存储器和寄存器

寄存器的作用寄存器是计算机中的一种存储设备，用于存放指令和数据。

寄存器的作用是极为重要的，下面将从以下几个方面介绍寄存器的作用。

首先，寄存器作为临时存储器，可以提高CPU的运算效率。

由于寄存器位于CPU内部，与其它存储器(如内存)相比，寄存器的读取速度更快。

CPU可以将需要运算的数据暂时存放在寄存器中，然后直接进行运算处理，而不需要频繁地访问外部存储器。

这种以寄存器作为临时存储器的设计，在提高CPU运算效率的同时，也减少了对外部存储器的访问次数，提高了整个计算机的性能。

其次，寄存器作为存放指令和操作数的存储器，用于执行指令的读取和运算。

CPU从内存中读取指令和操作数，并将其存放在寄存器中，然后进行计算操作。

通过寄存器与内存之间的数据传输，实现了CPU对指令和数据进行高速读取和处理的能力。

寄存器的容量和数量对于CPU的指令集和运算能力都有着重要的影响，因此在计算机设计中，需要根据计算机的需求和性能要求来选择和配置合适的寄存器。

另外，寄存器也可以用于保存程序的运行状态和上下文信息。

在程序的执行过程中，CPU需要对程序的状态进行保存，以便在需要时进行恢复。

这些状态和信息包括程序计数器(PC)、程序状态字(PSW)、函数调用的返回地址等。

这些状态信息存放在特定的寄存器中，以便在需要时进行读取和修改。

通过寄存器的保存和恢复，CPU可以在多个程序之间进行快速切换和执行，实现了程序的并发执行和操作系统的多任务管理。

此外，寄存器还可以用于数据的传递和交换。

在计算机系统中，不同的模块和组件(如I/O设备、外部存储器等)之间需要进行数据的传递和交换。

寄存器作为一个通用存储器，可以在不同的组件之间进行数据的传递和交换。

例如，在数据的输入输出过程中，数据会先从I/O设备读取到寄存器中，然后再将其传输到内存或其它组件中。

通过寄存器的传递和交换，实现了计算机系统内部和外部的数据交互。

总之，寄存器作为计算机中的存储设备，具有临时存储、指令和数据读取、程序状态保存、数据传递和交换等多种功能。

第一章 存储器管理4.1 存储器的层次结构—存储器应容量大,便宜,速度跟上处理器4.1.1 多级存储器结构通常有三层,细分为六层,如图4-1, 越往上,速度越快,容量越小,价格越贵; 寄存器和主存又称可执行存储器,进程可直接用指令访问,辅存只能用I/O 访问;4.1.2 主存储器与寄存器1.主存储器---内存,保存进程运行时的程序和数据;CPU与外围设备交换的信息一般也依托于主存储器地址空间;为缓和访存速度远低于CPU 执行指令的速度,在计算机系统中引入了寄存器和高速缓存;2.寄存器---与CPU 协调工作,用于加速存储器的访问速度,如用寄存器存放操作数,或用地址寄存器加快地址转换速度等;4.1.3 高速缓存和磁盘缓存1.高速缓存---根据程序执行的局部性原理将主存中一些经常访问的信息程序、数据、指令等存放在高速缓存中,减少访问主存储器的次数,可大幅度提高程序执行速度;2.磁盘缓存---将频繁使用的一部分磁盘数据和信息,暂时存放在磁盘缓存中,可减少访问磁盘的次数;它依托于固定磁盘,提供对主存储器存储空间的扩充,即利用主存中的存储空间,来暂存从磁盘中读/写入的信息;4.2 程序的装入和链接多道程序运行,需先创建进程;而创建进程第一步是将程序和数据装入内存;将源程序变为可在内存中执行的程序,通常都要经过以下几个步骤：编译---若干个目标模块；链接---链接目标模块和库函数,形成装入模块；装入---图 4-2 对用户程序的处理步骤寄存器高速缓存主存磁盘缓存磁盘可移动存储介质CPU 寄存器主存辅存第一步第二步第三步内存4.2.1 程序的装入——无需连接的单目标模块装入理解装入方式1. 绝对装入方式Absolute Loading Mode ---只适用单道程序环境如果知道程序的内存位置,编译将产生绝对地址的目标代码,按照绝对地址将程序和数据装入内存;由于程序的逻辑地址与实际内存地址完全相同,故不须对程序和数据的地址进行修改;绝对地址：可在编译时给出或由程序员直接赋予;若由程序员直接给出,不利于程序或数据修改,因此,通常是在程序中采用符号地址,然后在编译或汇编时转换为绝对地址;2. 可重定位装入方式Relocation Loading Mode ---适于多道程序环境多道程序环境下,编译程序不能预知目标模块在内存的位置;目标模块的起始地址是0,其它地址也都是相对于0计算的;此时应采用可重定位装入方式,根据内存情况,将模块装入到内存的适当位置,如图4-3 作业装入内存时的情况 ;3.动态运行时装入方式Dynamic Run-time Loading ---适于多道程序环境可重定位装入方式并不允许程序运行时在内存中移动位置;但是,在运行过程中它在内存中的位置可能经常要改变,此时就应采用动态运行时装入方式;动态运行时的装入程序,在把装入模块装入内存后,并不立即把装入模块中的相对地址转换为绝对地址,而是把这种地址转换推迟到程序真正执行时才进行;因此,装入内存后的所有地址都仍是相对地址;问题：程序装入内存后修改地址的时机是什么4.3 连续分配方式4.3.3 动态分区分配——根据进程需要动态分配内存1. 分区分配中的数据结构1 空闲分区表—用若干表目记录每个空闲分区的分区序号、分区始址及分区的大小等数据项;2 空闲分区链--为实现对空闲分区的分配和链接,在每分区起始部分,设置前向指针,尾部则设置一后向指针;为检索方便,在分区前、后向指针中,重复设置状态位和分区大小表目;当分0内存空间区被分配后,把状态位由“0”改为“1”时,前、后向指针失去意义;图 4-5 空闲链结构2. 