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2011考研组成原理重点总结(一)_跨考网
跨考考研2010-07-31
来源跨考网整理
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1.计算机有哪些分类? 传统计算机可从用途、规模或处理对象等多方面进行划分。


(1)按用途划分


通用机:用于解决多种一般问题,该类计算机使用领域广泛、通用性较强,在科学计算、数 据处理和过程控制等多种用途中都能适应。

专用机:用于解决某个特定方面的问题,配有为解决某问题的软件和硬件,如在生产过程自 动化控制、工业智能仪表等专门应用。

(2)按规模划分

巨型计算机:应用于国防尖端技术和现代科学计算中。巨型机的运算速度可达每秒百万亿次。

巨型机运算速度快,存储量大,结构复杂,价格昂贵,主要用于尖端科学研究领域, 如 IBM390系列、银河机等。

大/中型计算机:大型机规模次于巨型机,有比较完善的指令系统和丰富的外部设备,具有 较高的运算速度,每秒可以执行几千万条指令,而且有较大的存储空间。往往用于科学计算、数 据处理或作为网络服务器使用,如 IBM4300。

小型计算机:小型机较大型机成本较低,维护也较容易,规模较小、结构简单、运行环境要 求较低,一般应用于工业自动控制、测量仪器、医疗设备中的数据采集等方面。小型机在用作巨 型计算机系统的辅助机方面也起了重要作用。

微型计算机:它较之小型机体积更小、价格更低、灵活性更好,可靠性更高,使用更加方便。 目前许多微型机的性能已超过以前的大中型机。中央处理器(CPU)采用微处理器芯片,体积小巧 轻便,广泛用于商业、服务业、工厂的自动控制、办公自动化以及大众化的信息处坪。

单片机:微处理器、一定容量的存储器以及输入/输出接口电路等集成在一个芯片上,就构成 了单片计算机(Single Chip computer)。可见单片机仅是一片特殊的、具有计算机功能的集成电路芯片。从20世纪70年代开始,出现了4位单片计算机和8位单片计算机,20 世纪80年代出现16位单片机,性能得到很大的提升,20世纪90年代又出现了32位单片机和使用 FLASH 存储的微控制器。单片机的特点是体积小、功耗低、使用方便、便于维护和修理,缺点 是存储器容量较小,一般用来做专用机或做智能化的一个部件,例如,用来控制高级仪表、家用 电器、网络通信设备和医疗卫生行业等。

单板机:微处理器、存储器、输入/输出接口电路安装在一块印刷电路板上,就成为单板计算机(Single Board Computer)。一般在这块板上还有简易键盘、液晶或数码管显示器、盒式磁 带机接口,只要再外加上电源便可直接使用,极为方便。单板机广泛应用于工业控制、微型机教 学和实验,或作为计算机控制网络的前端执行机。它不但价格低廉,而且非常容易扩展,用户买 来这类机器后主要的工作是根据现场的需要编制相应的应用程序并配备相应的接口。

(3)按处理对象划分 数字计算机:计算机处理时输入和输出的数值都是数字量。 模拟计算机:处理的数据对象直接为连续的电压、温度、速度等模拟数据。
数字模拟混合计算机:输入输出既可是数字也可是模拟数据。混合计算机一般由数字计算机、 模拟计算机和混合接口三部分组成,其中模拟计算机部分承担快速计算的工作,而数字计算机部 分则承担高精度运算和数据处理。混合计算机同时具有数字计算机和模拟计算机的特点:运算速 度快、计算精度高、逻辑和存储能力强、存储容量大和仿真能力强。随着电子技术的不断发展, 混合计算机主要应用于航空航天、导弹系统等实时性的复杂大系统中。现代混合计算机已发展成 为一种具有自动编排模拟程序能力的混合多处理机系统。它包括一台超小型计算机、一两台外围 阵列处理机、几台具有自动编程能力的模拟处理机;在各类处理机之间,通过一个混合智能接口 完成数据和控制信号的转换与传送。这种系统具有很强的实时仿真能力,但价格昂贵。

