第1章計算機系統知識第1章計算機系統知識1.1主要知識點本章的主要知識點有：（1）計算機結構介紹計算機硬件的五大組成和三種典型結構。計算機硬件的五大組成包括運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。計算機硬件的三種典型結構包括單總線結構、雙總線結構和采用通道的大型系統結構。（2）CPU介紹計算機數據的表示和運算方法，運算器和控制器的組成、特點，以及處理器的性能。（3）指令系統介紹指令和指令系統、八種尋址方式以及指令系統的兩種典型指令集：CISC和RISC。八種尋址方式包括立即數尋址方式、寄存器尋址方式、直接尋址方式、寄存器間接尋址方式、寄存器相對尋址方式、基址加變址尋址方式、相對基址加變址尋址方式和32位地址的尋址方式。（4）計算機體系結構及多處理機介紹計算機體系結構的分類、并行處理技術、并行處理機、多處理機、雙機系統和同步等相關知識。（5）存儲器介紹存儲器的分類、存儲器的層次結構、主存儲器、高速緩存和輔助存儲器。詳細介紹了高速緩存的三種地址映像方法：直接映像、全相聯映像和組相聯映像。（6）輸入輸出結構和設備介紹輸入輸出接口、接口的編址方式、輸入輸出控制系統、常見接口以及輸入輸出設備類型和特征。接口的編址包括獨立編址和統一編址兩種。輸入輸出控制系統的結構按控制方式分為中央處理器程序控制、直接存儲器存取控制和輸入輸出處理機控制三種方式。常見接口包括SCSI、并行接口、通用接口總線、RS-232、USB、IEEE1394和紅外接口。（7）流水線技術介紹指令流水線、流水線的特點和流水線的性能分析。（8）嵌入式系統基本知識介紹嵌入式系統的定義、特點以及組成結構。（9）計算機可靠性概述介紹RAS技術、故障診斷與容錯技術。本章基本知識框圖如圖1-1所示。圖1-1計算機系統知識框架圖1.2計算機結構計算機系統由硬件系統和軟件系統組成，如圖1-2所示。圖1-2計算機系統的組成示意圖1.2.21計算機的硬件組成計算機組成是指計算機系統結構的邏輯實現。按照馮·諾依曼的定義，計算機的體系結構主要包括五大部件：運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備，如圖1-3所示。一般將運算器和控制器稱為CPU（CentralProcessingUnit，中央處理器），它是計算機的核心部件。內存儲器和CPU合在一起稱為主機。在計算機硬件系統中不屬于主機的設備都屬于外部設備，簡稱外設，包括輸入、輸出設備及外存儲器。圖1-3馮·諾依曼體系結構示意圖ALU（ArithmeticLogicUnit，運算器）：是對數據和信息進行加工處理，完成算術和邏輯運算的部件。它有算術與邏輯運算單元（ALU）、寄存器組、累加器、多路轉換器和數據總線等邏輯構件。Controller（控制器）：控制計算機各部件按照指令功能的要求進行所需要的操作，協調整個計算機系統的正常工作。它主要包括程序計數器、指令譯碼器及操作控制等部件。Memory（存儲器）：是計算機系統中的記憶設備，用來存放程序和數據。按在計算機系統中的作用不同，存儲器可分為主存儲器、輔助存儲器和緩沖存儲器。當前在計算機上運行的程序和數據是存放在主存儲器中的。InputDevice（輸入設備）：包括各類輸入設備及相應的輸入接口，用來輸入原始數據和處理這些數據的程序。輸入的信息有字符、字母和控制符等。OutputDevice（輸出設備）：包括各類輸出設備及相應的輸出接口，用來輸出計算機的處理結果，可以是數字、字母、表格、圖形等。在計算機中，各部件間傳遞的信號可分為三種類型：地址、數據和控制信號。