分区分配算法P1231首次适应算法first-fit —空闲分区链以地址递增次序链接 每次按分区链的次序从头查找,找到符合要求的第一个分区;2 循环首次适应算法—FF 算法的变种从上次找到的空闲分区位置开始循环查找,找到后,修改起始查找指针; 3 最佳适应算法—空闲分区按容量从小到大排序 把能满足要求的、最小的空闲分区分配给作业 4 最坏适应算法——空闲分区按容量从大到小排序 挑选最大的空闲区分给作业使用；5) 快速适应算法—根据容量大小设立多个空闲分区链表3. 分区分配操作1.分配内存请求分区u.size; 空闲分区m.size; m.size-u.size ≤size,说明多余部分太小, 不再切割,将整个分区分配给请求者；否则从该分区中划分一块请求大小的内存空间,余下部分仍留在空闲分区链;如图4-6 内存分配流程;2.回收内存1 回收区与插入点的前一空闲分区F1相邻：合并,修改F1大小;2 回收区与后一空闲分区F2相邻：合并,修改首地址和大小;3 回收区同时与前、后两个分区邻接：合并,修改F1大小,取消F2;4 回收区不邻接：新建表项,填写首地址和大小,并插入链表;如图前向指针N ＋20N 个字节可用后向指针N ＋2图 4-6 内存分配流程4.3.6 可重定位分区分配1．动态重定位的引入例：在内存中有四个互不邻接的小分区,容量分别为10KB 、30KB 、14KB 和26KB;若现有一作业要获得40KB 的内存空间,因连续空间不足作业无法装入;可采用的一种解决方法是：通过移动内存中作业的位置,以把原来多个分散的小分区拼接成一个大分区的方法,称为“拼接”或“紧凑;由于用户程序在内存中位置的变化,在每次“紧凑”后,都必须对移动了的程序或数据进行重定位;图 4-8 紧凑的示意4.3.7 对换即中级调度1. 对换Swapping 的引入(a ) 紧凑前(b ) 紧凑后“活动阻塞”进程占用内存空间；外存上的就绪作业不能进入内存运行;所谓“对换”,是指把内存中暂时不能运行的进程或者暂时不用的程序和数据,调出到外存上,以便腾出足够的内存空间；再把已具备运行条件的进程或所需要的程序和数据,调入内存;对换是提高内存利用率的有效措施;根据对换单位可分为：进程对换、页面对换和分段对换;为了能实现对换,系统应具备以下三方面功能：对换空间的管理、进程的换出与换入2. 进程的换出与换入1进程的换出选择阻塞且优先级最低的进程,将它的程序和数据传送到磁盘对换区上;回收该进程所占用的内存空间,并对该进程的进程控制块做相应的修改;2进程的换入找出“就绪” 但已换出到磁盘上时间最久的进程作为换入进程,将之换入,直至已无可换入的进程;4.4 基本分页存储管理方式前面的连续分配方案会形成许多“碎片”,“紧凑”方法可以解决碎片但开销大;是否允许进程离散装入 离散单位不同,称分页式存储和分段式存储;不具备对换功能称为“基本分页式”,支持虚拟存储器功能称为“请求基本分页式”;4.4.1 页面与页表1. 页面1 页面和物理块---将进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片,称为页面,并为各页编号;相应地把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块,称为物理块,也同样编号;分配时,将进程中的页装入到物理块中,最后一页经常装不满一块而形成 “页内碎片”;2 页面大小---页面的大小应选择适中;页面太小,内存碎片减小,利用率高；但页表过长,占大量内存;页面较大,页表长度小；但页内碎片大;因此,页面的大小应选择得适中,且页面大小应是2的幂,通常为512 B~8 KB;2. 地址结构分页地址中的地址结构如下：31 12 11 0它含有两部分：页号P12～31位,最多有1M 页和页内位移量W0～11位,每页的大小4KB ； 对某特定机器,其地址结构是一定的;若给定一个逻辑地址空间中的地址为A,页面的大小为L,则页号P 和页内地址d 可按下式求得：MODL A d L A INT P ][=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=3. 页表---实现从页号到物理块号的地址映射用户程序0 页1 页2 页3 页4 页5 页…n 页页表内存4.4.2 地址变换机构任务：将逻辑地址转换为物理地址；页内地址变换:因页内地址与物理地址一一对应, 可直接转换；页号变换：页表可实现从逻辑地址中页号到内存中物理块号的变换； 1．基本的地址变换机构a. 页表功能可由一组专门的寄存器实现原理；b. 页表大多驻留内存,系统中只设置一页表寄存器来存放页表在内存的始址和页表长度实际操作；c. 进程未执行时,页表始址和长度存放在PCB 中;执行时才将这两个数据装入页表寄存器中过程;图 4-12 分页系统的地址变换机构2. 具有快表的地址变换机构a. 仅用页表寄存器时,CPU 每存取一数据要两次访问内存页表-地址变换-数据；b. 为提高地址变换速度,可在地址变换机构中增设一具有并行查寻能力的特殊高速缓冲寄存器用以存放当前访问的那些页表项,称为“快表”;c. ->在CPU 给出逻辑地址,将页号P 送入快表 ->页号匹配,读物理块号后送物理地址寄存器->无匹配页号,再访问内存中页表,把从页表项中读出的物理块号送地址寄存器；同时,再将此页表项存入到快表中;->如快表已满,则OS 须找到一换出页表项换出; 为什么增加“快表”为了提高地址变换速度,可在地址变换机构中增设一个具有并行查寻能力的特殊高速缓冲寄存器,又称为“联想寄存器”Associative Memory,或称为“快表 “快表”有何缺点越界中断图 4-13 具有快表的地址变换机构4.5 基本分段存储管理方式4.5.1 分段存储管理方式的引入为什么引入推动内存从固定分配到动态分配直到分页存储,主要动力是内存利用率,而引入分段存储管理方式,主要是为了满足用户和程序员的下述一系列需要：1方便编程---把作业按逻辑关系划分为若干段,每段有自己的名字和长度,并从0开始编址;LOAD 1,A|<D>; STORE 1,B|<C>2 信息共享---段是信息的逻辑单位;为实现共享,存储管理应与用户程序分段的组织方式相适应;3 信息保护---对信息的逻辑单位进行保护,应分段管理;4 动态增长---分段存储能解决数据段使用过程中动态增长;5 动态链接---运行过程中动态调入以段为单位的目标程序;4.5.2 分段系统的基本原理1. 