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中专计算机复习原理组装材料
计算机原理
—王磊
第一章
计算机是一种能个按照指令对各种数据和信息进行制动加工与处理的电子设备
计算机的特点:
速度快精度高能记忆会判断自动化
应用领域:
科学计算信息处理过程控制计算机辅助设计/制造人工智能
按功能用途分:
通用计算机专用计算机
按工作原理分:
数字计算机模拟计算机混合计算机
按性能规模分:
巨型化大型化中型化小型化微型化单片机
按电子元件分:
电子管晶体管集成电路超大规模集成电路
发展趋势:
巨型化微型化网络化智能化
世界上第一台计算机ENIAC诞生于1946年美国宾夕法呢亚大学
第一代(1946~1958)电子管计算机时代机器语言汇编语言
第二代(1959~1964)晶体管计算机时代高级编程语言
第三代(1956~1970)集成电路计算机时代操作系统程序诊断高级语言
第四代(1971~今)超大规模集成电路计算机时代数据库网络时代
第五代(20世纪80年代)智能计算机时代
运算器CPU主机
控制器内存
硬件系统存储器外存
输入设备外设
输出设备
计算机系统
系统软件:
操作系统语言处理软件数据库管理系统服务程序
软件系统
应用软件:
应用软件包用户程序
软件是指计算机运行所需的指令及相关文档的集合
系统软件是指构成操作系统的程序及相关程序的集合
应用软件是指为解决计算机用户的特定问题而编写的软件
操作系统是最重要的系统软件是用户和计算机之间的接口
目前计算机语言分为机器语言汇编语言高级语言
计算机唯一能直接识别的理解的语言是机器语言
用机器语言编写的程序成为低级程序
高级语言面向用户的分为编译性语言和解释性语言
用任何计算机高级语言编写的程序(未经过编译)称为源程序
只有硬件没有软件的计算机成为裸机
第二章数据在计算机中的表示
数据单位1.位(bit)计算机中最小的数据单位是一个二进制位简称位
2.字节(Byte)衡量计算机所容纳信息多少的基本单位
3.字(word)字是由若干个字节组成是存储、处理数据的一个运算单位通常是直接的整数倍数
单位换算1Byte=8bit1KB=210B1MB=210KB1GB=210MB1TB=210GB
计算机的信息是以二进制数表示的在应用中有2、8、10、16进制
数据表示方法1.数值数据2.非数值数据
数据分类处理方式1.数值型2.字符型
传输形式1.模拟数据2.数字数据通常所说的数据是数字数据
十进制转换为r进制整数“除r取余法”逆向
小数“乘r取整法”正向
注:
在转换过程中最先得出的数据总是离小数点最近的
常用编码
BCD码用四位二进制数表示一位十进制数
ASCII码用7位二进制代码的编码来代表符号0-48A-65a-97
汉字输入码字音编码字形编码形音编码数字编码
区位码收录7445个汉字和符号6763个汉字一级简码3755个以拼音排序二级简码3008个以偏旁排序
国标码将区号和位号各增加20H后所得的二进制编码就是国标码
机内码机内码=国标码+8080H最高位是1用来区分ASCII码
字形码点阵字型和轮廓字型
定点表示法1.约定小数点隐含在最低位数值位后这使的所有的数值未表示的数为整数,成为定点整数
2.约定小数点隐含在最高位数值位之前符号位后这使的所有的数值未表示的数为小数,成为定点小数
浮点数表示法小数点的位置不是固定的而是浮动的表示N=2p×S
用相同的字长表示二进制数,浮点数表示的范围比定点数表示的范围大
规格化数所谓的规格化数即尾数的最高位是有效数字1而不是0位数应满足1/2≤S<1
真值有符号的数
机器数用0表示+用以表示-把符号化的数成为机器数
原码-127~+127
反码-127~+127
补码-128~+127
正数的原码反码补码相同
负数原码的补码的补码就是原码
第三章运算方法和运算器
原则:
在计算机中凡是带符号的数一律用补码表示
溢出上溢出指运行结果超出计算机所能表示的最大数,发生上溢时计算机一般不在继续运算而转入“溢出”中断处理
下溢出指运算结果超出计算机所能表示的最小数,发生下溢时,运行结果一般作为机器零
溢出的判断用双符号位CsCs+1来判定Y=CsCs+1
当CsCs+1=00或11时表示无溢出
当CsCs+1=01或10时表示有溢出01为正溢出10为负溢
定点运算器的组成ALU通用寄存器累加器状态寄存器多路开关数据总线
