Trabajo final de composición por computadora
Resumen: Principios de organización informática es un curso básico obligatorio para estudiantes de informática y tecnología. Este curso parte del marco de conocimiento general de las computadoras y lo explica paso a paso. Los principios de la composición por computadora se presentan en detalle. Una computadora es una máquina compuesta de muchas partes independientes. Su función puede describirse por las funciones de sus partes independientes, y cada parte independiente puede describirse por su estructura y función internas más finas. Este curso se divide en cuatro módulos basados en la estructura de los principios de composición de la computadora: (1) Introducción a las computadoras; (2) Estructura del hardware de los sistemas informáticos (3) Procesador central (4) Unidad de control a la vez; , ingrese gradualmente a la parte central de la computadora.
El sistema informático está formado por "hardware" y "software". El software informático se puede dividir en "software de sistema" y "software de aplicación". El software del sistema se utiliza para administrar la computadora; el software de aplicación se utiliza para implementar varias funciones del usuario. La base para que el software de computadora implemente estas funciones es el soporte de hardware. Hasta cierto punto, las funciones del hardware y del software pueden sustituirse entre sí. La función del hardware es rápida, pero difícil de implementar, el circuito es complejo y la portabilidad es difícil de verificar. El software es más flexible, pero el hardware funciona mucho más lento.
1. Los principales puntos de conocimiento de este libro
Primera introducción
1. Capítulo 1 Introducción a los sistemas informáticos
(1) Principales puntos de conocimiento
Este capítulo se centra en la descripción general y el marco de la composición de la computadora, a partir del cual podemos entender claramente que el proceso de trabajo interno de la computadora está en realidad dentro de este marco, desde la E / S hasta la memoria → En El proceso de flujo de instrucciones y flujo de datos desde la CPU a la memoria → E/S, el programa se ejecuta obteniendo instrucciones una por una, analizándolas y ejecutándolas. Al mismo tiempo, debemos comprender que, aunque las computadoras se han desarrollado a un nivel en constante cambio, sus principios de composición más fundamentales todavía se basan en la estructura de von Neumann.
(2) Dominio del contenido
Este capítulo presenta la composición básica del hardware de la computadora, la arquitectura de la computadora y la jerarquía del sistema informático. A través del estudio de este capítulo, tendrá un concepto general de la macroestructura de una computadora, comprenderá que una computadora es un sistema informático compuesto por cinco partes: unidad aritmética, memoria, controlador, dispositivo de entrada y dispositivo de salida, y definirá los conceptos básicos. funciones de estas cinco partes. Las funciones relevantes no requieren la implementación de ningún componente básico, formando así una estructura de marco informático completa.
Figura 1 Estructura de la computadora
Las características de la computadora von Neumann son el tema central de este capítulo. Cuando el programa (incluidas las instrucciones y los datos) se almacena en la memoria principal con anticipación, la computadora puede recuperar automática y continuamente las instrucciones de la memoria y ejecutarlas. Esta es la base para que las computadoras funcionen de forma automática y a alta velocidad. El trabajo de una computadora se refleja en la ejecución de programas y funciones informáticas. Si el programa ahora se ejecuta en secuencia, cada vez que se recupera una instrucción, se agregará L al contenido de la PC para indicar dónde se obtiene la siguiente instrucción. Si el programa se va a transferir a algún lugar, la dirección de destino transferida se enviará a la PC para que las instrucciones posteriores se puedan leer en la nueva dirección. Por tanto, la PC es como un puntero, siempre indica el proceso de ejecución del programa, es decir, la formación del flujo de control. Aunque tanto los programas como los datos usan código binario, la instrucción aún se puede leer según el contenido de la PC como una dirección, y luego los datos se pueden leer según la dirección del operando proporcionada por la instrucción.
A través del estudio del Capítulo 1, se introducen la composición y los principios de funcionamiento de las computadoras desde una perspectiva macro. Este libro se centra en esta estructura de los ordenadores y explica en qué consiste la computación y cómo funciona.
2. Capítulo 2 El desarrollo y aplicación de las computadoras
El Capítulo 2 es un contenido de autoaprendizaje que cuenta la historia del desarrollo de las computadoras y muestra las etapas de desarrollo de las computadoras a lo largo de la historia. Desde el nacimiento de ENIAC en 1946 hasta las décadas de 1950 y 1960, el rendimiento de las computadoras ha mejorado enormemente debido al desarrollo y los cambios en los componentes que las componen (desde tubos de electrones hasta transistores y circuitos integrados). Cada seis o siete años, las computadoras se actualizan y su velocidad informática aumenta en un orden de magnitud. En la década de 1970, desde que Intel produjo el primer chip de microprocesador, la integración ha aumentado cada 18 meses.
