第一章

本总结笔记基于钱晓捷老师的《微机原理与接口技术(第五版)》

处理器

  • 计算集的运算和控制核心,即中央处理单元(CPU, Central Process Unit)
  • 微处理器(Micrprocessor):
    • 一块大规模集成电路芯片
    • 代表着整个微型机系统的性能
    • 微型机:采用微处理器为核心构造的计算机

处理器性能参数

  • 字长:处理器每个时间单位可以处理的二进制数据位数
  • 时钟频率:表明处理器的处理速度,反映了处理器的基本时间单位
  • 集成度:表明处理器的生产工艺水平,通常用芯片上集成的晶体管数量来表达

摩尔定律

摩尔定律:每 18 个月,集成电路的性能将提高一倍,而其价格将降低一半

处理器总线

  • 系统总线
    • 用于多个部件相互连接、传递信息的公共通道
    • 任一时刻再总线上智能传送一种信息,但可以由多个部件在接收信息
  • 数据总线
    • 是处理器与存储器或外设交换信息的通道
    • 其个数(条数)就是一次能够传送数据的二进制位数,通常等于处理器字长
    • 处理器的数据通过该组信号线输出到主存或外设,可以双向传输信号
  • 地址总线
    • 用于指定存储器或外设的具体单元
    • 其个数反映处理器能够访问的主存储器容量或外设范围
    • 在该组信号线上,处理器单向输出将要访问的主存单元或 I/O 端口的地址信息
  • 控制总线
    • 用于协调系统中各部件的操作
    • 控制总线决定了总线的功能强弱、适应性的好坏
    • 各类总线的特点主要取决于其控制总线

80x86 系列处理器

  • 8086
    • 主存容量为 2^20 B = 1 MB
  • 80286:
    • 主存容量为 2^32 B = 4 GB

冯·诺伊曼计算机的基本思想

  • 采用二进制形式表示数据和指令,指令由操作码地址码组成
    • 指令是控制计算机操作的命令,是处理器不需要翻译就能识别(直接执行)的“母语”,即机器语言
    • 程序是由指令构成的
    • 指令的操作码表明指令的操作
    • 操作数是参与操作的数据,主要以寄存器或存储器地址形式指明数据的来源,所以也称地址码
  • 存储程序”、“程序控制
    • 存储程序:把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中,这些指令按一定的规则组成程序
    • 程序控制:当计算机启动后,程序会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令,自动完成预定的信息处理任务
  • 指令的执行是顺序的,即一般按照指令再存储器中存放的顺序执行,程序分支由转移指令实现
  • 计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备5 大基本部件组成。

数字计算机中信息的最基本单位就是二进制位,或称比特位

  • 半字节:4 个二进制位
  • 一字节:8 个二进制位
  • 字:16 位
  • 双字:32 位
  • 四字:64 位

处理器的主要功能

  • 取指:从主存储器读取指令
  • 译码:翻译指令代码的功能
  • 执行:执行指令所规定的操作

存储器

  • 存储器:用来存放程序和数据的部件
  • 主存储器
    • 造价高、速度快、容量小
    • 用来存放当前正在运行的程序和正待处理的数据
  • 辅助存储器(简称辅存外存):
    • 造价低、容量大、信息可长期保存、速度慢
    • 主要用来长久保存程序和数据

计算机系统的层次结构

计算机系统的层次结构

  • 用户层
    • 是计算机用户看到的计算机
    • 呈现给用户的是可执行程序和数据文件
  • 高级语言层
    • 面向软件程序员
  • 汇编语言层
    • 面向系统程序员
    • 汇编语言程序员需要利用操作系统提供的功能,掌握指令系统,理解主存储器的组织
  • 操作系统层
    • 操作系统是最主要的系统程序,也称为系统软件层
  • 机器语言层
    • 由处理器直接识别的指令组成,面向系统结构设计师
    • 该层具有承上启下的功能。一方面为上层软件提供硬件指令支持,另一方面是下层硬件实现的目标
  • 控制层
    • 面向硬件设计师
    • 这一层由微程序实现,也可以由硬布线实现
  • 数字电路层
    • 是计算机的具体物理实现

软件与硬件的等价性原理

  • 原则上说,任何一个由软件所完成的操作也可以直接由硬件来实现,任何一条由硬件所执行的指令也能用软件来完成。
  • 软件与硬件的等价性原理是指软硬件在逻辑功能上的等价,并不意味着在现实中性能和成本的等价。
    • 软件易于实现各种逻辑和运算功能,但是往往速度较慢,甚至不能满足时间要求
    • 硬件则可以高速实现逻辑和运算功能,但是难以实现复杂功能或计算,甚至无法实现

计算机的结构、组成与实现

  • 计算机结构
    • 计算机结构是指为机器编写正确的(时间无关的)程序、机器语言程序员必须理解的一种结构。
    • 指令集结构
      • 计算机结构的经典定义确定了计算机系统中软件和硬件的接口,即指令集结构
      • 它包括指令集(指令系统)、指令格式、数据类型、寄存器、寻址方式、主存访问方式和 I/O 机制等
  • 计算机组成
    • 也称为计算机组织,是计算机结构的逻辑实现(逻辑设计),对应计算机层次结构的控制层。
  • 计算机实现
    • 是计算机组成物理实现,对应数字电路层

软件兼容与系列机和兼容机

  • 软件兼容:指同一个厂家生产的具有相同计算机结构,但具有不同组成和实现的一系列不同档次、不同型号的机器。
  • 兼容机:指不同厂家生产的具有相同计算机结构不同的组成和实现)的计算机
  • 为了保证软件的向上向下、向前向后兼容,系列机和兼容机必须保持结构不变,但这又限制了计算机结构的发展