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计算机组成原理-完整版前言计算机组成原理是计算机科学中最基础的课程之一，它主要研究计算机系统的各个组成部分的原理和关系。
它是计算机科学中最基础的课程之一，也是理解其他计算机科学领域的必备基础。
本文将介绍计算机组成原理中涉及的各个方面，从处理器到内存，再到输入输出系统，以及操作系统和应用层，详细解释它们的工作原理和相互关系。
此外，我们还将介绍一些实际的例子，以帮助读者更好地理解这些概念。
计算机硬件组成处理器处理器是计算机的大脑，它是计算机中最为关键的部分之一。
处理器的任务是执行指令，它通过解码指令，再根据指令来执行相应的操作。
处理器包括控制单元和算术逻辑单元两部分。
控制单元是处理器的主控制中心，它决定了处理器要执行的操作，以及操作的顺序。
由于处理器的速度非常快，因此它能够在一个时钟周期内执行多个操作。
算术逻辑单元（ALU）则用于执行运算操作，例如加减乘除、位移等。
ALU从寄存器中读取数据，并根据指令进行相应的计算和操作。
存储器存储器用于存储计算机中的数据和指令。
存储器被分为两种类型：内存和外存。
内存是指计算机中直接可访问的存储，例如DRAM。
它是用于临时存储程序和数据的地方。
内存的访问速度非常快，但只能存储有限的数据量。
外存则是指计算机中不直接可访问的存储，例如硬盘。
它用于长期存储数据和程序。
虽然外存的访问速度相对较慢，但它能够存储大量的数据和程序。
输入输出设备输入输出设备是与计算机交互的途径，例如键盘、鼠标和显示器等。
输入设备用于将数据输入到计算机中，输出设备则用于从计算机中输出数据。
计算机系统架构冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是计算机系统的经典架构，它由储存器、算术逻辑单元、控制单元和输入输出设备组成。
程序存储在内存中，并通过控制单元来控制执行。
该体系结构具有良好的扩展性和通用性，适用于大多数计算机系统。
哈佛体系结构哈佛体系结构是一种采用不同存储器分别用于程序和数据存储的计算机系统。
计算机组成原理知识点总结第一章一、数字计算机的五大部件（硬件）及各自主要功能（P6）计算机硬件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。
1、存储器（主存）主要功能：保存原始数据和解题步骤。
包括：内存储器（CPU 直接访问），外存储器。
2、运算器主要功能：进行算术、逻辑运算。
3、控制器主要功能：从内存中取出解题步骤（程序）分析，执行操作。
包括：计算程序和指令（指令由操作码和地址码组成）。
4、输入设备主要功能：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。
5、输出设备主要功能：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。
注：1、冯诺依曼结构：存储程序并按地址顺序执行。
2、中央处理器（CPU）：运算器和处理器的结合。
3、指令流：取指周期中从内存读出的信息流，流向控制器。
数据流：在执行器周期中从内存读出的信息流，由内存流向运算器。
二、数字计算机的软件及各自主要功能（P11）1、系统软件：包括服务性程序、语言程序、操作程序、数据库管理系统。
2、应用程序：用户利用计算机来解决某些问题而设计。
三、计算机的性能指标。
1、吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，用bps度量。
2、响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。
3、利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所在的比率，用百分比表示。
4、处理机字长：常称机器字长，指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数，如32位机、64位机。
5、总线宽度：一般指CPU从运算器与存储器之间进行互连的内部总线一次操作可传输的二进制位数。
6、存储器容量：存储器中所有存储单元（通常是字节）的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
7、存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用B/s（字节/秒）表示。
8、主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，按照规定在某个时间段做什么（从什么时候开始、多长时间完成），主时钟不断产生固定频率的时钟信号。
计算机组成原理知识点汇总
计算机组成原理是一门计算机科学基础课程，它主要涉及计算机硬件结构和系统软件两个方面。
以下是一些知识点的汇总：
1. 计算机的基本组成：包括运算器、控制器、存储器和输入输出设备。
2. 计算机的存储器层次结构：主要包括寄存器、高速缓存、内存和外存，每一级存储器速度和价格都有所不同。
3. CPU的工作原理：CPU主要由控制器和ALU两部分组成，通过不同的指令和数据进行运算和控制，实现程序的执行。