Tabla 1 Cursos de desarrollo informático
La duplicación del número de transistores en un chip ha permitido que los ordenadores se utilicen ampliamente, permitiendo a toda la sociedad pasar de la era de la fabricación a la de la información. edad, y ha habido una explosión de conocimiento.
La segunda parte es la estructura de hardware del sistema informático.
3. Capítulo 3 Bus del sistema
Figura 2 Diagrama de estructura de implementación del bus
El bus es un componente muy importante en la computadora, todos los componentes. Está trabajando de forma independiente. Sin embargo, los componentes están muy relacionados y requieren mucho intercambio de datos entre ellos. Para ello se introducen componentes de bus. Hay dos formas de conectar los cinco componentes de un sistema informático entre sí. Un enfoque consiste en utilizar conexiones separadas entre componentes, lo que se denomina vinculación descentralizada. La otra es conectar todos los componentes a un conjunto común de líneas de transmisión de información, una conexión llamada conexión de bus. Este capítulo se centra en las conexiones de autobús.
El bus es una línea de transmisión de información que conecta múltiples componentes y es un medio de transmisión compartido por todos los componentes.
El bus se puede dividir en bus de transmisión paralelo y bus de transmisión en serie según el modo de transmisión; según los diferentes componentes de conexión, el bus se puede dividir en bus en chip, bus de sistema y bus de comunicación.
Se estudiaron las características e indicadores de desempeño del autobús. Según los diferentes autobuses, se estudian respectivamente las características, estándares de desempeño y estándares de la industria de los autobuses.
Para diferentes usos del autobús, existen estructuras de autobús único y estructuras de autobús múltiple.
Debido a que el bus es utilizado por múltiples componentes al mismo tiempo, el bus tiene lógica de arbitraje.
4. Capítulo 4 Memoria
La memoria es un dispositivo de almacenamiento en un sistema informático, que se utiliza para almacenar programas y datos. Con el desarrollo de las computadoras, la memoria juega un papel cada vez más importante en el sistema.
Figura 3 Clasificación de la memoria
La memoria puede realizar las siguientes funciones en una computadora: dispositivos de entrada, entrada de programas y datos, operaciones de escritura en la memoria; instrucciones de lectura de la CPU, operaciones de lectura de la memoria de la CPU; La instrucción requiere leer operandos y operaciones de lectura de memoria; la CPU almacena los resultados del procesamiento en la memoria y escribe en la memoria; el dispositivo de salida genera los resultados y la memoria lee las operaciones; comprender los siguientes conceptos:
Unidad de almacenamiento: la unidad de memoria más pequeña, utilizada para almacenar código binario de 1 bit.
Unidad de memoria (Memory unit): Es la unidad básica para que la CPU acceda a la memoria. Está compuesta por varias unidades de memoria con los mismos atributos operativos.
Dirección de la unidad: número único que se utiliza para identificar la unidad de almacenamiento en la memoria, a través del cual la CPU accede a la unidad de almacenamiento correspondiente.
Unidad de almacenamiento de palabras: una unidad de almacenamiento que almacena una palabra y la dirección de la unidad correspondiente se denomina dirección de palabra.
Unidad de almacenamiento de bytes: una unidad de almacenamiento que almacena un byte y la dirección de la unidad correspondiente se denomina dirección de byte.
Computadora direccionable por palabras: Computadora cuya unidad direccionable más pequeña es una unidad de almacenamiento de palabras.
Computadora direccionable por bytes: Computadora cuya unidad direccionable más pequeña es un byte.
Volumen de almacenamiento: Conjunto de unidades de almacenamiento que almacenan información binaria.
Este capítulo utiliza el conocimiento del circuito aprendido antes y el chip de memoria semiconductor aprendido en este capítulo para diseñar el circuito de conexión entre la memoria y la CPU. Preste atención a la selección razonable del chip y la conexión de las líneas de dirección, líneas de datos y líneas de control entre la CPU y el módulo de memoria.
