计算机组成第三节

计算机组成第三节REPORTING目录计算机系统概述中央处理器存储器输入输出系统总线与通信计算机组成实验PART01计算机系统概述REPORTINGWENKUDESIGN包括中央处理器、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备等，是计算机的物理基础。硬件系统软件系统数据包括系统软件和应用软件，是计算机的灵魂，控制和协调硬件系统的工作。是计算机处理的对象，包括数字、文字、图像、声音等。030201计算机系统的组成高级语言级用高级语言编写的程序需经编译程序或解释程序进行翻译或解释。汇编语言级用汇编语言编写的程序需经汇编程序翻译成机器语言程序。操作系统级提供资源管理、程序运行等功能，为用户提供方便的接口。微程序机器级微指令由硬件直接执行，微程序由微指令组成，用于描述机器指令。传统机器级用机器语言编写的程序可由微程序进行解释，是实际机器的上层。计算机系统的层次结构计算机系统的发展历程第一代计算机（1946-1957）电子管时代，采用机器语言和汇编语言编程，主要用于科学计算。第二代计算机（1958-1964）晶体管时代，开始出现高级语言和操作系统，应用领域扩大。第三代计算机（1965-1970）集成电路时代，计算机性能大幅提高，出现分时操作系统和实时操作系统。第四代计算机（1971年至今）大规模和超大规模集成电路时代，计算机技术飞速发展，应用领域广泛。PART02中央处理器REPORTINGWENKUDESIGN控制器运算器寄存器组内部总线CPU的功能和组成01020304负责协调计算机各部分工作，包括取指令、分析指令和执行指令。负责执行各种算术和逻辑运算，如加减乘除、与或非等。包括通用寄存器、程序计数器、指令寄存器等，用于暂存数据和地址。连接CPU内部各部件，实现数据传输。03指令周期CPU从取指到执行完一条指令所需的时间，包括取指周期、间址周期、执行周期和中断周期。01指令格式包括操作码和地址码，操作码指明操作性质，地址码指明操作数地址。02寻址方式包括立即寻址、直接寻址、间接寻址等，用于确定操作数地址。指令系统主频字长缓存容量核心数CPU的性能指标CPU的时钟频率，单位赫兹（Hz），主频越高，CPU处理速度越快。CPU内部的高速缓存大小，缓存容量越大，访问速度越快。CPU一次能处理的二进制数据的位数，字长越长，处理能力越强。CPU的物理核心数量，核心数越多，并行处理能力越强。PART03存储器REPORTINGWENKUDESIGN存储器的分类按存储介质可分为半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器等；按存取方式可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）；按在计算机中的作用可分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器等。存储器的层次结构为了缓解主存储器读写速度与CPU执行速度之间的不匹配问题，计算机系统通常采用多级存储器体系结构，即Cache-主存层次和主存-辅存层次。存储器的分类与层次结构

主存储器主存储器的基本组成主存储器由存储体、地址译码器、驱动电路、读写电路和控制电路等组成。主存储器的性能指标主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽。提高主存储器性能的措施可采用高速器件、采用层次结构Cache-主存、调整主存结构等措施来提高主存储器的性能。辅助存储器容量大、价格低、速度慢，以及可以长期保存信息。辅助存储器的特点辅助存储器包括硬盘、软盘、光盘、U盘等。辅助存储器的类型辅助存储器的性能指标主要是存储容量和数据传输率。辅助存储器的性能指标硬盘是目前最常用的辅助存储器，具有容量大、速度快、价格适中等优点。常用的辅助存储器辅助存储器PART04输入输出系统REPORTINGWENKUDESIGN连接CPU与I/O设备之间的桥梁，用于实现数据、控制信号和状态信号的传输。I/O接口定义包括数据缓冲、信号转换、设备选择、中断管理等。I/O接口功能根据数据传输方式可分为并行接口和串行接口；根据信号电平可分为TTL接口和RS-232接口等。I/O接口类型I/O接口CPU通过程序主动查询I/O设备的状态，若设备准备好则进行数据交换。程序查询方式当I/O设备准备好后，通过中断请求通知CPU，CPU响应中断后进行数据交换。中断控制方式在DMA控制器的管理下，I/O设备与内存直接进行数据交换，无需CPU干预。DMA控制方式I/O控制方式以字符为单位进行数据传输的设备，如键盘、打印机等。字符设备块设备网络设备其他设备以数据块为单位进行数据传输的设备，如硬盘、光盘等。用于网络通信的设备，如网卡、路由器等。如鼠标、扫描仪、摄像头等。I/O设备PART05总线与通信REPORTINGWENKUDESIGN总线定义01总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，在微型计算机中可以用来连接各个功能部件（插卡）的关键部件，是各个部件共享的传输介质。总线分类02按照功能划分，总线可分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线特性03总线的特性包括机械特性、电气特性、功能特性和时间特性，这些特性确保了总线上各部件之间稳定、可靠的数据传输。总线概述协议定义总线通信协议是指总线上各部件之间进行数据传输时所遵循的规则和约定，包括数据的传输格式、传输顺序、同步方式等。同步通信与异步通信同步通信是指通信双方以一个公共的时钟信号为基准进行数据传输；异步通信则是指通信双方各自使用自己的时钟信号，通过特定的同步方式进行数据传输。数据传输方式总线上的数据传输方式可分为单工、半双工和全双工三种。单工方式只允许数据在一个方向上传输；半双工方式允许数据在两个方向上传输，但不能同时进行；全双工方式则允许数据在两个方向上同时进行传输。总线通信协议ISA总线ISA（IndustryStandardArchitecture）总线是早期PC机中使用的总线标准，数据传输速率较低，现已被淘汰。USB总线USB（UniversalSerialBus）总线是一种通用串行总线标准，具有传输速率快、支持热插拔和易于扩展等优点，被广泛应用于各种计算机外设的连接。IEEE1394总线IEEE1394总线又称FireWire或i.Link，是一种高速串行总线标准，具有传输速率高、支持同步和异步数据传输等优点，常用于音频、视频等多媒体设备的连接。PCI总线PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线是一种高性能、高集成度的总线标准，广泛应用于现代PC机中，支持即插即用和自动配置功能。常见总线标准PART06计算机组成实验REPORTINGWENKUDESIGN03通过实验加深对计算机组成原理的理解。01掌握计算机基本组成及工作原理。02了解计算机各部件的功能和相互作用。实验目的和要求准备所需的硬件和软件，如计算机、示波器、逻辑分析仪、编程器等。搭建实验环境根据实验目的和要求，设计合理的实验方案，包括实验步骤、测试数据等。设计实验方案按照实验方案进行实验操作，记录实验过程中的数据和现象。进行实验操作对实验数据进行处理和分析，得出实验结果。分析实验结果实验内容和步骤实验结果展示将实验结果