(4)按工作模式划分 工作站:以个人计算环境和分布式网络环境为前提的高机能计算机,工作站不单纯是进行数值计算和数据处理的工具,而且是支持人工智能作业的作业机,通过网络连接包含工作站在内的 各种计算机可以互相进行信息的传送,资源、信息的共享,负载的分配。

服务器:在网络环境下为多个用户提供服务的共享设备,一般分为文件服务器、打印服务器、 计算服务器和通信服务器等。服务器是一种可供网络用户共享的,高性能和计算机、服务器一般 具有大容量的存储设备和丰富的外部设备,其上运行网络操作系统,要求较高的运行速度,对此 , 很多服务器都配置了双 CPU。服务器上的资源可供网络用户共享。

2.计算机的主要部件及其功能是什么?

计算机作为一个整体,由软件和硬件两大部分组成,其主要组成如图2.1所示:


(1)计算机硬件系统。

计算机的硬件系统结构有哈佛结构和冯?诺伊曼结构两种。哈佛结构是一种将程序指令存储和 数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容,解码后得 到数据地址,再到相应的数据存储器中读取数据,并进行下一步的操作(通常是执行)。程序指令 存储和数据存储分开,可以使指令和数据有不同的数据宽度,如 Microchip 公司的 PICl6芯片的 程序指令是14位宽度,而数据是8位宽度。哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程 序指令和数据指令分开组织和存储的,执行时可以预先读取下一条指令。

目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多,多数是嵌入式系统,除了上面提到的 Microchip 公司的 PIC 系列芯片,还有摩托罗拉公司的 MC68系 列 、Zilog 公司的 Z8系 列 、ATMEL 公司的 AVR 系列和安谋公司的 ARM9、ARMlO 和 ARMll。

冯?诺伊曼结构,也称普林斯顿结构,是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存 储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置,因此程序指令 和数据的宽度相同,如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。

目前使用冯?诺伊曼结构的中央处理器和微控制器有很多,流行的各种 PC 主要都采用这种结 构。除了上面提到的英特尔公司的8086,英特尔公司的其他中央处理器、安谋公司的 ARM7、 MIPS 公司的 MIPS 处理器也采用了冯?诺伊曼结构。

计算机的硬件主要由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五部分组成,其中运 算器和控制器构成了中央处理器。计算机硬件之间的连接线路分为网状结构与总线结构。通常采 用的总线(BUS)结构有以 CPU 为中心的双总线结构、以存储器为中心的双总线结构和单总线结 构3种。图2.2给出了两种方式表示的硬件结构,其中上图为总线方式表示法,下图硬件是网状 结构表示。


主要功能是存放程序和数据,程序是计算机操作的依据,数据是计算机操作的对象。存储器 是由存储体、地址译码器、读写控制电路、地址总线和数据总线组成。能由中央处理器直接随机 存取指令和数据的存储器称为主存储器,磁盘、磁带、光盘等大容量存储器称为外存储器(或辅 助存储器)。由主存储器、外部存储器和相应的软件,组成计算机的存储系统。#p#副标题#e#

②中央处理器(CPU)

中央处理器的主要功能是按存在存储器内的程序,逐条地执行程序所指定的操作。中央处理 器由运算器和控制器构成。
控制器由指令单元、时序单元和操作控制单元三大部件组成,其中指令单元包括程序计数器 (PC),指令寄存器(IR)和指令译码器(ID),而时序单元产生定时节拍,一般由时钟信号源、节拍 发生器及微操作电路组成。

运算器完成二进制编码的算术或逻辑运算,由累加器 LA、通用寄存器 LB 和算术逻辑单元 ALU组成。

③外部设备 用户与机器之间的桥梁。输入设备的任务是把用户要求计算机处理的数据、字符、文字、图
形和程序等各种形式的信息转换为计算机所能接受的编码形式存入到计算机内。输出设备的任务
是把计算机的处理结果以用户需要的形式(如屏幕显示、文字打印、图形图表、语言音响等)输出 。 输入输出接口是外部设备与中央处理器之间的缓冲装置,负责电气性能的匹配和信息格式的转 换。