分段作业划分为若干段,如图4-16,每个段用段号来代替段名,地址空间连续;段的长度由逻辑信息长度决定,因而各段长度不等;其逻辑地址由段号段名和段内地址所组成,结构如下： 31 16 15 0该地址结构中,允许一个作业最多有64K 个段,每个段的最大长度为64KB;编译程序能自页表寄存器逻辑地址L 物理地址动根据源程序产生若干个段;2.段表,其中每段占一个表项,中;图4-16 利用段表实现地址映射3.分页和分段的主要区别1 页是信息的物理单位,分页是为提高内存的利用率,是为满足系统管理的需要;段则是信息的逻辑单位,分段是为了能更好地满足用户的需要;2 页的大小固定且分页由系统硬件实现；而段的长度不固定,通常由编译程序根据信息的性质来划分;3 分页的作业地址空间是一维的,程序只需一个地址记忆符；而分段的作业地址空间是二维的,程序员既需给出段名,又需给出段内地址;4.5.3 信息共享可重入代码纯代码:允许多个进程同时访问的代码;绝对不允许可重入代码在执行中改变,因此,不允许任何进程修改它;4.5.4 段页式存储管理方式1.基本原理---,,,4KB;作业空间内存空间子程序段数据段(a)段号(S)段内页号(P)页内地址(W)(b)主程序段图4-21 利用段表和页表实现地址映射4.6 虚拟存储器的基本概念前面各种存储器管理方式共同点：它们要求将一个作业全部装入内存后方能运行,于是出现了下面这样两种情况：1 有的作业很大,其所要求的内存空间超过了内存总容量,作业不能全部被装入内存,致使该作业无法运行;2 有大量作业要求运行,但由于内存容量不足以容纳所有这些作业,只能将少数作业装入内存让它们先运行,而将其它大量的作业留在外存上等待;4.5.1 虚拟存储器的引入1.常规存储器管理方式的特征1 一次性;将作业全部装入内存后方能运行,此外有许多作业在每次运行时,并非其全部程序和数据都要用到;一次性装入,造成了对内存空间的浪费;2 驻留性;作业装入内存后一直驻留,直至运行结束;尽管因故等待或很少运行,都仍将继续占用宝贵的内存资源;现在要研究的问题是：一次性及驻留性在程序运行时是否必需;2.局部性原理早在1968年, Denning.P就曾指出：1 程序执行时,除了少部分的转移和过程调用指令外,在大多数情况下仍是顺序执行的;2 过程调用将会使程序的执行轨迹由一部分区域转至另一部分区域,但经研究看出,过程调用的深度在大多数情况下都不超过5;3 程序中存在许多循环结构,这些虽然只由少数指令构成, 但是它们将多次执行;4 程序中还包括许多对数据结构的处理, 如对数组进行操作,它们往往都局限于很小的范围内;局限性主要表现在下述两个方面：1 时间局限性－由于循环操作的存在;如果程序中的指令或数据一旦执行,则不久以后可能再次访问;2 空间局限性－由于程序的顺序执行;程序在一段时间内所访问的地址,可能集中在一定的范围之内;3. 虚拟存储器定义---基于局部性原理程序运行前,仅须将要运行的少数页面或段装入内存便可启动,运行时,如果需要访问的页段尚未调入内存缺页或缺段,用OS提供请求调页段功能调入;如果此时内存已满,则还须再利用页段的置换功能,将内存中暂时不用的页段调至外存,腾出足够的内存空间后,再将要访问的页段调入;所谓虚拟存储器,是指具有请求调入功能和置换功能,能从逻辑上扩充内存容量的一种存储器系统;其逻辑容量由内存容量和外存容量之和所决定,其运行速度接近于内存,成本接近于外存;4.6.3 虚拟存储器的特征1)多次性---一个作业被分成多次调入内存运行,最初装入部分程序和数据,运行中需要时,再将其它部分调入;2)对换性---允许在作业的运行过程中进行换进、换出;换进和换出能有效地提高内存利用率;3)虚拟性---从逻辑上扩充内存容量,使用户所看到远大于实际内存容量;这是虚拟存储器最重要的特征和最重要的目标;4)离散性---是以上三个特性的基础,在内存分配时采用离散分配的方式;备注：虚拟性是以多次性和对换性为基础的,而多次性和对换性又必须建立在离散分配的基础上;4.7 请求分页存储管理方式4.6.1 请求分页中的硬件支持---页表、缺页中断和地址变换请求分页系统是在分页的基础上,增加了“请求调页”和“页面置换”功能,每次调入和换出基本单位都是长度固定的页,实现比请求分段简单;1．页表机制---将用户地址空间中的逻辑地址变换为内存空间中的物理地址,因只将部分调入内存,需增设若干项;在请求分页系统中的每个页表项如下所示：1 状态位P：该页是否已调入内存,供访问时参考;2 访问字段A：记录一段时间内本页被访问的频率,供选择换出页时参考;3 修改位M：页在调入内存后是否被修改过,供置换页面时参考;4 外存地址：指出该页在外存上的地址,即物理块号,供调入该页时参考;4.7.2 内存分配策略和分配算法1.最小物理块数的确定是指能保证进程正常运行所需的最小物理块数,当系统为进程分配的物理块数少于此值时,进程将无法运行;进程应获得的最少物理块数与计算机的硬件结构有关;对于某些简单的机器,所需的最少物理块数为2,分别用于存放指令和数据,间接寻址时至少要有三块;对于某些功能较强的机器,因其指令本身、源地址和目标地址都可能跨两个页面,至少要为每个进程分配6个物理块,以装入这些页面;2. 