计算机组成原理

1计算机组成原理

第一章计算机概述

1.1计算机的基本结构

1.1.1冯诺依曼计算机基本结构

提出存储程序的思想

基本内容：

1、计算机应由运算器控制器存储器输入设备输出设备组成

2、数据和程序均以二进制代码形式不加区别的存放在存储器中，存储位置由存储器的地址

指定。

3、计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令加以执行。

1.1.2计算机的基本组成及功能

运算器和控制器合称为中央处理器central processing unit（CPU）。CPU和存储器构成主机，输入输出设备称为外部设备。

集成CPU称为微处理器microprocessor。

1.存储器

存储器是用来存放程序和数据信息的记忆装置。

发展：电子管或继电器→水银延迟线→磁芯→半导体存储器

分类：主存储器也叫主存或内存外存储器（外存）：硬盘磁盘磁带等

主存储器通常由存储体和有关的逻辑控制电路组成。

存储体是由存储元件（磁芯半导体电路等）组成的一个存储信息的阵列。存储体被分为若干存储单元，每个单元都有自己的地址。

CPU访问某个存储单元时，先给出地址送入存储器的地址寄存器（MAR），然后经过译码电路选取相应的存储单元。读出的信息先送入数据寄存器（MDR），在送入目标部件，写入信息先进入MDR，再根据地址送入相应位置。

2.运算器

执行加减乘除和逻辑运算。

包括：加法器和能在运算开始是提供一个操作数，并在运算结束时存放运算结果的累加

寄存器、通用寄存器以及相关的输入输出控制逻辑电路。

3.控制器

控制器指挥和控制计算机各部件协调工作。

从存储器中逐条取出指令，并翻译成代码，产生各种控制信号。

计算机的各个功能部件按照统一的时钟或节拍信号工作，通常将一条指令的整个执行时间定义为一个指令周期（instruction cycle），每个指令周期划分为几个机器周期，每个机器周期分为几个时钟周期。时钟周期由主频决定。

控制器的基本任务就是根据各种指令的要求，综合有关的逻辑条件和时间条件产生相应的微命令。

分类：

组合逻辑控制器：早期，直接由组合逻辑电路产生微操作控制信号

微程序控制器：微程序设计技术，将指令执行所需的微命令变成微程序，事先存放在控制存储器中。

4.输入设备

5.输出设备

1.2计算机系统的组成

1.2.1硬件与软件

硬件：计算机的设备实体

软件：各类程序和文档。实际上是由特定算法及其在计算机中的表示所构成。软件包括系统程序应用程序各类文档。

固件：介于软件和硬件之间的实体。

1.2.2计算机系统的基本组成

1.3微型计算机的发展

1.3.1第一台微型计算机

1.3.2微型计算机的发展阶段

微型计算机以微处理器为核心，再配上大规模集成电路制作的存储器、输入输出接口电路以

及系统总线，组成微型机。

1、第一代微型计算机inter8008

2、第二代微型计算机inter8080 inter8085

3、第三代微型计算机inter8086/8088

4、第四代微型计算机inter80386

5、第三代微型计算机Pentium……

1.4微型计算机的特点与分类

1.4.1微型计算机的特点

体积小重量轻功耗低，可靠性高环境要求低，软件丰富，结构设计灵活便于组装，价格便宜1.4.2分类

按微处理器位数（字长）4 8 16 32 64位

按组装形式：单片单板（可以输入输出）多板（普通电脑）

1.4.3微型计算机的主要技术指标

1.字长：参与运算的数的基本位数。决定了寄存器加法器数据总线的位数。也反映计算精度。

2.主存容量：主存储器所能存储的信息总量。（内存）

3.运算速度：综合折算（加减乘除按比例折算）。目前普遍采用每秒钟执行的机器指令条数作为指标。MIPS（million instruction per second）作为计量单位。

4.主频率：在计算机内部有一个按某一频率产生的时钟脉冲信号，称为主时钟信号。

主时钟信号的频率称为主频，表征运算速度。

5.平均无故障运行时间

6.允许配置的外设

7.能价格比

1.5微型计算机的基本结构

主要由微处理器存储器I/O接口电路等部件组成。各部件之间通过地址总线（address bus）,

数据总线（data bus）控制总线（control bus）相互连接通信。

1、微处理器（微处理机）

执行程序命令，完成各种运算和控制功能。均为单片型。

结构：算数逻辑部件（ALU）、累加寄存器及通用寄存器组、程序计时器、指令寄存器、指令译码器、时序和控制部件。

2、主存储器（大规模集成电路组成）

Read only memory(ROM)只读存储器

Random access memory(RAM)随机存储器

ROM只读不写，断电后不丢失数据，一旦储存资料就无法再将之改变或删除。用来存储固定不变的程序和数据，比如开机程序。

RAM可读可写，断电后丢失用来存储运行中的数据。

3、总线

总线是计算机部件与部件之间进行数据信息传输的一组公共信号线以及想换的控制逻辑。它是一组能为计算机的多个部件服务的公共信息传输通路，能分时发送与接收各部件的信息。分类：地址总线（address bus）,数据总线（data bus）控制总线（control bus）统称为系统总线。

地址总线：传送地址信息。单向，由微处理器输出，位数决定微处理器可以直接访问的主存范围（直接寻址范围），位数为N，可直接寻址范围为2N 。

控制总线：传送控制信息。

4、I/O接口电路

用以控制主机与外围设备之间的信息交换与传输。

接口适配器：连接不同信号形式和数据格式设备的接口电路。

分类：串行接口并行接口

串行通信：使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。

并行通信：一组数据的各数据位在多条线上同时被传输，这种传输方式.