计算机组成与结构主存储器解析
计算机系统组成与层次结构解析
计算机系统组成与层次结构解析计算机系统是由各个组成部分相互协作而形成的，它是一个复杂而庞大的系统。
计算机系统的组成主要包括硬件系统、操作系统和应用软件，并按照一定的层次结构来组织和管理。
本文将对计算机系统的组成和层次结构进行深入解析。
一、硬件系统1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，它负责执行各种命令和控制计算机的运行。
CPU主要由控制单元和算术逻辑单元组成，通过控制单元对外部输入进行解析和判断，并指挥算术逻辑单元进行数据处理和运算。
2. 存储器存储器用来存储计算机的指令和数据，分为主存和辅助存储器两种。
主存储器是计算机运行时的临时存储空间，辅助存储器则用于永久性地存储大量的数据和程序。
3. 输入输出设备输入输出设备用于计算机与外界进行数据交换。
常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪等，输出设备则包括显示器、打印机和声音播放器等。
二、操作系统操作系统是计算机系统中的核心软件，它负责管理和调度计算机的各个硬件资源，提供公共服务和接口。
操作系统的功能包括进程管理、文件管理和存储管理等。
1. 进程管理操作系统通过进程管理来管理计算机上运行的各个程序。
它负责分配和回收计算机的处理器资源，并确保各个进程按照优先级合理地运行。
2. 文件管理文件管理是操作系统负责管理计算机上的文件和目录结构。
它提供了文件的创建、读取、写入和删除等功能，并通过文件系统来组织和存储文件。
3. 存储管理存储管理是操作系统负责管理计算机存储器的一项重要任务。
它负责为进程和文件分配空间，并进行存储空间的回收和整理。
三、应用软件应用软件是计算机系统的最高层次，它通过操作系统提供的接口与硬件进行交互，并为用户提供各种功能和服务。
1. 办公软件办公软件包括文字处理软件、电子表格软件和演示文稿软件等，它们为用户提供了创建、编辑和展示各种办公文档的功能。
2. 图形图像处理软件图形图像处理软件主要用于编辑和处理图形和图像。
它们提供了各种绘图和编辑工具，使用户能够创建和修改各种类型的图形和图像。
冯诺依曼计算机的结构
冯诺依曼计算机的结构一、引言冯诺依曼计算机是指由冯·诺依曼在20世纪40年代提出的一种计算机结构。
它采用了存储程序的设计思想，将程序和数据存储在同一存储器中，通过控制器和运算器的协同工作，实现了高效的计算和处理能力。
本文将从计算机的五大组成部分入手，介绍冯诺依曼计算机的结构。
二、存储器冯诺依曼计算机的存储器分为主存储器和辅助存储器两部分。
主存储器用于存储程序和数据，辅助存储器则用于长期保存大量的程序和数据。
主存储器被分为若干个存储单元，每个存储单元可以存储一个固定大小的数据单元。
冯诺依曼计算机的存储器是随机访问的，可以通过地址直接访问任意存储单元。
三、运算器冯诺依曼计算机的运算器负责执行算术运算和逻辑运算。
它由算术逻辑单元(ALU)和寄存器组成。
ALU能够执行各种算术和逻辑运算，如加减乘除、与或非等。
寄存器用于存储运算过程中的临时数据和结果。
运算器通过总线与存储器和控制器进行数据和指令的传输。
四、控制器冯诺依曼计算机的控制器负责指挥和协调计算机的各个部件。
它包含指令寄存器、程序计数器和指令译码器等。
指令寄存器存储当前执行的指令，程序计数器存储下一条要执行的指令的地址。
指令译码器将指令解码为控制信号，控制各个部件的动作。
五、输入输出设备冯诺依曼计算机的输入输出设备用于与外部环境进行信息交互。
输入设备将外部信息转换为计算机可识别的形式，如键盘、鼠标、扫描仪等；输出设备将计算机处理后的结果转换为人类可读的形式，如显示器、打印机、音频设备等。
输入输出设备通过输入输出接口与计算机主体连接。
六、总线冯诺依曼计算机的各个部件之间通过总线进行数据和信号的传输。
总线分为数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线用于传输数据，地址总线用于传输访问存储器和外设的地址，控制总线用于传输控制信号。
总线的宽度决定了计算机的数据传输速度和处理能力。
七、结论冯诺依曼计算机的结构包括存储器、运算器、控制器、输入输出设备和总线等五大部分。
计算机组成与体系结构
计算机组成与体系结构计算机组成与体系结构是计算机科学中的重要理论基础之一。
它涉及到计算机硬件架构、逻辑设计和计算机内部各组件之间的相互关系。
