计算机组织

冯诺依曼思想：

1.  二进制表示程序和数据

2.  采用存储程序的工作方式（程序和数据存放在存储器中）

3.  计算机五大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

二进制表示：考虑到电子器件的特性，用高低电压、脉冲表示0和1，慢速用高低电平，易实现并行操作；快速用脉冲信号，如CPU等。

存储程序的工作方式：事先编制程序；事先存储程序；自动连续的执行程序。

内存用半导体器件制作，每16个触发器表示一个存储单元，其编号称为地址。磁盘、磁带等用磁性材料制成。

指令由操作码、地址码组成，前者表示进行何种操作，后者表示从哪个存储单元取数据。

控制器：取指令时间成为取指周期，执行指令时间称为执行周期。

中央处理器：运算器、控制器合称

 

计算机的发展历史：

1946年，电子管计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生

1958年，晶体管计算机

1965年，中小规模集成电路

1971年，大规模、超大规模集成电路，由几片大规模集成电路组成的微型计算机出现

1986年，巨大规模集成电路，由一片巨大规模集成电路实现的“单片计算机”出现

 

计算机软件分类

1.系统程序：

（1）各种服务性程序：诊断程序、排错程序

（2）语言程序：汇编程序、编译程序、解释程序

（3）操作系统

（4）数据库管理系统

2.应用程序：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。

 

软件的发展演变

机器语言：直接用机器指令代码编写程序。

汇编语言：用约定的符号、文字、数字表示各种不同的指令，用这些指令编写程序，计算机本身可以把汇编程序翻译成机器语言。

算法语言：按实际需要规定好的一套基本符号以及这些基本符号构成程序的规则。

   编译程序：把算法程序编译成目标程序。

   解释系统：逐个解释并立即执行程序语句。

 

计算机系统的层次结构：

• 应用程序级
• 高级语言级
• 汇编语言级
• 操作系统级
• 一般机器级（机器语言）
• 微程序设计级（微指令，硬件级）
• 电子线路级

固件：为改善系统性能，将操作系统中与硬件密切相关的部分软件通过微程序设计技术制作成所谓固件。

总线与接口

总线：是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通道，并在争用资源的基础上进行工作。

接口：指CPU、内存、外围设备等通过总线相连的逻辑部件。各种外围设备通过接口与总线相连。接口部件在它动态连接的两个部件之间起着缓冲期和转换器的作用，以便实现两者之间的信息传送。

总线标准：微型计算机系统的标准总线从ISA（16位，8M/S）发展到EISA（32位，33.3M/S），VESA（32位，132M/S），又进一步发展到PCI（64位，264M/S）

总线结构：

• 数据传送总线（由地址线、数据线、控制线组成）
• 仲裁总线
• 中断与同步总线
• 公用线（电源、地址、时钟、复位等信号线）

总线仲裁：为了解决多个设备同时竞争总线控制权的问题，必须具有总线仲裁部件。

（1）集中式仲裁：该方式必有一个中央仲裁器，它受理所有功能模块的总线请求，按优先原则获公平原则进行排队，然后仅给一个功能模块发出授权信号。

（2）分布式仲裁：每个功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器，每个仲裁器将仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较，从而获得总线控制权。

总线定时：为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议。

（1）同步定时：事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号确定，总线周期的长度是固定的。

（2）异步定时：后一事件出现的时刻取决于前一事件的出现，不需要统一的公共时钟信号，总线周期不固定。

PCI总线是当前流行的总线，采用同步定时协议和集中式仲裁策略，具有自动配置能力，适用于低成本的小系统。

通道

通道是一个特殊功能的处理器，它有自己的指令和程序专门负责数据输入输出的程序控制，而CPU将“传输控制”功能下放到通道后只负责数据处理功能，这样CPU与通道分时使用内存，实现了CPU内部运算与I/O设备的平行工作。

具有通道的计算机系统结构有两种类型的总线：

一种是存储总线：承担通道与内存、CPU与内存之间的数据传输任务

一种是通道总线：即I/O总线，承担外围设备与通道之间的数据传送任务。

I/O系统的四级连接：CPU与内存<-->通道<-->设备控制器<-->外围设备

通道的基本功能是执行通道指令，组织外围设备和内存进行数据传输，按I/O指令要求启动外围设备，向CPU报告中断等。

CPU对通道的管理：CPU通过执行I/O指令以及处理来自通道的中断实现对通道的管理。两类中断：数据传送结束中断；故障中断

设备控制器是通道对I/O设备实现传输控制的执行机构。

通道类型：

选择通道：又称高速通道，物理上可以连接多个设备，但同一时间只能选择一个设备工作，只有当该设备的通道程序全部执行完毕后，才会执行其它通道程序。主要用于连接告诉设备，如磁带、磁盘等，信息以成组方式传输。数据传输率高，可达1.5M/S，在传送两个字节之间已很少空闲，所以在数据传送期间只为一台设备服务是合理的。但这个设备的辅助操作时间很长，如磁盘机找道时间20-30ms，磁盘机走带时间长达几分钟，这时通道只能处于等待状态，因此整个通道利用率不高。

数组多路通道：是对选择通道的一种改进，基本思想是当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务；当设备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开与该设备的连接，挂起该设备的通道程序，去为其它设备服务。提高了通道效率，在实际系统中得到较多应用。

字节多路通道：连接大量低俗设备，如键盘、打印机等。

字节多路通道与数组多路通道的不同：

（1）数组多路通道允许多个设备同时工作，但只允许一个设备进行传输型操作，其它设备进行控制型操作；而字节多路通道不仅允许多个设备同时操作，还允许它们同时进行传输型操作。

（2）数组多路通道与设备之间传送的基本单位是数据块，通道必须为一个设备传送完一个数据块以后，才能为别的设备传送数据块；而字节多路通道传送数据的单位是字节，通道为一个设备传送一个字节后，就可以为另一个设备传送一个字节。