通常這些信號是通過總線傳送的。1.2.2計算機硬件的典型結構由于計算機系統結構中總線或者通道的不同，計算機硬件的典型結構可以劃分為：單總線結構、雙總線結構和采用通道的大型系統結構。1．單總線結構單總線計算機系統結構如圖1-4所示。單總線結構用一組系統總線將計算機系統的各部件連接起來，各部件之間通過總線交換信息。其優點是易于擴充新的I/O設備；缺點是各設備共享總線，同一時刻只能允許掛在總線上的一對設備之間相互通信，限制了信息吞吐量。這種結構一般用于微小型計算機中。圖1-4單總線計算機系統結構2．雙總線結構設置雙總線結構是為了消除數據傳送瓶頸，最常見的是在CPU和主存儲器之間設置一組專用的高速存儲總線。雙總線有兩種結構：以CPU為中心的雙總線結構和以存儲器為中心的雙總線結構。以CPU為中心的雙總線結構如圖1-5所示。除了CPU與主存儲器之間的存儲總線之外，還有CPU與外圍設備之間的輸入輸出（I/O）總線。這種結構的優點是控制線路簡單，對I/O總線的傳輸速率要求較低；其缺點是I/O設備與主存之間的信息交換要經過CPU，CPU工作效率較低。圖1-5以CPU為中心的雙總線組成結構以存儲器為中心的雙總線結構如圖1-6所示。在此結構中，主存儲器可通過存儲總線與CPU交換信息，同時還可以通過系統總線與I/O設備交換信息。這種結構的優點是信息傳輸速率高；其缺點是需要增加硬件的投資。圖1-6以存儲器為中心的雙總線組成結構3．采用通道的大型系統結構在大、中型計算機系統中，為了便于擴大系統的功能和提高系統的效率，常采用通道結構。通道能夠管理和控制I/O設備，減輕CPU的負擔，提高系統效率。大型計算機系統的通道結構示意圖如圖1-7所示。從圖中可以看出，在通道結構中，一臺主機連接多個通道，一個通道可以連接一臺或多臺I/O控制器，一臺I/O控制器又可以連接一臺或多臺I/O設備，所以它具有良好的可擴展性。圖1-7大型計算機系統的通道結構1.3CPUCPU（CentralProcessingUnit，中央處理單元）由計算機的運算器和控制器所組成，是計算機的核心部件。在微型計算機中，稱它為中央處理器或微處理器。1.3.1數據的表示和運算方法在計算機中表示的帶符號的二進制數稱為機器數。一般用最高有效位來表示數的符號，正數用0表示，負數用1表示。機器字長n是指參與運算的數的基本位數，標志著計算精度，一般是字節的整數倍，有8位、16位、32位等。機器數有三種表示方法：原碼、補碼和反碼。1．原碼原碼表示法：符號+絕對值。例1-1n=8bit[+2]原碼=00000010=02H[–2]原碼=10000010=82H[+0]原碼=00000000=0H[–0]原碼=10000000=80H數的原碼與真值之間的關系比較簡單，是與真值最接近的一種表示形式。但原碼的最大缺點是在機器中進行加減運算時比較復雜。加減運算的過程如下：進行加法運算時，先要判斷兩數的符號，如果兩數符號相同，則兩數相加；兩數符號相反，則兩數相減。進行減法運算時，先要比較兩數的絕對值的大小，再用大絕對值減去小絕對值，最后還要確定運算結果的正負號。2．反碼正數的反碼表示與原碼表示相同，負數的反碼表示中數值位與原碼相反。例1-2n=8bit[+2]反碼=[+2]原碼=00000010[–2]反碼=11111101[+0]反碼=[+0]原碼=00000000[–0]反碼=11111111反碼運算在最高位有進位時，要在最低位+1，即需要多進行一次加法運算，增加了復雜性，影響了執行速度。3．