本文将从计算机的组成和体系结构的概念入手，深入讨论计算机内部各组件的功能和相互连接的方式，同时介绍计算机的工作原理和性能优化。
一、概念解析在介绍计算机组成与体系结构之前，首先需要澄清它们的定义。
计算机的组成是指计算机硬件部件的构成和相互连接方式，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。
而计算机的体系结构则是指计算机的功能与数据的表示方式，包括指令集体系结构（Instruction Set Architecture，ISA）和处理器微体系结构（Microarchitecture）。
二、计算机组成1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心，负责执行指令和进行运算。
它由运算器和控制器组成，其中运算器用于执行各类算术和逻辑运算，而控制器则负责解析和执行指令。
CPU中的寄存器用于存储指令和数据。
2. 存储器存储器用于存储指令和数据，是计算机的内部存储设备。
常见的存储器包括内存（主存）和硬盘（辅助存储器）。
内存用于暂时存储正在执行的程序和数据，而硬盘则用于永久存储程序和数据。
3. 输入输出设备输入输出设备用于计算机与外部世界的信息交换。
常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪，而输出设备包括显示器、打印机和音频设备。
输入输出设备通过接口与计算机主机相连接。
三、计算机体系结构1. 指令集体系结构（ISA）指令集体系结构定义了处理器与软件之间的接口，包括指令的类型、寻址方式和编码方式。
常见的ISA有x86、ARM和MIPS等。
ISA的选择和设计对计算机的性能和运行效率有很大影响。
2. 处理器微体系结构（Microarchitecture）处理器微体系结构是指处理器内部的设计和实现方式，包括流水线、超标量、乱序执行等技术。
微体系结构的优化可以提高处理器的性能和执行效率，比如增加缓存、优化指令调度算法等。
计算机组成原理详解
计算机组成原理详解计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要基础学科，它研究计算机硬件系统的各个组成部分以及它们之间的相互关系。
本文将以问题-解决的方式，详细阐述计算机组成原理的各个方面。
一、计算机组成原理的基本概念计算机组成原理是指计算机硬件系统的组成和工作原理，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备和输出设备等。
其中，中央处理器负责执行各种计算和控制操作，存储器用于存储程序和数据，输入设备用于接收外部信号，输出设备用于显示计算结果或向外部发送信号。
二、计算机组成原理的关键技术1. 计算机指令系统计算机指令系统是计算机最基本的工作方式，它由指令集、寻址方式和指令执行流程等构成。
指令集是计算机能够执行的全部指令的集合，不同的计算机体系结构有不同的指令集。
寻址方式是指计算机执行指令时如何找到指令所需的操作数和结果存放的位置。
指令执行流程是指计算机按照指令顺序执行，逐条完成计算任务。
2. 计算机运算方法计算机运算方法包括算术运算和逻辑运算。
算术运算是对数据进行数字计算，包括加法、减法、乘法和除法等。
逻辑运算是对数据进行判断和比较，包括与、或、非和异或等。
计算机通过算术运算单元（ALU）和逻辑运算单元（ALU）来实现这些运算。
3. 计算机存储系统计算机存储系统用于存储程序和数据，包括主存储器和辅助存储器。
主存储器是计算机能够直接访问的存储空间，通常采用随机存储器（RAM）或只读存储器（ROM）。
辅助存储器是主存储器之外的存储设备，例如硬盘、光盘和磁带等。
4. 计算机输入输出系统计算机输入输出系统用于实现计算机与外部设备的数据交换，包括输入设备和输出设备。
输入设备用于将外部数据传输到计算机中，常见的有键盘、鼠标和扫描仪等。
输出设备用于将计算机处理的结果显示或输出到外部，常见的有显示器、打印机和音响等。
5. 计算机控制系统计算机控制系统用于协调和控制计算机系统的各个部件，包括指令控制、时序控制和数据传输控制等。
计算机组成结构与指令集简析
计算机组成结构与指令集简析计算机组成结构是指计算机系统中各个硬件组件之间的关系和功能划分，而指令集则是计算机能够执行的操作指令的集合。
计算机组成结构与指令集紧密相关，两者相互影响、相辅相成，决定着计算机的性能和功能。
一、计算机组成结构计算机组成结构包括五个主要部分：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
