計算機(jī)組成原理全本1contents目錄計算機(jī)系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算存儲器系統(tǒng)指令系統(tǒng)中央處理器總線系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)2計算機(jī)系統(tǒng)概述0130102機(jī)械計算時代早期計算機(jī)采用機(jī)械方式進(jìn)行計算，如帕斯卡計算器。電子管計算機(jī)時代采用真空電子管作為計算元件，實(shí)現(xiàn)了電子化計算。晶體管計算機(jī)時代晶體管替代電子管，提高了計算機(jī)性能和可靠性。集成電路計算機(jī)時代集成電路技術(shù)使得計算機(jī)體積縮小、功耗降低、性能提高。超大規(guī)模集成電路計算機(jī)…隨著微處理器和存儲技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)性能得到極大提升。030405計算機(jī)發(fā)展歷程4包括中央處理器（CPU）、存儲器、輸入輸出設(shè)備等。硬件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、編程語言等。軟件系統(tǒng)是計算機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。中央處理器（CPU）用于存儲數(shù)據(jù)和程序，包括內(nèi)存和外存。存儲器計算機(jī)系統(tǒng)組成5指計算機(jī)運(yùn)算器一次能處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，字長越長，計算機(jī)處理數(shù)據(jù)的精度越高。字長運(yùn)算速度存儲容量外部設(shè)備配置及擴(kuò)展能力通常用MIPS（百萬條指令/秒）或FLOPS（浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)/秒）來衡量計算機(jī)的運(yùn)算速度。指計算機(jī)存儲器能存儲的二進(jìn)制信息的總量，以字節(jié)為單位。指計算機(jī)與外部設(shè)備的連接性能和擴(kuò)展槽數(shù)量等，反映了計算機(jī)的擴(kuò)展性和可升級性。計算機(jī)性能指標(biāo)6數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算027計算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)，因?yàn)槎M(jìn)制數(shù)的表示方式非常適合計算機(jī)內(nèi)部的電路和邏輯運(yùn)算。二進(jìn)制人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槭煜さ臄?shù)制，每一位上的數(shù)碼都是0~9之間的數(shù)字。十進(jìn)制在計算機(jī)領(lǐng)域也廣泛應(yīng)用，每一位上的數(shù)碼從0到9、A到F，共16個數(shù)字或字母，常用于表示內(nèi)存地址和機(jī)器碼等信息。十六進(jìn)制將字符、數(shù)字等信息轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠識別和處理的二進(jìn)制代碼的過程，如ASCII碼、Unicode編碼等。編碼數(shù)制與編碼8定點(diǎn)數(shù)小數(shù)點(diǎn)位置固定不變的數(shù)，包括純整數(shù)和純小數(shù)兩種。移位運(yùn)算邏輯移位和算術(shù)移位，邏輯移位不考慮符號位，算術(shù)移位要考慮符號位。加減法運(yùn)算計算機(jī)內(nèi)部采用補(bǔ)碼形式進(jìn)行加減運(yùn)算，符號位也參與運(yùn)算。原碼、反碼、補(bǔ)碼計算機(jī)內(nèi)部采用補(bǔ)碼形式表示有符號整數(shù)，原碼是符號位加上真值的絕對值，反碼是對原碼除符號位外的各位取反，補(bǔ)碼是對反碼加1。定點(diǎn)數(shù)表示與運(yùn)算9溢出處理當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超出浮點(diǎn)數(shù)能表示的范圍時，需要進(jìn)行溢出處理，通常采用截斷、舍入或溢出標(biāo)志等方式。浮點(diǎn)數(shù)小數(shù)點(diǎn)位置不固定的數(shù)，由階碼和尾數(shù)兩部分組成。規(guī)格化表示為了使浮點(diǎn)數(shù)具有唯一的表示方式，規(guī)定尾數(shù)的最高位必須為1（對于原碼）或符號位與最高位不同（對于補(bǔ)碼），這種表示方式稱為規(guī)格化表示。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算包括加減乘除四則運(yùn)算，需要分別對階碼和尾數(shù)進(jìn)行處理。浮點(diǎn)數(shù)表示與運(yùn)算10ALU功能算術(shù)邏輯單元（ALU）是計算機(jī)中執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的部件，能夠執(zhí)行加、減、乘、除等基本算術(shù)運(yùn)算以及與、或、非等基本邏輯運(yùn)算。