4. 指令系统和编程：计算机执行的所有程序都是由一系列指令组成的，不同的指令可以执行不同的操作。
5. 总线和I/O系统：总线是连接不同部件的主要通道，而I/O系统则负责计算机与外部设备的数据传输和控制。
6. 中断和异常：计算机系统在执行程序时可能会遇到不正常的情况，这时就需要通过中断和异常机制来处理。
7. 计算机系统的性能分析与优化：通过各种性能指标和分析方法，可以对计算
机系统的性能进行评估和优化，以实现更高效的计算。
以上是计算机组成原理中的一些重要知识点，掌握它们对于理解计算机硬件和系统软件的设计和优化有重要的作用。
计算机组成原理计算机组成原理是指计算机硬件和软件的组成以及它们之间的工作原理。
计算机硬件主要包括中央处理器(CPU)、存储器、输入输出设备和总线等。
计算机软件则由系统软件和应用软件组成。
在计算机中，中央处理器是计算机的核心，它负责执行计算机程序中的指令。
中央处理器由控制器和运算器组成。
控制器用于解码和执行指令，而运算器用于进行数据运算。
存储器用于存储数据和指令，其主要有两种类型：主存储器和辅助存储器。
主存储器一般是随机存取存储器(RAM)，用于存储当前正在执行的程序和数据。
辅助存储器一般是固态硬盘(SSD)或磁盘，用于长期存储数据和程序。
输入输出设备负责将数据和指令输入计算机，并将计算结果输出到外部设备或显示器上。
常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪，而输出设备有显示器、打印机和音频设备等。
总线是计算机各个组件之间进行通信的路径。
总线分为地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线用于指示存储器或I/O设备的地址，数据总线用于传输数据，而控制总线用于传输与控制操作有关的信息。
系统软件是计算机操作系统的核心部分，它管理计算机的资源和提供用户与计算机硬件之间的接口。
应用软件则是由用户使用的各种程序，如办公软件、图像处理软件和游戏等。
在计算机工作原理方面，计算机是按照指令的顺序执行程序的。
计算机从存储器中读取指令和数据，存储在寄存器中，并通过总线传递信息。
控制器解码指令并控制算术逻辑单元(ALU)进行数据运算。
运算结果再存储在寄存器中，最后输出到输出设备或存储器中。
总之，计算机组成原理是计算机硬件和软件的组成和工作原理的总称。
通过了解计算机的组成和工作原理，可以更好地理解计算机的工作方式，从而进行计算机系统的设计和优化。
计算机组成原理讲义计算机组成原理是一门研究计算机硬件和软件协同工作的学科。
它研究计算机系统的组成、结构、工作原理和设计方法，涉及到计算机的各个层次、各个组成部分和各种操作。
计算机组成原理作为计算机科学和计算机工程的基础课程，对于理解计算机的工作原理和提高计算机系统设计和性能优化具有重要意义。
首先，计算机组成原理涵盖了计算机的硬件组成。
计算机的硬件部分主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备和总线等。
中央处理器是计算机的核心部件，又被称为计算机的大脑。
它包括算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU），负责执行指令、算术运算和逻辑运算等。
存储器用于存储数据和指令，分为主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
输入输出设备用于与计算机交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
总线用于连接计算机的各个组成部分，包括数据总线、地址总线和控制总线等。
了解计算机硬件组成，对于设计和优化计算机系统具有重要意义。
其次，计算机组成原理涉及计算机的工作原理。
计算机的工作原理主要包括数据的表示和存储、指令的执行和流水线技术等。
数据的表示和存储是计算机进行数据处理的基础。
计算机使用二进制表示数据，将数据存储在内存中。
指令的执行是计算机进行计算和逻辑操作的基本单元。
计算机通过解码和执行指令，对数据进行处理。
流水线技术是提高计算机执行效率的一种重要方法。
通过将指令执行分解成多个阶段，可以提高指令的吞吐量。
计算机组成原理对于理解计算机工作原理和提高计算机系统性能具有重要意义。
最后，计算机组成原理涉及计算机的设计方法。
计算机的设计方法包括指令系统的设计、组合逻辑电路的设计和微程序设计等。
指令系统的设计是计算机体系结构的基础，决定了计算机的功能和性能。
组合逻辑电路设计是实现计算机各个功能模块的基础，包括加法器、乘法器、寄存器和控制电路等。
微程序设计是实现指令的执行和控制的基础，将指令分解成微指令并存储在控制存储器中。
1. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：1>计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；指令和数据均用二进制表示；指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；机器以运算器为中心2、什么是总线？总线传输有何特点？为了减轻总线的负载总线上的部件都应具备什么特点？答：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。
