计算机基本结构及作用

本图讲述了计算机基本结构及作用，包括总线、存储系统、输入输出技术、性能指标等板块，结构型知识框架方便学习理解！

①.3计算机基 本结构及作用 3.4567

• 总线
  • 定义
    • 从广义上来说，任何连接两个以上电子元器件的导线，都可以称为总线
    • 微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的
  • 分类
    • 按功能分
      • (1) 地址总线
        • -AB
      • (2) 数据总线
        • -DB
      • (3) 控制总线
        • -CB
    • 按层次结构分
      • (1) Cpu总线
        • 包括地址线（CAB)，数据线(CDB)和控制线(CCB)，用来连接cpu和控制芯片
      • (2) 存储总线
        • 包括地址线（MAB)，数据线(MDB)和控制线MCB)，用来连接存储控制器和DRAM
      • (3) 系统总线
        • 也称为I/O通道总线，包括地址线（SAB)数据线(SDB)和控制线(SCB),用来连接扩充插槽上的各扩充板卡
      • (4) 外部总线
        • 用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控制器和键盘控制器，包括地址线(XAB)数据线(XDB)和控制线(XCB)
      • 在系统板上
    • 按位置分
      • 机内总线
      • 机外总线
        • 接口标准
          • 1| IDE
            • ①②与硬盘，光驱等IDE设备接口
          • 2| SCSI
          • 3| USB
            • ③④连接多种外部设备
          • 4| IEEE1394
    • 按通信方式分
      • 并行总线
      • 串行总线
    • 常见的系统总线
      • ISA
      • PCI
      • AGP
    • 局部总线
  • 周期
    • 时钟周期
      • 计算机中最小的，最基本的时间单位
      • 时钟周期越小，就意味着工作频率越高
    • 总线周期
      • 如:存储器或i/o接口进行一次访问所需要的时间
    • 指令周期
      • 取出并执行一条指令所占用的全部时间
  • 常用计算公式
    • 总线宽带又称总线系统数据传送速率，指单位时间传送的二进制位数或每秒传送的字节数
    • 总线宽带=存储器的数据传输速率/存储周期
    • MIPS表示每秒百万条指令数
    • MIPS=指令条数/（执行时间×106）=时钟频率/（CPI×106） CPI表示执行一条指令所需的时间周期数
• 存储系统
  • 分类
    • 按位置分
      • 内存
      • 外存
    • 按工作方式分
      • 读写存储器
      • 只读存储器
    • 按寻址方式分
      • 随机存储器
        • 如:内存
      • 顺序存储器
        • 如:磁带
      • 直接存储器
        • 如:磁盘
  • 层次结构
    • 高速缓存（Cache）
      • 是用来存放当前最活跃的程序和数据的结构，作为主存局部域的副本，其构造主要偏向于静态RAM(SRAM)
      • 组成：控制部分和Cache存储器部分
      • 基本原理：Cpu与Cache之间的数据交换，以字为单位，而Cache与主存之间的数据交换，以块为单位
      • Cpu仅在所有级别的cache中都不命中时，才访问主页
      • Cache容量越大，则命中率越高
      • 替换算法：包括随机替换算法，先进先出算法，近期最少使用算法和优先替换算法
      • 二级，三级缓存，内存（只存储cpu所需的数据）不能存储处理器操作的原始指令（只存储在cpu的一级指令缓存中）
      • 缓冲是即将要被写入磁盘的，而缓存是被从磁盘中读出来的
        • 缓冲，提高内存和硬盘或其他I/O设备之间数据交换速度
        • 缓存，提高cpu和内存之间数据交换速度
      • 寄存器，直接在cpu内部构建的存储单元，缓存，是cpu寄存器和内存之间的桥梁，起缓冲加速作用
    • 主存储器
      • 按工作方式
        • 读写存储器RAM
        • 只读存储器ROM
      • 存储单元
        • 静态RAM
          • 集成度较低，成本较高，(高速缓冲存储器使用静态RAM)
        • 动态RAM
          • 集成度高，功耗低，成本低，适用于做大容量存储器。（主存采用动态RAM）
        • 计算单位
          • ns(纳秒)为时间单位。1ns=10^(-9)s
    • 外存储器
      • 组成
        • 记录面
          • 记录信息的磁介质表面
        • 磁道
          • 半径递减，从外到里编号，最外一圈为0道，最内圈位密度为最大位密度
        • 扇区
      • 寻道时间（磁头移动到目标磁道）等待时间（磁道旋转一周所用时间的一半作为平均等待时间），存取时间（包括寻道时间，寻找扇区的等待时间和读写时间）
      • 磁盘容量
        • 磁盘能存储二进制位信息的总量，分为非格式化容量和格式化容量。一般情况下，磁盘容量指格式化容量
        • 非格式化容量=存放数据的盘面数×每面磁道数×磁道周长×对应的位密度
        • 格式化容量=存放数据的盘面数×每面磁道数×每道扇区数×每个扇区存储的数据字节数
      • 磁盘运输速率R
        • 磁头找到地址后，在单位时间内写入或读出的字节数
        • R=B/T
          • B表示一个磁道上记录的数据字节数，T表示磁盘旋转一周所需的时间
    • 高速缓存，内存和硬盘的比较
      • 容量
        • 高速缓存＜内存＜硬盘
      • 速度
        • 高速缓存＞内存＞硬盘
      • 价格
        • 高速缓存＞内存＞硬盘
      • 高速缓存和内存只有在通电的情况下，才能保存内部数据。断电数据会全部丢失，而硬盘内的数据却不会受到影响
  • 虚拟存储器
    • 作用
      • 拿出一部分硬盘空间来充当内存使用
    • 原理
      • 运行时，把要用到的程序或数据库先调入主存，并且把马上要用到的程序块从主存调入高速缓存。
• 输入输出技术
  • 常用内存与接口的编址方式
    • 独立编址
      • 存储器地址和接口地址完全独立
      • 用于接口的指令只用于接口读写
    • 统一编址方式
      • 把I/O接口端口当作存储器单元
  • Cpu与外设的三种数据交换方式
    • 程序控制方式
      • 控制方法：整个I/O过程都是由cpu执行程序来完成的
      • 无条件传送和程序查询方式
    • 中断方式
      • Cpu无需等待而提高了利用率
    • 直接存储器存取方式（DMA方式）
      • 在内存与I/O设备间传送一个数据块的过程中，不需要cpu的任何干涉， 只需要cpu在过程开始启动与过程结束时的处理，实际操作由DMA硬件直接执行完成
• 性能指标
  • 字长
    • 可以直接处理的二进制数据的位数直接影响计算机的计算精度，速度和功能
    • 字长越长，计算机的运算精度越高，计算机的处理能力越强
  • 主频
    • 计算机的时钟频率，即 cpu在单位时间（每秒钟）发出的脉冲数，单位为MHz
    • 决定了计算机的运算速度，通常主频越高，计算机的运算速度越快
    • 主频=外频×倍频
    • 外频即系统总线
  • 运算速度
    • 指平均运算速度，即计算机每秒所能执行的指令条数，单位MIPS(每秒百万条)
  • 存取周期
    • 对存储器进行连续存取操作所允许的最短时时间间隔
    • 存取周期越短，存取速度越快。计算机内存储器存储周期一般在几十到几百纳秒
  • 存储容量
    • 存储容量主要指内存储器的容量