王道计算机网络学习笔记

Posted 2023-04-05 android 小白星

计算机网络知识点

• 1.计算机网络基础概念
• • 1.计算机网络的概念
  • 2.计算机网络的功能
  • 3.计算机网络的组成
  • 3.计算机网络的分类
  • 4.总结
• 2.标准
• • 1.标准的分类
  • 2.标准化工作
  • 3.标准化工作相关组织
  • 4.总结
• 3.性能指标
• • 1.速率
  • 2.带宽
  • 3.吞吐量
  • 4.时延
  • 5.时延带宽积
  • 6.往返时延RTT
  • 7.利用率
• 4.分层
• • 1.怎么分层？
  • 2.正式认识分层结构
  • 3.OSI参考模型
  • • 1.应用层
    • 2.表示层
    • 3.会话层
    • 4.传输层
    • 5.网络层
    • 6.数据链路层
    • 7.物理层
  • 4.TCP/IP参考模型
  • • 1.区别
    • 2.五层参考模型
• 1.物理层
• • 1.物理层的基本概念
  • 2.数据通信的基础知识
  • • 1.三种通信方式
    • 2.两种数据传输方式
  • 3
  • • 1.码元
    • 2.速率
    • 3.失真
    • 4.奈氏准则
    • 5.香农定理
    • 6."Nice"和"香浓"
  • 4.编码和调制
  • • 1.基带信号和宽带信号
    • 2.编码和调制
    • 3.数字数据编码为数字信号
    • 4.模拟信号编码为数字信号
    • 5.模拟数据调制为模拟信号
  • 5.传输介质
  • • 1.双绞线
    • 2.同轴电缆
    • 3.光纤
    • • 多模光纤和单模光纤
    • 4.非导向型传输介质
  • 6.物理层设备
  • • 1.中继器
    • 2.集线器(多口中继器)
• 2.数据链路层
• • 1.功能概述
  • • 1.数据链路层的基本概念
    • 2.数据链路层功能概述
  • 2.封装成帧和透明传输
  • • 1.封装成帧
    • 2.透明传输
    • 3.字符计数法
    • 4.字符填充法
    • 5.零比特填充法
    • 6.违规编码法
  • 3.差错控制
  • • 1.差错从何而来？
    • 2.差错控制
    • • 1.奇偶校验码
      • 2.CRC循环冗余码
      • 3.海明校验码
  • 4.流量控制
  • • 1.流量控制的方法
    • 2.停止等待协议
    • • 1.无差错
      • 2.有差错情况--数据帧丢失或检测到帧出错
      • 3.有差错--ACK丢失
      • 4.有差错--ACK迟到
      • 5.信道利用率
    • 3.SR协议
    • 4.GBN协议
  • 5.信道划分介质
  • • 1.传输数据的两种链路
    • 2.介质访问控制
    • • 1频分多路复用FDM
      • 2.时分多路复用TDM
      • 改进---统计时分复用STDM
      • 3.波分多路复用WDM
      • 4.码分多路复用CDM
      • 5.ALOHA协议
      • 6.CSMA协议
      • 7.CSMA/CD协议
  • 6.局域网
  • • 1.局域网的基础概括
    • • 1.网络拓扑
      • 2.局域网传输介质
      • 3.介质访问控制方法
      • 4.局域网分类
      • 5.MAC子层和LLC子层
    • 2.以太网
    • • 1.无连接、不可靠的服务
      • 2.以太网传输介质拓扑结构的发展
      • 3. 10BASE-T以太网
      • 4.适配器与MAC地址