总线特点是某一时刻只能有一路信息在总线传输即分时使用。
为减轻总线负载总线上的部件应通过三态驱动电路与总线连通。
3、总线如何分类？什么是系统总线？系统总线又分为几类是单向的还是双向的？答：总线分类按数据传送方式分为并行传输总线和串行传输总线。
按连接部件不同分为计算机总线，测控总线，网络通信总线。
系统总线是指CPU，主存，I/O设备各大部件之间的信息传输线。
系统总线分为三类：地址总线，数据总线和控制总线。
数据总线是是双向传输与机器字长存储字长有关，地址总线是单向传输，与地址线的位数和存储单元有关。
4. 为什么要设置总线判优控制？常见的集中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？答：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；常见的集中式总线控制有三种：链式查询、计数器定时查询、独立请求；特点：链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；计数器定时查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；独立请求方式速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。
5. 什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。
解：刷新：对DRAM定期进行的全部重写过程；刷新原因：因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充，因此安排了定期刷新操作；常用的刷新方法有三种：集中式、分散式、异步式。
集中式：在最大刷新间隔时间内，集中安排一段时间进行刷新，存在CPU 访存死时间。
分散式：在每个读/写周期之后插入一个刷新周期，无CPU访存死时间。
异步式：是集中式和分散式的折衷。
7.什么是中断？设计中断系统需考虑哪些主要问题？答：在CPU运行过程中,由于内部或外部某个随机事件的发生,使CPU暂停正在运行的程序,而转去执行处理引起中断事件的程序,完成后返回原来的程序继续执行.这个过程称为中断】(1) 设立必要的中断源,确定它们提出的中断请求的方式.(2) 根据急迫程度的不同,规定好中断源的优先级别,以确定当几个中断源同时请求时,处理机能有一个先后响应次序.(3) 当处理机响应中断后，需要把被中断程序的现场,断点保存起来,以便中断处理结束后能返回原程序.(4) 中断服务程序设计.(5) 恢复现场,返回原程序.8.什么是中断隐指令?有哪些功能？答：在一周期中依靠硬件实现程序切换，并不需要执行程序指令，即不需要程序员编程序实现，所以称为中断隐指令操作。
1）关中断；2）保存断点到堆栈；3）取得中服入口地址并且转入中服。
27. 试从下面七个方面比较程序查询、程序中断和DMA三种方式的综合性能。
解：比较如下：（1）程序查询、程序中断方式的数据传送主要依赖软件，DMA 主要依赖硬件。
（2）程序查询、程序中断传送数据的基本单位为字或字节，DMA为数据块。
（3）程序查询方式传送时，CPU与I/O设备串行工作；程序中断方式时，CPU与I/O设备并行工作，现行程序与I/O 传送串行进行；DMA方式时，CPU与I/O设备并行工作，现行程序与I/O传送并行进行。
（4）程序查询方式时，CPU主动查询I/O设备状态；程序中断及DMA方式时，CPU被动接受I/O中断请求或DMA 请求。
（5）程序中断方式由于软件额外开销时间比较大，因此传输速度最慢；程序查询方式软件额外开销时间基本没有，因此传输速度比中断快；DMA方式基本由硬件实现传送，因此速度最快；（6）程序查询接口硬件结构最简单，因此最经济；程序中断接口硬件结构稍微复杂一些，因此较经济；DMA控制器硬件结构最复杂，因此成本最高；（7）程序中断方式适用于中、低速设备的I/O交换；程序查询方式适用于中、低速实时处理过程；DMA方式适用于高速设备的I/O交换30. 什么是多重中断？实现多重中断的必要条件是什么？解：多重中断是指：当CPU执行某个中断服务程序的过程中，发生了更高级、更紧迫的事件，CPU暂停现行中断服务程序的执行，转去处理该事件的中断，处理完返回现行中断服务程序继续执行的过程。
实现多重中断的必要条件是：在现行中断服务期间，中断允许触发器为1，即开中断。
32.采用屏蔽技术的作用是什么？答：1> 在多重中断系统中，cpu响应中断后不希望有级别的其他中断请求的干扰，采用屏蔽技术可屏蔽本级和更低级的中断请求，使中断处理可靠进行。
2 >改变中断处理的优先级。
3>有选择的封锁部分中断请求，使程序控制更灵活。
36.I/O与主机交换信息有几种方式，各有何特点。
答：I/O与外设的信息交换方式主要有：程序查询方式（特点：简称为程控方式，它是主机与外设通信的一个主要的方式，但对于低速外设或者外设的一些随机通信请求，程控方式就会不断地查询，使CPU利用率降低，不能与外围设备并行地工作。
）②中断方式（特点：也称为程序中断方式，中断的前是外设准备好与主机的通信条件，例如需要及时地向主机传送一个数据并且该数据已经准备好了；或者执行完主机的某个任务，要求主机再传送一个数据等等，就向主机提出中断请求。