5. Capítulo 5 Sistema de entrada y salida
El sistema de E/S es un componente lógico muy importante en la computadora. Con el desarrollo continuo de los sistemas informáticos, el alcance de las aplicaciones continúa expandiéndose, la cantidad y los tipos de dispositivos de E/S continúan aumentando y sus métodos de contacto e intercambio de información con el host también son diferentes. Debido a que la velocidad de trabajo de los dispositivos de entrada y salida no coincide con la velocidad de trabajo del host de la computadora, es necesario considerar la precisión y confiabilidad de los dispositivos de entrada y salida para aprovechar al máximo la eficiencia de trabajo del host. Este capítulo se centra en analizar los tres métodos de control (consulta de programa, interrupción y DMA) para el intercambio de información entre los dispositivos de E/S y el host y sus funciones y componentes de interfaz correspondientes. También presenta brevemente los métodos de memoria de varios E/S de uso común. dispositivos.
(1) Modo de interrupción del programa
Interrupción: cuando ocurren algunos eventos o solicitudes anormales durante la ejecución normal del programa, el procesador suspende la ejecución del programa actual y ejecuta programas más urgentes. Una vez completada la ejecución, la ejecución del programa original se reanudará automáticamente.
Características: la estructura del hardware es más compleja que el método de consulta, la sobrecarga del servicio es mayor, el programa principal y el dispositivo se ejecutan en paralelo, la CPU es más eficiente y tiene capacidades de respuesta en tiempo real .
(2) Interrumpir el procesamiento.
El flujo del procesamiento de interrupciones es: solicitud de interrupción → identificación y arbitraje de la fuente de interrupción → respuesta de interrupción → procesamiento de interrupción → retorno de interrupción.
Fuente de interrupción: el origen del evento de interrupción.
Arbitraje: encuentre la fuente de interrupción de mayor prioridad y responda.
Identificación de la fuente de interrupción: los métodos utilizados son: método de consulta de software; método de cola de hardware;
Condiciones para que la CPU responda a las interrupciones: al menos una fuente de interrupción solicita una interrupción; la CPU permite que se haya ejecutado la instrucción actual;
Trabajo de respuesta a interrupciones: completado automáticamente por el hardware: desactive las interrupciones; conserve la información del punto de interrupción; Manejo de interrupciones: realizado por software (controlador de interrupciones).
(3) Modo de transferencia DMA
Características: resuelve el conflicto con el disfrute exclusivo de la memoria principal por parte de la CPU; evita que la CPU acceda a la memoria y la eficiencia de la CPU es baja; , adecuado para uso externo Suponga que el ciclo de lectura es más largo que el ciclo de acceso a la memoria alternativamente a DMA y CPU; Es adecuado para situaciones en las que el ciclo de trabajo de la CPU es mucho mayor que el ciclo de acceso a la memoria.
La tercera unidad central de procesamiento
6. Capítulo 6 Métodos de cálculo por computadora
Las computadoras se usan ampliamente, pero no importa dónde se usen, la forma de información dentro de la máquina Todos son consistentes, es decir, varios códigos compuestos por 0 y 1. Este capítulo presenta principalmente los diversos datos involucrados en las operaciones y sus métodos de operaciones aritméticas en las computadoras. Hay varias representaciones de números con signo, números sin signo, números de punto fijo y números de punto flotante en las computadoras, así como desplazamientos, suma y resta de complemento de punto fijo, multiplicación de un bit de códigos originales de punto fijo y dos- Multiplicación de bits y complemento Algoritmo de Booth, punto fijo División alterna del código original y suma y resta de complemento, suma y resta de complemento de punto flotante.
El conocimiento de este capítulo es relativamente difícil. Primero, estudiamos los métodos de representación de datos, incluidos los números sin signo y los números con signo. La representación de números incluye representación de vértice y representación de punto flotante. La dificultad de este capítulo radica en las operaciones de datos, operaciones de punto fijo y operaciones de punto flotante en computadoras. Este capítulo también examina las unidades aritméticas y lógicas, los componentes computacionales de las computadoras.
