计算机系统的组成（1硬件系统篇）

Posted 2023-04-03 ao555

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机系统的组成（1硬件系统篇）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

说到计算机系统，我们不得不提到一个人：

约翰·冯·诺依曼（1903年12月28日-1957年2月8日）

他提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序储存执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构

计算机系统是如何运转的？

计算机系统由硬件系统和软件系统组成

计算机硬件系统：由输入设备、运算器、控制器、存储设备和输出设备组成。、

其中传说中的Cpu（中央处理器）其实就是：运算器和控制器

功能主要包括：解释计算机指令及处理计算机软件中的数据

内存：存储器是计算机系统的记忆装置，它的主要功能是存放程序和数据。分类：存储器分为内部存储器和外部存储器。

内存存储器分为随机存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（Read only Memory，ROM）

随机存储器中的数据可以读出，也可以写入，断电后存储内容消失。

只读存储器中的数据只能读出，不能由用户在写入新的内容，断电后数据不会丢失。

外存：外部存储器又称辅助存储器，如硬盘、U盘、软盘、磁带，CD，DVD等能长期保存信息，并且对信息的保存不依赖电源。

输入设备（人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到中）：键盘、鼠标、摄像头、手写输入板、扫描仪、光笔、麦克风

输出设备（将计算机的运算结果或者中间结果打印或显示出来）：显示器、打印机、绘图仪、3D打印机、影像输出系统

那些设备即是输入设备又是输出设备呢？答：磁盘、U盘和软盘等存储设备、触摸屏、、、

计算机组成原理（期末篇）

1、计算机系统的组成
计算机系统由硬件和软件两部分组成
硬件，是指计算机的实体部分，由看得见摸得着的各种电子元器件组成，如主机、外设
软件，是指具有各类特殊功能的程序，通常放在计算机的主存或辅存中
软件分为系统软件和操作软件
系统软件（程序软件），用来管理整个计算机系统，监听服务，调度系统资源，包括：标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务程序、数据库管理系统、网路软件等
应用软件（应用程序），用户根据任务需要所编制的各种程序

2、冯诺依曼机器的主要特点？
1）计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成；
2）指令和数据存储在存储器中，并可以按地址访问；
3）指令和数据均以二进制表示；
4）指令由操作码和地址码构成，操作码指明操作的性质，地址码表示操作数在存储器中的位置；
5）指令在存储器内按顺序存放，通常按自动的顺序取出执行；
6）机器以运算器为中心，I/O设备与存储器交换数据也要通过运算器。（后来以存储器为中心）

3、区分存储单元、存储字、存储字长、存储体、机器字长、存储字长
存储单元：存储一个存储字并具有特定存储地址的存储单位；
存储字：一个存储单元中存放的所有的二进制数据，按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据。
存储字长：存储字中二进制数据的位数，即按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据的位数；
存储体：由多个存储单元构成的存储器件。
机器字长：CPU一次能够处理的二进制数据的位数。
存储字长：按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据的位数。

4、区分MAR，MDR
1）MAR：存储地址寄存器，保存需要访问的存储单元地址。反映存储单元的个数。
2）MDR：存储数据寄存器，缓存读出/写入存储单元的数据。反映存储字长。
3）存储器的最大容量由MAR寄存器的位数和MDR寄存器的位数决定

5、MAR与MDR的计算
假设MAR寄存器的位数为16位，MDR寄存器的位数为16位，存储器的最大容量是多少？
1）MAR寄存器的位数为16位，能表示的地址个数为2的16次方，为64K；
2）MDR寄存器的位数为16位，说明存储字长为16位，也即2个字节；
3）存储器的最大容量为64K * 2B = 128K Byte

6、总线的基本概念
总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质
{总线实际上是由许多传输线或通路组成，每条线可一位一位地传输二进制代码，一串二进制代码可在一段时间内逐一完成。若干条传输线可以同时传输若干位二进制代码。
例：16条传输线组成的总线可同时传输16位二进制代码）

