求信号的过程
10.中断排队:当多个中断源同时向cpu发出中断请求时，cpu就要根据设备的轻重缓急，把各个设备(中断源)排队，先响应紧迫程度高的设备的请求。

判别各设备优先权级别的方法有硬件判优和软件判优
故障中断>I/O中断不可屏蔽中断>可屏蔽中断
高速中断>低速中断输入中断>输出中断
11.中断的处理过程
(一)中断请求
①外设本身工作完毕
②系统允许外设发送中断请求
（二）中断判优
(三)中断响应
过程
①发出中断响应信号，查中断源
②关中断
③保护断点
④一条指令执行完毕
⑤取中断向量
（四）中断处理
过程
①保护现场
②送新的屏蔽字并开中断
③进行具体的中断服务程序的处理
④关中断并恢复现场
（五）中断返回
12.多重中断是指在处理某一中断过程中又有比该终端优先级别搞的中断请求，于是中断原中断服务程序的执行，而去执行新的中断处理，这种多重中断又称为中断嵌套
13.DMA方式的特点是以响应随机请求的方式实现内存与I/O设备的快速数据传送从而提高cpu的利用率但智能处理简单的数据传送
14.磁盘与主存以数据块为单位传送高速通讯设备以帧为单位传送
15.通道方式
通道类型
(一)选择通道:可以连接多台I/O设备，但每次只能选择一台设备执行通道程序以数据块为单位进行数据传送
（二）字节多路通道:可连接和管理多台慢速设备，以字节交叉方式传送数据(三)数组多路通道:这种通道可以连接多台快速设备，允许并行工作，但通道以成组交叉方式传送数据
第九章外围设备
1.分辨率可用水平显示的像素个数×水平扫描线数来表示
2.屏幕尺寸相同，点距越小，分辨率越高；行扫描率越高，分辨率相应的也就越高
3.光盘
单面单层4.7GB
单面双层8.5GB
双面单层9.4GB
双面双层17GB
80芯IDE 蓝色接主板黑色接IDE接口灰色接从设备。