補碼例1-3n=8bit[+2]補碼=[+2]原碼=00000010[+0]補碼=[+0]原碼=00000000[–0]補碼=00000000[–2]補碼=111111101.3.2運算器圖1-8運算器結構示意圖ALU（ArithmeticLogicUnit，運算器），又稱算術邏輯部件，是對數據進行加工處理，完成算術和邏輯運算的部件，也是CPU的重要組成部分。各種計算機的運算器結構可以有一些不同的地方，但是它們的最基本結構中必須有ALU、寄存器組、累加器、多路轉換器和數據總線等邏輯構件。運算器的功能包括：圖1-8運算器結構示意圖完成對數據的算術和邏輯運算，由一個專門的ALU具體實現。暫存將參加運算的數據和中間結果，由其內部的一組通用寄存器承擔，可被匯編程序員直接訪問與使用。具體的運算器結構如圖1-8所示。1.3.3控制器控制器用于控制計算機各部件按照指令功能的要求進行所需要的操作，提供協同運行所需要的控制信號，協調整個計算機系統的正常工作。一條指令的執行，要經過讀取指令、分析指令、執行指令三個階段，這些階段都是在控制器的控制之下完成的。因此，控制器的基本任務包括：按照程序的指令序列，從存儲器獲取一條指令到控制器中。由譯碼器對該指令的操作碼進行分析判別。根據指令性質，執行這條指令，進行相應的操作。通常把獲取指令的一段時間稱作取指周期，把執行指令的一段時間叫做執行周期。控制器反復交替地處于取指周期與執行周期之間，以保證能按程序中設定的指令次序自動地連續執行。控制器部件的基本組成主要包括程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）和操作控制部件等部分。控制器部件通過數據總線、地址總線和控制總線實現與其他各個功能部件的相互連接，從而構成能夠協同運行的計算機硬件系統。控制器中的程序計數器（PC）用于提供指令在內存中的地址。程序計數器服務于讀取指令過程，并接收下一條要執行的指令的地址。指令寄存器（IR）用于保存所讀取的指令內容，存儲正在執行的指令。控制器中的脈沖源、啟停控制邏輯用于給出指令間執行的次序約束，以及每條指令的各個執行步驟間的相對時序關系。控制器的時序控制信號產生部件依據指令內容、指令的執行步驟（時序），以及各種狀態條件信號來形成并提供出當前各部件要用到的控制信號。控制器的組成示意圖如圖1-9所示。圖1-9控制器組成框圖計算機系統的各硬件部件，正是在這些信號控制下協同運行，完成指令設定的功能，產生預期的執行結果。1.3.4處理器性能處理器性能是處理器在一個時鐘周期內所做的工作（相當于一個時鐘周期內所執行的指令）乘以時鐘的周期數（相當于頻率）。其公式為：性能=工作效率×時鐘頻率。相對于時鐘頻率，工作效率是衡量處理器性能更重要的指標。工作效率（IPC）：指處理器每時鐘周期完成的指令數。通過采用超標量體系結構、動態指令調度程序、更大容量的緩存以及高級分支預測的技術，可以提高每時鐘周期的工作效率。時鐘頻率（CPUClockSpeed）：也稱為主頻，指處理器每秒鐘能完成運算周期的次數，以Hz為單位。通過簡單增加管道流水線的深度可以有效提高時鐘頻率，但會在很大程度上降低處理器的性能。除了工作效率和時鐘頻率，還有其他一些因素會影響處理器的性能。L1高速緩存（L1Cache）：也稱為一級高速緩存，在處理器里面內置高速緩存可以L2高速緩存（L2Cache）：指處理器第二級高速緩存，除了速度以外，L2高速緩存容量也會影響處理器的性能，理論上是越大越好。系統總線帶寬（FrontSideBus）：指處理器二級（L2）高速緩存和系統北橋芯片之間的數據帶寬。流水線技術（PipeLine）：流水線的工作方式就像工業生產上的裝配流水線。