物理块的分配策略请求分页系统的两种内存分配策略：即固定和可变分配策略；两种置换策略：即全局置换和局部置换;可组合出以下三种策略;1 固定分配局部置换Fixed Allocation, Local Replacement--每进程分配一定数目的物理块,在整个运行期间都不再改变,换入换出都限于这些物理块;每个进程物理块难以确定,太多太少都不好2 可变分配全局置换Variable Allocation, Global Replacement --每进程分配一定数目的物理块,OS 保持一空闲物理块队列;进程缺页时,摘下一空闲块,并将该页装入;3 可变分配局部置换Variable Allocation, Local Replacemen －－每进程分配一定数目的物理块;进程缺页时,只允许从该进程内存页中选出一页换出;若缺页中断频繁,再为该进程分配若干物理块,直至缺页率减少；若缺页率特低,则减少该进程的物理块数,应保证缺页率无明显增加;3. 物理块分配算法1 平均分配算法－－将所有可供分配的物理块,平均分配给各个进程; 例如,有100个物理块,5个进程,每进程可分20个物理块;未考虑到各进程本身的大小;2 按比例分配算法－－根据进程的大小按比例分配物理块;共n 个进程,每进程页面数为si,则页面数的总和为：设可用的物理块为m,每进程分到的物理块数为bi,有：3 考虑优先权的分配算法－－为了照顾重要、紧迫的作业尽快完成,为它分配较多的空间;通常采取：把可供分配的物理块分成两部分：一部分按比例分给各进程；另一部分根据优先权分给各进程;有的系统是完全按优先权来分配;4.7.3 调页策略1. 何时调入页面1 预调页策略缺页前 ：页面存放连续,用预测法一次调入多个相邻页,预测成功率仅为50％;2 请求调页策略缺页时：运行中,发现不在内存,立即请求,由OS 调入;2. 从何处调入页面请求分页系统中外存分为两部分：文件区和对换区;这样,当发生缺页请求时,系统应从何处将缺页调入内存：1 系统拥有足够的对换区,可以全部从对换区调入所需页面;在进程运行前,须将有关的文件拷贝到对换区;2 系统缺少足够的对换区,这时凡是不会被修改的文件,都直接从文件区调入,由于它们未被修改而不必换出;但对于可能被修改的部分,换出时调到对换区,以后需要时,再从对换区调入;3 UNIX 方式;凡是未运行过的页面,都应从文件区调入；曾运行过但已换出的页面,放在∑==ni iS S 1m SS b ii ⨯=对换区,下次应从对换区调入;4.8 页面置换算法当进程运行时,所访问的页面不在内存而需要将他们调入内存,但内存无空闲时,需要选择一页面换出到对换区,选择算法即页面置换算法;算法评价：页面置换频率低,调出页面将不会或很少访问;4.8.1 最佳置换算法和先进先出置换算法1. 最佳Optimal 置换算法由Belady 于1966年提出的一种理论上的算法;原理：其所选择的被淘汰页面,将是以后永不使用的, 或是在最长未来时间内不再被访问的页面;特点：通常可获得最低的缺页率,但由于进程运行不可预知而无法实现,用来评价其他算法;假定系统为某进程分配了三个物理块,并考虑有以下的页面号引用串：7,0,1,2,0,3,0,4,2,3,0,3,2,1,2,0,1,7,0,1进程运行时,先将7,0,1三页装入内存;当进程要访问页面2时,将会产生缺页中断,此时OS 根据最佳置换算法,将选择页面7予以淘汰;共发生6次页面置换;图 4-25 利用最佳页面置换算法时的置换图 2. 先进先出FIFO 页面置换算法---总是置换最先进入内存的页面;用FIFO 算法共发生12次页面置换;该算法与进程的实际运行规律不相符,有些页面经常被访问全局变量,常用函数;图 4-26 利用FIFO 置换算法时的置换图4.8.2 最近最久未使用Least Recently Used LRU 置换算法1. LRU置换算法 ---在无法预测各页面将来使用情况下,利用“最近过去”作为“最近将来”的近似选择最近最久未使用的页面予以淘汰;用LRU 算法共发生9次页面置换;引用率70770170122010320304243230321201201770101页框(物理块）203图 4-27 LRU 页面置换算法2. LRU 置换算法的硬件支持LRU 算法比较好,但为了快速知道哪一页是最近最久未使用的页面,需要硬件支持：寄存器或栈;1 寄存器为了记录某进程在内存中各页的使用情况,须为每个页面配置一个移位寄存器,可表示为：原理：进程访问某物理块时,先将寄存器的Rn-1位设成1;此时,定时信号将每隔一定时间将寄存器右移一位;若将n 位寄存器的数看做是一整数,那么,具有最小数值的寄存器所对应的页面,就是最近最久未使用的页面;例：某进程在内存中有8个页面,为每页面配置一8位寄存器时的LRU 访问情况,如图4-28图 4-28 某进程具有8个页面时的LRU 访问情况2 栈--利用栈来保存当前使用的各页面的页面号;原理：每当进程访问某页面时,便将该页面的页面号从栈中移出,将它压入栈顶;因此,栈顶始终是最新被访问页面的编号,而栈底则是最近最久未使用页面的页面号;假定现有一进程所访问的页面的页面号序列为：4,7,0,7,1,0,1,2,1,2,6随着进程的访问,栈中页面号的变化情况如图4-29所示;在访问页面6时发生了缺页,此时页面4是最近最久未被访问的页,应将它置换出去;LRU 算法较好,但要求较多硬件支持, 实际使用接近LRU算法－Clock 算法;图引用率70770170122010323104430230321013201770201页框2304204230230127127011474074704170401741074210741207421074621074-29 用栈保存当前使用页面时栈的变化情况。