这就是中断方式的处理思想，以提高了CPU的利用率。
）③DMA方式（特点：即直接存储器存取方式，是直接依靠硬件在主存与I/O设备间传送数据的一种工作方式，在传送期间不需要CPU参加传送操作。
由于省去了CPU取指令、取数和送数操作，因此节省了CPU大量的时间；而且主存与外设之间数据传输速度并不比CPU参与传输慢，因此是一个非常好的数据成块传送模式。
）35.I/O编址方式有几种各有何特点？答：程序直接控制方式程序中断传送方式直接存储器存取(DMA)方式I/O通道控制方式外围处理机方式18、比较RAM和ROM。
答：RAM是随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出又可写入。
ROM是只读存储器，在程序执行过程中只能读出信息，不能写入信息。
19、比较静态RAM和动态RAM答：静态RAM和动态RAM都属随机存储器，即在程序的执行过程中既可读出又可写入信息。
但静态RAM靠触发器原理存储信息，只要电源不掉电，信息就不丢失；动态RAM靠电容存储电荷原理存储信息，即使电源不掉电，由于电容要放电，信息也会丢失，故需再生刷新。
27、CPU中断周期前为何阶段，中断周期后为何阶段，中断周期完成什么操作？答：CPU中断周期前为执行中断隐指令，中断周期后阶段执行返回指令，中断周期完成执行中断服务程序。
23、简述主存的读写过程。
答：存储器的读出过程是：CPU先给出有效地址，然后给出片选（通常受CPU访存信号控制）信号和读命令，这样就可将被选中的存储单元内的各位信息读至存储芯片的数据线上，完成了读操作。
存储器的写入过程是：CPU先给出有效地址，然后给出片选（通常受CPU访存信号控制）信号和写命令，并将欲写入的信息送至存储器的数据线上，这样，信息便可写入到被选中的存储单元12、什么是指令字长，什么是存储字长，什么是机器字长？答：指令字长：一个指令字所占有的位数。
存储字长：一个存储单元可存储一串二进制代码,称这串二进制代码为一个存储字,这串二进制代码的个数叫做存储字长。
机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算精度。
99.关于CU的的几种控制方式？答：常见的控制方式有同步控制，异步控制，联合控制，人工控制四种。
8.微指令的操作控制有几种编码方式？各有何特点？哪一种控制速度最快？微指令编码方式有三种：直接编码方式、字段直接编码方式、字段间接编码方式。
微指令的格式与微指令的编码格式有关，通常分为水平型微指令和垂直型微指令。
水平型微指令的特点一次能定义并执行多个并行操作的微指令。
直接编码速度最快。
垂直型微指令特点是采用类似机器指令操作码的方式，在微指令中设置为操作码字段，有微操作码规定微指令的功能。
两种格式的比较？水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力强.效率高,灵活性强,。
水平型微指令并行操作能力强.效率高,灵活性强,垂直型微指令则较差.。
由水平型微指令解释指令的微程序,具有微指令字比较长,但微程序短的特点.垂直型微指令则相反,微指令字比较短而微程序长 .。
水平型微指令与机器指令差别很大垂直型微指令与机器指令比较相似。
9为实现多重中断，需有哪些硬件支持？1中断请求触发器 2中断屏蔽触发器3向量地址生成部件4 允许中断触发器 5中断标志触发器 6 堆栈7 中断查询信号电路 8 排队器9.1 控制单元的功能是什么？其输入受什么控制？功能：发出各种控制信号序列的功能。
控制单元的输入受指令寄存器、时钟、标志和控制总线的控制。
10.6 已知带反转指令的含义如图以下，写出及其在完成带反转指令时，取值阶段和执行阶段所需地全部微操作和节拍安排1、简述存储器的三级结构和特点？答：存储器的分级结构从上到下依次是：①高速缓冲存储器简称cache，它是计算机系统中的一个高速小容量半导体存储器。
②主存储器简称主存，是计算机系统的主要存储器，用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。
③外存储器简称外存，它是大容量辅助存储器。
特点：①速度快的存储器价格贵，容量小；②价格低的存储器速度慢，容量大。
2、什么是操作数的寻址方式？操作数通常放在哪儿？答：形成操作数有效地址的方法，称为寻址方式。
①操作数包含在指令中；②操作数包含在CPU的某一个内部寄存器中；③操作数包含在主存储器中；④操作数包含在I/O设备的端口中。
3、简述RISC机器众多特点中的5个特点？答：①寻址方式少；②只有取数、存数指令访问存储器；③控制器多采用硬布线；④配备了大量的寄存器；⑤支持流水线并强调指令流水的优化使用。
4、简述外围设备和CPU之间信息交换的四种方式及应用场合？答：①程序控制法，应用于单片机等硬件结构简单的场合；②中断控制法，多用于实时控制和故障处理；③DMA，直接存储器存取，控制内存和外设之间的数据传送，整个传送过程不需要CPU参与；④通道，处理机。
应用于大型计算机场合1．什么叫堆栈？答：堆栈是在片内RAM中专门开辟出来的一个区域，数据的存取是以"后进先出"的结构方式处理的。
实质上，堆栈就是一个按照"后进先出"原则组织的一段内存区域。