算术逻辑部件(ALU)主要功能定点运算逻辑运算和各种移位操作
通用寄存器主要用途是保存参加的运算的操作数和运算结果
累加器属于通用寄存器的一部分不做加法运算
状态寄存器1.Z零标志位2.N符号标志位3.V溢出标志位4.C进位或借位标志位
寄存器在计算机存取速度最快的存储器件一般是十几纳秒
数据通路:
一台计算机各个功能部件要互相连接,信号才能顺利传送被传送的信号包括数据和控制信号
通常把一个功能部件向另一个功能部件传送数据所经过的功能部件总线等称为数据通路
原数X3X2X1X0
算术右移X3X3X2X1结果是原数的2n分之一
算术左移X2X1X00结果是原数的2n倍
逻辑右移0X3X2X1
逻辑左移 X2X1X00
循环右移 X0X3X2X1
循环左移X2X1X0X3
带进位循环右移CX3X2X1X0→X0CX3X2X1
带进位循环左移CX3X2X1X0→X3X2X1X0C
运算器的三种结构:
单总线结构双总线结构三总线结构
第四章指令系统
指令是指计算机能够识别和执行的操作命令
指令系统是一台计算机能够执行各种指令的集合
一个完善的指令系统具有完备性有效性规整性兼容性
精简指令集(RISC)复杂指令集(CISC)
指令格式一条完善的指令称为指令字指令是有操作码和地址码组成
操作码表示操作数的性质及功能OP表示操作数
地址码用于表示指令的操作对象指出操作数的地址CPU通过地址码取出操作数
每个操作数地址所占的二进制位数决定了该操作数地址所能直接访问的最大存储空间
指令长度=操作码长度+地址码长度
程序计数器(PC)专门存放当前执行的指令地址,每取出一条指令后PC的值自动递增取出下一条指令地址
分类三地址指令格式二地址指令格式一地址指令格式零地址指令格式
操作码格式定长操作码扩展操作码
原则:
使用频率搞的指令分配短的操作码使用频率低的指令应分配较长的操作码
寻址方式指令的寻址方式是指确定本条指令的地址及下一条要执行的指令地址的方法
常用寻址方式有立即寻址直接寻址寄存器寻址间接寻址(寄存器间接寻址存储器间接寻址)变址寻址基址寻址基址加变址寻址相对寻址
数据传送指令:
用于寄存器存储单元或I/O端口之间的数据或地址传送
1.传送类指令传送指令(MOV)数据交换指令(XCHG)入栈指令(PUSH)出栈指令(POP)
2.I/O类指令
注意源操作数与目的操作数不能同时来自于存储器;目的操作数不能为立即数等几点
数据处理指令1.算术运算指令主要有加(ADD)减(SUB)乘(MUL)除(DIV)
2.逻辑指令主要有逻辑与(AND)逻辑或(OR)逻辑非(NOT)逻辑异或(XOR)
3.移位指令
4.串操作指令
程序控制类指令1.转移指令(有条件转移无条件转移)2.循环控制指令3.子程序调用和返回指令4.程序自中断指令(属于子程序调用)
处理控制指令处理器控制指令用于直接控制CPU实现特定的功能包括停机指令空操作指令
开中断指令和关中断指令
第五章存储系统
存储器的分类
存储器的主要性能指标
1.存取时间指完成一次存储读或写操作所需的时间
2.存取周期指连续两次读或写操作所需的时间间隔比存取时间所需的时间长一些
3.存取容量存储容量是指每个存储芯片所能存储的二位制位数。
即存储芯片=芯片地址单元数×数据线位数
刷新:
为了保持存储数据的正确必须反复对存储单元进行从电以恢复原来的电荷这一过程叫刷新(常见刷新方式有集中式刷新分散式刷新异步刷新)
高速缓冲存储器工作原理CPU首先在一级cache中查找数据如果找不到则到二级cache中查找若数据不在一级cache和二级cache中则到主存中获取
1.地址映像(1.直接映像2.全相联映像3.组相联映像)
2.替换策略(1.先进先出策略—FIFO策略2.近期最少使用策略—LUR策略)
虚拟存储器(VM)虚拟存储技术是为了克服内存不足而提出的
管理方式1.段式管理2.页式管理3.段页式管理
附:
地址编译码(单译码方式双译码方式)
例:
假设某机器的地址为n=10,采用单译码时,译码线有1024个,分别对应1024个地址;采用双译码器时,则两个输入端各有5根线,经译码器出去的输出线32×2=64根,对应的地址仍是1024个,但从译码器出去的输出线却明显减少
存储芯片的地址分配和片选
CPU要实现对存储单元的访问,首要选择存储芯片,即进行片选,然后再从选中的芯片中依地址而选中存储单元,称字选。
片内的字选由CPU送出的n条低位地址线完成,而片选则通过高位地址得到的,实现片选的方法有:
(1) 线选法:
用除片内寻址外的高位地址直接(或经反响器)分别接至各个存储芯片的片选端。
当然,这些片选地址每次寻址时只能有一位有效,才能保证每次只选中一个芯片。
(2) 全译码法:
将片内寻址外的全部高位地址线作为地址译码器的输入,把译码器后的输出作为各芯片的片选信号,将它们分别接到存储芯片的片选端,以实现对存储芯片的选择。
全译码法的优点是每片(组)芯片的地址范围是唯一的,而且是连续的,不会产生重叠的存储区,但线路较复杂。
(3) 部分译码:
即将片内寻址的高位地址线的一部分译码产生片选信号,而高位地址的其它部分往往为允许译码的条件。
如果系统不要求CPU可直接寻址全部存储单元,可使用这种方法。
主存和CPU之间的硬件连接
(1)主存与CPU之间的硬连接
主存与CPU硬连接有三组连线,即AB,DB和CB。
存储器地址寄存器(MAR)和存储器数据寄存器(MDR)是主存与CPU之间的接口。
MAR和MDR从功能上看属主存,但在微型机中常放在CPU内。
(2)CPU总线的负载能力
当CPU总线上挂接的器件均为MOS器件且数量不多时,一般不会超载,当总线上挂接的器件过多可能使CPU超载时,必须在总线上增加缓冲器和驱动器。
(3)CPU对主存的基本操作CPU对主存进行读/写操作时,首先CPU在地址总线上给出地址信号,然后发出相应的读或写命令,并在数据总线上交换信息。
这就是CPU间的软连接。
第六章中央处理器
1.指令控制即程序的顺序控制。
它是CPU的首要任务
CPU功能:
2.操作控制协调计算机各个功能部件安指令要求完成规定任务的基础
3.时间控制对各种操作实施时间上的定时
4.数据加工即进行算术运算、逻辑运算,是CPU的根本任务
1.程序计数器(PC)确定下一条指令在主存中的地址
控2.指令寄存器(IR)用来保存当前正在执行的命令
制3.地址寄存器保存CPU当前访问的主存单元或I/O端口的地址
CPU组:
器4.指令译码器(ID)对指令的操作码处理得到相应控制信号送入时序控制信号形成部件
5.时序产生器接收译码器对操作码译码所产生的控制信号并按一定的时间顺序发出
运算器:
由ALU通用寄存器累加器状态寄存器多路开关数据总线构成
时序:
计算机的时间控制称为时序
时序控制方式的类型及特点
同步控制方式指各项操作与统一的时钟信号同步在CPU内部
异步控制方式指各项操作按其不同的时间不受同意的在各种设备之间
时钟信号约束信息交换采用应答方式
时钟周期:
是指时钟脉冲的重复周期,是计算机主频的倒数,是CPU的时间基准,也是计算机最基本的时间周期
机器周期:
是指计算机完成一个基本操作所需的时间,也称为总线周期或CPU周期。
一个机器周期一般是由若干个时钟周期组成
指令周期:
是指CPU执行一条指令所需的时间指令周期是由若干个机器周期组成一个指令周期至少需要需要两个机器周期
典型的指令周期有:
1.非访问指令周期2.直接访问指令周期3.间接访问指令周期4.程序控制指令周期
CPU技术
微程序控制指令从内存中取出后经数据总线数据寄存器指令寄存器最后送入指令译码器,并发出相映的控制信号控制信号的产生有逻辑电路实现法和微程序控制法
微命令:
构成控制信号序列的最小单位称为微命令,又称为微信号
微操作:
由微命令控制是吸纳的最基本的操作称为微操作
微周期:
从控制存储器读取一条微指令并执行相应的一部操作所需的时间称为微周期或微指令周期
微指令:
从展开的角度来讲,每个微周期的操作所需的微指令(全部或大部分)组成一条微指令
微程序:
一系列微指令的有序集合称为微程序,用来解释执行机器指令
控制存储器采用的是只读存储器
流水线技术:
分为超标量技术和超流水线技术
超标量技术采用以空间换时间的技术,而超流水技术采用的是一种一时间换空间的技术
指令执行过程分为两个阶段:
取指令阶段和执行指令阶段。
PC内容自动增1这里的1是指1条指令字长通常为1个字节
微指令结构设计所追求的是1.缩短指令长度2.减少控制存储器的容量3.提高微程序执行数度4.有利对微指令修改5.提高微程序的灵活性
第七章系统总线
总线概念:
总线是一种在多于二个部件(设备或系统)间传送信息的公共通路,能被各个部件分时共享
特点:
分时共享
优点:
减少计算机系统中传输线的数量,提高了系统的可靠性,便于系统扩充
总线结构对计算机性能有三个方面有影响分别是最大存储容量指令系统吞吐量
按连接部件分:
内部总线系统总线外部总线
按信息传送方向分:
单向总线双向总线
按信息传送格式分:
并行总线串行总线
按时序控制方式分:
同步总线异步总线准同步总线
系统数据总线(DB)作用用于设备之间的数据传送特点双向并行同步
总线地址总线(AB)用于传送地址信号单向并行
组成控制总线(CB)用于传送各类控制/状态信号不同信号的微处理器特点不同
单总线结构特点所有部件都连接到单一总线上
多总线结构双总线结构:
在CPU和主存之间专门架设一条总线
三总线结构:
在双总线的基础上添加I/O总线
总线接口概念:
是指CPU和主存、外设之间通过总线进行连接的逻辑部件
作用:
在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用
功能:
控制缓冲状态转换整理程序中断
接口分类:
串行数据接口并行数据接口
USB接口:
通用的串行总线接口,高速,支持热插拔和即插即用,最多可连127个设备
第八章输入/输出系统
以主机为中心(参照物)将信息从外设创送到主机的过程叫输入将信息有主机送到外部设备的过程叫输出特点:
异常性、实时性、独立性
接口分类按照数据传送格式分串行接口并行接口
按照时序控制方式分同步接口异步接口
接口功能:
1.匹配主机与外设的速度差异,即起到数据缓冲的作用2.是吸纳数据的预处理,并行、串行格式的转换3.传送主机与外设的信号4.识别和指示数据传送的地址
I/O设备的信息交换方式
1.程序查询方式在程序控制下,实现CPU与外设之间的数据传输,又称为程序控制方式
特点:
1.以软件方法实现为主,只需少量硬件2.在外设没有准备就绪时CPU只能等待,不能进行其他工作,CPU与外设之间采用串行方式工作,浪费CPU的时间,效率低
2.程序中断方式中断是外设用来“主动”通知CPU准备送出输入数据或接收输出数据的一种方法
特点:
为CPU与外设的并行工作创造了条件,极大地提高了CPU的利用率,但CPU仍需介入
3.DMA方式DMA方式是在外设与存储器之间建立的一条数据通路,有DMA控制器来控制数据交换过程
特点:
适用高速组成数据传送的场合;解决慢速度的外设与快速CPU之间的矛盾
4.通道方式通道是一个具有特殊功能的处理器
5.外围处理器(PPU)方式
总结程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低的外设,而DMA方式、通道方式和PPU方式适用于数据传输率较高的外设。
目前小型机和微型机总大都采用程序查询方式、程序中断方式和DMA方式,而中、大型机大都采用通道方式和PPU方式
程序中断方式
定义:
所谓中断是指CPU在执行程序的过程中,出现某些突发事件亟(急)待处理,CPU必须暂停执行当前的程序转去处理突发事件处理完毕后,CPU又返回原程序被中断的位置并继续执行由于处理突发事件是以CPU执行中断处理程序的方式进行简称中断
中断有两个特点:
程序切换(控制权的转移)和随机性
向量中断:
通过硬件向主机提供中断服务程序的入口地址它称为向量地址
非向量中断:
非向量中断不能直接提供中断服务程序的入口地址,而要采用软件查询措施,最后找到服务程序的入口地址
中断系统的组成
1).中断源:
是指能够引起中断的事件或发生中断请求的来源
分类一1.内中断是指硬件故障或程序“出错”引起的中断
2.软中断是由程序中事先安排的中断指令引起的,又称程序自愿中断。
软中断的目的的是为了进行软件调试和程序差错操作
3.外中断是由I/O设备、定时钟引起的
通常内中断、软中断的优先级高于外中断
分类二1.I/O设备中断
2.数据通道中断
3.实时时钟中断
4.故障中断
5.系统中断
2).中断请求的提出
1.中断源的建立
2.中断信号的传送
3).中断排队
4).中断的禁止(屏蔽)和开放
根据CPU受理中断的方式,中断可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断。
所有的内中断、软中断均属于不可屏蔽中断。
用中断屏蔽,使用一级及低一级中断不能中断同一级及高一级的中断服务子程序
中断控制:
主要实现中断优先级的排队和中断嵌套
中断嵌套又称为多从中断:
是指在处理某一中断过程中又有比该中断优先级高的中断请求,于是中断原中断服务程序的执行,而去执行行的中断处理。
中断的处理过程
1.中断请求→2.中断响应→3.中断处理→4.中断放回