主题：二进制计算机的主要逻辑元件一、概述二进制计算机是当今世界上最广泛使用的计算机系统。

它们采用二进制系统来表示和处理数据和指令。

在二进制计算机中，存在着一些主要的逻辑元件，它们在计算机的运行中起着至关重要的作用。

二、主要逻辑元件1. 逻辑门逻辑门是构成计算机的基本逻辑元件。

它们能够执行基本的逻辑运算，如与、或、非等。

常见的逻辑门有与门、或门、非门等。

在计算机中，逻辑门被组合成各种复杂的逻辑电路，用来实现各种功能。

2. 寄存器寄存器是一种用来存储数据的元件。

在计算机中，寄存器通常用来存储临时数据、位置区域或指令。

寄存器的大小通常是以位（bit）来表示的，如8位寄存器、16位寄存器等。

3. 存储器存储器是计算机中用来存储数据和指令的元件。

存储器分为内存和外存，内存通常指的是随机存取存储器（RAM），它用来存储正在运行的程序和数据；外存通常指的是磁盘或固态硬盘，它用来存储长期的数据和程序。

4. ALU（算术逻辑单元）ALU是计算机中用来执行算术和逻辑运算的部件。

它能够执行加、减、乘、除等算术运算，也能够执行与、或、非等逻辑运算。

5. 控制单元控制单元是计算机中用来控制指令执行顺序的部件。

它能够从存储器中取出指令，解码指令，并且控制各个部件的工作。

6. 时钟时钟是计算机中用来同步各个部件工作的部件。

它能够在一个固定的时间间隔内发出脉冲信号，使得各个部件按照统一的节拍工作。

7. 数据总线数据总线是计算机中用来传输数据的通道。

它能够同时传输多位数据，如8位、16位、32位等。

8. 位置区域总线位置区域总线是计算机中用来传输位置区域信息的通道。

它能够指示存储器中的特定位置。

9. 控制总线控制总线是计算机中用来传输控制信号的通道。

它能够传输各种控制信号，如读写信号、中断信号等。

三、总结二进制计算机中的主要逻辑元件包括逻辑门、寄存器、存储器、ALU、控制单元、时钟、数据总线、位置区域总线和控制总线。

它们共同构成了计算机的基本操作和功能。

芯片内部是什么芯片作为现代电子设备的核心部件，其内部包含了多个重要组成部分和技术元件。

以下是关于芯片内部构造和组成的详细解释，文字约1000字。

一、晶体管晶体管是芯片内部最基本的元件之一。

晶体管由三个不同类型的材料组成：n型半导体、p型半导体和绝缘层。

晶体管的内部由栅极、源极和漏极组成，通过控制栅极上的电压，可以实现多种功能，如放大信号、切换电信号等。

晶体管的作用是在电路中放大和控制电流。

在集成电路中，晶体管的微小尺寸和大量密集的排列方式使得大量电流可以在微小的空间中高效地工作。

二、电容器电容器是另一个常见的芯片内部元件。

它是由两个导体板之间夹着一层绝缘材料构成。

电容器的主要作用是存储电荷，并在需要时释放电荷。

电容器可以用于储存数据、滤波器和电源管理等各种应用中。

在芯片内部，电容器的微小尺寸和高电容量使得芯片能够存储和处理更多的信息。

三、电阻器电阻器是芯片内部的另一个重要元件，用于阻碍电流的流动。

电阻器由导电材料组成，其内部的电阻值可以根据需要进行调整。

电阻器可以用于调节电路的电流和电压，使芯片能够在不同的工作环境中正常运行。

通过控制电阻器的数值，可以实现电路的线性增益、输出等功能。

四、集成电路和连接器集成电路是芯片内部最重要的组成部分之一。

集成电路将多个晶体管、电容器和电阻器等元件集成在一个微型芯片上，以实现复杂的电路功能。

集成电路的内部对于现代电子设备而言是非常关键的。

不同类型的集成电路包括数字电路、模拟电路和混合电路等，可以满足不同应用的需求。

连接器是芯片内部的另一种重要组成部分。

连接器用于将芯片与其他电子设备或电路连接起来，实现信息传递和通信功能。

五、寄存器和存储器寄存器是芯片内部的存储单元，用于暂时存储数据和指令。

寄存器的操作速度非常快，可以满足芯片在短时间内处理大量数据的需求。

存储器是芯片内部的另一种存储单元，可用于长期存储数据和程序。

存储器包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等。

寄存器的工作原理寄存器是计算机中的一种高速存储设备，也是计算机中最小的存储单元。

它能够快速存储和提取数据，用于暂时存储计算、操作和传输中的数据。

寄存器通常在CPU内部，可以直接被CPU访问，是计算机中最快的存储设备之一1.存储和提取数据：寄存器能够存储和提取数据。

当需要将数据存储到寄存器中时，数据会通过总线传输到寄存器内部。

同样，当需要从寄存器中提取数据时，寄存器会将数据通过总线传输到其他部件。

2.状态保持：寄存器能够在断电的情况下保持数据的状态。

这是因为寄存器是由闪存或锁存器等可靠的电子器件构成的。

断电后，寄存器内的数据仍然可以保持在存储器中，而不会丢失。

3.数据操作：寄存器能够对数据进行各种操作。

例如，寄存器可以对数据进行逻辑运算、移位操作、算术运算等。

这些操作可以通过逻辑门或运算单元实现，从而对寄存器内的数据进行处理。

4.数据传输：寄存器能够在不同部件之间传输数据。

例如，寄存器可以将数据从输入设备传输到主存储器，或者将数据从主存储器传输到输出设备。

通过寄存器实现的数据传输可以更加高效和快速。

5.控制信号：寄存器能够接收和解析控制信号，从而执行相应的操作。

例如，当CPU需要将数据从寄存器传输到运算单元进行计算时，CPU会发送相应的控制信号给寄存器，使其将数据传输到运算单元。

总之，寄存器的工作原理主要是通过电子线路、逻辑门和控制信号实现的。

寄存器能够存储和提取数据，保持数据状态以及对数据进行各种操作。

寄存器在计算机中起到了至关重要的作用，是计算机中的核心组成部分之一。

寄存器、特殊功能寄存器和ram之间的区别联系存储器在CPU外，⼀般指硬盘，U盘等可以在切断电源后保存资料的设备，容量⼀般⽐较⼤，缺点是读写速度都很慢，普通的机械硬盘读写速度⼀般是50MB/S左右。

内存和寄存器就是为了解决存储器读写速度慢⽽产⽣的多级存储机制，从20世纪50年代开始，磁芯存储器曾⼀度成为主存的主要存储介质，但从20世纪70年代开始，逐步被半导体存储器所取代，⽬前的计算机都是⽤半导体存储器。

