白中英《计算机组成原理》(第5版)教材精讲(计算机系统概论 计算机的硬件)
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第1章计算机系统概论
1.1复习笔记
1.2课后习题详解
第2章运算方法和运算器
2.1复习笔记
2.2课后习题详解
第3章多层次的存储器
3.1复习笔记
3.2课后习题详解
第4章指令系统
4.1复习笔记
4.2课后习题详解
第5章中央处理器
5.1复习笔记
5.2课后习题详解
第6章总线系统
6.1复习笔记
6.2课后习题详解
第7章外存与I/O设备
7.1复习笔记
7.2课后习题详解
第8章输入输出系统
8.1复习笔记
8.2课后习题详解
第9章并行组织与结构
9.1复习笔记
9.2课后习题详解
第10章课程教学实验设计
第11章课程综合设计。
白中英《计算机组成原理》第5版考研教材及真题视频讲解白中英《计算机组成原理》(第5版)网授精讲班【教材精讲+考研真题串讲】目录白中英《计算机组成原理》(第5版)网授精讲班【共41课时】电子书(题库)•白中英《计算机组成原理》(第5版)【教材精讲+考研真题解析】讲义与视频课程【30小时高清视频】•白中英《计算机组成原理》(第5版)笔记和课后习题详解•白中英《计算机组成原理》(第5版)配套题库【考研真题精选+章节题库】•试看部分内容教材精讲[视频讲解]第1章计算机系统概论[视频讲解]学习与考查目标1.理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式,具有完整的计算机系统的整机概念。
2.理解计算机系统层次化结构概念,熟悉硬件与软件之间的界面,掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。
3.能够综合运用计算机组成的基本原理和基本方法,对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析,并能对一些基本部件进行简单设计。
考纲要求1.计算机发展历程2.计算机系统层次结构(1)计算机硬件的基本组成;(2)计算机软件的分类;(3)计算机的工作过程。
3.计算机的性能指标吞吐量、响应时间;CPU时钟周期、主频、CPI、C PU执行时间;MIPS、MFLOPS1.1 计算机系统的分类一、计算机系统的分类如图1-1所示。
图1-1 计算机系统分类图二、计算机系统的基本组成如图1-2所示。
图1-2 计算机系统组成图三、概述计算机的分类:机械计算机电子模拟计算机:数值由连续的量来表示。
电子数字计算机:计算机中的数值由不连续的数字来表示。
专用机:经济,有效,快速,适应性差通用机:适应性强巨型机大型机中型机小型机微型机单片机低简易性高高体积,功耗,性能,价格低如图1-3所示。
图1-3数字计算机与模拟计算机的主要区别如表1-1所示。
表1-1 数字计算机与模拟计算机的主要区别考研真题精选一、选择题1下列关于冯·诺依曼结构计算机基本思想的叙述中,错误的是()。
2.3 定点乘法运算一、原码并行乘法乘法实现方法在现有的加法和减法器的基础上增加适当的移位线路及控制逻辑可以实现,用LSI和VLSI工艺实现专用的乘法器编制子程序(单片机等低端机器)。
1.定点原码乘法原理[x]原=x f.x n-1…x1x0 [y]原=y f.y n-1…y1y0[x,y]原=(x f ⊕y f)+(0.x n-1…x1x0).(0.y n-1…y1y0)尾数乘法如下:设x=0.1101,y=0.10110.1101(x)× 0.1011(y)110111010000+11010.10001111(z)n 位乘n 位积可能为2n 位。
乘积的最后是所有部分积之和,有n 个数相加,而FA 只有两个输入端,所以需要改造:方法一:硬件实现方法(串行的“加法和移位”),硬件结构简单,速度太慢(时间延迟太长);方法二:不带符号位的阵列乘法器。
【例1】设x=0.1101,y=0.1011,求x*y图2-3-1 不带符号位的阵列乘法器3.带符号位的阵列乘法器求补电路原理:算前求补-乘法器-算后求补,见下图:图2-3-2 对2求补器电路图求补电路小结:E=0时,输入和输出相等E=1时,则从数最右端往左边扫描,直到第一个1的时候,该位和右边各位保持不变0⊕A=A,左边各数值位按位取反1⊕A=乛A原:1.11110补:1.00010时间延迟分析:转换n+1位带符号的时间延迟为t=n*2T+5T ,其中n*2T 为或门延迟时间,5T 为最高位与门和异或门的时延。
带符号的阵列乘法器(间接法)图2-3-3 (n+1)位乘(n+1)位带补级的阵列乘法器。
6.6 InfiniBand标准一、InfiniBand的体系结构虽然PCI总线是一种可靠的互联方式,提供了高达1GB/s的传输率,但它是一种受限的体系结构。
PCI总线安装在计算机母板上,距离的测量以厘米为单位。
与PCI不同,2001年国外著名公司联合推出的InfiniBand标准,是瞄准高端服务器市场的最新I/O规范。
它将I/O模块从服务器机架上移走,若使用铜线,允许I/O设备安置在离服务器17m远的地方;若使用多模光纤,I/O设备距离可达300m;若使用单模光纤,距离可达10km。
InfiniBand标准为处理器和智能I/O设备问的数据流,描述了一种新的体系结构和规范。
用InfiniBand来替代当前服务器中的PCI总线,可使服务器设计中提供更大的容量、更好的扩充性和更高的灵活性。
InfiniBand允许服务器、远程存储器、其他网络设备接入到一个由开关和链路组成的中央开关网带。
这种基于开关的体系结构可连接多达64000个服务器、存储系统和网络设备。
图6-9 InfiniBand的体系结构上图为InfiniBand的体系结构,主要功能构件如下:主机通道适配器替代PCI的多个槽。
典型的服务器只需1个到通道适配器的单个接口,用它将服务器连接到InfiniBand开关。
通道适配器另一侧接到服务器的存储器控制器,以连接系统总线,控制CPU和存储器之间的信息量,以及通道适配器和存储器之间的信息量。