      • 5.以太网MAC帧
      • 6.高速以太网
    • 3.无线局域网
    • • 1.802.11的MAC帧头格式
      • 2.无线局域网的分类
  • 7.广域网
  • • 1.PPP协议
    • • 1.PPP协议的特点
      • 2.PPP协议应满足的要求
      • 3.PPP协议无需满足的要求
      • 4.PPP协议的三个组成部分
      • 5.PPP协议的状态图
      • 6.PPP协议的帧格式
    • 2.HDLC协议
    • • 1.HDLC的站
      • 2.HDLC的帧格式
    • 3.PPP协议和HDLC协议的异同
  • 8.链路层设备
• 3.网络层
• • 1.网络层概述
  • 2.数据交换方式
  • • 1.电路交换
    • 2.报文交换
    • 3.分组交换
  • 3.数据报与虚电路
  • • 1.几种传输单元名词辨析
    • 2.数据报
    • 3.虚电路
    • 4.虚电路&数据报
  • 4.路由算法与路由协议
  • • 1.路由算法
    • • 路由算法的分类
    • 2.分层次的路由选择协议
    • 3.RIP协议
    • • 1.RIP协议基本交换信息
      • 2.距离向量算法
      • 3.RIP协议报文格式
      • 4.RIP协议特点
    • 4.OSPF协议
    • • 1.OSPF的基础知识
      • 2.链路状态路由算法
      • 3.OSPF的区域
      • 4.OSPF分组
      • 5.其他特点
    • 5.BGP协议
    • • 1.BGP基础知识
      • 2.BGP协议报文格式
      • 3.BGP协议特点
      • 4.BGP-4的四种报文
    • 6.三种协议比较
  • 5.TCP/IP协议栈
  • • 1.IP数据报格式
    • 2.IP数据报分片
    • 3.IPv4地址
    • 4.网络地址转换NAT
    • 5.子网划分和子网掩码
    • • 1.子网划分
      • 2.子网掩码
      • 3.使用子网时分组的转发
    • 6.无分类编址CIDR
    • • 1.构成超网
      • 2.最长前缀匹配
    • 7.ARP协议
    • • 1.发送数据的过程
      • 2.ARP协议
    • 8.DHCP协议
    • 9.ICMP协议(网际控制报文协议)
    • • 1.ICMP差错报文
      • 2.不应发送ICMP差错报文的情况
      • 3.ICMP询问报文
      • 4.ICMP的应用
    • 10.IPv6
    • • 1.为什么有IPv6？
      • 2.IPv6数据报格式
      • 3.IPv4和IPv6
      • 4.IPv6地址表现形式
      • 5.IPv6基本地址类型
      • 6.IPv6向IPv4过渡的策略
    • 11.IP组播
    • • 1.IP数据报的三种传输方式
      • 2.IP组播地址
      • 3.硬件组播
      • 4.IGMP协议(网际组管理协议)
      • 5.组播路由选择协议
    • 12.移动IP
    • • 1.移动IP相关术语
      • 2.通信过程
  • 6.网络层设备
  • • 1.路由器
    • 2.三层设备的区别
    • 3.路由表和路由转发
• 4.传输层
• • 1.传输层的寻址与端口
  • 2.UDP协议
  • • 1.UDP概述
    • 2.UDP首部格式
    • 3.UDP校验
    • 2.TCP协议

