计算机组成原理(4.1存储子系统概述)

计算机组成原理期末复习资料（陆瑶编著）第一章计算机的系统概述（P1-8）1.1计算机的组成任务（P1）1.计算机系统由硬件和软件两个子系统组成；2.计算机系统结构主要有a、研究计算机系统硬件、软件功能的分配；b、确定硬件和软件的界面；c、完成提高计算系系统性能的方法；3.计算机的组成是按照计算机系统结构分配给硬件子系统的功能以与确定的概念结构，研究硬件子系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令集的各种功能和特性。

4.计算机实现是计算机组成的物理实现，即按计算机组成制定的方案，制作出实际的计算机系统，它包括处理器、主存、总线、接口等各部件的物理结构的实现，器件的集成度和速度的选择和确定，器件、模块、插件、底板的划分和连接，专用器件的设计，电源配置、冷却、装配等各类技术和工艺问题的解决等。

1.2计算机的硬件系统结构P2（1.2.1）5.电子数字计算机普遍采用冯·诺依曼计算机系统结构。

6. 主机：由、存储器与接口合在一起构成的处理系统称为主机。

7. ：中央处理器，是计算机的核心部件，由运算器和控制器构成。

8.冯·诺依曼计算机系统结构由运算器、控制器、储存器、输入设备、输出设备5大部件组成，相互间以总线连接。

9.运算器的作用：计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。

运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以与移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件()。

（算数逻辑部件（）：用于完成各种算术运算和逻辑运算（主要用于条件判断、设备控制等）。

）10.控制器的作用：是计算机的指挥中心,负责决定执行程序的顺序,给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令.由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的"决策机构"，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

11储存器的作用：是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。

【计算机组成原理】存储系统存储器的层次和结构从不同⾓度对存储器进⾏分类：1.按在计算机中的作⽤（层次）分类 （1）主存储器。

简称主存，⼜称内存储器（内存），⽤来存放计算机运⾏期间所需的⼤量程序和数据，CPU 可以直接随机地对其进⾏访问，也可以和告诉缓冲存储器（Cache）及辅助存储器交换数据，其特点是容量较⼩、存取速度较快、单位价格较⾼。

（2）辅助存储器。

简称辅存，⼜称外存储器（外存），是主存储器的后援存储器，⽤来存放当前暂时不⽤的程序和数据，以及⼀些需要永久性保存的信息，它不能与CPU 直接交换信息。

其特点是容量极⼤、存取速度较慢、单位成本低。

（3）⾼速缓冲存储器。

简称 Cache，位于主存和 CPU 之间，⽤来存放正在执⾏的程序段和数据，以便 CPU 能⾼速地使⽤它们。

Cache 地存取速度可与 CPU 的速度匹配，但存储容量⼩、价格⾼。

⽬前的⾼档计算机通常将它们制作在 CPU 中。

2.按存储介质分类 按存储介质，存储器可分为磁表⾯存储器（磁盘、磁带）、磁芯存储器、半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）和光存储器（光盘）。