通道适配器使用DMA方式来读写存储器。
目标通道适配器通过它将远程存储系统、路由器、其他外围设备连接到InfiniBand开关。
InfiniBand开关此开关对各类设备提供点对点的物理连接,并将来自一个链路的信息量切换到另一个链路上。
服务器和各个设备通过各自的适配器,经由开关相互通信。
开关智能地管理链接,无须中断服务器的操作。
链路链路为传输线,它介于开关和通道适配器之间,或介于两个开关之间。
子网一个子网由一个开关或多个开关,以及连接其他设备到这些开关的链路组成。
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第1章计算机系统概论
1.1复习笔记
一、计算机的分类
1电子模拟计算机
模拟计算机的特点是数值由连续量来表示,运算过程也是连续的。
2电子数字计算机
(1)概述
电子数字计算机是用数字来表示数量的大小,其特点是按位运算,并且不连续地跳动计算。
(2)分类
①专用计算机
专用计算机是针对某一任务设计的计算机。
②通用计算机
通用计算机分类及区别如图1-1所示。
图1-1多核机、单片机、PC机、服务器、大型机、超级计算机之间的区别
3电子模拟计算机与电子数字计算机的区别
电子模拟计算机与电子数字计算机的主要区别如表1-1所示。
表1-1电子数字计算机与电子模拟计算机的主要区别
二、计算机的发展简史
1计算机的五代变化
①电子管计算机
②晶体管计算机
③中小规模集成电路计算机
④大规模和超大规模集成电路计算机
⑤巨大规模集成电路计算机
2计算机的性能指标
描述计算机性能的指标如表1-2所示
表1-2计算机性能指标
三、计算机的硬件
1硬件组成要素
数字计算机的主要组成部分可以表示为如图1-2所示。
图1-2数字计算机的主要组成结构
2运算器
运算器示意图如图1-3所示。
运算器的主要功能是进行加、减、乘、除等算术运算,也可以进行逻辑运算,因此通常称为ALU(算术逻辑运算部件),其运算方式为二进制。
图1-3运算器结构示意图。
1.3 计算机的硬件
一、硬件组成要素
1.举例说明
要了解数字计算机的主要组成和工作原理,可从打算盘说起。
假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔,要求计算这样一个题目。
为了和下面讲到的内容做比较,不妨按以下方法把使用算盘进行解题的过程步骤事先用笔详细地记录在带横格的纸上。
(1)首先,将横格纸编上序号,每一行占一个序号,如l,2,3,…,n,如表1-2所示。
(2)其次,把计算式中给定的四个数a,b,c和z分别写到横格纸的第
9,10,11,12行上,每一行只写一个数。
(3)接着详细列出给定题目的解题步骤,而解题步骤也需要记在横格纸上,每一步也只写一行。
第一步写到横格纸的第l行,第二步写到第2行,……依次类推。
(4)如表1-2所示,根据表中所列的解题步骤,从第l行开始,一步一步进行计算,最后可得出所要求的结果。
表1-2 解题步骤和数据记录在横格纸上
2.冯·诺依曼体系结构
计算机组成原理讨论的基础就是冯·诺依曼的计算机,其基本设计思想就是存储程序和程序控制,具有以下特点:
(1)由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统,并规定了这五部分的基本功能。
(2)采用存储程序的方式,程序和数据放在同一个存储器中,指令和数据一样可以送到运算器运算,即由指令组成的程序是可以修改的。
(3)数据以二进制数码表示。
(4)指令由操作码和地址码组成。
(5)指令在存储器中按顺序存放,由指令计数器PC
指明要执行的指令所在单元地址,一般按顺序递增,但可按运算结果或外界条件改变。
(6)机器以运算器为中心,I/O 设备与存储器间数据传送都通过运算器。
计算机硬件系统的基本构成如图1-9所示。
图1-9 冯·诺依曼型计算机
二、 运算器
算术运算和逻辑运算 ;
在计算机中参与运算的数是二进制的 ;
运算器的长度一般是8、16、32或64位。
运算器的结构示意图如图1-10所示。
图1-10 运算器的结构示意图
三、存储器
存储数据和程序(指令)
容量(存储单元、存储单元地址、容量单位)
分类:内存(ROM、RAM)、外存
存储器单位:
1KB =210B 1MB =220B
1GB =
230B 1TB =240B
图1-11
四、控制器
1.指令
(1)指令和程序指令的形式(操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统)。
(2)指令和数据存储
如图1-12所示。
图1-12 指令和数据在存储器中用二进制码存储
2.控制器的基本任务
控制器的基本任务:按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。
取指周期和执行周期
控制器完全可以区分开哪些是指令字,哪些是数据字。
一般来讲,取指周期中从内存读出的信息流是指令流,它流向控制器;而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流,它由内存流向运算器,如图1-13所示。
图1-13 控制器的基本任务
五、适配器与I/O设备
1.输入设备
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
2.输出设备
把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式
3.适配器
它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系,以便使主机和外围设备并行协调地工作
4.总线
构成计算机系统的骨架,是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。
六、硬件构成形式
现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。