ALU通常由多個基本運(yùn)算部件（如加法器、減法器、乘法器、除法器等）和邏輯門電路組成，這些部件可以組合起來完成復(fù)雜的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。ALU的運(yùn)算功能由計算機(jī)的控制部件（如CPU中的控制器）控制，控制器根據(jù)指令中的操作碼字段選擇相應(yīng)的運(yùn)算功能并控制ALU執(zhí)行。ALU的性能指標(biāo)包括運(yùn)算速度、功耗、可靠性等，這些指標(biāo)直接影響計算機(jī)的整體性能。ALU結(jié)構(gòu)ALU控制ALU性能指標(biāo)算術(shù)邏輯單元（ALU）11存儲器系統(tǒng)0312按存儲介質(zhì)、存取方式、存儲容量等分類。存儲器的分類緩存、主存、輔存等構(gòu)成的存儲體系。存儲器的層次結(jié)構(gòu)存儲容量、存取速度、可靠性等。存儲器的性能指標(biāo)存儲器概述1303主存儲器的擴(kuò)展方式位擴(kuò)展、字?jǐn)U展、字位同時擴(kuò)展等。01主存儲器的基本組成存儲體、地址譯碼器、讀寫電路等。02主存儲器的技術(shù)指標(biāo)存儲容量、存取時間、存儲周期等。主存儲器14輔助存儲器的技術(shù)指標(biāo)存儲容量、數(shù)據(jù)傳輸率、平均尋道時間等。輔助存儲器的接口方式IDE接口、SCSI接口、SATA接口等。輔助存儲器的種類硬盤、光盤、U盤等。輔助存儲器15高速緩沖存儲器的作用提高CPU對存儲器的訪問速度。高速緩沖存儲器的原理局部性原理、時間局部性、空間局部性等。高速緩沖存儲器的技術(shù)指標(biāo)命中率、訪問時間、塊大小等。高速緩沖存儲器的實(shí)現(xiàn)方式靜態(tài)RAM、動態(tài)RAM等。高速緩沖存儲器16指令系統(tǒng)0417指定指令進(jìn)行的操作類型。操作碼指定操作數(shù)所在的位置（寄存器、內(nèi)存地址等）。地址碼指令所占的位數(shù)或字節(jié)數(shù)，與機(jī)器字長有關(guān)。指令長度指令格式18尋址方式直接尋址寄存器尋址操作數(shù)所在內(nèi)存地址在指令中直接給出。操作數(shù)包含在寄存器中，寄存器的名稱由指令指定。立即尋址間接尋址寄存器間接尋址操作數(shù)直接在指令中給出。操作數(shù)所在內(nèi)存地址通過間接地址間接給出。操作數(shù)所在內(nèi)存地址通過寄存器間接給出。19控制轉(zhuǎn)移類指令如JMP、CALL、RET等，用于改變程序的執(zhí)行順序。移位指令如SHL、SHR等，用于將數(shù)據(jù)在二進(jìn)制位上進(jìn)行移動。邏輯運(yùn)算類指令如AND、OR、NOT等，用于進(jìn)行邏輯運(yùn)算。數(shù)據(jù)傳輸類指令如MOV、PUSH、POP等，用于在寄存器、內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)。算術(shù)運(yùn)算類指令如ADD、SUB、MUL、DIV等，用于進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算。指令類型20ABCD指令系統(tǒng)舉例x86指令系統(tǒng)Intel和AMD等廠商生產(chǎn)的x86架構(gòu)計算機(jī)所使用的指令系統(tǒng)。MIPS指令系統(tǒng)MIPS架構(gòu)計算機(jī)所使用的指令系統(tǒng)，以簡單、規(guī)整著稱，常用于教學(xué)和科研領(lǐng)域。ARM指令系統(tǒng)ARM架構(gòu)計算機(jī)所使用的指令系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備。RISC-V指令系統(tǒng)一種開源的RISC（精簡指令集）架構(gòu)指令系統(tǒng)，具有可定制性強(qiáng)、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。21中央處理器0522CPU功能與組成CPU負(fù)責(zé)解釋計算機(jī)指令以及處理軟件數(shù)據(jù)，控制計算機(jī)的各個部件進(jìn)行工作。CPU中的運(yùn)算器負(fù)責(zé)進(jìn)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算。CPU中包含多個寄存器，用于暫時存儲數(shù)據(jù)和指令。連接CPU內(nèi)部各個部件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和指令執(zhí)行?？刂乒δ苓\(yùn)算功能寄存器組內(nèi)部總線23取指令CPU從存儲器中讀取指令并放入指令寄存器。指令譯碼指令譯碼器對指令寄存器中的指令進(jìn)行譯碼，確定指令類型和操作數(shù)。執(zhí)行指令根據(jù)譯碼結(jié)果，CPU執(zhí)行相應(yīng)的操作，如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。寫回結(jié)果將執(zhí)行結(jié)果寫回到存儲器或寄存器中。指令執(zhí)行過程24主頻外頻倍頻緩存容量CPU性能指標(biāo)CPU的時鐘頻率，決定了CPU的運(yùn)算速度。