(2)计算机软件系统

计算机软件是能指挥计算机工作的程序与程序运行时所需要的数据,以及与这些程序和数据
有关的文字说明和图表资料,其中文字说明和图表资料又称为文档。

计算机软件分系统软件、应用软件两类。系统软件是计算机系统必备的软件,主要功能是管 理、控制和维护计算机资源以及开发应用软件,包括操作系统、各种程序语言处理程序、系统支 撑和服务程序、数据库管理系统等。应用软件是为解决某个实际问题而由用户自己编写的程序, 可分为用户程序和应用软件包。


4.什么是存储器的分级结构?

对存储器的要求是容量大、速度快、成本低,但是在一个存储器中要求同时兼顾这三方面 是困难的。为了解决这方面的矛盾,目前在计算机系统中,统称采用多级存储器体系统结构,即 使用高速缓冲存储器、主存储器。

CPU 能或字节访问的存储器称为内存储器,它包括高速缓冲存储器和主存储器。CPU 不能 直接访问外存储器,外存储器的信息必须调入内存储器后才能为 CPU 进行处理。

5.闪速存储器有哪些特点?

固有的非易失性:SRAM 和 DRAM 断电后保存的信息随即丢失,为此 SRAM 需要备用电池来确保数据存留,而 DRAM 需要磁盘作为后援存储器。由于闪速存储器具有可靠的非易失性, 它是一种理想的存储器。

廉价的高密度:不计 SRAM 电池的额外花费和占用空间,1M 位闪速存储器的位成本比 SRAM 低一半以上,而16M 位闪速存储器的位成本更低。相同存储器容量的闪速存储器和 DRAM 相比 , 位成本基本相近,但闪速存储器节省了后援存储器(磁盘)的额外费用和空间。可直接执行:闪速 存储器直接与 CPU 连接,由于省去了从磁盘到 RAM 的加载步骤,工作速度仅取决于闪速存储 器的存取时间。

固态性能:闪速存储器是一种低功耗、高密度且没有机电移动装置的半导体技术,因而特别 适合于便携式等微型计算机系统,使它成为替代磁盘的一种理想工具。

6.什么是多模块交叉存储器,有什么特点?

一个由若干个模块组成的主存储器是线性编址的。这些地址在各模块有两种安排方式:一种 是顺序方式,一种是交叉方式。
顺序方式:某个模块进行存取时,其他模块不工作,某一模块出现故障时,其他模块可以照 常工作,通过增添模块来扩充存储器容量比较方便。但各模块串行工作,存储器的带宽受到了限 制。#p#副标题#e#

交叉方式:地址码的低位字段经过译码选择不同的模块,而高位字段指向相应模块内的存储 字。连续地址分布在相邻的不同模块内,同一个模块内的地址都是不连续的。对连续字的成块传 送可实现多模块流水式并行存取,大大提高了存储器的带宽。

多模块交叉存储器的每个模块各自以等同的方式与 CPU 传送信息。CPU 同时访问各个模块, 由存储器控制部件控制它们分时使用数据总线进行信息传递。这是一种并行存储器结构。
下面做定量分析:若模块字长等于数据总线宽度,模块存取一个字的存储周期为 T,总线传 送周期为 T,存储器的交叉模块数为 m,为了实现流水线方式存取,应当满足T=mτ(m=T/τ称为交叉存取度) 交叉存储器要求其模块数必须大于或等于 m,以保证启动某模块后经 mr 时间再次启 动该模块时,它的上次存取操作已经完成。这样,连续读取 m 个字所需的时间为
t1=T+(m=1)τ而顺序方式存储器连续读取 m 个字所需时间为 t2=mT.假设 q 为读取 m 个字的信息 量,则带宽为W1=q/t1W2=q/t2

可见,交叉存储器的带宽确实大大提高了。

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