这些部件通过数据总线和控制总线相互连接，完成信息的输入、输出、存储和处理。
1. 运算器：负责进行算术和逻辑运算的部件，包括算术逻辑单元(ALU)和寄存器。
ALU实现诸如加法、减法、与、或等运算，而寄存器则用于临时存储运算结果。
2. 控制器：负责协调各个部件的工作，按照程序指令的要求控制数据的流动。
控制器中包含指令寄存器、程序计数器和指令译码器等关键模块。
3. 存储器：用于存储指令和数据，可以分为主存储器和辅助存储器。
主存储器是计算机内部处理器能够直接访问的存储器，如随机存储器(RAM)。
辅助存储器用于长期存储大量数据和程序，如硬盘、光盘等。
4. 输入设备：用于将外部数据和指令输入到计算机系统中，例如键盘、鼠标、扫描仪等。
5. 输出设备：用于将计算机处理的结果反馈给用户，如显示器、打印机、音响等。
二、指令集指令是计算机执行某个操作的命令，指令集则是计算机能够执行的全部指令的集合。
不同的计算机体系结构可能具有不同的指令集，如RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）。
1. 指令格式：指令由操作码和操作数两部分组成。
操作码表示指令的类型，如加法、乘法等；操作数则表示参与运算的数据。
2. 数据传送指令：将数据从一个位置传送到另一个位置，如将数据从内存传送到寄存器。
3. 算术运算指令：执行加、减、乘、除等数学运算，如整数加法指令、浮点数加法指令等。
4. 逻辑运算指令：进行布尔运算，如与、或、非等。
5. 控制转移指令：用于程序的流程控制，如无条件转移、条件转移等。
6. 输入输出指令：用于进行数据的输入输出，如从键盘读取数据、向显示器输出数据等。
计算机组成原理中的存储器层次结构
计算机组成原理中的存储器层次结构在计算机科学领域中，存储器层次结构是指计算机系统中不同级别的存储器组成的层次结构。
这种层次结构的设计旨在提供快速的访问速度和大容量的存储能力。
存储器层次结构的核心原理包括高速缓存、主存储器和辅助存储器。
本文将探讨计算机组成原理中的存储器层次结构。
1. 高速缓存高速缓存是存储器层次结构中最接近中央处理器（CPU）的一级存储器。
其目的是通过存储最近使用的数据，提高CPU的访问速度。
高速缓存分为多级，包括一级缓存（L1）、二级缓存（L2）、三级缓存（L3）等。
一级缓存是与CPU核心直接相连的，访问速度最快，但容量较小；二级缓存容量稍大，速度较慢；三级缓存则更大但速度更慢。
高速缓存通过缓存命中和缓存未命中的机制，提高了计算机系统的整体性能。
2. 主存储器主存储器是存储器层次结构中的第二级存储器，也称为内存。
它用于存储正在执行的程序和数据。
主存储器容量较大，速度较高，但相对于高速缓存而言，仍然相对较慢。
主存储器以字节为单位进行寻址，每个字节都有唯一的地址。
CPU通过访问主存储器中的地址来读取或写入数据。
3. 辅助存储器辅助存储器是存储器层次结构中的最低一级存储器，也称为外存。
它用于长期存储数据和程序，如硬盘、固态硬盘和光盘等。
辅助存储器容量大，但访问速度较慢。
与主存储器相比，辅助存储器的数据传输速度更慢，但相对较便宜且容量更大。
存储器层次结构的设计原则是利用高速缓存和主存储器的快速访问速度，将经常访问的数据存储在这些层次的存储器中，以提高系统性能。
当CPU需要数据时，它会首先检查高速缓存，如果数据在高速缓存中，则为缓存命中；否则为缓存未命中，CPU将从主存储器中获取数据。
通过存储器层次结构，计算机系统可以有效地利用不同类型的存储器，平衡访问速度和存储容量的需求。
高速缓存提供了快速的访问速度，主存储器提供了大容量的存储能力，而辅助存储器则提供了长期存储的功能。
这样的层次结构设计有助于提高计算机系统的整体性能和效率。
计算机组成原理第4章主存储器(00001)资料讲解
CS
WE
DOUT
片选读时间 taCS
CPU必须在这段时 间内取走数据
片禁止到输出的传 输延迟tPLH CS→DOUT
15
1. 静态存储器（SRAM）（6）
(2) 开关特性
写周期时序 地址对写允许WE的保持时间 th Adr
地址对写允许WE的建立时间 tsu
Adr
Adr
CS
WE
最小写允许宽度tWWE
保持1，0 的双稳态 电路
存储单元
9
1. 静态存储器（SRAM）
MOS管是金属(Metal)—氧化物(Oxid)—半导体(Semiconductor) 场效应晶体管，或者称S管有三个极：源极S（Source）、漏极D（Drian）和栅极G（Gate）.