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1.计算机网络基础概念

1.计算机网络的概念

计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

计算机网络是互连(互联互通)的、自治(无主从关系)的计算机集合。

2.计算机网络的功能

1. 数据通信(连通性)
2. 资源共享 (硬件，软件，数据)
3. 分布式处理(多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分)
4. 提高可靠性(替代机)
5. 负载均衡(各计算机之间更亲密)

3.计算机网络的组成

1. 组成部分 硬件、软件、协议
2. 工作方式：边缘部分(用户直接使用)：分为C/S方式和P2P方式；核心部分(为边缘部分服务)
   
3. 功能组成:通信子网(实现数据通信);资源子网(实现资源共享/数据处理)。
   

3.计算机网络的分类

1. 按分布范围分:广域网WAN(交换技术)、城域网MAN、局域网WAN(广播技术)、个人区域网PAN。
2. 按使用者分:公用网(中国电信，中国移动等)；专用网(军队，政府等网络)
3. 按交换技术分：电路交换、报文交换，分组交换
4. 按拓扑结构分：
   
5. 按传输技术分: 广播式网络(共享公共通信信道);点对点网络(使用分组存储转发和路由选择机制)。

4.总结

2.标准

1.标准的分类

2.标准化工作

RFC(Request For Comments)-----------因特网标准的形式
RFC要上升为因特网正式标准的四个阶段:

2021年以后就不要第三步了。

3.标准化工作相关组织

4.总结

3.性能指标

1.速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率
比特:1/0(表现形式) 位(单位)
速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。
单位：b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s。

2.带宽

1. 带宽原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz)。
2. 计算机网络中，带宽用来网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率"。单位比特每秒。
   网络设备所支持的最高速率。
   

3.吞吐量

吞吐量:表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。单位b/s,kb/s,Mb/s等。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

它的实际理想情况最大是100Mb/s，但是两个服务器所需速率相加就是吞吐量。

4.时延

时延：指数据(报文/分组、比特流)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是s。

5.时延带宽积

6.往返时延RTT

概念：从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认(接收方收到数据后立即发送确认)总共经历的时延。

RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。
RTT包括:往返传播时延(传播时延*2)、末端处理时间。

7.利用率

4.分层

1.怎么分层？

1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。
2. 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
3. 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。
4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
5. 整个分层结构应该能促进标准化工作。

2.正式认识分层结构

1. 实体:第n层的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体。
2. 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。语法(规定传输数据的格式)、语义(规定所要完成的功能)、同步(规定各种操作的顺序)。
3. 服务：下层为相邻上层提供的功能调用。
4. 接口(访问服务点SAP):上层使用下层服务的入口。
5. SDU服务数据单元:为完成用户所要求的功能而应传送的数据。
6. PCI协议控制信息:控制协议操作的信息。
7. PDU协议数据单元:对等层次之间传送的数据单位。
   

3.OSI参考模型

下三层是点对点通信，上四层是端对端通信。

1.应用层

所有能和用户交互产生网络流量的程序。
典型应用层服务:文件传输(FTP)、电子邮件(SMTP)、万维网(HTTP)。

2.表示层

用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。

功能一：数据格式变换(翻译官)
功能二：数据加密解密
功能三：数据压缩和恢复

3.会话层

向表示层实体/用户提供建立连接并在连接上有序地传输数据。
这是会话，也是建立同步（SYN）。

功能一：建立、管理、终止会话
功能二：使用校验点可使会话在通信生效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步。
适用于传输大文件。

4.传输层

负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据段。

功能一：可靠传输、不可靠传输
功能二：差错控制
功能三：流量控制
功能四：复用分用

5.网络层

主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。

功能一：路由选择 最佳路径
功能二：流量控制
功能三：差错控制
功能四：拥塞控制

6.数据链路层

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。数据链路层/链路层的传输单位是帧 。

功能一：成帧(定义帧的开始和结束)
功能二：差错控制 帧错+位错
功能三：流量控制
功能四：访问控制 控制对信道的访问

7.物理层

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。
物理层传输单位是比特

透明传输:指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。

功能一：定义接口特性
功能二：定义传输模式 (单工、半双工、双工)
功能三：定义传输速率
功能四：比特同步
功能五：比特编码

主要协议：Rj45、802.3

4.TCP/IP参考模型

1.区别

2.五层参考模型

1.物理层

1.物理层的基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的`规格、接口形状、引线数目、引脚数量``和排列情况。
2. 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
4. 规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序的关系。

2.数据通信的基础知识

通信的目的是传送消息。
数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。

信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接收数据的终点。
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

1.三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

1. 单工通信 只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。
2. 半双工通信 通信的双方都可以发送或接受信号，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。
3. 全双工通信 通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。

2.两种数据传输方式

3

1.码元

码元是指哦那个一个固定时长的信号波形(数字脉冲)了，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于2），此时码元为M进制码元。

1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种表示0，一种表示1状态。
例：
4进制码元→码元的离散状态有四个→4个高低不同的洗脑波形 00、01、10、11

2.速率

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率。

1）码元传输速率：它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是波特(Baud)。1s传输多少个码元。