Figura 4 Circuito ALU
7. Capítulo 7 Sistema de enseñanza
Este capítulo presenta principalmente la clasificación de los sistemas de instrucción, los métodos de direccionamiento comunes, los formatos de instrucción y las instrucciones de diseño. Cuestiones que deben considerarse al diseñar el sistema. Conocer el sistema de instrucciones de la máquina determina la función de una computadora, y una vez que se determina el sistema de instrucciones de la computadora, el hardware de la computadora debe admitirlo. El sistema de instrucción se refleja principalmente en su tipo de operación, tipo de datos, formato de dirección y método de direccionamiento. Es necesario dominar el impacto de los diferentes modos de direccionamiento en el rango de direccionamiento y la programación de operandos, y dominar el hardware y los procesos de procesamiento de información necesarios para los diferentes modos de direccionamiento.
Cuando se utilizan ordenadores para resolver problemas, estos suelen compilar programas, que pueden estar escritos en lenguajes de alto nivel o lenguajes de máquina. Pero las computadoras solo pueden reconocer y ejecutar programas escritos en lenguaje de máquina; los programas de aplicación escritos en varios lenguajes de alto nivel eventualmente se traducirán al lenguaje de máquina para su ejecución. El lenguaje de máquina está compuesto por una serie de instrucciones (declaraciones); el formato de las instrucciones es la gramática del lenguaje de máquina; cada instrucción especifica que la máquina realizará una determinada función. Todos los conjuntos de instrucciones de una computadora se denominan sistema de instrucciones de la computadora o conjunto de instrucciones. Es la base para que los programadores escriban programas y la base para el diseño de lógica informática.
Este capítulo propone los requisitos de formato, operandos y tipos de operación de las instrucciones de máquina. A través del estudio de este capítulo, conozco el modo de direccionamiento de las instrucciones y tengo una comprensión preliminar del surgimiento y desarrollo de la tecnología RISC.
La dificultad en este capítulo radica en el método de direccionamiento de instrucciones y operandos; el método para formar la dirección de instrucción se llama direccionamiento de instrucción. Hay dos tipos de direccionamiento secuencial y direccionamiento por omisión, que son rastreados por el contador de instrucciones. El método para formar la dirección de un operando se llama direccionamiento de datos. Los operandos se pueden colocar en registros especiales, registros generales, memoria e instrucciones. Existen muchos métodos de direccionamiento de datos, como direccionamiento implícito, direccionamiento inmediato, direccionamiento directo, direccionamiento indirecto, direccionamiento de registro, direccionamiento indirecto de registro, direccionamiento relativo, direccionamiento base, direccionamiento de índice y direccionamiento de bloque, direccionamiento de segmento, etc.
8. Capítulo 8 La estructura y función de la unidad central de procesamiento
Este capítulo aprende las funciones y componentes básicos de la CPU. La parte básica de la CPU consta de unidades aritméticas. cachés y controladores. La CPU debe tener cuatro funciones básicas: control de instrucciones, control de operaciones, control de tiempo y procesamiento de datos. Una ruta de datos es una ruta que transfiere información entre muchos registros.
Figura 5 Estructura interna del procesador central
El bucle de instrucciones y la canalización de instrucciones son otro foco de este capítulo. El tiempo total que le toma a la CPU recuperar una instrucción de la memoria y ejecutarla se llama ciclo de instrucción. Dado que las funciones operativas de varias instrucciones son diferentes, los ciclos de instrucción de varias instrucciones también son diferentes.
La división de ciclos de instrucción es una base importante para diseñar controladores aritméticos.
La cuarta unidad de control
9. Capítulo 9 Diseño de la unidad de control
Según las cuatro etapas del ciclo de instrucción, la unidad de control controla cada parte del computadora para completar la operación correspondiente para lograr el propósito de ejecutar el programa. La función de una computadora es ejecutar programas. Durante la ejecución del programa, la unidad de control emite varios comandos de microoperación, y diferentes comandos corresponden a diferentes comandos. En el proceso de completar diferentes instrucciones, algunas operaciones son iguales o similares, como buscar instrucciones, buscar direcciones de operandos y ciclos de interrupción.
10, Capítulo 10 Diseño de la unidad de control
Este capítulo presenta dos métodos de diseño de la unidad de control, que requieren una comprensión preliminar de los dos métodos de diseño de la unidad de control, para poder comprender mejor la lógica combinacional Las diferencias entre controladores y controladores microprogramados en ideas de diseño, composición de hardware y principios de funcionamiento. Combinado con el concepto de sistema de cronometraje, aprenda a escribir los correspondientes comandos de microoperación y arreglos de ritmo de acuerdo con diferentes requisitos de instrucción.
