计算机组成原理入门学习(非常详细),从零基础入门到精通,看完这一篇就够了

1.计算机硬件组成:

运算器、控制器、储存器、输入设备、输出设备(还有互联设备:总线和接口)

  1. 运算器:完成算术运算和逻辑运算。 算术运算:加减乘除法等。 逻辑运算:与、或、非、移位等。基本结构:ALU、寄存器、连接通路。

  2. 控制器:产生带有时间标志的控制信号。(控制信号的形式:电平信号和脉冲信号)

  3. 存储器:存储原程序、原数据、运算中间结果

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2.衡量计算机的标准:

机器字长(以字节为基本单位:byte)、储存容量、运算速度

1KB = 2^10B

1MB = 2^20B

1GB = 2^30B

1TB = 2^40B

1Byte = 8bit


3.原码、反码、补码和移码

机器数、真值:一个数连同他的符号在机器中用0和1进行编码,这个数本身的值称为该机器数的真值。

反码:对正数来说,其反码和原码的形式是相同的;对于负数来说,反码要将其原码数值部分取反。(符号:正数0,负数1)

移码:对于正数来说。其补码和原码的形式是相同的;对于负数来说,补码为其反码(数值部分各位变饭)的末位补加1。(符号:正数0,负数1)

只对整数:[x+y]补 = [x]补 + [y]补 ;[x-y] 补 = [x]补 + [-y]补

[y]补 →[-y]补:连同符号位按位取反,末位加1

移码:对于正数来说不变,对于负数来说,按位取反,末位加1(符号:正数1,负数0)

若[x] 移 > [y]移,则x > y


4.溢出问题:

溢出:是指运算结果超出机器所能表示的数值范围的现象;

溢出产生的条件:

  1. 同号数相加或异号数相减可能发生溢出

  2. 同号补码相加,结果符号位与相加数相反

  3. 异号补码相减,结果符号位与减数相同


5.数据校验码:

  1. 奇偶检验码(只能检错)

  2. 海明码(具有检错和纠错的能力)

  3. 循环冗余检验码(具有很强的检错和纠错能力)


6.浮点数的表示:


7.存储器分类:

  1. 按存储介质分类:半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器
  2. 按存取方式分类:随机读写存储器RAM、只读存储器ROM、顺序访问存储器SAM、直接访问存储器DAM
  3. 按信息的可保存性分类:永久性存储器、非永久性存储器
  4. 按在计算机中的作用分类:主存储器、高速缓存存储器、辅助存储器

静态随机存储器的存储原理:依据两个双稳态触发器的两个稳定状态记录0、1信息

动态随机存储器的存储原理:依据电容上电荷的有无来记录0/1信息

编址方式:按字编址和按字节编址

地址引脚个数 = log2储存单元个数

数据引脚个数 = 每个储存单元的位数

储存体的扩展:字扩展、位扩展、段扩展

刷新的三种方式:集中刷新、分散刷新、异步刷新

磁表面存储器:

  1. 写入(电磁变换):利用写线圈中的脉冲电流,将数值转换成磁储存单元中的不同剩磁状态
  2. 读出(磁电转换):通过读线圈,将存储单元的剩磁状态转换成电信号输出

磁记录方式:

  1. 归零制
  2. 不归零制
  3. 调相制
  4. 调频制

硬盘存储器的相关计算:

三级结构两个层次:

  1. Cache-主存层次
  2. 主存-辅存层次:解决主存容量不足的问题;
  3. Cache-主存-辅存

Cache解决CPU与主存不匹配问题;

Cache-主存机制地址映射的方法:

  1. 直接映射
  2. 全相连映射
  3. 组相连映射

命中率的计算:


8.I/O接口与I/O过程控制

1.影响I/O设备与主机相连方式的主要因素:

  1. 外设工作速度的影响
  2. 数据传送形式的影响(并行传送、串行传送)
  3. 数据通信同步方式的影响:1.同步通信:发送端与接收端有统一的时钟;2.异步通信:发送端与接收端之间无统一的时钟,采用应答的方式;
  4. 传送信息种类的影响:1.设备地址信息;2.数据;3.设备状态信息;4.控制信息;
  5. CPU对I/O设备控制方式:1.程序直接控制;2.程序查询控制;3.程序中断控制;4.直接存储器访问(DMA)

2.I/O接口的功能:

  1. 设备选择
  2. 数据缓冲与锁存
  3. 数据格式的转换
  4. 信号特性匹配
  5. 接受CPU的控制命令,监视外设的工作状态

3.I/O端口的编址:

  1. I/O端口地址与存储器地址统一编址
  2. 独立编址

4.保存断点和保护现现场

断点:程序计数器中的值;

现场:当前程序寄存器中的值

5.程序中断的五个阶段:

  1. 中断请求
  2. 中断判优
  3. 中断响应
  4. 中断处理
  5. 中断返回

6.DMA控制器与CPU共享存储器冲突的解决方式

  1. CPU 暂停访问内存
  2. DMA 控制器与CPU 交替访问内存
  3. 周期挪用

7.DMA传送过程:

  1. 预处理
  2. 数据传送
  3. 后处理

9.总线

1.总线的三个基本特性:共享、分时、规范(机械规范、电气规范、功能规范、时间规范)

2.总线分类:

  1. 按照总线传递的信号性质分类:1.地址总线;2.数据总线;3.控制总线;
  2. 按照总线所处位置分类:1.机内总线(片内总线和片外总线)2.机外总线(指与外围设备接口的总线)
  3. 按照总线在系统中连接的主要部件分类:1.存储总线;2.DMA总线;3.系统总线;4.I/O总线;5.局部总线;

3.总线的结构:

  1. 单总线结构;
  2. 双总线结构;
  3. 三总线结构;

4.总线中信号的基本传输过程

  1. 请求总线
  2. 总线仲裁
  3. 目的寻址
  4. 信息传输
  5. 错误检测

5.总线的争用与仲裁

解决冲突的两种方法:静态方法和动态方法;

动态方法:总线控制机构中的判优和仲裁逻辑将按照一定的判优原则,决定那个模块使用总线;

动态判优分为集中控制和分布式控制两种;

集中控制的优先仲裁方式有三种:

  1. 链式查询方式
  2. 计数器定时查询方式
  3. 独立请求方式

6.总线通信

  1. 同步通信(主从方有共同的时钟)
  2. 异步通信(不依赖基于共同时钟的时间标准,形成一种“请求-应答”的方式)
  3. 半同步通信(采用系统时钟同步)
  4. 分离式通信

10.控制器逻辑

1.指令:要求计算机完成某个基本操作的命令;由操作码和地址码两大部分组成。

2.按照地址的数量把指令分为4种类型:

  1. 3地址指令;
  2. 2地址指令;
  3. 1地址指令
  4. 0地址指令;

可以采用定长操作码,也可以采用变长操作码;

3.指令寻址方式:

  1. 顺序寻址(下一条指令的地址由程序计数器PC提供)
  2. 跳跃寻址(下一条指令的地址由程序控制类指令的地址码提供)

4.数据寻址方式:(形式地址D:指令中地址码字段中的地址;有效地址EA:操作数的真实地址)

  1. 立即寻址:指令的地址字段指出的不是操作数地址,而是操作数本身;
  2. 立即寻址:指令中的地址字段中直接指出操作数在内存中的地址;EA=(D);括号表示取内容
  3. 间接寻址:由地址码从存储器中取出来的不是操作数,而是操作数的地址;
  4. 寄存器寻址:EA = R编号;
  5. 寄存器间接寻址:EA = (R);括号表示取内容
  6. 变址寻址:EA = D + 变址寄存器;
  7. 基址寻址:EA = D + 基址寄存器;
  8. 相对寻址:EA = D + (特殊寄存器PC);
  9. 堆栈寻址
  10. 隐含寻址

5.RISC:精简指令计算机系统; CISC:复杂指令计算机系统;

是目前设计指令系统的两种不同思路。

6.指令系统设计,需要考虑的基本内容主要包括:

  1. 操作清单;
  2. 数据类型;
  3. 指令格式;
  4. 寄存器;
  5. 寻址方式;

设计原则:完备性;有效性;规整性;兼容性。

7.CPU的主要存储器及功能
①指令寄存器(IR) :存放当前正在执行的指令
②程序计数器(PC) :存放下一条将要被执行的指令的地址
③数据缓冲寄存器(MDR) :存放将要存入存储器或从存储器读出的数据
④地址寄存器(MAR) :存放将被访问的内存单元的地址
⑤程序状态字寄存器(PSW) :存放程序运行过程中的各种状态信息
⑥累加器(AC) :存放算术或逻辑运算的一个操作数或运算结果

8.CPU的功能:

  1. 指令控制(控制器)
  2. 操作控制(控制器)
  3. 时间控制(控制器)
  4. 数据处理(运算器)

9.CPU的任务:

  1. 取指令
  2. 分析指令
  3. 执行指令

10.指令周期流程图:

例如:“ADD R2,R0” 指令完成(R0)+(R2)→R0;(假设该指令的地址已放入PC中)。

11.微程序控制器的基本组成:

  1. 控制存储器CM(用来存放实现全部指令系统的微程序,是一种只读存储器)
  2. 微指令寄存器(保存从控制存储器中取出来的微指令)
  3. 微地址转移逻辑(自动完成修改微地址的任务,相当于PC)

微命令:控制部件向执行部件发出的控制命令;

微指令:实现一定操作功能的一组微命令;

微指令分为两部分:微操作码和微地址;

编码方式:直接编码法、字段直接编码法、混合编码法;

微指令格式:水平型;垂直型。

题外话

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本科计算机类、高职自动化类专业月收入较高。2022届本科计算机类、高职自动化类专业月收入分别为6863元、5339元。其中,本科计算机类专业起薪与2021届基本持平,高职自动化类月收入增长明显,2022届反超铁道运输类专业(5295元)排在第一位。

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