计算机概论组成篇

计算机的总线

总线的概述：
解决不同设备之间的通讯问题
USB = Universal Serial Bus 通用串行总线
PCI ISA总线 Thunderbolt总线
总线的作用：提供了对外连接的接口；不同设备可以通过USB接口进行连接；连接标准，促使外围设备接口的统一
分类：
-片内总线：高集成度芯片内部的信息传输线
-系统总线：CPU、主内存、IO设备、各组件之间的信息传输线

a、数据总线：双向传输各个部件的数据信息，数据总线的位数（总线宽度）一般与CPU位数相同（32位、64位）

b、地址总线：指定源数据或目的数据在内存中的地址，地址总线位数=n，寻址范围：0~𝟐𝒏

c、控制总线：控制总线是用来发出各种控制信号的传输线，监视不同组件之间的状态（就绪/未就绪）

总线的仲裁：
1、目的：为了解决总线使用权的冲突问题
2、方法：链式查询（好处是电路复杂度低，方式简单；坏处是优先级低的设备难以获得总线使用权，对电路故障敏感）、计时器定时查询、独立请求（好处是响应速度快，优先顺序可动态改变；坏处是设备连线多，总线控制复杂）

计算机的输入输出设备

输入设备：字符输入设备（键盘）；图形输入设备（鼠标、数位板、扫描仪）
输出设备：显示器、打印机、投影机
输入输出接口的通用设计
需求：读取设备数据、向设备发送数据或者写数据、接口判断设备是否已经被占用、判断设备是否已经正常连接并就绪
四根线：数据线（是I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线-单向传输Or双向传输）、状态线（ IO设备状态向主机报告的信号线）、命令线（CPU向设备发送命令的信号线）、设备连接线（主机选择I/O设备进行操作的信号）
CPU与IO设备的通信
CPU速度与IO设备速度不一致，当外围IO设备就绪时，向CPU发出中断信号，CPU有专门的电路响应中断信号
程序中断：提供低速设备通知CPU的一种异步的方式，CPU可以高速运转同时兼顾低速设备的响应
DMA（直接存储器访问）：当主存与IO设备交换信息时，不需要中断CPU，可以提高CPU的效率

计算机存储器概览

1、存储器的分类
按存储介质分：半导体存储器、磁存储器
按存取方式分：随机存储器RAM(随机读取，与位置无关)、串行存储器（与位置有关，按顺序查找）、只读存储器ROM(只读不写)
2、存储器的层次结构
缓存：速度快位格高；主存：速度适中位格适中；辅存：速度慢位格低
缓存-主存层次：
–原理：局部性原理
–实现：在CPU与主存之间增加一层速度快（容量小）的Cache
–目的：解决主存速度不足的问题
主存-辅存层次：
–原理：局部性原理
–实现：主存之外增加辅助存储器（磁盘、SD卡、U盘等）
–目的：解决主存容量不足的问题

计算机的主存储器与辅助存储器

主存储器——内存
RAM通过电容存储数据，必须隔一段时间刷新一次，如果掉电，那么一段时间后将丢失所有数据
辅助存储器——磁盘
表面是可磁化的硬磁特性材料，移动磁头径向运动读取磁道信息
1、先来先服务算法
2、最短寻道时间优先
3、扫描算法（电梯算法）
4、循环扫描算法

计算机的高速缓存

工作原理
1、字：是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合
2、字块：存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字
例题1：
空间容量：4G= 4096𝑀
字块数：4096 ÷ 4 = 1024
字块地址m：log2 1024 = 10
块内字数：4𝑀 ÷ 32𝑏𝑖𝑡 =（4×1024×1024×8）/32bit= 1048576
块内地址b： log2 1048576 = 20
命中率是衡量缓存的重要性能指标
访问主存次数：N𝑚
访问Cache次数：N𝑐
命中率:ℎ =𝑁𝑐/( 𝑁𝑐 + 𝑁𝑚)
访问主存时间：𝑡𝑚 访问缓存时间：𝑡𝑐
访问Cache-主存系统平均时间：𝑡𝑎 = ℎ𝑡𝑐 + (1 − ℎ)𝑡𝑚
访问效率： 𝑒=𝑡𝑐/𝑡𝑎=𝑡𝑐/[ℎ𝑡𝑐 + (1 − ℎ)𝑡𝑚]
高速缓存的替换策略
替换时机：高速缓存没有数据，需要从主存载入所需数据
替换策略如下：
随机算法：需要替换的时候随机选取一块位置替换
先进先出算法(FIFO)：优先替换最先进入队列的字块
最不经常使用算法(LFU)：优先淘汰最不经常使用的字块
最近最少使用算法(LRU)：空间足够时填充，最右侧为不经常使用数据，重复的数据提到第一位，替换时从右侧抛出

计算机的指令系统

1、机器指令的形式—–机器指令主要由两部分组成：操作码、地址码
a、操作码指明指令所要完成的操作，操作码的位数反映了机器的操作种类
b、地址码直接给出操作数或者操作数的地址，分三地址指令、二地址指令和一地址指令（零地址：空操作、停机操作、中断返回操作）
2、机器指令的操作类型
数据传输、算术逻辑操作、移位操作、控制指令
3、机器指令的寻址方式
指令寻址：数据寻址、跳跃寻址
数据寻址：立即寻址、直接寻址、间接寻址