Método de diseño del controlador de operación
Controlador cableado: tipo de lógica combinacional, implementado con tecnología de lógica combinacional;
Tipo de lógica de almacenamiento del controlador microprogramado, que ejecuta la máquina instrucciones a través de microprogramas y se implementa utilizando tecnología de lógica de memoria;
El controlador de matriz de puertas es una combinación de lógica combinacional y lógica de memoria, implementada mediante dispositivos lógicos programables.
Las microinstrucciones se refieren a varios comandos de control emitidos por la parte de control a la parte de ejecución a través de líneas de control. Son la unidad más pequeña de secuencia de señales de control. Las microoperaciones son operaciones realizadas por el componente de ejecución después de recibir microinstrucciones. Son las operaciones más básicas en la estructura del hardware de la computadora. Un microciclo es el tiempo necesario para leer una microinstrucción de la memoria de control y ejecutar la operación de un solo paso correspondiente. Las microinstrucciones son microinstrucciones que consisten en comandos de control necesarios para cada operación del microciclo. Las microinstrucciones contienen mucha información de microinstrucciones. Un microprograma es una colección ordenada de microinstrucciones que pueden controlar e implementar una instrucción de máquina.
En segundo lugar, la experiencia de aprendizaje
"Principios de composición informática" es un curso clave este semestre. A través del estudio de este semestre, descubrí que el curso es difícil de aprender, con muchos puntos de conocimiento y pocas conexiones entre los puntos de conocimiento. Por tanto, aprender este curso es muy difícil. A lo largo de un semestre de estudio, fui comprendiendo gradualmente la estructura jerárquica de los sistemas informáticos. Este curso estudia principalmente la estructura de las computadoras, como de qué partes está hecha una computadora, qué relaciones existen entre ellas, cómo se relacionan estas relaciones y cómo funcionan estas partes internamente. Los atributos de la máquina se reflejan en el sistema de instrucciones, pero la implementación de las instrucciones, es decir, cómo recuperar instrucciones, analizar instrucciones, recuperar operandos, realizar operaciones y enviar resultados, etc. , todos se estudian utilizando los principios de composición por computadora.
Este curso nos muestra cómo funcionan las computadoras desde una perspectiva macro, y también demuestra cada componente de una computadora.
Hemos estado tomando cursos de programación (lenguaje C y lenguaje de programación C++) desde primer año. A través del estudio de estos dos cursos, tenemos una comprensión preliminar del modo de trabajo del software, pero no estamos familiarizados con las ventajas y desventajas de las computadoras a nivel de máquina. Todos los cursos de programación que aprendimos antes se basaban en lenguajes de programación de alto nivel, que están más cerca del lenguaje natural, y las computadoras solo pueden procesar códigos binarios compuestos de 0 y 1. Un programa de alto nivel describe cómo el hardware de la computadora convierte un lenguaje en una representación binaria que la computadora puede entender. Cómo funcionan las instrucciones, compuestas de código binario, en una máquina. Este curso describe las computadoras sobre la base de la "lógica digital".
Una palabra clave clave que se debe comprender al estudiar este curso es "ruta de datos". Las computadoras siempre procesan señales digitales y todas las funciones en las computadoras se implementan mediante información representada por números. En las computadoras, la forma en que los datos ingresan a los cálculos desde el exterior introduce el sistema de entrada-salida (E/S). El sistema de E/S convierte señales físicas externas o señales analógicas en señales digitales que la computadora puede reconocer, las ingresa a la computadora a través del sistema de bus y convierte las señales digitales procesadas por la computadora en señales analógicas correspondientes para su salida en algunos periféricos. Las computadoras necesitan procesar una gran cantidad de datos, por lo que es necesario configurar los dispositivos de almacenamiento correspondientes en la computadora para almacenar señales. Los dispositivos de almacenamiento de la computadora se dividen en memoria principal y memoria externa, que pueden intercambiar datos entre sí a través del bus. La CPU es el componente central del sistema informático y consta de unidades aritméticas y controladores. Según la estructura de von Neumann, la computadora puede completar automáticamente el proceso de buscar y ejecutar instrucciones.
El controlador es responsable de coordinar y controlar la secuencia de instrucciones de los componentes de la computadora para ejecutar el programa. Su función básica es buscar instrucciones, analizar instrucciones y ejecutar instrucciones. Debido a que hay cinco componentes en la computadora, la computadora puede completar varias funciones mediante la coordinación de estos componentes.