计算机原理
第一章 计算机系统概论
1.计算机发展简史
1.1 计算机的发展历史
- 手工计算阶段 (远古-17世纪中叶)
- 结绳记事
- 算盘
- 计算尺
- 机械计算阶段(17世纪中叶-19世纪中叶)
- 机械加法器
- 机械计算器
- 1854年,英国数学家 乔治.布尔 创建布尔代数
- 电子计算阶段 (20世纪以来)
- 电子管计算机
- 电子数字积分计算机
- 电子延迟存储自动计算机
1.2 计算机的应用
- 早期,计算机的应用主要集中在数值计算领域
- 现在,计算机应用最广泛的领域是信息处理
- 推动计算机持续发展的最大动力是应用需求
- 计算机分类:电子模拟计算机 电子数字计算机
- 目前普遍使用的微型计算机采用的电子器件是大规模集成电路
2.计算机系统
2.1 计算机系统的组成
- 硬件
- 1946年, 冯.诺依曼 首次提出了以二进制和存储程序控制为核心的通用电子数字计算机体系结构原理
- 软件
- 所有程序及文档的统称
- 软件是计算机的灵魂
- 冯.诺依曼思想体制
- 采用二进制数字代码形式表示各种信息.计算机中的指令 数据或状态等信息都是以二进制形式存放
- 采用存储程序控制工作方式
- 计算机硬件由5大部件组成: 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备
2.3 计算机的硬件
- 存储器
计算机系统的记忆设备,主要用于存放数据和程序 - 运算器
基本功能是实现算数运算和逻辑运算
由算术逻辑运算部件(ALU)和用来暂存数据或存放运算结果的一系列寄存器组成 - 控制器
主要任务
1. 按照程序要求,控制程序中指令的执行顺序;程序计数器用于存放下一条指令在存储器中的地址,控制器利用它指示程序中指令的执行顺序
2. 根据指令寄存器中的指令码控制每一条指令的执行
- 中央处理机 = 运算器+ 控制器
- 主机 = 中央处理机 + 存储器
- 总线
将计算机五大部件连接起来,成为它们之间相互传递信息的公共通路
1. 控制总线
2. 地址总线
3. 数据总线
2.3 计算机系统的层次结构
WeChat8faf30ea3ed5fb3a33cebb138a2b9f75.png
3.计算机系统的技术指标
- 机器字长
决定计算机运算精度的技术指标 - 内存容量
一个内存所存储的全部信息量 - 运算速度
用每秒能执行的指令条数来表示,单位用MIPS(每秒百万条指令)
第二章 数字逻辑基础
逻辑代数与逻辑门
WeChat5cc57f92fb5f236ac1af6d0981972a38.png
WeChat58dc8c5312fb944903f77877021fc404.png
WeChat47ca0cedb24c1973457ed67cc113f24a.png
组合逻辑电路
WeChat2583a1a0cf2666a4f3392d54b932619e.png
WeChatf976550addf4243d0b8d480bc08d94ec.png
WeChat4c6eb370e70be39e8fabae7d48011f11.png
- 组合逻辑电路是指电路的输出状态只与当时输入状态有关,而与电路以前的状态无关,即输出与输入的关系具有即时性,不具备记忆性.
- 常用组合逻辑电路
全加器 译码器 数据选择器
WeChatce7d7de9ddbe0ae6d13638eb824401c9.png
WeChat30edf8215a7cbe076fe6c71688e2af3a.png
WeChat42a8bd655a1766d0335664cd60f396e9.png
常用时序电路
逻辑电路中的输出状态不但与当时的输入状态有关,而且还与电路以前的输入状态有关,这种逻辑电路称为时序逻辑电路
时序逻辑电路具备记忆功能(触发器)
寄存器,计数器
WeChat82cdb2b6019dced69407ee8a4b42e167.png
WeChat401c0462d5346288fbd37d805998c053.png
触发器是能够记忆1位二进制信号的基本逻辑单元电路,它具有两个自行保持的稳定状态,用来表示逻辑1和0
触发器分类
- 按时钟控制方式
- 电位触发
- 边沿触发
- 主从触发
- 按功能
- RS型触发器
- D型触发器
- JK型触发器
计数器分类
- 按构成计数器的触发器翻转次序
- 异步计数器
- 同步计数器
- 按计数器中数字增减
- 加法计数器
- 减法计数器
- 可逆计数器(加减计数器)
- 按计数器中数字的编码方式
- 二进制计数器
异步二进制计数器(高位触发器的翻转是通过低位触发器的输出信号触发的)
同步二进制计数器
- 十进制计数器
第三章 计算机中的信息表示
数值型数据的表示
- 进位计数制
- 基数与位权
- 二进制的特点
- 容易实现
- 工作可靠
- 运算简单
- 便于逻辑运算与逻辑设计
- 进制之间的转换
二进制 十六进制 十进制
WeChat776f5e4803b9795a0b257ff7d5223377.png
非数值型数据的表示
-
ASCII编码
WeChat367307f360dd927ba2d05cfa6576539f.png - 汉字编码方式
- 汉字输入码
全拼码 简拼码 - 汉字内码
用于汉字信息的存储 交换 检索等操作的机内代码 - 汉字字形码
数据校验码
奇偶校验码
image.png
指令信息的表示
机器指令: 操作码 地址码
- 地址指令
- 指令格式: 零地址指令 一地址指令 二地址指令 三地址指令
image.png
第四章 运算方法及运算器
补码加减法
image.png
补码加法规则
补码减法规则
溢出判断方法
溢出定义
进位检测法
变形补码检测法
提高加法器运算速度的关键在于加快进位信号的传递速度.
