计算机组成原理总结

总线的分类:

  • 按数据传送方式:并行传输总线和串行传输总线。
  • 在并行传输总线中又可分为:
    8位,16位,32位,64位等传输总线。
  • 片内总线: 是指芯片内部的总线。
  • CPU芯片内部
  • 寄存器与寄存器之间
  • 寄存器与运算逻辑单元ALU之间
    以上均由片内总线连接。
  • 系统总线:是指计算机各大部件(CPU,I/O,主存……)之间的的信息传输线。也称为板间总线,和板级总线。
  • 按传输信息的不同,又可分为三类:
  • 数据总线
  • 地址总线
  • 控制总线

总线的特征:

  • 总线的特征:
  • 机械特征:几何形状,引脚数……
  • 电气特征:信号的传递方向和有效的电平范围。
  • 功能特性:是指总线中每根数据线的功能。
  • 时间特性:是指总线在什么时间内有效。

总线结构 :

总线结构通常可分为单总线结构和多总线结构。

总线的判优控制

  • 链式查询
    :连线简单,易于扩充,对电路故障最敏感。
  • 计数器定时查询:
    采用查询方式的集中式总线控制方式。查询方式的原理是在总线控制器中设置一个查询计数器。由控制器轮流地对各部件进行测试,看其是否发出总线请求。当总线控制器收到申请总线的信号后,计数器开始计数,如果申请部件编号与计数器输出一致,则计数器停止计数,该部件可以获得总线使用权,并建立总线忙信号,然后开始总线操作。使用完毕后,撤消总线忙信号,释放总线,若此时还有总线请求信号,控制器继续进行轮流查询,开始下一个总线分配过程。


    计数器定时查询

    优先级设置灵活,对故障不敏感。连线及控制过程较为复杂。

  • 独立请求:
    每个部件都有各自的一对总线请求和总线允许线,各部件可以独立地向控制器发出总线请求,总线已被分配信号线是所有部件公用的,如图所示。当部件要申请使用总线时,送总线请求信号到总线控制器,如果总线已被分配信号线还未建立,即总线空闲时,总线控制器按照某种算法对同时送来的请求进行裁决,确定响应哪个部件发来的总线请求,然后返回这个部件相应的总线允许信号,部件得到总线允许信号后,去除其请求,建立总线已被分配信号,这次的总线分配结束,直至该部件传输完数据,撤消总线已被分配信号,经总线控制器去除总线准许信号,可以接受新的申请信号,开始下一次的总线分配。


    独立请求

    独立请求速度最快,但硬件器件用量最大,连线多,成本较高。
    其中第一种最不稳定。

总线通信控制

  • 同步通信:
    要求发收双方具有同频同相的同步时钟信号,只需在传送报文的最前面附加特定的同步字符,使发收双方建立同步,此后便在同步时钟的控制下逐位发送/接收。
  • 异步通信:
    异步通信克服了同步通信的缺点,允许各模块速度的不一致性,给设计者充 分的灵活性和选择余地。它没有公共的时钟标准,不要求所有部件严格的统一操作时间,而是采用应答方式(又称握手方式),即当主模块发出请求信号时,一直等待从模块反馈回来“响应”信号后,才开始通信。当然,这就要求主、从模块之间增加两条应答线。
  • 不互锁
  • 半互锁
  • 全互锁
  • 半同步通信
  • 分离式通信

总线复用:

一条信号线上分时传送两种信号。例如,通常地址总线与数据总线在物理上 是分开的两种总线,地址总线传输地址码,数据总线传输数据信息。为了提高总线的利用率,优化设计,特将地址总线和数据总线共用一组物理线路,在这组物理线路上分时传输地址信号和数据信号,即为总线的多路复用。

存储器

  • 存储器的分类:
    1.按存储器介质分类:半导体,磁面,磁芯,光盘。
    2.按存取方式分类: 随机存储器RAM,只读存储器ROM,串行访问存储器。
    3.按在计算机中的作用分类:主存,辅助存储器,缓冲存储器。

  • 层次结构:
    存储系统层次结构主要体现在缓存-主存和主存-辅存这两个存储层次上。

SRAM和DRAM的读写原理:

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  • 静态存储单元(SRAM)

●存储原理:由触发器存储数据
●单元结构:六管NMOS或OS构成
●优点:速度快、使用简单、不需刷新、静态功耗极低;常用作Cache
●缺点:元件数多、集成度低、运行功耗大
●常用的SRAM集成芯片:6116(2K×8位),6264(8K×8位),62256(32K×8位),2114(1K×4位)

  • 动态存储单元(DRAM)

●存贮原理:利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理,需刷新(早期:三管基本单元;现在:单管基本单元)
●刷新(再生):为及时补充漏掉的电荷以避免存储的信息丢失,必须定时给栅极电容补充电荷的操作
●刷新时间:定期进行刷新操作的时间。该时间必须小于栅极电容自然保持信息的时间(小于2ms)。
●优点: 集成度远高于SRAM、功耗低,价格也低
●缺点:因需刷新而使外围电路复杂;刷新也使存取速度较SRAM慢,所以在计算机中,SRAM常用于作主存储器。
尽管如此,由于DRAM[1]存储单元的结构简单,所用元件少,集成度高,功耗低,所以目前已成为大容量RAM的主流产品。

DRAM的刷新方式(集中,分散,异步):

  • 集中刷新:是在规定的一个刷新周期内,对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新,此 刻必须停止读/写操作。
  • 分散刷新:是指对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。在每个存取操作后绑定一个刷新操作。
  • 异步刷新: 上述两种刷新方式的结合。个人理解就是赶在每次电荷丢失之前,进行一次分散刷新。每行以电荷丢失时间为刷新周期。

MROM、PROM、EPROM、EEPROM、FlashROM

  1. 掩模ROM(MROM):用户无法改变原始状态。
  2. PROM:是可以实现一次性编程的只读存储器,不得再修改。
  3. EPROM:是一种可擦除可编程的只读存储器。(紫外线照射只能一次全部擦除或者用电 气方法可局部擦写)。
  4. EEPROM:电可擦除只读存储器。
  5. FlashROM:闪存。

存储器与CPU的连接(会设计与画图)

……

存储器的校验(奇偶校验,CRC校验)

……

输入与输出系统

  • I/O设备的编址方式:
    通常将I/O设备码看作是地址码,对I/O地址码的编址方式可采用两种形式:
  • 统一编址:统一编址就是将I/O设备看做是存储器的一部分。
  • 不统一编址 :就是将I/O地址与存储器地址分开,所以对I/O设备的访问必须要有专用的I/O指令。
  • 设备寻址:每台设备都被赋予一个设备号,当要启动某一设备时直接由I/O指令的设备码字段直接给出要启动的设备号,通过接口电路中的设备选择电路,便可选中要交换信息的设备。
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