2） 信息传输速率：别名信息速率比特率等，表示单位时间内数据通信系统传输的二进制码元个数(即比特数)，单位是比特/秒。1s传输多少个比特。

关系:若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s。

带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所通过的最高数据率，常用来表示传输数据的能力。单位是b/s。

3.失真

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

4.奈氏准则

奈氏准则：在理想低通(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速度位2W Baud,W是信道带宽，单位是Hz。

5.香农定理

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

6.“Nice"和"香浓”

4.编码和调制

1.基带信号和宽带信号

2.编码和调制

3.数字数据编码为数字信号

1. 非归零编码[NRZ]：高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。
2. 曼彻斯特编码：前高后低表示1，前低后高表示0。每个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2
3. 差分曼彻斯特编码：同1异0。若为1，则与前一个相同，若为0，则与前一个相反。
4. 归零编码[RZ]: 信号电平在一个码元之内都要恢复到0的这种编码成编码方式。
5. 反向不归零编码[NRZI]:信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1
6. 4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此4B/5B。编码效率为80%
   
   

4.模拟信号编码为数字信号

5.模拟数据调制为模拟信号

5.传输介质

传输介质也称为传输媒体，它就是数据传输系统中再发送设备和接收设备之间的物理通路。
传输媒体并不是物理层。传输媒体再物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输介质为第0层。
在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号是什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
传输媒体比物理层管的更少。

1.双绞线

2.同轴电缆

3.光纤

多模光纤和单模光纤

光纤的特点：

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
2. 抗雷电和电磁干扰性好。
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4. 体积小，重量轻。

4.非导向型传输介质

6.物理层设备

1.中继器

2.集线器(多口中继器)

