专用计算机系统的基本构成,计算机系统组成与基本工作原理

计算机系统知识

关键词：计算机的组成、基本工作原理、体系结构、存储系统、计算机安全、可靠性与系统性能评测。

重点：

(1)计算机的组成：计算机的发展以及硬件、软件组成。

(2)计算机基本工作原理：数制，汉字编码和CPU结构工作流程

(3)计算机体系结构：体系结构的发展和分类、存储系统、指令系统、输入输出技术、流水线、总线、并行处理。

(4)计算机系统的可靠性、性能评估

1计算机系统组成与基本工作原理

1.1 计算机系统组成

计算机系统分为硬件和软件系统。计算机硬件是计算机系统中的物质基础，是摸得见看得着的。计算机软件是程序、数据、相关文档的集合，包括系统软件和应用软件。计算机系统的组成如下：

单总线结构：使用一组系统总线将计算机的各个部件连接起来，各部件通过总线交换信息。

一般用在小型或者微型计算机。

优点：易于扩充新I/O设备，I/O设备的寄存器和主存储器可以统一编址使CPU访问I/O更

加灵活。

缺点：限制了信息传送的吞吐率。

双总线结构：常见的就是在内存和CPU之间设置一组专有的高速存储总线。分为以CPU为中心的双总线和以存储器为中心的双总线。

以cpu为中心的双总线结构：

优点：控制线路简单，对I/O的总线的要求低。

缺点：CPU效率低。

采用通道的大型系统结构：一台主机可以连接多个通道，一个通道可以连接一台或多台I/O设备，具有较大的扩展性。由通道控制I/O设备，减少了CPU的压力，提高了系统效率。

1.3  基本工作原理

(1)数制转换

10进制转换成其他的都是除以要转换成的那个数，也就是说转换成二进制的就除以2，转换成八进制的就除以8，转换成十六进制的就除以16，然后倒取余数。

不同的进位制数转化为十进制数：按权展开相加十进制是权是10；二进制是权是2；十六进制是权是16；八进制是权是8；例：110011(二进制数)=1*2^5+1*2^4+0*2^3+0*2^2+1*2^1+1*2^0=32+16+2+1=511507(八进制数)=1*8^3

+ 5*8^2 + 0*8^1 + 7*8^0 = 8392AF5(十六进制数)=2*16^3

+ A*16^2+ F*16^1 + 5*16^0 = 10997

二进制换算八进制将二进制数从右到左，三位一组，不够补0例：二进制数10110111011换八进制数：010 110 111 011结果为：2673

二进制转换十六进制二进制数转换为十六进制数的方法也类似，从右到左，四位一组，不够补0如上题：0101 1011 1011结果为：5BB

(2)机器数与码制

各种数据在计算机中表示的形式称为机器数，其特点是采用二进制计数制，数的符 用0、1表示，小数点则隐含表示而不占位置。机器数对应的实际数值称为真值。

机器数有无符 数和带符 数之分。无符 数表示正数，在机器数中没有符 位。对于无符 数，若约定小数点的位置在机器数的最低位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置在机器数的最高位之前，则是纯小数。对于带符 数，机器数的最高位一晴地正负的符 位，其余位则表示数值。若约定小数点的位置在机器数的最低数值位之后，则是纯整数；若约定小数点的位置 在机器数的最高数值位之前，则是纯小数位。

为了便于运算，带符 的机器右数可采用原码，反码和补码等不同的编码方法，机器数的这些编码方法称为码制。

1. 原码表示法

数值X的原码记为[X]原，最高位是符 位，0表示正 ，1表示负 ，其余位表示数值的绝对值。

2.反码表示法

数值X的原码记为[X]反，最高位是符 位，0表示正 ，1表示负 ，正数的反码和原码相同，负数的反码则是其绝对值按位求反。

3.补码表示法

数值X的原码记为[X]补，最高位是符 位，0表示正 ，1表示负 ，正数的补码与其原码和反码相同，负数的补码则等于其反码的末尾加1。

4.移码表示法

.移码表示法是在数X上增加一个偏移量来定义的，常用于表示浮点数中的阶码。如果机器字长为n，在偏移2的(n-1)次方的情况下，只要将将码的符 位取反便可获得相应的移码表示。

(3)汉字编码

区位码

为了使每一个汉字有一个全国统一的代码，1980年，我国颁布了第一个汉字编码的国家准：GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集》基本集，这个字符集是我国中文信息处理技术的发展基础，也是目前国内所有汉字系统的统一标准。

所有的国标汉字与符 组成一个94×94的矩阵。在此方阵中,每一行称为一个”区”,每一列称为一个”位”,因此,这个方阵实际上组成了一个有94个区(区 分别为0

1到94)、每个区内有94个位(位 分别为01到94)的汉字字符集。一个汉字所在的区 和位 简单地组合在一起就构成了该汉字的”区位码”。在汉字的区位码中，高两位为区 ，低两位为位 。

在区位码中，01-09区为682个特殊字符，16~87区为汉字区，包含6763个汉字。其中16-55区为一级汉字(3755个最常用的汉字，按拼音字母的次序排列)，56-87区为二级汉字(3008个汉字，按部首次序排列)。