现在的DDR2内存的读写速度⼀般为6~8GB/S，跟机器性能也有关系。

从根本上讲，寄存器与RAM的物理结构不⼀样。

⼀般寄存器是指由基本的RS触发器结构衍⽣出来的D触发， 就是⼀些与⾮门构成的结构，这个在数电⾥⾯⼤家都看过； ⽽RAM则有⾃⼰的⼯艺，⼀般1Bit由六MOS管构成。

所以， 这两者的物理结构不⼀样也导致了两者的性能不同。

寄存器 访问速快，但是所占⾯积⼤。

⽽RAM相反，所占⾯积⼩， 功率低，可以做成⼤容量存储器，但访问速度相对慢⼀点。

1、寄存器存在于CPU中，速度很快，数⽬有限；存储器就是内存，速度稍慢，但数量很⼤；计算机做运算时，必须将数据读⼊寄存器才能运算。

2、存储器包括寄存器,内存有ROM和RAM⼀般51单⽚机的特殊功能寄存器都是在RAM区的0x80-0xFF地址中特殊寄存器的memory map底下会对寄存器进⾏详细的描述，在这⾥就不⼀⼀描述，可以进⾏位寻址的，⼀般像我们的PIN脚P1P2等都可以进⾏位寻址，还有⼀些控制定时器中断等⼀些指令：sfr定义特殊功能寄存器sbit 定义位寻址⼀般在使⽤时都要查阅相关规格书进⾏使⽤，不是所有的单⽚机都是相同的，这⾥会有差别，所以⼀定要注意。

具体寄存器功能就不⼀⼀描述了1、存储器在CPU外，⼀般指硬盘，U盘等可以在切断电源后保存资料的设备，容量⼀般⽐较⼤，缺点是读写速度都很慢，普通的机械硬盘读写速度⼀般是50MB/S左右。

内存和寄存器就是为了解决存储器读写速度慢⽽产⽣的多级存储机制，从20世纪50年代开始，磁芯存储器曾⼀度成为主存的主要存储介质，但从20世纪70年代开始，逐步被半导体存储器所取代，⽬前的计算机都是⽤半导体存储器。

寄存器的工作原理寄存器是计算机中一种用于存储和处理数据的重要组件。

它是一块高速存储器，用于暂时存储和操作计算机中的数据。

寄存器的工作原理涉及数据的存储、读取和处理过程。

1. 数据存储：寄存器由一组触发器组成，每一个触发器可以存储一个二进制位。

这些触发器通常是由触发器芯片实现的。

当计算机需要存储数据时，数据被传送到寄存器中，并存储在相应的触发器中。

每一个触发器都有一个惟一的地址，通过该地址可以访问和操作寄存器中的数据。

2. 数据读取：当计算机需要读取寄存器中的数据时，它会发送一个读取指令，并指定要读取的寄存器的地址。

寄存器将相应的数据通过数据总线传送给计算机的其他部份。

读取操作是通过控制信号来触发的，这些信号会对寄存器进行操作，使其将数据传送到数据总线上。

3. 数据处理：寄存器不仅可以存储数据，还可以进行一些简单的数据处理操作。

例如，加法寄存器可以接收两个输入，并将它们相加得到一个结果。

这样的寄存器通常用于算术运算。

其他类型的寄存器可以执行逻辑操作，如与、或者和非等。

4. 寄存器的作用：寄存器在计算机中起着暂时存储和传输数据的作用。

它们通常用于存储中间结果、程序计数器、地址指针等。

寄存器的快速访问速度使得计算机可以更高效地进行数据处理和运算。

5. 寄存器的种类：计算机中有多种类型的寄存器，包括通用寄存器、特殊寄存器和控制寄存器等。

通用寄存器用于存储暂时数据和运算结果，特殊寄存器用于存储特定功能的数据，如程序计数器和堆栈指针等，控制寄存器用于控制计算机的操作和状态。

总结：寄存器是计算机中用于存储和处理数据的重要组件。

它们通过触发器实现数据的存储和读取，并可以进行一些简单的数据处理操作。

寄存器的快速访问速度使得计算机可以更高效地进行数据处理和运算。

不同类型的寄存器有不同的功能和用途，包括通用寄存器、特殊寄存器和控制寄存器等。

寄存器在计算机系统中起着至关重要的作用，对于理解计算机的工作原理和性能优化具有重要意义。

存储器名词解释(1)单元(unit)：能存放信息的最小功能单位。

(2)存储器(memory)：数据存储的器件，它包括存储器件、寄存器和高速缓冲存储器等。

在计算机系统中，存储器是以半导体存储元器件为基础的集成电路存储单元，又称存储器芯片或存储器件。

存储器也用来表示一个单元中存储信息的能力，存储容量的大小用字节表示，字节的多少通常用其存储单元的位数表示。

例如， 32位字长的存储器比16位字长的存储器具有更大的存储空间，可以存储容量更大的程序，从而使计算机的存储容量成倍增加。

(3)地址(address)：为了确定设备的存储单元而对该存储单元所编的唯一标识符。

(4)编码(coding)：指给每个字节(包括存储单元)分配固定的代码。

(5)寄存器(register)：暂时保存信息，并将存储器的信息保持到下一个要执行的指令时刻。

(6)高速缓冲存储器(cache)：用于暂时存放CPU 要处理的指令，同时完成高速读写数据的作用。

高速缓冲存储器是以串行方式实现读/写控制，不会引起系统的不稳定。

(7)内存储器与外存储器。

内存储器是与CPU直接交换信息的储存器;外存储器则是不与CPU直接交换信息的储存器。

存储器主要由半导体器件构成，利用二进制原理，按照一定的顺序和格式，用电路进行逻辑操作，数据在存储器中按其地址编码方式进行存储，只要计算机工作正常，任何时候都可在内存中找到相应的信息。