2.数据链路层

1.功能概述

1.数据链路层的基本概念

结点：主机、路由器

链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线，光纤和微波。分为有线链路和无线链路。

数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上构成数据链路。

帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报。

数据链路层负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报。

2.数据链路层功能概述

2.封装成帧和透明传输

1.封装成帧

2.透明传输

透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。因此，链路层就“看不见”有什么妨碍数据传输的东西。

3.字符计数法

4.字符填充法

5.零比特填充法

6.违规编码法

3.差错控制

1.差错从何而来？

2.差错控制

1.奇偶校验码

2.CRC循环冗余码

3.海明校验码

海明码设计思路:将信息位分组进行偶校验→多个校验位→多个校验位标注出错位置。

海明码求解步骤：

纠错：

补充：

4.流量控制

1.流量控制的方法

2.停止等待协议

1.无差错

2.有差错情况–数据帧丢失或检测到帧出错

RTT表示往返时延

3.有差错–ACK丢失

4.有差错–ACK迟到

5.信道利用率

3.SR协议

重点总结：

4.GBN协议

GBN发送方必须响应的三件事：

5.信道划分介质

1.传输数据的两种链路

点对点链路：两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者。应用：PPP协议，常用于广域网。

广播式链路：所有主机共享通信介质。应用：早期的总线以太网，无线局域网，常用于局域网。典型拓扑结构：总线型，星型。

2.介质访问控制

信道划分介质访问控制：将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。

1频分多路复用FDM

2.时分多路复用TDM

改进—统计时分复用STDM

3.波分多路复用WDM

4.码分多路复用CDM

https://blog.csdn.net/penguinyao/article/details/104631154

5.ALOHA协议

纯ALOHA协议

时隙ALOHA协议

6.CSMA协议

1-坚持CSMA

非坚持CSMA

p-坚持CSMA

7.CSMA/CD协议

最小帧长

6.局域网

1.局域网的基础概括

1.网络拓扑

主要使用总线型拓扑。

2.局域网传输介质

3.介质访问控制方法

4.局域网分类

IEEE 802标准

5.MAC子层和LLC子层

2.以太网

1.无连接、不可靠的服务

2.以太网传输介质拓扑结构的发展

3. 10BASE-T以太网

4.适配器与MAC地址

5.以太网MAC帧

6.高速以太网

3.无线局域网

1.802.11的MAC帧头格式

2.无线局域网的分类

1.有固定基础的设施无线局域网

2.无固定基础设施无线局域网的自组织网络

7.广域网

1.PPP协议

1.PPP协议的特点

点对点PPP是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议。只支持全双工链路。

2.PPP协议应满足的要求

3.PPP协议无需满足的要求

4.PPP协议的三个组成部分

5.PPP协议的状态图

6.PPP协议的帧格式

声明：本文在经过 努力的clz同意的情况下进行了一定的借鉴。图片来源于王道，本文仅用于学习所用！

王道计算机组成原理课代表 - 考研计算机 第五章 中央处理器 究极精华总结笔记_努力的clz的博客-CSDN博客

CPU的功能和基本结构

cpu的功能：

指令控制。完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制。

操作控制。一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。CPU管

理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，

从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

时间控制。对各种操作加以时间上的控制。时间控制要为每条指令按时间

顺序提供应有的控制信号。

数据加工。对数据进行算术和逻辑运算。

中断处理。对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理。

cpu中有运算器和控制器：

运算器：对数据进行加工

控制器：

协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，基本功能包括取指令、分析指令、执行指令

取指令:自动形成指令地址;自动发出取指令的命令。

分析指令:操作码译码(分析本条指令要完成什么操作);产生操作数的有效地址。

执行指令:根据分析指令得到的“操作命令”和“操作数地址”形成操作信号控制序列，控制运算器、存储器以及I/O设备完成相应的操作。

中断处理:管理总线及输入输出;处理异常情况(如掉电)和特殊请求(如打印机请求打印一行字符)。

运算器的基本结构：

算数逻辑单元和通用寄存器

ALU是一个组合逻辑电路，可以实现算数运算和逻辑运算。图中A、B是指提供的两个操作数。很多情况下会把参与运算的一些数据提前存放在一些通用寄存器中。比如。

右侧为x86架构对应的通用寄存器

在X86架构中，还会提供一些通用寄存器组AX，BX，CX，DX，SP等。如上图所示，其中AH指的是AX寄存器中的高位字节部分，AL指的则是AX寄存器中的低字节部分。其余部分的也类似。通用寄存器可以用来存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果和各种地址信息。SP是堆栈指针，用于指示堆栈的地址）

专用数据通路方式

数据通路设计方式

专用数据通路方式

专用数据通路方式：根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接线路。（如果直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据）

由于只能在专用寄存器中左边选择一个和右边选择一个进行输入，不能左边或者右边同时输入多个数据，因此有两种解决方案:

解决方法1:使用多路选择器根据控制信号选择一路输出

解决方法2.使用三态可以控制每一路是否输出

采用专用数据通路的方式，优点是性能较高，基本不存在数据冲突现状，缺点是结构复杂，硬件量大，不易实现。

CPU内部单总线设计方式

CPU内部单总线设计方式：将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上。寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上。

寄存器中的数据如何通过总线传入算数逻辑单元？首先将R0out打开（使三态门有效），这时候R0寄存器中的数据会通过总线先流入暂存寄存器中，之后需将R0out关闭（使三态门失效），将R1打开，这时候数据会通过另一个导线流入B（这里应该有一个控制的过程，目前还不理解这里为什么会指定流入A或B）。通过运算后，数据要保存在R0中。ALU的两个信号端A、B一定要等到两端电信号稳定后若在ALU之后不加暂存寄存器，那么输出结果会对B的信号造成影响。

A、B两处的操作数都需要从总线读数据，这步就发生冲突了，所以可以给其中一端添加 暂存寄存器 ，解决输入冲突问题； AUL的运算结果 和 B操作数输入端 都连接这总线，又发生了冲突，所以在ALU的输出端也添加了 暂存寄存器 ； 暂存寄存器 还可以添加一些功能，改造成 移位寄存器 或 累加寄存器 ；

