組成原理第一章(v1.1)

組成原理第一章(v1.1)REPORTING目錄緒論數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算存儲(chǔ)系統(tǒng)中央處理器總線系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)PART01緒論REPORTINGWENKUDESIGN包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，其中硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成，而軟件系統(tǒng)則包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成從微觀到宏觀可分為微程序機(jī)器級別、傳統(tǒng)機(jī)器語言級別、操作系統(tǒng)級別、匯編語言級別、高級語言級別和應(yīng)用軟件級別。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路和超大規(guī)模集成電路等四個(gè)發(fā)展階段，目前正在向生物計(jì)算和光計(jì)算等方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入/輸出設(shè)備計(jì)算機(jī)的組成與結(jié)構(gòu)執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算操作的部件，其核心部件是加法器。存放程序和數(shù)據(jù)的部件，按照存儲(chǔ)介質(zhì)的不同可分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器和光表面存儲(chǔ)器等。指揮、協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部件工作的部件，其實(shí)現(xiàn)方式有硬布線控制器和微程序控制器兩種。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與外部世界聯(lián)系的部件，包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等。指令的執(zhí)行過程包括取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)階段，其中取指令階段從內(nèi)存中讀取指令并放入指令寄存器，分析指令階段對指令進(jìn)行譯碼并確定操作數(shù)的地址，執(zhí)行指令階段則根據(jù)指令的功能進(jìn)行相應(yīng)的操作。中斷處理過程當(dāng)中斷請求發(fā)生時(shí)，計(jì)算機(jī)暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去處理中斷請求，處理完中斷請求后再返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷處理過程包括中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回三個(gè)階段。系統(tǒng)調(diào)用過程應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用請求操作系統(tǒng)的服務(wù)，操作系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用的類型和參數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)操作，并將結(jié)果返回給應(yīng)用程序。系統(tǒng)調(diào)用過程包括參數(shù)傳遞、服務(wù)執(zhí)行和結(jié)果返回三個(gè)階段。計(jì)算機(jī)的工作過程PART02數(shù)據(jù)表示與運(yùn)算REPORTINGWENKUDESIGN03十進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換掌握二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制與十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換方法。01定點(diǎn)數(shù)表示法約定小數(shù)點(diǎn)的位置，從而確定數(shù)據(jù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分。02浮點(diǎn)數(shù)表示法采用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示數(shù)據(jù)，由尾數(shù)、基數(shù)和指數(shù)三部分組成。數(shù)值數(shù)據(jù)的表示

非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示字符編碼采用ASCII碼、Unicode碼等編碼方式表示字符。漢字編碼了解漢字的輸入碼、內(nèi)碼、字模碼等編碼方式。圖像與聲音的數(shù)字化掌握圖像與聲音的采樣、量化和編碼等數(shù)字化方法。數(shù)據(jù)的運(yùn)算包括加、減、乘、除等基本算術(shù)運(yùn)算。包括與、或、非等邏輯運(yùn)算。包括左移和右移兩種移位運(yùn)算，用于數(shù)據(jù)的快速乘除和位操作等。了解運(yùn)算器的組成和設(shè)計(jì)方法，如加法器、減法器、乘法器等。基本運(yùn)算邏輯運(yùn)算移位運(yùn)算運(yùn)算器設(shè)計(jì)PART03存儲(chǔ)系統(tǒng)REPORTINGWENKUDESIGN存儲(chǔ)器的定義：是能夠接收和保存二進(jìn)制信息，并能按接收信息的要求提供這些信息的設(shè)備。存儲(chǔ)器的分類：按存儲(chǔ)介質(zhì)可分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器、光表面存儲(chǔ)器和生物存儲(chǔ)器；按存取方式可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、順序存取存儲(chǔ)器、直接存取存儲(chǔ)器和按內(nèi)容訪問的存儲(chǔ)器；按信息的可保存性可分為非永久記憶的存儲(chǔ)器和永久記憶性存儲(chǔ)器；按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用可分為主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器、緩沖存儲(chǔ)器、控制存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)：為了緩解主存儲(chǔ)器讀寫速度慢，不能滿足CPU速度要求的矛盾，又要解決主存儲(chǔ)器容量小，存不下更多的程序和數(shù)據(jù)的難題，當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，廣泛采用了多級結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。