计算机组成原理是理解计算机系统运作基础的关键领域,涵盖了硬件和软件的基本构成以及它们之间的交互。在计算机系统中,计算机硬件包括计算机的物理组件,如运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备,而计算机软件则是运行在硬件之上的程序和相关数据,两者互相依赖以实现计算功能。
冯·诺依曼计算机模型是现代计算机设计的基础,其特征包括:五大基本部件(运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备),数据和指令以二进制形式存储在内存中,可以通过地址进行访问。指令由操作码和地址码组成,用于指示计算机执行特定操作。程序计数器(PC)保存当前指令的地址,而指令寄存器(IR)则存储正在执行的指令。控制单元(CU)生成微操作命令,算术逻辑单元(ALU)执行算术和逻辑运算。累加器(ACC)、乘商寄存器(MQ)和其他工作寄存器(如X)辅助运算过程。此外,还有输入/输出(I/O)设备用于数据交换,MIPS(每秒百万指令数)衡量计算机执行速度。
总线是计算机系统中多个部件共享的信息传输路径。其特性包括分时传输,即同一时刻只允许一条信息在总线上传输。为了减轻总线负载,每个连接到总线的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连接。总线宽度指数据总线的位数,带宽是数据传输速率,总线复用允许一条信号线传输不同信号。主设备和从设备分别控制和响应总线通信,而通信控制则涉及双方时间配合的策略。
存储器层次结构包括高速缓存(Cache)和主存,以及主存和辅存的层次。Cache-主存层次是为了提高CPU访问数据的速度,而主存-辅存层次则是为了扩大存储容量。计算机通过管理和调度这些层次来优化性能,例如,使用替换算法在Cache中管理和定位数据,以及根据需求将数据在主存和辅存之间移动。这种层次结构使得系统能够在提供快速访问的同时保持较大的存储容量,平衡了速度和成本之间的关系。
同步通信和异步通信是两种不同的数据传输方式。同步通信依靠共同的时钟进行,简化了控制但可能因速度差异导致效率降低,适用于速度相近的设备间通信。异步通信则允许设备独立工作并通过应答机制确保数据正确传输,虽然控制更复杂,但在处理速度差异大的设备间通信时更为灵活。
以上是计算机组成原理中的关键知识点,包括计算机系统的构成、冯·诺依曼模型、总线特性、存储器层次结构以及通信方式。这些概念构成了理解计算机硬件和软件协同工作的基础。