1.中断请求是指中断源向CPU发出的中断信息
2.中断响应是指CPU从发现中断请求中止现执行程序到引出终端服务程序的过程
中断响应条件中断源有中断请求CPU处于中断状态、且无更高级中断请求村现在当前指令执行完毕
中断响应过程主要包括只能高端现行程序保护现场讲中断服务程序的入口地址送入计数器PC
3.中断处理指CPU执行中断服务程序
4.中断放回指从中断服务程序返回被终端的原程序处。
具体而言是指从堆栈中取出断点地址,并重新置入计数器中
DMA方式
定义:
是指在内存与设备之间开辟一条直接数据传送通路,并把传送过程交给DMA控制器进行管理,形成以存储器为中心的体系结构。
特点:
1.数据在外设与内存之间直接传输
2.在DMA传输期间不需要CPU执行程序来控制干预,总线由DMA控制器接管(CPU可以继续执行自己的程序,从而提高CPU的利用率但DMA方式只能处理简单的数据传输)
基本操作1.从外围设备发出DMA请求
2.CPU响应请求DMA控制器从CPU接管总线来控制
3.由DMA控制器对内存寻址。
即决定数据传送的内存单元地址及数据传送的长度,并执行数据传送操作控制
4.数据传送完毕,DMA控制器向CPU报告DMA操作的借宿,CPU接管总线
DMA直接依靠硬件进行管理,只能实现简单的数据传送
通道方式
定义:
通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器,他使主机与I/O操作之间达到更高的并行程度。
由于它的任务是管理实现输入/输出操作提供一种传送通道,所以将这种部件称为通道
特点:
1.通道方式是一种在DMA方式基础上发展形成的、功能更强的I/O管理方式它覆盖了DMA方式的功能
2.采用两类总线的系统结构一类是连接CPU通道和主存的所谓存储总线另一类是连接通道与设备的I/O总线
3.整个系统分为两级管理第一级是CPU对通道的管理第二级是通道对设备控制的管理
与DMA方式相比:
两者都能在I/O设备与主存之间建立数据直传通道提高CPU与I/O设备之间的并行处理程度
DMA直接依靠硬件进行管理,只能实现简单的数据传送
通道是依靠执行通道程序来管理的因而具有更强大的功能,如果该通道所有I/O设备实施统一管理,对输入数据进行某些预处理,对I/O过程进行检测、判别与处理,进一步减轻CPU的负担,使与I/O间并行程度更高
通道类型:
1.选择通道2.字节多路通道3.数组多路通道
主机箱:
1.主机箱按样式分类:
立式卧式
按结构分类:
ATATXMicorATXBTX
按温度分类:
38℃机箱42℃机箱
CPU风扇上方2cm处的温度代表机箱内部的温度
2.选购原则①结实耐用不变形②散热良好可多加风扇③内部空间大尺寸严格
④配置齐全都能正常工作⑤外形美观价格合理
3.连接线⒈speaker⒉resetsw⒊poweresw⒋powereled⒌hddled
all-in-One主板是一种主板整合技术集成了声卡、显卡、网卡
电源:
AT电源
±5V±12V
12芯
不能自动切断电源必须手动关闭电源
ATX电源
±3V±5V±12V
20芯
支持软关机
电源功率大于300W
3Cccceccibemc
质量越重越好
知名厂家航嘉世纪之星金河田大水牛长城……
主板:
1芯片组:
是主板的灵魂和核心它决定了主板的性能和级别
主板芯片中心控制型
南北桥芯片组
北桥芯片:
负责CPU与内存之间的数据交换和传输承担着AGP总线和PCI-E的控制管理和传输工作主要承担高速率数据传输速度设备的连接
南桥芯片:
主要负责低速率传输设备之间的连接
2BIOS&BIOS设置
BIOS保存着计算机最重要的基本I/O程序系统设置信息开机自检程序和系统启动自举程序
CMOS用来记录当前系统硬件配置和用户对某些参数的设定
CMOS启动键Awaed按del键ami按del键或esc键
BIOS设置
主菜单:
1、STANDARDCMOSSETUP
标准CMOS设置
2、BIOSFEATURESSETUP
BIOS特性设置
3、CHIPSETFEATURESSETUP
芯片组特性设置
4、POWERMANAGEMENTSETUP
电源管理设置
5、PNP/PCICONFIGURATION
即插即用/PCI总线配置
6、LOADBIOSDEFAULTS
载入BIOS
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