在處理器中由5～6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5～6步后再由這些電路單元分別執行，這樣就能實現在一個處理器時鐘周期完成一條指令，因此提高了處理器的運算速度。超標量：指在一個時鐘周期內處理器可以執行一條以上的指令。AMDK5以上的處理器均具有超標量結構，在一個時鐘周期里，可以執行多條指令。協處理器：主要功能是負責浮點運算，而浮點運算能力體現了處理器多媒體功能的強弱，所以現在的處理器的協處理器（浮點單元）對多媒體指令進行了優化。地址總線寬度和數據總線寬度：地址總線寬度決定了處理器可以訪問的物理地址空間。對于486以上的微機系統，地址線的寬度為32位，最多可以直接訪問4096MB的物理空間。1.4指令系統指令系統是計算機所有指令的集合。所有程序都要翻譯成以指令形式表示的機器語言后才能運行，指令系統反映了計算機的基本功能。其格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結構，也直接影響到系統軟件，影響到機器的適用范圍。1.4.1指令和指令系統指令是讓計算機執行某種操作，控制計算機運行的最基本的命令。在一條指令中，通常需要指明所用數據的來源，所要完成的操作、運算的功能，對運算結果的處理、保存方式等，為此需要把一條指令劃分為操作碼字段和操作數地址字段兩部分。操作碼：表示該指令應進行什么性質的操作。不同的指令用不同的操作編碼來表示，操作數地址：指明了參與運算的操作數所在的存儲單元位置和形式。操作碼經過譯碼后執行相應的運算，而操作數地址則提供完成該運算所需的操作數，通常可以細分為被操作數、操作數及操作結果等。根據一條指令中有幾個操作數地址，可將指令稱為幾操作數指令或幾地址指令。目前多采用二地址、單地址、零地址混合方式的指令格式。指令格式是用二進制代碼表示的結構形式，這種直接用二進制碼表示的指令稱為機器衡量一條指令的重要參數是指令字長度，它是指令字中包含二進制代碼的位數，通常可以分為：單字長、半字長、雙字長三種形式。指令字長度等于機器字長度的指令，稱為單字長指令。指令字長度等于半個機器字長度的指令，稱為半字長指令。指令字長度等于兩個機器字長度的指令，稱為雙字長指令。其中，機器字長度是指計算機能直接處理的二進制數據的位數，它決定了計算機的運算精度。1.4.2尋址方式操作數是指令或程序的主要處理對象。在指令中，指定操作數或操作數存放位置的方法稱為尋址方式。微機系統有八種基本的尋址方式：立即尋址方式、寄存器尋址方式、直接尋址方式、寄存器間接尋址方式、寄存器相對尋址方式、基址加變址尋址方式、相對基址加變址尋址方式和32位地址的尋址方式。為了表達方便，以下用符號“（X）”表示X的值，如：（AX）表示寄存器AX的值。1．立即數尋址方式操作數作為指令的一部分而直接寫在指令中，這種操作數稱為立即數，這種尋址方式稱為立即數尋址方式。這種方式的特點是取指時，操作碼和一個操作數同時被取出，不必時間一鍋米飯，放到第二天，水氣就會干一些；放到第三天，味道恐怕就有問題；第四天，我們幾乎可以發現，它已經發餿；再放下去，恐怕就要發霉了。是什么原因，使那鍋米飯變餿變壞——是時間。可是，在煙雨的江南，年輕的父母生下女兒，他們就在地窖里，埋下一缸缸米酒，十七、八年以后，女兒長大了，這些酒就成為嫁女兒、婚禮上的佳釀。它有一個美麗而惹人遐思的名字，叫女兒紅。是什么使那些平凡的米，變成芬芳甘醇的酒——也是時間。到底，時間是善良的，還是邪惡的魔術師呢？或許都不是，時間只是一個簡單的指數符號，它會把原來倍增而已。開始變壞的米飯，每一天都不斷變得更腐臭，而開始變醇的美酒，每一分鐘，都在繼續增加它的芬芳。在人世間，我們也曾經看過天真的少年一旦開始墮落，便不免愈陷愈深，終于變得滿面風塵，面目可憎。