3.按存取⽅式分类 （1）随机存储器（RAM）。

存储器的任何⼀个存储单元的内容都可以随机存取，⽽且存取时间与存储单元的物理位置⽆关。

其优点是读写⽅便、使⽤灵活，主要⽤作主存或⾼速缓冲存储器。

RAM ⼜分为静态 RAM （以触发器原理寄存信息，SRAM）和动态 RAM（以电容充电原理寄存信息，DRAM）。

（2）只读存储器（ROM）。

存储器的内容只能随机读出⽽不能写⼊。

信息⼀旦写⼊存储器就固定不变，即使断电，内容也不会丢失。

因此，通常⽤它存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚⾄⽤于操作系统的固化。

它与随机存储器可共同作为主存的⼀部分，统⼀构成主存的地址域。

由ROM 派⽣出的存储器也包含可反复重写的类型，ROM 与RAM 的存取⽅式均为随机存取。

⼴义上的只读存储器已可已可通过电擦除等⽅式进⾏写⼊，其“只读”的概念没有保留，但仍然保留了断电内容保留、随机读取特性，但其写⼊速度⽐读取速度慢得多。

计算机组成原理第4章存储器系统存储器系统是计算机的核心组成部分之一，它用于存储和检索数据和指令。

在计算机组成原理中，存储器系统的设计和性能对整个计算机系统的性能有着重要的影响。

本章将介绍存储器系统的组成、层次结构以及存储器的性能评价等内容。

一、存储器系统的组成存储器系统由多个存储器模块组成，其中包括主存储器、辅助存储器以及缓存存储器等。

主存储器是CPU直接访问的存储器，用于存储程序和数据。

辅助存储器是主要用于长期存储数据和程序的存储器，例如磁盘、光盘等。

缓存存储器是位于CPU和主存储器之间的高速存储器，用于缓存主存储器中的数据和指令，以提高计算机系统的性能。

二、存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构是指根据存储器的速度和容量，将存储器划分为多个层次，从而提供更高效的数据访问方式。

通常，存储器层次结构由多个层次组成，包括高速缓存、主存储器和辅助存储器。

高速缓存是存储器层次结构中最靠近CPU的一级存储器，其速度比主存储器快几倍或几十倍，容量较小。

它通过存储最近访问的数据和指令来提高访问速度，减少CPU等待数据的时间。

主存储器是存储器层次结构中的第二级存储器，其速度比辅助存储器快几百倍或几千倍，容量适中。

主存储器通过存储程序和数据来提供直接访问的能力。

辅助存储器是存储器层次结构中的最低级存储器，其速度比主存储器慢几个数量级，容量很大。

辅助存储器主要用于长期存储数据和程序，例如磁盘、光盘等。

三、存储器的性能评价存储器的性能主要包括存取时间和存储容量两个方面。

存取时间是指从CPU发出读/写指令到数据从存储器中被读取或写入CPU的时间间隔。

存取时间越短，存储器的性能越好。

存储容量是指存储器能够存储的数据和程序的大小。

存储容量越大，存储器的性能越好。

除了存取时间和存储容量，存储器的成本也是考虑的重要因素。

成本包括硬件成本和能源消耗成本，通常在存储器设计中需要在性能和成本之间进行权衡。

四、存储器系统的设计原则存储器系统的设计需要考虑以下几个原则。

第四章存储系统4.1概述4.1.1技术指标4.1.2层次结构4.1.3存储器分类存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。

构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。

一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，均可以存储一位二进制代码。

这个二进制代码位是存储器中最小的存储单位，称为一个存储位或存储元。

由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。

根据存储材料的性能及使用方法不同，存储器有各种不同的分类方法。

(1)按存储介质分作为存储介质的基本要求，必须有两个明显区别的物理状态，分别用来表示二进制的代码0和1。

另一方面，存储器的存取速度又取决于这种物理状态的改变速度。

目前使用的存储介质主要是半导体器件和磁性材料。

用半导体器件组成的存储器称为半导体存储器。

用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器，如磁盘存储器和磁带存储器。

(2)按存取方式分如果存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关，这种存储器称为随机存储器。

半导体存储器是随机存储器。

如果存储器只能按某种顺序来存取，也就是说存取时间和存储单元的物理位置有关，这种存储器称为顺序存储器。

如磁带存储器就是顺序存储器，它的存取周期较长。

磁盘存储器是半顺序存储器。

(3)按存储器的读写功能分有些半导体存储器存储的内容是固定不变的，即只能读出而不能写入，因此这种半导体存储器称为只读存储器(ROM)。

既能读出又能写人的半导体存储器，称为随机读写存储器(RAM)。

(4)按信息的可保存性分断电后信息即消失的存储器，称为非永久记忆的存储器。

断电后仍能保存信息的存储器，称为永久性记忆的存储器。

磁性材料做成的存储器是永久性存储器，半导体读写4.2 半导体随机读写存储器主存储器由半导体存储芯片构成，容量较小时可采用SRAM芯片，容量较大时一般采用DRAM芯片。