器
控制电路
0 … 31
读/写电路 Y地址译码
CS WE DIN H ×× LLL LLH L H×
DOUT H H H DOUT
操作方式
未选 写“0” 写“1”
读
WE CS
A5 … A9
14
1. 静态存储器（SRAM）（5）
(2) 开关特性
读周期时序
Adr
地址对片选的建立时间 tsu Adr→CS
27
4.6 非易失性半导体存储器（4）
3．可擦可编程序的只读存储器（EPROM） 为了能修改ROM中的内容，出现了EPROM。其原理：
VPP(+12V)
控制栅 浮置栅
5～7V
源n+
漏n+
P型基片
28
4.6 非易失性半导体存储器（5）
3．可擦可编程序的只读存储器（EPROM） 存储1，0的原理：
计算机组成原理——主存储器4
主存储器
4.1 主存储器的全机中心地位 主存与CPU 主存与I/O设备 主存与多处理机
存储器分类
1. 按存储介质分类
(1) 半导体存储器 (2) 磁表面存储器 (3) 磁芯存储器 (4) 光盘存储器 TTL 、MOS 磁头、 磁头、载磁体 硬磁材料、 硬磁材料、环状元件 激光、 激光、磁光材料
4.6
非易失型半导体存储器（ROM） 非易失型半导体存储器（ROM）
存储器名 ROM PROM EPROM 功能 只读不能写 一次性写入 可多次写入、读出 存储原理 以元件有无表 示0、1 以熔丝接通、 断开表示0、1 写:以漏源极间 有无导电沟道 存储0、1 擦:紫外线使浮 置栅电荷泄漏 写：同EPROM 擦：电擦除 写：同EPROM 擦：电一次性 整体或分区擦 除（幻灯） 存储单元元件 二极管或晶体 管 熔丝 幻灯上所示的 管子
3. 按在计算机中的作用分类
RAM 静态 RAM 动态 RAM MROM PROM EPROM EEPROM
主存储器
ROM
存 储 器
Flash Memory
高速缓冲存储器（ 高速缓冲存储器（Cache） ） 辅助存储器 磁盘 磁带 光盘
二、存储器的层次结构
1. 存储器三个主要特性的关系
／ 速度 容量 价格 位 CPU 寄存器 存 主存 CPU 机 主 快 小 高
举例 画出用16K*8位的芯片组成64K*8 16K*8位的芯片组成64K*8位存储器的连接图 画出用16K*8位的芯片组成64K*8位存储器的连接图
A15 A14 A13 A0 WE
译 码 器
CS R/W
CS R/W
CS R/W
CS R/W D0-D7
字扩展的几点结论
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(3)时序图
图4.8动态存储器RAS、CAS与地址Adr的 相互关系
图4.9动态存储器读工作方式时序图
图4.10动态存储器写工作方式时序图
图4.11动态存储器页面读方式时序图
3．DRAM的发展
（1）同步DRAM(SDRAM)
典型的DRAM是异步工作的，处理器送地址和控制信 号到存储器后，等待存储器进行内部操作(选择行线和 列线，读出信号放大，并送输出缓冲器等)，此时处理 器只能等待，因而影响了系统性能。
DDR SDRAM 是双数据传送速率的SDRAM。它与 SDRAM不同的是时钟的上升沿和下降沿都能读出数据 （读出时预取2位）
（3）DDR2 SDRAM
具有4位数据读预取的能力。 DDR2内部每个时钟能以4倍外部总线的速
度读取数据。
（4）DDR3
DDR3将预取的能力提升到8位，其芯片内 部的工作频率只是外部频率的1/8。
计算机可寻址的最小信息单位是一个存储字， 相邻的存储器地址表示相邻存储字，这种 机器称为“字可寻址”机器。
• 一个存储字所包括的二进制位数称为字长。
•
பைடு நூலகம்
•
一个字又可以划分为若干个“字节”，现
代计算机中，大多数把一个字节定为8个二进制
位，因此，一个字的字长通常是8的倍数。
•
有些计算机可以按“字节”寻址，因此，
这种机器称为“字节可寻址”计算机。
• 以字节为单位来表示主存储器存储单
元的总数，就是主存储器的容量。
指令中地址码的位数决定了主存储器的可直接 寻址的最大空间。
例如，32位超级微型机提供32位物理地址， 支持对4G字节的物理主存空间的访问。
常用的计量存储空间的单位还有K，M。
K为210，M为220，G为230 ，T为240。
计算机组成与结构
第4章 主存储器
董志学 2014.2
