计算机组成原理
2021-12-12 17:05:04 2 举报AI智能生成
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大纲/内容
第一章 计算机系统概论
计算机系统简介
计算机的软硬件概念
计算机系统
硬件
软件
软件系统
语言处理程序
操作系统
服务性程序
数据库管理程序
网络软件
应用软件
计算机的解题过程
计算机的层次结构
计算机体系结构和计算机组成
计算机体系结构
计算机组成
计算机的基本组成
冯.诺依曼计算机
计算机硬件框图
以存储器为中心的计算机
现代计算机
计算机的工作步骤
上机前的准备
计算机的解题过程
存储器的基本组成
存储体
MAR
MDR
运算器的基本组成及操作过程
控制器的基本组成
PC
IR
CU
主机完成一条指令的过程
计算机系统性能评价
非时间指标
机器字长
总线宽度
主存容量，存储带宽
CPU内核数
时间指标
主频，周频，外频，倍频
CPI
IPC
MIPS
MFLOPS
CPU时间
第二章 计算机的发展及应用
计算机发展应用
原始计算工具
算筹
算盘
冈特计算尺
机械式计算机
达芬奇机械式计算机
Pascal机械加法机
莱布尼兹乘法机
自动提花机启示编程序
Babbage差分机
Ada Augusta
飞鱼牌手摇计算机
机电式计算机
赫尔曼.霍勒斯制表机
电子计算机
真空电子二极管
真空电子三极管
ENIAC
冯.诺伊曼
图林机
第一代电子管计算机时代
年代 1946~
基础器件 电子管
运算速度 几千~几万次/s
存储器 水银延迟线，磁鼓，纸带，卡片
特征 机器语言，汇编语言
应用范围 科学计算
存储器的出现
高级语言的出现
晶体管造就第二代计算机
年代 1958~
基础器件 晶体管
运算速度 几万~几万次/s
存储器 磁芯，磁盘，磁带
特征 算法语言，FORTRAN，ALGOL-60,COBOL操作系统
应用范围 科学计算，数据处理
第三代计算机
年代 1965~
基础器件 集成电路
运算速度 几十万~几百万次/s
存储器 半导体，磁盘
特征 软件技术，外设发展迅速小型计算机
第四代计算机
年代 1971~
基础器件 超大规模集成电路
运算速度 MIPS->GIPS->TIPS
存储器 半导体，磁盘
特征 微型计算机，多机处理、网络化
第一台微型计算机
Apple
PC元年
第五代 未来
我国计算机技术的发展
MIPS阵营--龙芯
X86阵营--兆芯（VIA），海光（AMD）
自主指令--申威（Alpha指令集扩展）
ARM阵营--飞腾，海思，展讯，松果
RISC-V阵营--阿里-平头哥
计算机系统组成
硬件组成
输入设备input
鼠标mouse,键盘keyboard
输出设备output
显示设备display,打印设备printer
存储设备memory
硬盘驱动器disk drives,内存DRAM,SRAM,存储设备CD
网络Network
计算机五大功能部件
运算器
控制器
存储器
输入设备
输出设备
总线
软件组成
系统软件
应用软件
固件
计算机的层次结构
应用程序
高级语言(C)
汇编语言(MIPS)
操作系统
指令集架构层(MIPS)
微代码层
硬件逻辑层
超算
神威太湖之光
第三章 系统总线
总线的基本概念
概念
总线上信息的传输
并行
串行
总线结构的计算机举例
面向CPU的双总线结构
单总线结构
以存储器为中心的双总线结构
总线的分类
片内总线
系统总线
数据总线
地址总线
控制总线
通信总线
总线的特征及性能指标
总线物理实现
总线特征
机械特性
电气特性
功能特性
时间特性
总线的性能指标
总线宽度
总线带宽
时钟同步/异步
总线复用
信号线数
总线控制方式
其他指标
总线标准
总线结构
单总线结构
多总线结构
双总线结构
三总线结构
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
总线控制
总线判优控制
基本概念
链式查询方式
