DOC《第1章 计算机系统知识》

第1章 计算机系统知识 大纲要求: 数值及其转换,包括二进制、十进制和十六进制等常用数制及其相互转换.

数据的表示,包括数的表示(原码、反码、补码、移码表示,整数和实数的机内表示,精度和溢出)、非数值表示(字符和汉字的表示、声音的表示、图像的表示)、校验方法和校验码. 算术运算和逻辑运算,包括计算机中的二进制数运算方法、逻辑代数的基本运算和逻辑表达式的化简. 计算机系统的组成、体系结构的分类及特性,包括CPU和存储器的组成、性能和基本工作原理,常用I/O设备、通信设备的性能,以及基本工作原理,I/O接口的功能、类型和特性,I/O控制方式(中断系统、DMA、I/O处理机方式),CISC/RISC,流水线操作,多处理机,并行处理. 存储系统,包括虚拟存储器的基本工作原理、多级存储体系的性能价格、RAID的类型和特性. 加密与解密机制. 安全性、可靠性与系统性能评测的基础知识,包括系统可靠性分析评价和计算机系统性能评测方式. 系统性能知识,包括性能指标(响应时间、吞吐量、周转时间)和性能设计、性能测试和性能评估. 1.1 计算机系统基础知识 1.1.1 考点辅导 1.1.1.1 计算机系统硬件的基本组成 计算机的基本硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成.运算器、控制器等部件被集成在一起统称为中央处理单元(Central Processing Unit,CPU).CPU是硬件系统的核心,用于数据的加工处理,能完成各种算术、逻辑运算及控制功能.存储器是计算机系统中的记忆设备,分为内部存储器和外部存储器.前者速度高、容量小,一般用于临时存放程序、数据及中间结果.后者容量大、速度慢,可以长期保存程序和数据.输入设备和输出设备合称为外部设备(简称外设),输入设备用于输入原始数据及各种命令,输出设备则用于输出计算机运行的结果. 1.1.1.2 中央处理单元 1.CPU的功能 CPU具有如下功能. (1) 程序控制.CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序,这是CPU的重要职能. (2) 操作控制.一条指令功能的实现需要若干操作信号来完成,CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件,控制相应的部件按指令的功能要求进行操作. (3) 时间控制.CPU对各种操作进行时间上的控制,这就是时间控制.CPU对每条指令的整个执行时间要进行严格控制.同时,指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行严格控制. (4) 数据处理.CPU通过对数据进行算术运算及逻辑运算等方式进行加工处理,数据加工处理的结果被人们所利用.所以,对数据的加工处理是CPU最根本的任务. 2.CPU的组成 CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件组成. 1) 运算器 运算器由算术逻辑单元(Arithmetic and Logic Unit,ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成,它是数据加工处理部件,完成计算机的各种算术和逻辑运算.相对控制器而言,运算器接受控制器的命令而进行动作,即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的,所以它是执行部件.运算器有如下两个主要功能. (1) 执行所有的算术运算,如加、减、乘、除等基本运算及附加运算. (2) 执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试,如与、或、非、零值测试或两个值的比较等. 下面简要介绍运算器的各组成部件的组成和功能. (1) 算术逻辑单元.ALU是运算器的重要组成部件,负责处理数据,实现对数据的算术运算和逻辑运算. (2) 累加寄存器(AC).AC通常简称为累加器,它是一个通用寄存器.其功能是当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时,为ALU提供一个工作区. (3) 数据缓冲寄存器(DR).在对内存储器进行读写操作时,用DR暂时存放由内存储器读写的一条指令或一个数据字,并将不同时间段内读写的数据隔离开来. (4) 程序状态字寄存器(PSW).PSW保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码和内容,主要分为状态标志和控制标志,如运算结果进位标志(C)、运算结果溢出标志(V)、运算结果为0标志(Z)、运算结果为负标志(N)、中断标志(I)、方向标志(D)和单步标志等.这些标志通常分别由一位触发器保存,保存了当前指令执行完成之后的状态.通常,一个算术操作产生一个运算结果,而一个逻辑操作则产生一个判决. 2) 控制器 运算器只能完成运算,而控制器用于控制整个CPU的工作,它决定了计算机运行过程的自动化.它不仅要保证程序的正确执行,而且要能够处理异常事件.控制器一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑和中断控制逻辑等几个部分. (1) 指令寄存器(IR).当CPU执行一条指令时,先把它从内存储器取到缓冲寄存器中,再送入IR暂存,指令译码器根据IR的内容产生各种微操作指令,控制其他的组成部件工作,从而完成所需的功能. (2) 程序计数器(PC).PC具有寄存信息和计数两种功能,又称为指令计数器.程序的执行分两种情况,一种是顺序执行,另一种是转移执行.在程序开始执行前,将程序的起始地址送入PC,该地址在程序加载到内存时确定,因此PC的内容即是程序第一条指令的地址.执行指令时,CPU将自动修改PC的内容,以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址.由于大多数指令都是按顺序来执行的,所以修改的过程通常只是简单地对PC加1.当遇到转移指令时,后继指令的地址根据当前指令的地址加上一个向前或向后转移的位移量得到,或者根据转移指令给出的直接转移的地址得到. (3) 地址寄存器(AR).AR保存当前CPU所访问的内存单元的地址.由于内存和CPU存在操作速度上的差异,所以需要使用AR保持地址信息,直到内存的读/写操作完成为止. (4) 指令译码器(ID).指令分为操作码和地址码两部分,为了能执行任何给定的指令,必须对操作码进行分析,以便识别所完成的操作.指令译码器就是对指令中的操作码字段进行分析和解释,识别该指令规定的操作,向操作控制器发出具体的控制信号,控制各部件工作,从而完成所需的功能. 3) 寄存器组 寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器.运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器,其作用是固定的.通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途,其数目因处理器不同而有所差异. 4) 内部总线 内部总线(Internal Bus)将处理器的所有结构单元内部相连.它的宽度可以是