主頻與外頻的倍數(shù)關(guān)系，用于調(diào)整CPU的運(yùn)行速度。CPU與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)的頻率。CPU中用于暫時存儲數(shù)據(jù)和指令的緩存大小，對CPU性能有重要影響。25Intel系列CPU包括酷睿、奔騰、賽揚(yáng)等系列產(chǎn)品，性能穩(wěn)定，兼容性好。AMD系列CPU包括銳龍、速龍等系列產(chǎn)品，性價比高，適合游戲和多媒體應(yīng)用。ARM架構(gòu)CPU廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備，功耗低，性能優(yōu)異。MIPS架構(gòu)CPU適用于高性能計算和多媒體處理，指令集簡單高效。典型CPU介紹26總線系統(tǒng)0627總線定義總線是連接多個設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸通道，用于在計算機(jī)內(nèi)部各部件之間傳輸信息?？偩€分類根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的方式和范圍，總線可分為內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線?？偩€特性總線具有共享性、分時性和高傳輸效率等特點(diǎn)?？偩€概述28串行傳輸數(shù)據(jù)在單個信道上逐位進(jìn)行傳輸，適用于長距離、低速傳輸。數(shù)據(jù)在沒有時鐘信號的情況下進(jìn)行傳輸，需要發(fā)送方和接收方進(jìn)行握手協(xié)商。異步傳輸數(shù)據(jù)在多個并行信道上同時進(jìn)行傳輸，適用于短距離、高速傳輸。并行傳輸數(shù)據(jù)在時鐘信號的同步下進(jìn)行傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。同步傳輸總線傳輸方式29總線控制與通信總線仲裁總線通信協(xié)議總線驅(qū)動與接收總線錯誤檢測與糾正當(dāng)多個設(shè)備同時請求使用總線時，需要通過仲裁機(jī)制決定哪個設(shè)備獲得總線的使用權(quán)。定義總線上的設(shè)備如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信的規(guī)則和約定?？偩€驅(qū)動器負(fù)責(zé)將發(fā)送設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩€上，總線接收器負(fù)責(zé)從總線上接收數(shù)據(jù)并傳輸給接收設(shè)備。通過奇偶校驗(yàn)、CRC等校驗(yàn)方式檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤，并進(jìn)行糾正。30工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)總線，是一種早期的計算機(jī)內(nèi)部總線標(biāo)準(zhǔn)。ISA總線通用串行總線，是一種外部總線標(biāo)準(zhǔn)，支持熱插拔和即插即用。USB總線外設(shè)組件互連總線，是一種高性能的32位或64位總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)內(nèi)部連接。PCI總線以太網(wǎng)總線，是一種局域網(wǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，用于連接計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。Ethernet總線01030204典型總線標(biāo)準(zhǔn)31輸入輸出系統(tǒng)0732鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、攝像頭、觸摸屏等。輸入設(shè)備顯示器、打印機(jī)、音響、投影儀等。輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備33接口的作用實(shí)現(xiàn)計算機(jī)與外部設(shè)備之間的連接和通信。接口的標(biāo)準(zhǔn)每種接口都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以確保不同設(shè)備之間的兼容性。接口的類型串行接口、并行接口、USB接口、HDMI接口等。輸入輸出接口34程序控制方式CPU通過執(zhí)行輸入輸出指令直接控制外部設(shè)備的操作。DMA控制方式直接存儲器訪問，外部設(shè)備與內(nèi)存之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，無需CPU干預(yù)。中斷控制方式當(dāng)外部設(shè)備需要CPU服務(wù)時，通過中斷請求通知CPU，CPU暫停當(dāng)前工作，轉(zhuǎn)去處理輸入輸出請求。通道控制方式通道是一種具有特殊功能的處理器，可以獨(dú)立地執(zhí)行輸入輸出操作，從而減輕CPU的負(fù)擔(dān)。