计数器定时查询
独立请求方式
总线通信控制
目的
总线传输周期
总线通信的四种方式
同步通信
同步式数据输入
同步式数据输出
异步通信
半同步通信
分离式通信
计算设备体积随着半导体工业发展呈指数式缩小
CPU
相互依存，逻辑等效性，协同发展
速度越来越快，体积越来越小，成本越来越低，功耗越来越低
第四章 存储器
概述
存储器分类
按存储介质分类
半导体存储器
双极型存储器（TTL)
（C）MOS存储器
磁存储器
磁表面存储器
磁芯存储器
激光存储器
按存取方式分类
随机存储器
顺序存储器
按读写功能分
只读存储器（ROM）
EROM
PROM
EPROM
EEPROM
读/写存储器
按信息的可保存性分
易失性存储器
非易失性存储器
按在计算机中系统的作用分类
主存储器
RAM
静态RAM
动态RAM
ROM
MROM
PROM
EPROM
EEPROM
辅助存储器
高速缓冲存储器（Cache）
控制存储器
存储系统的分层结构
存储器三个主要特性的关系
缓存-主存层次和主存-辅存层次
主存中存储单元地址的分配
高位字节
低位字节
存储系统主要技术指标
存储时间
储存周期
储存器带宽
主存储器
概述
主存的基本组成
主存和CPU的联系
主存中存储单元地址的分配
高位字节
低位字节
主存的技术指标
存储容量
存储速度
存取时间
存储周期
存储器的带宽
半导体存储芯片简介
半导体存储芯片的基本结构
半导体存储芯片的译码驱动方式
线选法
重合法
随机存取存储器（RAM）
静态RAM(SRAM)
静态RAM基本电路
静态RAM基本电路的读操作
静态RAM基本电路的写操作
静态RAM芯片举例
动态RAM(DRAM)
动态RAM基本单元电路
随机存取存储器
只读存储器
存储器与CPU的连接
存储器容量的扩展
位扩展
字扩展
字，位扩展
存储器与CPU的连接
地址线的连接
数据线的连接
读/写命令线的连接
片选线的连接
合理选择存储芯片
其他 时序，负载
储存器的校验
奇偶校验码
汉明码
提高访存速度的措施
单体多字系统
多体并行系统
高位交叉
低位交叉
存储器控制部件
高性能存储芯片
SDRAM
RDRAM
带Cache的DRAM
高速缓冲存储器
概述
提出问题
Cache的工作原理
主存和缓存的编址
命中与未命中
Cache的命中率
Cache-主存系统的效率
Cache的基本结构
Cache的读写操作
写直达法
写回法
Cache的改进
单一缓存和两极缓存
统一缓存和分立缓存
Cache-主存的地址映射
直接映射
全相联映射
组相联映射
替换算法
先进先出（FIFO）算法
近期最少使用（LRU）算法
随机法
辅助存储器
概述
辅助存储器的特点
磁表面存储器的主要技术指标
记录密度
存储容量
平均寻址时间
数据传输率
误码率
磁记录原理和记录方式
磁记录原理
磁表面存储器的记录方式
评价记录方式的主要指标
硬磁盘存储器
硬磁盘存储器类型
按磁头的工作方式
固定磁头磁盘存储器
移动磁头磁盘存储器
按磁盘是否具有可换性
可换盘磁盘存储器
固定盘磁盘存储器
硬磁盘存储器的结构
磁盘驱动器
磁盘控制器
盘片
软磁盘存储器
概述
软盘片
光盘存储器
概述
光盘的存储原理
第五章 输入输出系统
概述
输入输出系统的发展概况
早期阶段
接口模块和DMA阶段
具有通道结构的阶段
具有I/O处理机的阶段
输入输出系统的组成
I/O软件
I/O指令
通道指令
I/O硬件
I/O设备与主机的联系方式
I/O设备编址方式
统一编址
不统一编址
设备选址
传送方式
串行
并行
联络方式
立即响应方式
异步工作采用应答信号联络
同步工作采用同步时标联络
I/O设备与主机的连接方式
辐射式连接
总线连接
I/O设备与主机信息传送的控制方式
程序查询方式
程序中断方式
DMA方式
I/O设备
概述
人机交互设备
将人体五官可识别的信息转换成机器可识别的信息
将人体五官可识别的信息转换成人们可识别的信息
计算机信息存储设备
机-机通信设备
输入设备
键盘
鼠标
机械式