控制器的基本结构

2. 控制器的基本结构
PC 程序计数器；
IR 指令寄存器，OP 为 操作码字段，Ad为地址码字段；
ID 指令译码器，OP 作为译码器的输入，该指令对应的输出端就会选通，就知道具体指令操作；
​ ID的输出信号 就是 微操作信号发生器 的输入信号，用来判断该指令对应的微操作序列；
​ 说白了，译码器 会将 操作码字段 具体分为对应的 微操作 ；
MAR 地址寄存器;
MDR 数据寄存器，MDRin 是从CPU内部输入，MDRinE 是从外部输入；MDRout ，MDRoutE 同理；
时序系统，用于产生各种时序信号，它们都是由同一时刻分频得到的；
微操作信号发生器；

​ 下图中橙色的寄存器为 用户可见的寄存器 ，灰色表示 用户不可见的寄存器 ；（选择题常考）
用户可见寄存器 (可对其编程)： X 通用寄存器、PSW 程序状态字寄存器、累加器 ACC、程序计数器 PC；
用户不可见寄存器 (不可编程)： MAR 存储器地址寄存器、MDR 存储器数据寄存器、IR 指令寄存器；

本章小结

指令的执行

指令周期

指令周期：cpu从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间。（每个指令的指令周期不一定相等）

一个 指令周期 划分为若干个 机器周期 (CPU周期) ；

一个 机器周期 划分为若干个 时钟周期（时钟周期 = 节拍 = T周期 = CPU时钟周期）；

一条指令的执行分为不同的阶段：取指周期 - 间址周期 - 执行周期 - 中断周期；

当 CPU 采用中断方式实现主机和 I/O设备 的信息交换时，CPU在每条指令执行结束前，都要发中断查询信息。若有中断请求，

则CPU进入中断响应阶段（中断周期）；

指令周期的数据流

为了标识当前处于哪个阶段，CPU内设置四个 标志触发器：FE、IND、EX、INT；

四个工作周期 都有CPU访存 操作，只是访存的 目的不同 ：

• 取值周期 为了 取指令；

• 间址周期 为了 取有效地址；

• 执行周期 为了 取操作数；

• 中断周期 为了 保护程序断点；

1. 取指周期

取指周期的任务是根据PC中的内容，从主存中 取出指令代码 并 存放在IR中 ；

2. 间址周期

间址周期的任务是取操作数有效地址；

3. 执行周期

4.中段周期

指令执行方案

指令执行方案

• 单指令周期：每条指令的 执行时间 规定相同；

• 多指令周期：每天指令的 执行时间 可以不同；

• 流水线方案：具体看 指令流水线 ；

章节小结

数据通路的功能和基本结构

本节重点关注在指令执行中， 数据流动 情况和对应 控制信号；

数据通路的功能

​ 数据通路：数据在功能部件之间传送的路径；
​ 数据通路描述了信息从哪里开始、中间经过哪些部件、最终传送到哪个寄存器；
​ 数据通路由 控制部件 控制，控制部件根据每条指令功能的不同生成对数据通路的控制信号；
​ 数据通路的功能是 实现CPU内部的 运算器与寄存器 及 寄存器之间 及 寄存器与主存之间 的数据交换 ；

单总线结构

1. CPU内部单总线方式
数据流动的三个主要情况：寄存器与寄存器、寄存器与主存、寄存器与ALU，下面分别讨论三种情况；
复习：在CPU中至少要有六类寄存器：指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、数据寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、程序状态字寄存器（PSW）。
① 寄存器与寄存器之间的数据传送

内部总线：同一部件，如CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线

系统总线：同一台计算机系统的各个部件，如CPU、内存、通道和各类I/O接口间互相连接的总线。

理解：上图所示是把PC（程序计数器）中的内容发送至MAR（地址寄存器）中。CU（控制信号）会有电路连接在XXin和XXout，进而对数据流进行控制。（Bus是总线的意思）

（PC）--->Bus-->MAR（一般要给PC加上括号，加上括号是不会有错的，不加会有一定的风险）。

② 主存与CPU之间的数据传送

主存与cpu之间数据传送

理解：需要CPU从主存中读取指令，实现传送操作的流程及控制信号：

首先程序计数器会指明我们的所需要读取的指令存放在主存中的地址，因此要完成将PC内容送至MAR中，也就是第①步（寄存器与寄存器之间的数据传送）。

得到地址信息后，会撤销PCout和MARin，紧接着CU会给主存发送（1->R）读的操作，这时候CU会通过控制总线将MARinE中的地址信息通过地址线发送给主存。

