白中英《计算机组成原理》第四版第二章

白中英《计算机组成原理》第四版第二章计算机组成概述中央处理器存储器输入输出设备总线目录CONTENT计算机组成概述01包括中央处理器、存储器、输入输出设备等，是计算机的物理实体。硬件系统软件系统操作系统包括系统软件和应用软件，是计算机的程序和数据集合。是计算机系统的核心软件，负责管理计算机的硬件和软件资源。030201计算机系统的组成二进制数制计算机内部采用二进制数制进行运算和存储，因为二进制只有0和1两种状态，易于实现电子元件的开关状态表示。指令执行计算机通过执行指令来实现各种操作，指令由操作码和操作数组成，操作码指定操作类型，操作数指定操作对象。存储程序计算机将程序和数据存储在内存中，根据程序计数器的值依次读取指令并执行。计算机的基本工作原理03可靠性指计算机在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，通常以平均故障间隔时间来衡量。01运算速度指计算机执行运算操作的速度，通常以每秒执行的指令数或浮点运算次数来衡量。02存储容量指计算机的内存和外存能够存储的数据量，通常以字节为单位来衡量。计算机的性能指标中央处理器02CPU是计算机的运算和控制核心，负责执行存储在内存中的指令。指令执行CPU能够进行算术和逻辑运算，以及数据传输和转换等操作。数据处理CPU通过系统总线与其他计算机组件进行通信和控制。系统总线控制CPU的功能和组成CPU的功能和组成程序计数器指令寄存器操作码译码器暂存从内存中取出的待执行的指令。将指令的操作码转换为相应的控制信号。用于跟踪程序中当前要执行的指令地址。用于存储操作数和中间结果。通用寄存器用于跟踪堆栈的当前位置。堆栈指针CPU的功能和组成从内存中取指令并存入指令寄存器。CPU的工作原理取指操作码译码器根据指令寄存器中的操作码产生相应的控制信号。指令译码根据控制信号，数据通路进行相应的运算或传输操作。执行指令根据需要访问内存以读取或写入数据。访存将运算结果写回通用寄存器或内存。回写结果程序计数器递增以指向下一条要执行的指令。指令计数器递增吞吐量指CPU在单位时间内处理的数据量，通常以MBps（兆字节每秒）表示。集成度指CPU内部晶体管和元件的密集程度，通常以晶体管数量和芯片面积表示。功耗指CPU在工作时所消耗的电能，通常以W（瓦特）表示。运算速度指CPU执行指令和计算数据的速度，通常以MIPS（百万条指令每秒）或FLOPS（浮点运算每秒）表示。CPU的性能指标存储器03存储器的分类和作用存储器的分类根据存储介质、读写方式、使用情况等不同，存储器可以分为多种类型，如RAM、ROM、FlashMemory等。存储器的作用存储器是计算机的重要组成部分，用于存储程序运行时所需的数据和指令，以及用户数据和程序运行过程中的中间结果。内存主要由存储单元阵列、地址译码器、数据输入/输出缓冲器和控制器等部分组成。内存通过地址译码器将输入的地址码转换为对应的存储单元地址，然后从该地址读取或写入数据，完成数据的存储和读取操作。内存的组成和原理内存的原理内存的组成容量内存的存取时间是指从接收到读/写命令到数据传输完成所需的时间，一般以纳秒为单位。存取时间带宽功耗内存的容量决定了可以存储的数据量大小，一般以MB和GB为单位。内存的功耗是指在正常工作时的能耗，一般以瓦特为单位。内存的带宽是指单位时间内可以传输的数据量大小，一般以MB/s为单位。内存的性能指标输入输出设备04输出设备用于输出计算机处理结果，如显示器、打印机、音响等。输入输出设备的作用实现人机交互，使计算机能够接收人的指令并输出处理结果。输入设备用于向计算机输入数据和命令，如键盘、鼠标、扫描仪等。输入输出设备的分类和作用工作原理通过物理机制将人的操作转换为计算机可识别的信号，如键盘通过按键的机械结构产生电信号。性能指标响应速度、精度、可靠性、耐用性等。输入设备的工作原理和性能指标输出设备的工作原理和性能指标将计算机处理结果转换为人类可感知的信号，如显示器通过电子枪将像素点打在屏幕上形成图像。工作原理分辨率、色彩表现、刷新率、亮度等。性能指标总线05按照功能划分数据总线、地址总线、控制总线要点一要点二按照传输方式单向总线、双向总线总线的分类和作用总线的分类和作用按照总线宽度：32位、64位、128位、256位等02030401总线的分类和作用作用连接各个功能部件，实现数据传输和共享减少连接线数量，简化系统结构提高系统扩展性，方便增加或减少功能部件数据传输过程源部件发送数据到总线总线将数据传输到目标部件总线的工作原理目标部件接收数据并进行处理总线的工作原理同步总线所有操作在同一时钟周期内完成异步总线操作在不同时钟周期内完成，无需统一时钟信号总线的工作原理带宽单位时