存儲(chǔ)器概述主存儲(chǔ)器的基本組成01包括存儲(chǔ)體、MAR（存儲(chǔ)地址寄存器）、MDR（存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寄存器）、各種邏輯部件及控制電路等。主存和CPU的聯(lián)系02主存的工作方式就是按CPU的指令進(jìn)行讀/寫操作。在主存中執(zhí)行讀/寫操作，必須有地址信息，這有賴于MAR；另外，數(shù)據(jù)要寫入主存或從主存讀出，這有賴于MDR。主存中存儲(chǔ)單元地址的分配03主存各存儲(chǔ)單元的空間位置是由單元地址號(hào)來表示的，而地址總線是用來指出存儲(chǔ)單元地址號(hào)的，根據(jù)該地址可讀出或?qū)懭胍粋€(gè)存儲(chǔ)字。主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器的特點(diǎn)輔助存儲(chǔ)器作為主存的后援設(shè)備又稱為外部存儲(chǔ)器，簡稱外存，它與主存一起組成了存儲(chǔ)器系統(tǒng)的主存-輔存層次。輔存與主存相比具有容量大、價(jià)格低、速度慢的特點(diǎn)。磁帶存儲(chǔ)器磁帶機(jī)是一種順序存取的設(shè)備，存取時(shí)間較長，但存儲(chǔ)容量大，便于攜帶，價(jià)格便宜，且能長期保存信息。磁盤存儲(chǔ)器磁盤存儲(chǔ)器是直接存取的設(shè)備，不需要順序查找。磁盤存儲(chǔ)器由磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁盤控制器和磁盤片組成。磁表面存儲(chǔ)器的類型主要有磁帶、磁盤存儲(chǔ)器等。輔助存儲(chǔ)器PART04中央處理器REPORTINGWENKUDESIGN控制器運(yùn)算器寄存器組內(nèi)部總線CPU的功能和組成01020304負(fù)責(zé)指令的取指、分析和執(zhí)行等操作，控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)同工作。執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，處理數(shù)據(jù)。包括通用寄存器、程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR等，用于暫存數(shù)據(jù)和地址。連接CPU內(nèi)部各部件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。包括操作碼和地址碼，指明要執(zhí)行的操作和操作數(shù)的地址。指令格式尋址方式指令周期確定操作數(shù)有效地址的方式，如立即尋址、直接尋址、間接尋址等。CPU從取指到執(zhí)行完一條指令所需的時(shí)間。030201指令系統(tǒng)確定CPU內(nèi)部各部件的組成和連接方式。CPU的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括微程序控制和硬布線控制，實(shí)現(xiàn)指令的執(zhí)行和控制信號(hào)的傳遞。CPU的控制方式如主頻、CPI、MIPS等，衡量CPU的性能。CPU的性能指標(biāo)CPU的設(shè)計(jì)PART05總線系統(tǒng)REPORTINGWENKUDESIGN總線（Bus）是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線?？偩€定義總線結(jié)構(gòu)上通常包含多個(gè)設(shè)備接口，通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制?？偩€結(jié)構(gòu)為確保不同設(shè)備間的兼容性和互操作性，總線需遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范?？偩€標(biāo)準(zhǔn)總線的概念和結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)總線的性能指標(biāo)主要包括數(shù)據(jù)傳輸速率、時(shí)鐘頻率、總線寬度、負(fù)載能力等?？偩€分類根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式，總線可分為并行總線和串行總線；根據(jù)使用范圍，可分為計(jì)算機(jī)總線、測控總線和網(wǎng)絡(luò)通信總線等。影響因素總線性能受多種因素影響，如傳輸介質(zhì)、接口電路、傳輸協(xié)議等?？偩€的分類和性能指標(biāo)總線操作總線操作包括讀操作和寫操作，即數(shù)據(jù)從總線上讀取或?qū)懭氲侥硞€(gè)設(shè)備中。定時(shí)方式總線定時(shí)方式主要有同步定時(shí)和異步定時(shí)兩種。同步定時(shí)依賴于統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；異步定時(shí)則通過應(yīng)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。仲裁機(jī)制當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)請求使用總線時(shí)，需要通過仲裁機(jī)制來確定哪個(gè)設(shè)備優(yōu)先獲得總線使用權(quán)。常見的仲裁機(jī)制有集中式仲裁和分布式仲裁兩種。總線操作和定時(shí)PART06輸入輸出系統(tǒng)REPORTINGWENKUDESIGN把數(shù)據(jù)或信息送入計(jì)算機(jī)的過程。輸入(Input)把計(jì)算機(jī)處理后的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們能識(shí)別或感知的形式并送出的過程。輸出(Output)用于計(jì)算機(jī)與外部世界交互的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等。I/O設(shè)備連接I/O設(shè)備與主機(jī)之間的橋梁，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。I/O接口I/O系統(tǒng)的基本概念123數(shù)據(jù)緩沖、信號(hào)轉(zhuǎn)換、設(shè)備選擇、中斷管理等。I/O接口的功能統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址。I/O端口的編址方式程序查詢方式、中斷方式、DMA方式和通道方式。I/O控制方式I/O接口程序查詢方式CPU通過程序不斷查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)，直到設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)為止。這種方式簡單，但CPU利用率低。當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，通過中斷請求通知CPU，CPU響應(yīng)中斷后進(jìn)行處理。這種方式提高了CPU的利用率，但需要額外的中斷處理程序。直接內(nèi)存訪問方式，I/O設(shè)