主存通过地址信息MEM（MAR）->MDR，通过CU控制总线的控制将MDRinE打开，将数据保存到MDR中。

所以主存与cpu之间数据传送这张图中的MDRin有效是有一些问题的，它的意思是MDRinE有效，及主存与MDR之间的数据传送线是有效的。

最后MDR->Bus->IR就不再说明了。

③ 执行算术或逻辑运算

专用通路结构

【讨论】专用数据通路方式在 取指周期 的步骤

章节回顾

硬布线控制器

硬布线控制器，用 纯硬件 的方式实现控制器的功能；
微命令 是工作要求， 微操作 是具体工作；
一个节拍内可以 并行 完成 多个 相容的 微操作；

原理很像 逻辑公式表 ，例如： C 1 = FE · T 0 ；
当机器周期处于 FE取值周期，且在该周期的 T 0 节拍时，所对应的微操作就是 C 1 ；

下图就是本节的学习目标，不过考试不会考这么难；
紫色的线是 机器周期信号 ；
棕色的线是 节拍信号 ；
蓝色的线是 指令操作码信号 ；

硬布线控制器的设计

本节的重点： 硬布线控制器的设计 ⭐

1. 分析每个阶段的微操作序列

2. 选择CPU的控制方式

​ 产生不同微操作命令序列所用的时序控制方式；
(1) 同步控制方式
​ 任意微操作均由同一基准时标的时标信号控制；（例如：15分钟后下课）
​ CPU把地址、数据和控制信号给内存后，会自动的隔一段时间区去取数据；
​ ① 采用 定长 的机器周期
​ 以 最长 的微操作序列 和 最繁琐 的微操作为标准机器周期；
​ 优点：控制简单；
​ 缺点：例如规定一个CPU周期4个节拍。有时执行完2个节拍就结束了，却还需要等待4个节拍结束；
​ ② 采用 不定长 的机器周期
​ 机器周期内节拍数不同，需要的多就延长，需要的少就减少；
​ ③ 采用 中央控制 和 局部控制 相结合的方法
​ 节拍数只延长，不减少；
(2) 异步控制方式
​ 采用应答方式、无基准时标信号、无固定的周期节拍和严格的时钟固定；
(3) 联合控制方式
​ 同步、异步相结合；

3. 安排微操作时序

① 取指周期

② 间址周期

③ 执行周期

④ 中断周期

电路设计 - 组合逻辑设计

① 列出操作时间表

② 写出微操作命令的最简表达式

③ 画出逻辑图

小结

微程序控制器

硬布线控制器 虽然很难，但不是考试的重点，微程序控制器 大题有可能考察；

1. 微程序控制器设计思路

​ 组合逻辑电路设计：用 门电路 直接进行控制；

​ 微程序电路设计：仿照程序思想，由 控制存储器 发出控制信号；

​ 程序员编写的代码，被翻译成一系列机器指令；

​ 每条 机器指令 的执行包含多个阶段，每个 机器阶段 需要执行多条微指令，每条 微指令 由多个 微操作 构成；

【注意】

微命令 与 微操作 一一对应；
微指令 中可能包含 多个 微命令 ；

2. 微程序控制器的基本结构

​ 重要部件： 控制存储器 uCM ，存放各指令对应的微程序；

​ CM被分为若干个区域，每个区域对应一条机器指令在执行过程中，除 取指微指令 之外的微指令；

​ ADD1 R1 ，(R2) ，需要两条微指令（取数 + 加法）；

​ ADD1 R1 ，R2 ，只需要一条微指令（加法）；

3. 微程序控制器的工作原理

下图中的 LDA X 指令是缩写，实际含义是 Load ACC X ，把X里的数据放进ACC里去；

由于机器指令LDA X可能不需要通过间指周期寻址，因此会有标志位指明并进行判断。

小结