为了提高加法器的运行速度,采用了超前(或先行)进位并行技术.
定点乘法运算
原码一位乘法
补码一位乘法
并行阵列乘法器
定点除法运算
浮点运算
运算器
计算机加工和处理数据的功能部件
- 基本组成
- 算数逻辑运算单元 ALU
- 通用寄存器
- 状态字寄存器
- 有关的判断逻辑
- 局部控制电路
- 内部总线
- 内部总线结构
- 单总线结构
- 双总线结构 (缓冲寄存器)
- 三总线结构
第五章 中央处理器 cpu
cpu的功能和组成
- 功能
image.png
- 组成
指令(操作码, 地址码)
- 运算器
- 控制器
* 程序计数器(pc) 下一条指令的地址
* 指令寄存器IR
* 指令译码器ID
* 微命令发生器OC
* 时序信号产生器
- 主要寄存器
- 通用寄存器
- 专用寄存器
程序计数器
指令寄存器
状态字寄存器
存储器地址寄存器
存储器数据寄存器
- 数据通路
image.png
指令周期
常见汇编指令
image.png
image.png
image.png
image.png
- 指令流和数据流
指令流 cpu执行的指令序列
数据流 根据指令所提供的地址依次访问的数据序列
时序信号产生器与时序控制方式
-
多级时序体制
image.png 时序控制方式
- 同步控制方式
image.png
- 异步控制方式
image.png
- 联合控制方式
微操作及其实现
-
微操作的描述语言
image.png
image.png
image.png
image.png
组合逻辑控制器
-
基本组成
image.png 实现方法
- 组合逻辑控制器 - 硬布线控制器
组合逻辑技术 - 微程序控制器
程序设计技术和存储技术 - 现代cpu设计技术
拟定指令系统
确定总体结构
安排时序
拟定指令操作流程和微命令序列
形成控制逻辑
微程序控制器
-
优点
image.png -
基本术语
image.png 基本组成
image.png
- 机器指令与微指令
image.png
- 微指令的编码方式
image.png
- 微地址的确定方式
image.png
现代cpu设计技术
- 并行处理技术
- MMX - 多媒体扩展技术
第六章 存储器与存储系统
存储器是用来存放程序和数据的部件
- 分类
- 按存储介质分类
半导体存储器
磁表面存储器
光材料存储器
- 按存取分类
随机存取存储器(RAM)
顺序存取存储器 - 存取时间和存储单元的物理地址有关
直接存取存储器
只读存储器(ROM)
- 按信息的可保护性分类
易失性存储器 - 断电后信息丢失, 静态RAM
非易失性存储器 - 断电后仍能保存信息, ROM
- 按所处位置及功能分类
内部存储器 - 容量小,速度快,能被cpu直接访问
外部存储器
- 存储系统的分级结构
- 高速缓冲存储器
- 主存储器
- 外存储器
-
存储器容量的计算
1B = 8b
image.png -
存储周期
image.png
第七章 输入输出系统
输入输出系统概述
执行计算机主机与外界之间信息交换任务的软件和硬件的总称
接口分类
按数据传送方式
串行接口
并行接口按功能选择的灵活性
可编程接口
不可编程接口按通用性
通用接口
专用接口按输入输出信号
数字接口
模拟接口按输入输出的控制方式
程序直接控制方式接口
程序中断控制方式接口
直接存储器存取方式接口
通道控制方式接口
- 接口基本功能
- 设备选择功能
- 数据缓冲功能
- 接受 解释并执行cpu命令的功能
- 联络功能
- 中断管理功能
- 可编程功能
cpu与外设交换信息
数据信息 状态信息 控制信息端口
数据端口 控制端口 状态端口编址方式
统一编址 独立编址
输入输出控制方式
- 程序直接控制输入输出方式
- 无条件传送方式
- 程序查询传送方式