主存中的固化区采用ROM芯片，包括PROM、EPROM、EEPROM、等。

计算机组成原理教学大纲是计算机专业系统能力培养核心课程。

采用系统观、构造观和工程观的教学设计，研究冯诺依曼计算机各功能部件的工作原理与设计方法，指导大家进行系列组成原理实验，提升智能硬件设计及软/硬协同计算机系统编程能力！提升研究生入学组成原理备考能力。

课程概述“计算机组成原理”是一门理论性、工程性、技术性和实践性都很强的核心专业基础课程，在计算机学科系列课程中处于承上启下的作用。

课程教学目标是通过相关的教学活动，帮助学生理解计算机基本组成部件(包括运算器、控制器、存储器、输入/输出)的结构、工作原理、内部运行机制和设计方法。

加深学生对计算机软、硬件系统的整体化理解，建立硬件/软件协同的整机概念，并有效增强学生的计算机系统设计能力。

课程学习为研究生考试、后续课程（如系统结构，并行编程、嵌入式系统、接口技术）的学习，参加IT企业招聘等都奠定了坚实的基础。

本MOOC 课程具有如下特点：1.面向系统能力培养的教学设计结合课程特点与教学目标，创造性提出基于构造观、系统观、工程观的教学设计。

其中，构造观重在培养软/硬功能部件设计方法，提升部件级的设计能力；系统观强调硬件结构对软件执行正确性及性能的影响，提升学生软硬协同的系统分析与解决问题的能力；工程观训练考虑工程制约因素,选择恰当技术、优化工程的意识，提升系统实现能力。

2.精心设计实验内容结合教学团队多年系统能力培养实践教学经验，参考国际一流计算机专业相关课程的先进经验，引入了易学易用的免费开源虚拟仿真实验平台，本着理论实践一体化、实验目标系统化、课内课外协同化等原则，建立了逐层递进、立足计算机系统、设计型实验为主导的实践教学体系开发了系列原创的课程实验，引导学生从逻辑门电路开始逐步设计运算部件、存储器、数据通路和控制器、流水线冲突冒险机制直至完整的MIPS 流水CPU来深入理解计算机软硬件系统。

授课目标通过该课程的学习，使学生全面、系统地掌握冯·诺依曼结构计算机各组成部件的基本结构、工作原理、内部运行机制和基本设计方法；加深学生对计算机软、硬件系统的整体化理解，建立硬件/软件协同的整机概念，并有效增强学生的计算机硬件素养和软件协同的系统观，有效增强学生的计算机系统设计能力。

计算机组成原理详解计算机组成原理是研究计算机系统的组成和工作原理的学科，它涉及计算机硬件和软件的各个方面，包括计算机的组件、功能模块、数据传输和处理等等。

在本文中，我们将详细介绍计算机组成原理的相关知识。

一、计算机的基本组成计算机是由硬件和软件两个部分组成的。

硬件部分包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备、输出设备和各种接口。

而软件部分则包括操作系统、应用软件和系统软件等。

1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，它负责执行计算机的各种指令和数据处理操作。

CPU由控制器和运算器组成，其中控制器负责指令的解码和执行，而运算器负责数据的运算和处理。

2. 存储器存储器用于存储计算机运行时所需的数据和指令。

根据存储介质的不同，存储器可分为主存储器和辅助存储器两种。

主存储器用于存储当前正在执行的程序和数据，而辅助存储器则用于长期存储数据和程序。

3. 输入设备和输出设备输入设备用于向计算机输入数据和指令，常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪等。

