《计算机组成原理》学习笔记(一)

• 哈尔冰工业大学.刘卫东 《计算机组成原理.第2版.唐朔飞》

一，计算机系统概论

计算机系统：

硬件：计算机的实体，如主机、外设等；

软件：由具有各类特殊功能的信息（程序）组成。

系统软件：用来管理整个计算机系统：语言处理程序，操作系统，服务性程序，数据库管理系统，网络软件；

应用软件：按任务需要编制成的各种程序。

计算机系统的层次结构：

高级语言 ==> 汇编语言 ==> 操作系统 ==> 机器语言 ==> 微指令系统

计算机体系结构：（有无乘法指令）程序员所见到的计算机系统的属性，概念性的结构与功能特性（指令系统，数据类型，寻址技术，I/O机理）；

计算机组成：（如何实现乘法指令）实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令的实现）。

冯.诺依曼计算机特点：

1）计算机由五大部件组成；

2）指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访；

3）指令和数据用二进制表示；

4）指令由操作码和地址码组成；

5）存储程序；

6）以运算器为中心。

计算机硬件框图：

• 以存储器为中心的计算机硬件框图

• 现代计算机硬件框图

CPU：运算器（ALU），控制器（CU）；

存储器：主存，辅存；

I/O设备：输入设备，输出设备

存储器的基本组成：

存储单元：存放一串二进制代码；

存储字：存储单元中二进制代码的组合；

存储字长：存储单元中二进制代码的位数；每个存储单元赋予一个地址号（按地址寻访）；

MAR：存储器地址寄存器，反映存储单元的个数；

MDR：存储器数据寄存器，反映存储字长。

控制器的基本组成：

PC：存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（取指令）；

IR：存放当前欲执行的指令（分析指令）；

CU：控制单元，（执行指令）。

• 主机完成一条指令的过程（以取数指令为例）

计算机硬件的主要技术指标：

机器字长：CPU一次能处理数据的位数，与CPU中寄存器位数有关；

运算速度：主频，核数，吉普森法，MIPS（每秒执行百万条指令），CPI（执行一条指令所需时钟周期数），FLOPS（每秒浮点运算次数）；

存储容量：存放二进制信息的总位数。

主存容量：存储单元个数存储字长；eg：MAR（10），MDR（8）则容量为1K8位。

辅存容量

二，计算机的发展与应用

计算机的产生与发展：

1946年，美国产生第一台计算机ENIAC，1955年退役；

硬件技术对计算机的影响：

三，系统总线

总线：

定义：总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。

总线上信息的传递：串行和并行。

总线结构的计算机举例：

• 面向CPU的双总线结构框图

• 单总线结构框图

• 以存储器为中心的双总线结构框图

总线分类：

片内总线：芯片内部的总线；

系统总线：计算机各部件之间的信息传输线；

数据总线：双向，与机器字长，存储字长有关；

地址总线：单向，与存储地址，I/O地址有关；

控制总线：有入（中断请求，总线请求）有出（存储器读写，总线允许，中断确认）。

通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信（如控制仪表、移动通信），传输方式有串行和并行两种。

总线物理实现：

总线特性：

机械特性：尺寸，形状，管脚数及排列顺序；

电气特性：传输方向和有效的电平范围；

功能特性：每根传输线的功能（地址，数据，控制）；

时间特性：信号的时序关系。

总线的性能指标：

总线宽度：数据线的根数；

总线带宽：每秒传输的最大字节数（MBps）；

时钟同步/异步：同步，不同步；

总线复用：地址线和数据线复用；

信号线数：地址数、数据线和控制线的总和；

总线控制方式：并发、自动、仲裁、逻辑、计数；

其他指标：负载能力。

总线结构：

• 单总线结构

• 双总线结构

• 三总线结构1

• 三总线结构2

• 四总线结构

总线结构举例：

• 传统微型机总线结构

• VL-BUS 局部总线结构

• PCI总线结构

• 多层PCI总线结构

总线判优控制：

主设备（模块）：对总线有控制权；

从设备（模块）：响应从主设备发来的总线命令；

总线判优控制：

集中式：链式查询，计数器定时查询，独立请求方式

分布式

• 链式查询方式

• 计数器定时查询方式

• 独立请求方式

总线通信控制：

目的：解决通信双方协调配合问题。

总线传输周期：

申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定；

寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令；

传数阶段：主模块和从模块交换数据；

结束阶段：主模块撤销有关信息。

总线通信方式：

同步通信：由统一时标控制数据传达；

异步通信：采用应答方式，没有公共时钟标志；

半同步通信：同步，异步结合；

• 以上三种通信的共同点：

一个总线传输周期（以输入数据为例）：

1）主模块发地址、命令（占用总线）；

2）从模块准备数据（不占用总线，总线空闲）；

3）从模块向主模块发数据（占用总线）。

分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力。

• 一个总线传输周期：

1）子周期1：主模块申请占用总线，使用完后即放弃总线的使用权；

2）子周期2：从模块申请占用总线，将各种信息送至总线上。

• 通信特点：充分提高了总线的有效占用。

1）各模块有权申请占用总线；

2）采用同步方式通信，不等对方回答；

3）各模块准备数据时，不占用总线；

4）总线被占用时，无空闲。

• 同步式数据输入

• 同步式数据输出

• 异步通信

• 半同步通信（同步，异步结合）

同步：发送方用系统时钟前沿发信号；接收方用系统时钟后沿判断、识别；

异步：允许不同速度的模块和谐工作，增加一条“等待”响应信号。