2．1存储器种类目前在计算机系统中采用的存储器有磁盘、软盘、硬盘、光盘和各种内存储器等五种。

4。

存储器管理(storage management)：对存储器进行有效的组织，合理地安排信息存取路径，并且经常性地检查存储器的状态以及运行情况的操作过程。

5。

缓冲存储器(buffer storage)：把存储器按一定的地址映像方式组织成若干组，用于提高访问速度的高速存储器。

6。

高速缓冲存储器(cache)：用于暂时存放CPU要处理的指令，同时完成高速读写数据的作用。

半导体存储器是计算机和电子设备中常用的内部存储器类型，根据不同的特性和用途，可以分为多种分类。

以下是常见的半导体存储器分类：1.RAM（随机存取存储器）：SRAM（静态随机存取存储器）：使用触发器构建，读写速度快，但需要较多的芯片面积和功耗。

DRAM（动态随机存取存储器）：基于电容的存储单元，需要定期刷新，但相对较高的存储密度使其成为主流内存选项。

2.ROM（只读存储器）：PROM（可编程只读存储器）：用户一次性编程，无法擦除或重新编程。

EPROM（可擦除可编程只读存储器）：需要特殊设备进行擦除，然后重新编程。

EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）：可通过电子擦除和编程，较为灵活，但擦写次数有限。

Flash 存储器：类似于EEPROM，但支持块擦除，用于各种应用，包括闪存驱动器、存储卡和固态硬盘。

3.Cache 存储器：L1、L2、L3 Cache：位于处理器内部的高速缓存，用于加速数据访问。

缓存存储器层次结构：不同级别的缓存通过层次结构来平衡速度和容量。

4.寄存器文件：寄存器组：在CPU 内部的小型存储器单元，用于存储指令、数据和控制信号。

5.存储卡和存储棒：SD 卡、MicroSD 卡、USB 存储棒等：用于移动设备和计算机的便携式存储。

6.堆栈存储器：堆栈内存：用于存储函数调用、局部变量和返回地址等，通常遵循先进后出（LIFO）原则。

7.内存芯片：内存芯片：集成了多个存储单元，通常作为外部存储器使用。

这些存储器类型在不同的应用场景中具有不同的特点和用途。

随着技术的发展，各类存储器不断优化和演进，以满足日益复杂的计算和数据存储需求。

简述cpu的各组成部件及功能CPU（中央处理器）是计算机的核心部件，主要负责控制计算机的运行，执行数据处理和存储等操作。

它由许多重要组成部件构成，每个部件都具有独特的功能和作用。

下面是CPU的各组成部件及其功能的简述。

1、控制器控制器是CPU中的重要组成部件之一，它负责控制计算机的所有操作，包括指令执行、数据传输、存储操作等。

它通过与存储器和输入输出设备交互来执行操作。

控制器通常包括指令寄存器、程序计数器、时序逻辑等。

2、算术逻辑单元算术逻辑单元（ALU）是CPU的另一个重要组成部件，它负责执行计算操作和逻辑运算。

ALU包括加法器、减法器、乘法器、除法器等。

它能够进行各种运算和比较操作，并能够执行诸如AND、OR和NOT等逻辑运算。

3、寄存器寄存器是CPU内部的一组存储器，它们用于存储数据、指令和地址等信息。

寄存器可以在很短的时间内读取和写入数据，它可以提高CPU的执行速度。

寄存器包括通用寄存器、指令寄存器、程序计数器、状态寄存器等。

4、时钟时钟是CPU的一个重要组成部分，它以恒定的频率发出信号，用于控制CPU中各个部件的运行。

它提供了一个基本的时序参考，使得CPU能够在同步状态下工作。

5、总线总线是CPU的通信系统，它负责连接CPU和其它设备，包括内存、输入设备和输出设备等。

总线是数据和控制信号在计算机中传递的主要通道，可以分类为数据总线、地址总线和控制总线。

6、缓存缓存是CPU的一种高速存储器，它充当了CPU和内存之间的缓冲区。

它存储了CPU频繁访问的数据，以提高CPU执行效率。

它通常分为三个级别：L1缓存、L2缓存和L3缓存，其存储速度由快到慢。

总之，CPU作为计算机的核心部件，由众多复杂的组成部件构成。

每个组成部分都具有独特的功能和作用，它们共同协作以实现计算机高效运行。

寄存器的原理
寄存器是计算机中一种用于存储和处理数据的硬件设备。

它通常由一组存储单元组成，每个存储单元可以存储一个固定长度的比特位。

寄存器与计算机的CPU紧密相连，用于快速读写
数据和执行基本的算术和逻辑操作。

寄存器的基本原理是，将数据存储在内部的存储单元中，并通过地址进行索引。

每个寄存器都有一个唯一的地址，以便访问其中的数据。

计算机通过发送控制信号将数据从主存储器传输到寄存器中，或从寄存器中传输到主存储器中。

寄存器主要用于存储中间结果和操作数，以支持计算和逻辑操作。

例如，在执行加法操作时，计算机将要相加的两个操作数加载到寄存器中，并将结果存储在另一个寄存器中。

这样，CPU可以直接在寄存器中进行算术运算，而无需频繁地读取
和写入主存储器，从而提高了计算速度和效率。

寄存器还可以用于存储程序计数器（PC），即指向下一条要
执行的指令的地址。

当计算机执行程序时，它会读取当前指令，并将PC指向下一条指令。

这样，计算机可以按照指令序列执
行程序中的不同操作。

除了数据存储和处理外，寄存器还可以用于存储标志位，用于记录计算机的状态信息，例如溢出、零结果和负结果等。

这些标志位可用于控制程序的执行流程和条件跳转。

总之，寄存器是计算机中用于存储和处理数据的重要硬件设备。

通过高速的读写操作和算术逻辑运算，寄存器在计算机的运行中发挥着重要的作用，帮助实现高效的数据处理和计算。

寄存器（register）寄存器Scope of register:寄存器是CPU内部⽤来存放数据的⼀些⼩型存储区域，⽤来暂时存放参与运算的数据和运算结果。

其实寄存器就是⼀种常⽤的时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。

寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，因为⼀个锁存器或触发器能存储1位⼆进制数，所以由N个锁存器或触发器可以构成N位寄存器。