·  需要注意的是：区位码通常都是用十进制表示的，例如“诚”字的区位码为1947，也就说它位于19区第47个字符。

国标码

国家标准代码，简称国标码，是中华人民共和国的中文常用汉字编码集。国家标准强制标准冠以“GB”。现时中华人民共和国官方强制使用GB 18030标准，但较旧的计算机仍然使用GB

2312。国标码=区位码(16进制化–区码和位码分别进行16进制转化)+2020H。

机内码

计算机只识别由0、1组成的代码，ASCII码是英文信息处理的标准编码，汉字信息处理也必须有一个统一的标准编码。

汉字交换码(国标码)主要用于汉字信息交换，我国国家标准局于1981年5月颁布了《信息交换用汉字编码字符集——基本集》，代 为GB2312-80，共对6763个汉字和682个图形字符进行了编码。

其编码原则为：汉字用两个字节表示，原则上，两个字节可以表示 256×256=65536种不同的符 ，作为汉字编码表示的基础是可行的。但考虑到汉字编码与其它国际通用编码，如ASCII西文字符编码的关系，我国国家标准局采用了加以修正的两字节汉字编码方案，只用了两个字节的低7位。这个方案可以容纳128×128=16384种不同的汉字，但为了与标准ASCII码兼容，每个字节中都不能再用32个控制功能码和码值为32的空格以及127的操作码。所以每个字节只能有94个编码。这样，双七位实际能够表示的字数是：94×94=8836个。

机内码 = 国标码+ 8080H

机内码 = 区位码(16进制化–区码和位码分别进行16进制转化)

+ a0a0H

相互转换

内码转换为区位码

区位码：区码=内码高字节-0xa0

位码=内码低字节-0xa0

例如：“国”内码为：0xb9,0xfa

16进制表示的区位码：0x19,0x5a

其区位码(默认为10进制)：2590

区位码转换为内码

内码：内码高字节=区码+0xa0

内码低字节=位码+0xa0

例如：“海”区位码为：2603

16进制表示的区位码：0x1a,0x03

其内码(默认为16进制)：0xba,0xa3

字模

汉字在显示的时候，是以点阵的形式显示出来的，常见到的有16*16点阵、24*24点阵、32*32点阵。比如说“啊”的16*16点阵字模如下，共256Bits，占用32

Bytes：

0x00,0x00,0xf7,0x7e,0x95,0x04,0x95,0x04,0x96,0x74,0x96,0x54,0x95,0x54,0x95,0x54,0x95,0x54,0xf5,0x54,0x97,0x74,0x04,0x04,0x04,0x04,0x05,0x04,0x04,0x14,0x04,0x08

字模显示的时候，以两个字节表示一行像素点，16行就构成了一个完整的字模。屏幕在显示的时候，1显示为亮色，0显示为背景色，这样就能把字体显示出来。

字库

字库，就是所有汉字字模的集合。显然，在编排这些字模的时候需要一定的顺序(规则)，而这个规则就是“机内码”。根据机内码的汉字布局，将对应的汉字字模进行整合，形成字库文件。在使用的时候，应用程序根据汉字的机内码，从字库中找到对应的存储位置，取出字模，进行显示。机内码就是汉字在字库中的索引。

在区位码中，01-09区为682个特殊字符，16~87区为汉字区，有效汉字6768个。在制作字库的时候把特殊字符删除，只使用有效汉字区。也就是说我们从第16区的第1位开始进行字模收集，当第16区收集结束，紧接着收集第17区，直到第87区编排结束。总共收集6768个汉字，占用空间216576

Bytes。

(4)CPU

CPU从逻辑上可以划分成3个模块，分别是控制器、运算器和内部寄存器，这三部分由CPU内部总线连接起来。如下所示：

总的来说，CPU从内存中一条一条地取出指令和相应的数据，按指令操作码的规定，对数据进行运算处理，直到程序执行完毕为止。上图中我没有画总线，只是用逻辑方式对其进行呈现。原因早期Intel的微处理器，诸如8085，8086/8088CPU，普遍采用了地址总线和数据总线复用技术，即将部分(或全部)地址总线与数据总线共用CPU的一些引脚。例如8086外部地址总线有20根，数据总线复用了地址总线的前16根引脚。复用的数据总线和地址总线虽然可以少CPU的引脚数，但却引入了控制逻辑及操作序列上的复杂性。所以，自80286开始，Intel的CPU才采用分开的地址总线和数据总线。不管是复用还是分开，对我们理解CPU的运行原理没啥影响，上图没画总线的目的就是怕有些人太过于追求细节，一头扎下去，浮不起来，不能从宏观上藐视敌人。OK，总结一下，CPU的运行原理就是：控制单元在时序脉冲的作用下，将指令计数器里所指向的指令地址(这个地址是在内存里的)送到地址总线上去，然后CPU将这个地址里的指令读到指令寄存器进行译码。对于执行指令过程中所需要用到的数据，会将数据地址也送到地址总线，然后CPU把数据读到CPU的内部存储单元(就是内部寄存器)暂存起来，最后命令运算单元对数据进行处理加工。周而复始，一直这样执行下去，天荒地老，海枯枝烂，直到停电。如果你对这段话还是觉得比较晕乎，那么就看我们老师是怎么讲的：1、取指令：CPU的控制器从内存读取一条指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是这个样子滴：

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