但相反的，時間卻把溫和的笑痕，體諒的眼神，成熟的風采，智慧的神韻添加在那些追尋善良的人身上。同樣是煮熟的米，餿飯與美酒的差別在哪里呢？就在那一點點的酒曲。皆出父母，誰墮落如禽獸，而誰又能提升成完美的人呢？是內心深處，緊緊環抱不放的，捉摸不透的欲望。與其問，時間將怎樣對待你我。不如問，你我將如何對待時間。你就是一道風景生于世界上，存于宇宙間，你不比別人多，也不比別人少，同頂炎炎烈日，共沐皎皎月輝，心智不缺，心力不乏，只要你勇于展示自己的才華、個性及風采，那么，你就沒必要去仰視別人。你，就是一道風景！不要隱于云海峰巒之后，不必藏于青竹綠林之中，你就是巍巍山巒的一石，就是蒼蒼林莽中的一株。所以你沒必要敬畏名山大川，沒必要去贊嘆大漠孤煙，你的存在，其立身就在解釋世上所有的景致；你的存在，正注釋著時代的一種風情！不必去擁擠了，你就站在屬于自己的位置上，不斷地展示你內心世界的豐富內涵，給蒼白的四周以綺麗，給庸俗的日子以詩意，給沉悶的空氣以清新，每日拭亮一個太陽，用大自然的琴弦，奏響自己喜愛的心曲。自然美具有不以人們意志為轉移的自然性，梅花自有梅花的風韻，紅杏自有紅杏的麗姿，如今認清自己往往比注視別人更為重要。沒必要一味褒揚別人貶低自己，應該果敢地站起，與最佳景觀比肩，只要你不懈追求，相信你，不比別人差。真的，你行！翠竹之秀麗，青松之壯美，楊柳之瀟灑，蘭草之溫柔，自然賦予各異風情，都在各自的一片土地上展示生命的光輝。如今所需的不是自謙，而是自信。很久很久了，虛假的謙遜毀掉個性的展露，模仿、裝扮、整容，使人無法認清你的真面目，不知哪個是你自己，那情景似古代磚窯燒出的規格相同的陶俑。風景這邊獨好！妙在獨好。我們太忽視這個“獨”了。世上被人們公認的景點都是獨特的：埃及金字塔，中國古長城；法國凱旋門，羅馬斗獸場……世上被人贊譽的美景也別具風采：泰山日出，威尼斯水緘，熱帶雨林，撒哈拉大沙漠……大凡能被我們記住的人多富有個性特征：阿Q的“快樂”，魯濱遜的堅毅，王熙風的笑里藏刀，奧賽羅嫉妒殺人……讓個性伴你，站著該是一座山，倒下便是路基；完整時給人啟示，粉碎時使人警醒……你不比別人多，也不比別人少，你不用注視人們的眸光便可知道，你在陽光下用身影發表宣言：你就是一道風景！大氣戈壁上的胡楊活著三百年不死，死了三百年不倒，倒了三百年不朽。飛沙走石中守住了生命的鮮活，孤苦凄然中昂起了信念的不屈。胡楊的勃然生機挺拔出了撼人的大氣。秋風中的竹子雖消瘦但不折腰，雖孤獨但不動搖，雖憂思但不哀鳴，任憑寒夜苦雨蕭瑟，依然傲骨拔節凌空。竹子的沖天豪情正直出了高亢的大氣。池塘里的蓮花身陷污泥而不染，一身清白不自憐，縱使面對丑惡也不悲戚，昂首獨立更為清高。蓮花丹青難寫之精神頂立起風骨的大氣。大氣，便是沖破貧瘠和困苦之折磨即使有萬千磨難也要心揣夢想播撒愛意的生氣。嫩嫩的企盼不滅，目光便總是向前，重重的責任肩負，生長豐厚了癡迷的期待。大氣，便是卑微不失凌云之志，平凡猶有不可欺之尊的骨氣，用自己找尋使自己的足跡不欲，跌倒爬起照樣有路可走，用自己的脖子支起自己的腦袋，用自己的脊梁挺直自己的腰板，失去擁有總是無愧無悔。大氣，便是受邪惡不辱不低頭、保護柔弱不自負的正氣，正因為心中有愛，才敢向不平揮劍，才肯如老牛俯首，行俠仗義呼嘯而過，即使傷痕猶在也剛毅且無淚。大氣，小而言之就是一個人的精神氣，大而言之就是一個人的英雄氣。而一個人為人之氣是否乃大，其實正面的區別就是一個“愛”字，反面的區分就是一個“私”字。愛的真，愛的誠，愛的厚，愛的多的人一定大氣。先公后私是低層次的大氣，再高些便是大公小私，而大公無私則是最高境界的大氣。從世俗的角度看，做人大氣些，便少些煩惱，多些達觀，與人方便，自己