寄存器是中央处理器内的组成部份。

寄存器是有限存贮容量的⾼速存贮部件，它们可⽤来暂存指令、数据和位址。

在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。

在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。

1、寄存器- 特点及原理寄存器⼜分为内部寄存器与外部寄存器，所谓内部寄存器，其实也是⼀些⼩的存储单元，也能存储数据。

但同存储器相⽐，寄存器⼜有⾃⼰独有的特点：①寄存器位于CPU内部，数量很少，仅⼗四个；②寄存器所能存储的数据不⼀定是8bit，有⼀些寄存器可以存储16bit数据，对于386/486处理器中的⼀些寄存器则能存储32bit 数据；③每个内部寄存器都有⼀个名字，⽽没有类似存储器的地址编号。

寄存器的功能⼗分重要，CPU对存储器中的数据进⾏处理时，往往先把数据取到内部寄存器中，⽽后再作处理。

外部寄存器是计算机中其它⼀些部件上⽤于暂存数据的寄存器，它与CPU之间通过“端⼝”交换数据，外部寄存器具有寄存器和内存储器双重特点。

有些时候我们常把外部寄存器就称为“端⼝”，这种说法不太严格，但经常这样说。

外部寄存器虽然也⽤于存放数据，但是它保存的数据具有特殊的⽤途。

某些寄存器中各个位的0、1状态反映了外部设备的⼯作状态或⽅式；还有⼀些寄存器中的各个位可对外部设备进⾏控制；也有⼀些端⼝作为CPU同外部设备交换数据的通路。

所以说，端⼝是CPU和外设间的联系桥梁。

CPU对端⼝（Ports）的访问也是依据端⼝的“编号”（地址），这⼀点⼜和访问存储器⼀样。

了解计算机的存储器和存储介质计算机的存储器和存储介质是计算机系统中非常重要的组成部分。

存储器是计算机中用于存储和获取数据和指令的设备，而存储介质是存储器中用于存放数据和指令的媒体。

本文将介绍计算机存储器的分类和功能，并详细介绍几种常见的存储介质。

一、计算机存储器的分类和功能1.主存储器（内存）主存储器是计算机中最常用的存储器，用于存放CPU和其他硬件设备进行读写操作的数据和指令。

主存储器具有较快的读写速度和易于访问的特点，通常采用半导体存储技术，如RAM（随机存取存储器）等。

主存储器可以按照存取方式分为随机存取存储器和只读存储器。

2.辅助存储器（外存）辅助存储器一般用于长期存储大量的数据和程序，其存储容量较大。

辅助存储器通常采用磁盘、磁带等介质，具有较慢的读写速度和相对较长的访问时间。

主要用于存储操作系统、应用软件、用户数据等。

3.高速缓存高速缓存是位于主存储器和CPU之间的一个高速存储器，用于提高计算机系统的性能。

它可以暂时存放CPU需要频繁读取的数据和指令，减少对主存储器的访问次数。

高速缓存通常由快速的SRAM（静态随机存取存储器）组成，读写速度比主存储器更快。

寄存器是CPU内部用于存放数据和指令的最快速的存储器。

它有限的容量，用于存放最常用的数据和指令，能够快速供CPU读写。

寄存器是计算机执行指令的关键部件，对于提高计算机的运行效率至关重要。

二、存储介质的种类和特点1.磁盘磁盘是一种主要用于辅助存储的磁性介质。

它由一个或多个盘片组成，每个盘片上覆盖着可磁化的材料。

磁盘通过磁头读写数据，读取速度较快，存储容量较大。

磁盘主要有硬盘和软盘两种类型，硬盘适用于个人电脑和服务器，而软盘主要用于数据传输和存储。

2.固态硬盘（SSD）固态硬盘采用闪存芯片作为存储介质，具有无动力部件、低能耗和较快的读写速度等优点。

相比传统的磁盘，固态硬盘更轻便、更可靠，并且具有更好的抗冲击性能。

它被广泛应用于移动设备和部分桌面电脑。

简述计算机系统的组成及工作原理计算机系统是由硬件和软件两部分组成的，它们相互配合，共同完成数据处理和运算的任务。

计算机系统分为五个主要的组成部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

这些部件通过总线进行连接和通信，共同协作完成各种计算和数据处理操作。

首先是运算器，它是计算机系统的核心部件，主要负责完成各种运算和逻辑操作。

运算器由算术逻辑单元（ALU）和寄存器组成。

ALU负责执行算术运算和逻辑运算，例如加法、减法、乘法、除法以及与、或、非等逻辑操作。

寄存器是用来存储和传输数据的临时存储器件，包括数据寄存器、地址寄存器和状态寄存器等。

控制器是计算机系统的指挥官，它负责控制和协调各个部件的动作。

控制器通过解析指令、判断条件和执行控制逻辑，确保计算机系统按照预定的顺序和方式进行操作。

控制器包括指令寄存器、程序计数器和时序控制等。

存储器是计算机系统的存储部分，用来存储程序、数据和指令等信息。

存储器可以根据访问速度和容量的不同分为主存储器和辅助存储器。

主存储器又称为内存，它是计算机系统的临时存储器，用来存储当前正在运行的程序和数据。

辅助存储器则是用来存储长期保留的数据和程序，如硬盘、光盘和闪存等。

除了核心部件外，计算机系统还需要输入设备和输出设备来完成与外部环境的交互。

输入设备主要用来接收用户输入的指令和数据，如键盘、鼠标和扫描仪等。

输出设备则用来显示计算机处理结果或将数据输出到外部设备，如显示器、打印机和音箱等。

计算机系统的工作原理是通过指令周期来完成的。

指令周期是指计算机处理一条指令的完整流程，包括取指令、分析指令、执行指令和访问存储器等步骤。

首先，控制器从存储器中取出指令，并将其送到运算器进行分析。

然后，根据指令的类型和操作码，运算器执行相应的运算和逻辑操作，并将结果存储在寄存器中。

最后，控制器根据指令的执行结果，决定下一条指令的执行地址，并将其送到存储器中进行取指令，整个过程循环不断，直至程序结束。