第4章 主存储器
主要内容：
➢ 4.1 主存储器分类、技术指标和基本操作 ➢ 4.2 读/写存储器 ➢ 4.3 非易失性半导体存储器 ➢ 4.4 存储器的组成与控制 ➢ 4.5 多体交叉存储器
4.1 主存储器分类、技术指标和基本操作
主存储器分类： (1)随机存储器(Random Access Memory，简称
RAM) 随机存储器(又称读写存储器)——指通过指令可以 随机地、个别地对各个存储单元进行访问，一般访 问所需时间基本固定，而与存储单元地址无关。 停电会造成信息丢失。RAM为“易失性存储器”。
(2)非易失性存储器
停电仍保持存储内容。这类存储器包括：
只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)
可编程序的只读存储器 (Programmable ROM，简称PROM)
可擦除可编程序只读存储器 (ErasablePROM， 简称EPROM)
可用电擦除的可编程只读存储器 (electrically EPROM，简称E2PROM)
主存储器的主要技术指标：
主存储器的主要性能指标为: 主存容量、存储器存取时间和存储周期时间。
单管单元的优点是: 线路简单，单元占用面积小，速度快。 单管单元的缺点是： 读出是破坏性的，故读出后要立即对单
元进行“重写”，以恢复原信息；
图4.716K×1位动态存储器框图
(2)再生
DRAM是通过把电荷充积到MOS管的栅极电容或专 门的MOS电容中去来实现信息存储的。
但是由于电容漏电阻的存在，随着时间的 增加，其电荷会逐渐漏掉，从而使存储的信息 丢失。为了保证存储信息不遭破坏，必须在电 荷漏掉以前就进行充电，以恢复原来的电荷。
存储器存取时间
存储器存取时间(memory access time)又称存储器访问时 间。
是指从启动一次存储器操作 到完成该操作所经历的时间。
存储周期
存储周期(memory cycletime): 指连续启动两次独立的存储器操作(例
如连续两次读操作)所需间隔的最小时间。
存取周期=存取时间+存储单元的恢复稳定时间
而SDRAM与处理器之间的数据传送是同步的，在系 统时钟控制下，处理器送地址和控制命令到SDRAM后， 在经过一定数量(其值是已知的)的时钟周期后， SDRAM完成读或写的内部操作。在此期间，处理器可以 去进行其他工作，而不必等待之。
图4.12 同步动 态随机 存储器 (SDRA M)
（2）DDR（double data rate）SDRAM
把这一充电过程称为再生，或称为刷新。
对于DRAM，再生一般应在小于或等于2ms的时间内进 行一次。
DRAM采用“读出”方式进行再生。
由于DRAM每列都有自己的读放，因此， 只要依次改变行地址，轮流对存储矩阵的 每一行所有单元同时进行读出，当把所有 行全部读出一遍，就完成了对存储器的再 生
(这种再生称行地址再生)。
（5） Rambus DRAM(RDRAM)
由Rambus公司开发的RambusDRAM着重研究 提高存储器频带宽度问题。该芯片采取垂直封 装，所有引出针都从一边引出，使得存储器的 装配非常紧凑。它与CPU之间传送数据是通过专 用的RDRAM总线进行的，而且不用通常的RAS， CAS，WE和CE信号。该芯片采取异步成组数据 传输协议，在开始传送时需要较大存取时间(例 如48ns)，以后可达到500Mb／s的传输率。能 达到这样的高速度是因为精确地规定了总线的 阻抗、时钟和信号。RDRAM从高速总线上得到 访存请求，包括地址、操作类型和传送的字节 数。
1．静态存储器(SRAM)
图4.2MOS静态存储器的存储单元
图4.3MOS静态存储器结构图
图4.3 是用图 4.2所 示单元 组成的 16X1位 静态存 储器的 结构图。
图4.4静态存储器芯片读数时序
图4.5静态存储器写时序
2．动态存储器(DRAM)
(1)存储单元和存储 器原理
图4.6单管存储单元 线路图
主存储器的基本操作
主存储器用来暂时存储CPU正在使用 的指令和数据，它和CPU的关系最为密切。
AR:地址寄存器 DR:数据寄存器
4.2 读/写存储器
随机存储器(RAM) 半导体读／写存储器按存储元件在运行中
能否长时间保存信息来分，有静态存储器 和动态存储器两种。 静态存储器的集成度低，但功耗较大； 动态存储器的集成度高，功耗小，它主要 用于大容量存储器。