而输出设备则用于将计算机处理后的结果展示给用户，如打印机、显示器和音响等。

二、数据传输与控制数据传输是计算机组成原理中的重要内容之一，它指的是计算机内部和外部各个部件之间的数据传输和交换。

计算机通过总线系统实现各个组件之间的通信和数据传输。

1. 内部总线内部总线是计算机内部各个组件之间进行数据传输的通道，包括地址总线、数据总线和控制总线等。

地址总线用于传输指令和数据的地址，数据总线用于传输数据本身，而控制总线则用于传输控制信号。

2. 外部总线外部总线是计算机与外部设备之间进行数据传输的通道，包括系统总线、I/O总线和存储总线等。

系统总线连接CPU、内存和I/O设备，用于传输指令和数据。

I/O总线则用于连接输入设备和输出设备，实现数据的输入和输出。

三、指令的执行过程计算机执行程序的过程可以简化为取指令、译码、执行和存储结果等几个步骤。

具体流程如下：1. 取指令CPU从内存中取出一条指令，并将其存储在指令寄存器中。

计算机组成原理原理简介计算机组成原理，又称计算机体系结构，是研究计算机硬件组成和工作原理的学科。

它的主要任务是研究计算机是如何组成的、如何工作的、如何设计和优化计算机硬件体系结构，以及如何提高计算机的性能、可靠性和扩展性。

计算机组成原理是计算机科学及相关学科的核心课程之一，它对于计算机科学及其应用的进一步发展具有重要的意义。

计算机组成原理的发展历史可以追溯到计算机的发明和应用的历史。

早在19世纪，人们就开始研究和发明计算机。

当时的计算机是机械式、电子式等，速度很慢，体积很大，功能较为简单。

随着计算机技术的不断发展和完善，计算机的体积逐渐缩小，速度逐渐提高，功能也变得越来越强大。

在这个过程中，计算机组成原理也随之不断发展和演进。

在计算机组成原理的发展过程中，人们主要是从三个方面来研究计算机策略。

这三个方面是：计算机硬件体系结构、指令系统和微体系结构。

其中，计算机硬件体系结构主要研究计算机各个组成部分的关系和结构；指令系统主要研究计算机的指令集和指令的执行过程；微体系结构主要研究计算机内部电路的实现和操作过程。