7、总线特性
机械特性：几何尺寸、形状、引脚的个数、排列顺序
电气特性：信号传递方向、有效电平范围
功能特性：总线中每根传输线的功能
时间特性：总线中的任一根线的有效时间

8、总线的性能指标
1）总线宽度：数据总线的根数，一般是8的倍数。是衡量计算机系统性能的重要指标；
2）总线带宽：即总线数据传输速率，总线上每秒能够传输的最大字节量。
3）时钟同步/异步：与时钟同步/不同步工作的总线
4）总线复用：一条信号线上分时传送两种信号
5）信号线数：地址总线+数据总线+控制总线
6）总线控制方式:突发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式
7）其他指标：负载能力、电源电压、总线宽度能否扩展等

9、总线宽度、总线带宽的计算
总线带宽=总线宽度*时钟频率
总线带宽=总线宽度/时钟周期
例：总线宽度为32bit，时钟频率为200MHz，若总线上每5个时钟周期传送一个32bit的字，问总线带宽是多少？
解答：总线时钟频率为200MHz，
           1 个时钟周期为1/200MHz=0.005μs
           总线传输周期为0.005μs×5=0.025μs
           由于总线的宽度为32 位=4B（字节）
           故总线的数据传输率为4B/（0.025μs）=160MBps
【说明】总线宽度为32位=4字节，其中32位指的是一次能处理32个二进制，而8个二进制等于1个字节，所以32位一次能传送32/8=4B，即4个字节
若想提高数据传输率：增大数据线宽度/增加总线时钟频率

10、总线标准
解决系统、模块、设备与总线之间不适应、不通用及不匹配的问题
ISA总线、EISA总线、VESA总线、PCI总线、AGP总线、RS-232C总线、USB总线
支持即插即用（Plug and Play）：PCI、USB、EISA

11、系统总线的分类

1）数据总线：传递数据，双向传输；
2）地址总线：指出地址码，单向：由CPU发出
3）控制总线：发出控制信号，对于控制总线中的单根线，是单向的，即只能由一个部件发向另一个部件。而一组控制总线中，有输入也有输出，因此，控制总线也可以看成是双向的。

12、总线周期的四个阶段
1）总线周期：完成一次总线操作的时间（总线上两个部件完成一次完整且可靠的数据传输时间）
2）分为四个阶段：申请分配阶段：申请总线
   寻址阶段：发出地址及有关命令
   传数阶段：进行数据交换
   结束：从总线上撤除信号，让出总线

13、总线控制（包括判优控制和通信控制）
~总线判优控制（解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题）
常见的集中控制优先权仲裁方式：
链式查询：对电路故障最敏感
计数器定时查询：查询方式优先级设置较灵活
独立请求方式：响应速度快
~总线通信控制（解决通信双方如何获知传输开始和传输结束，以及通信双方如何协调配合）
通信控制四种方式：同步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信
~~同步通信：总线上各个部件由统一的时钟信号控制；在总线周期中，每个时钟周期各个部件如何动作都有明确的规定。
      优点：速度快，各个模块间配合简单
      缺点：以总线上最慢的部件来设计公共时钟，影响总线效率。
~~异步通信：总线上各部件没有统一的时钟标准，采用应答式通信；（主模块发出请求后，一直等到从模块反馈回来应答信号之后才开始通信）
     异步通信的应答方式分为：不互锁、半互锁、全互锁

14、波特率、比特率
波特率：单位时间内传送的二进制数据数据的位数，单位bps
比特率：单位时间内传送的有效的二进制位数，单位bps

15、波特率、比特率的计算
例如：在异步串行传送系统中，字符格式为：1个起始位、8个数据位、1个校验位、2个终止位。若要求每秒传送120个字符，试求传送的波特率和比特率。
一帧包含：1+8+1+2=12位
波特率为：（1+8+1+2）*120=1440bps
比特率为：8*120=960bps

16、奇偶校验、汉明码
奇偶校验只能检错，不能纠错。汉明码可以纠错。
17、异步通信时规需要设置的参数
波特率、停止位（1/2/1.5）、校验位（奇校验、偶校验、无校验）