光电式
触摸屏
电阻式
电容式
表面超声波式
扫描红外线式
压感式
其他输入设备
光笔
画笔与图形板
图像输入设备
输出设备
显示设备
打印机
其他
终端设备
A/D与D/A转换器
汉字处理设备
多媒体技术
I/O接口
概述
可实现I/O设备的选择
可实现数据缓冲
可实现数据串-并格式的转换
可实现电平转换
可传送控制命令
可监视设备的工作状态
接口的功能和组成
总线连接方式的I/O接口电路
数据线
设备选择线
命令线
状态线
接口的功能和组成
选址功能--设备选择电路
传送命令的功能--命令寄存器，命令译码器
传送数据的功能--数据缓冲寄存器（DBCR)
反映设备状态的功能--设备状态标记
[/O接口的基本组成
接口类型
按数据传送方式分类
并行接口
串行接口
按功能选择的灵活性分类
可编程接口
不可编程接口
按通用性分类
通用接口
专用接口
按数据传送的控制方式分类
中断接口
DMA接口
程序查询方式
程序查询流程
查询流程
程序流程
程序查询方式的接口电路
程序中断方式
中断的概念
I/O中断的产生
程序中断方式的接口电路
中断请求触发器和中断屏蔽触发器
排队器
中断向量地址形成部件
程序中断方式接口电路的基本组成
I/O中断处理过程
CPU响应中断的条件和时间
I/O中断处理过程
中断服务程序流程
中断服务程序的流程
保护现场
中断服务（设备服务）
恢复现场
中断返回
单重中断和多重中断
DMA方式
DMA方式的特点
DMA和程序中断两种方式的数据通路
DMA与主存交换数据的三种方式
停止CPU访问主存
周期挪用/周期窃取
CPU此时不访存
CPU正在访存
CPU与DMA同时请求访存
DMA与CPU交替访问
DMA接口的功能和组成
DMA接口功能
向CPU申请DMA传送
处理总线控制权的转交
管理系统总线，控制数据传送
确定数据传送的首地址和长度，修正传送过程中的数据地址和长度
DMA传送结束时，给出操作完成信号
DMA接口组成
DMA的工作过程
DMA传送过程
预处理
数据传送
后处理
DMA接口与系统的连接方式
具有公共请求线的DMA请求
独立的DMA请求
DMA方式与程序中断方式的比较
DMA接口的类型
选择型
多路型
链式
独立请求型
第六章 计算机的运算方法
无符号数和有符号数
无符号数
有符号数
机器数与真值
原码表示法
定义
整数
小数
零
补码表示法
补的概念
补码定义
整数
小数
零
求补码的快捷方式
反码表示法
定义
整数
小数
零
真值范围
移码表示法
移码定义
移码和补码的比较
真值，补码和移码的对照表
移码的特点
数的定点表示和浮点表示
定点表示
浮点表示
浮点数的表示形式
浮点数的表示范围
浮点数的格式化形式
浮点数的规格化
机器零
IEEE754标准
定点运算
移位运算
移位的意义
算术移位规则
算术移位的硬件实现
算术移位和逻辑移位的区别
加减法运算
补码加减运算公式
加法
减法
溢出判断
单符号位溢出判断
双符号位溢出判断
乘法运算
笔算乘法
笔算乘法改进
原码乘法
原码一位乘运算规则
原码两位乘
原码两位乘和原码一位乘比较
补码乘法
补码一位乘运算规则
乘法
Booth算法
除法运算
笔算除法
笔算除法与机器除法的比较
原码除法
恢复余数法
不恢复余数法
补码除法
商值的确定
比较被除数和除数绝对值的大小
末位恒置“1”法
商符的形成
新余数的获得
补码除和原码除的比较
浮点四则运算
浮点加减运算
对阶
求阶差
求阶原则
尾数求和
规格化
规格化数的定义
规格化数的判断
左规
右规
舍入
0舍1入法
恒置“1”法
溢出判断
浮点乘除运算
乘法
除法
步骤
浮点运算部件
算术逻辑单元
ALU电路
快速进位链
并行加法器
串行进位链
并行进位链
单重分组跳跃进位链
双重分组跳跃进位链
双重分组跳跃进位链 大组进位分析
双重分组跳跃进位链 大组进位线路
双重分组跳跃进位链 小组进位线路
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