三者相互关联，构成了计算机的整体系统。

计算机组成原理的主要内容包括：数据的表示和处理、存储器层次结构、输入/输出子系统、指令集体系结构、流水线技术、超标量技术、并行处理技术等。

下面我们逐一介绍一下这些内容。

1. 数据的表示和处理数据是计算机处理的基本元素。

为了让计算机能够处理各种数据类型，必须规定数据的表示方法和处理规则。

在计算机组成原理中，常用的数据表示方法有二进制、十进制、八进制、十六进制等。

另外，数据的处理规则也是计算机组成原理的重点内容之一，主要包括算术逻辑运算、移位运算、控制流程等方面。

2. 存储器层次结构存储器是计算机的核心部件之一，它用于存储程序和数据。

为了提高存储器的访问速度和存储容量，人们创造了一种层次化的存储器结构。

存储器层次结构包括：高速缓存、主存储器和辅助存储器。

高速缓存是在CPU内部集成的，它的速度最快，但存储容量较小；主存储器是计算机内部的中央存储设备，存储容量较大，但速度比高速缓存要慢。

存储子系统的基本原理和功能解析存储子系统是计算机系统中的关键组成部分，负责数据的存储和管理。

它由硬盘、闪存、固态盘等物理设备以及操作系统和文件系统等软件组成。

存储子系统的主要功能是提供可靠、高效、持久的数据存储和访问。

一、存储子系统的基本原理1. 存储介质的选择与存储方式存储介质的选择根据性能和成本进行权衡。

常见的存储介质包括磁盘、固态盘、闪存等。

不同的存储介质有着不同的特点，在读写速度、容量和稳定性等方面存在差异。

存储方式包括顺序访问和随机访问。

顺序访问是按照存储数据的顺序进行访问，适用于大容量数据的读写。

随机访问是通过地址直接进行存取，适用于小容量的数据读写。

2. 存储层次结构存储层次结构是指将存储器按照速度和容量进行不同层次的划分。

常见的存储层次结构包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。

寄存器是最快速的存储设备，用于存储当前执行的指令和数据。

高速缓存是位于CPU和主存储器之间的一层存储，用于加速CPU和主存之间的数据传输。

主存储器是计算机中存储数据和指令的地方。

辅助存储器用于永久存储大量的数据和程序。

二、存储子系统的功能1. 数据持久性存储子系统的数据持久性是指数据在断电或系统故障后仍能保持存储的能力。

为了实现数据持久性，存储子系统采用各种技术，如数据备份、故障恢复和错误检测与纠正等。

数据备份使得数据能够在主存储器或存储设备发生故障时得以保护，故障恢复和错误检测与纠正技术则可以修复或纠正因硬件故障而引起的错误。

2. 数据安全性存储子系统的数据安全性是指数据在存储和传输过程中的保密性和完整性。

为了保证数据的安全性，存储子系统采用数据加密技术和访问控制机制。

数据加密技术通过对数据进行加密，以防止未经授权的访问和数据篡改。

访问控制机制则用于确定哪些用户或进程有权访问存储设备中的数据。

3. 数据访问与传输速度存储子系统的数据访问与传输速度是指读写数据的效率。

为了提高数据的访问与传输速度，存储子系统采用多种技术，如缓存技术、并行存储技术和数据分布等。

《计算机组成原理》教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：计算机组成原理课程英文名称：Principles of Computer Composition课程编码：课程类型：学科基础课总学时：64理论学时：52 实验学时：12学分：4适用专业：计算机类专业先修课程：数字逻辑开课院（部）：计算机科学与工程学院二、课程的性质与任务《计算机组成基础》是计算机类专业必修的一门学科基础课。

本课程介绍计算机系统的组成原理及内部工作机制，包括计算机各大部件的结构、工作原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成计算机整机的技术，旨在使学生掌握计算机硬件各子系统的组成原理及实现技术，深刻理解程序在计算机硬件上被执行的过程，建立计算机系统的整体概念，对培养学生设计开发计算机系统的能力有重要作用。

为今后计算机网络、操作系统、计算机体系结构及专业方向课程的学习打好基础。

三、课程教学基本要求1、计算机组成原理课程的内容比较抽象，教学中需要结合实际例子进行讲授。

2、讲授比较复杂的过程，如指令周期的步骤，可以通过动画演示，帮助学生理解。

也可以结合实验，讲解数据通路。

3、要求学生课前预习，课后复习，尽量完成课后所有习题，帮助消化理解教学内容。

对于典型的习题，应该在习题课上详细讲解。

选讲一些综合性的考研试题，帮助学生开拓思路。

4、注重实验的教学效果，实验不能仅仅停留在做出结果，一定要让学生知其所以然，并且能初步进行一些设计。

四、理论教学内容和基本要求第一章计算机系统概论（一）讲授内容：1.1 计算机的分类1.2 计算机的发展简史1.3 计算机的硬件1.4 计算机的软件1.5 计算机系统的层次结构（二）基本要求：（1）了解计算机软硬件的概念，软件的分类；（2）理解计算机的系统层次结构，包括计算机硬件的基本组成(五大部件的构成)，以及计算机的基本工作过程；（3）掌握计算机的工作原理、硬件的主要技术指标。

（三）重点及难点：重点：计算机的工作原理、计算机的层次结构第二章运算方法和运算器（一）讲授内容：2.1 数据与文字的表示方法2.2 定点加法、减法运算2.3 定点乘法运算2.4 定点除法运算2.5 定点运算器的组成2.6 浮点运算方法和浮点运算器（二）基本要求：（1）掌握各种数制及其相互转换的方法、无符号数和有符号数的表示方法。