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信息学奥赛基础知识提纲(2014年9月)
1 计算机系统
1-1概述
一个完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分,必须具有五大功能:数据传送功能、数据存储功能、数据处理功能、操作控制功能、操作判断功能。它的工作特点是:运算速度快、运算精度高、记忆能力强、通用性广、自动运算。
计算机按照规模可分为:巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机等几种类型。根据用途不同分为通用机和专用机。
硬件指的是计算机的设备实体;软件通常泛指各类程序和文件。软硬件的关系:硬件是软件的基础。软件是硬件的扩充与完善。硬件与软件在逻辑上是等价的。
1946年,世界上第一台计算机诞生于宾夕法尼亚大学,称为ENIAC。
1949年,第一台存储计算机EDSAC,英国剑桥大学威尔克斯(Wilkes)设计和制造的。
1951年,第一台商用计算机是UNIVAC。
第四代1975—
第四代
1975—至今
大规模及超大规模集成电路
半导体存储器
磁盘、光盘等大
容量存储器
处理速度(指
令数/秒)
几千条
几百万条
几千万条
数亿条以上
第一代
第二代
第三代
主要电子器件
1946—1958
电子管
1958—1964
晶体管
1964---1975
集成电路
内存
汞延迟线
磁芯存储器
半导体存储器
外存储器
穿孔卡片、纸带
磁带
磁带、磁盘
1-2硬件系统
1-2-1冯·诺伊曼(J.vonNeumann)机:美籍匈牙利数学家
现代计算机的基本结构被称为冯·诺伊曼结构。它的主要特点是储存程序的概念:
采用二进制形式表示数据和指令。
将程序(包括操作指令和操作数)事先存入主存储器中,使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令加以执行。
由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大基础部件组成计算机系统。
冯·诺伊曼机
反馈信
程 息
输入设备
序
控
制信号
请求信号
运算器
操作指
存储器地
存
储
器
地
指
址
控
制
令
器
控
制
台
输出设备
果
控
制信号
请求信号
1-2-2计算机的总线结构
计算机的各个部件需要以某种方式互联,进行数据交换。最常见的互联结构就是总线互联结构和多总线互联结构。总线是一种连接多种设备的信息传递通道,实际上是一组信号线。
典型的计算机总线结构由内部总线和系统总线组成。
内部总线:用于连接CPU内部的各个模块。
系统总线:又称外部总线,用于连接CPU、存储器和输入输出设备。系统总线的信号线分为三类:数据线、地址线和控制线。
数据线(DataBus):数据总线的宽度就是指组成数据总线的信号线的数目,它决定了在该总线上一次可以传送的二进制位数。
地址线(AddressBus):用以传递地址信息,来指示数据总线上的数据来源和去向。地址线的数目决定了能够访问空间的大小。
控制线(ControlBus):用来控制数据总线和地址总线。
某SRAM芯片,其存储容量为64K*16位,则该芯片的地址线数目和数据线的数目?
1-2-3中央处理器(CentralProcessorUnit)
1、CPU包含了冯机五大部件中的运算器(即加法器)和控制器。
运算器:对信息加工和处理的部件,主要完成各种算术运算和逻辑运算。
控制器:通过读取各种指令,并进行翻译、分析,而后对各部件作出相应的控制。
2、CPU主要由三大部分组成:寄存器组、算术逻辑单元(ALU)和控制单元(控制器)。
寄存器组:分为通用寄存器(通用寄存器、数据寄存器、地址寄存器、标志寄存器)和状态控制寄存器(程序计数器PC、指令寄存器IR、存储器地址寄存器MAR、存储器缓冲寄存器MBR)以及程序状态字PSW。
输出门A L U
输出门
A L U
+
1
输入选择门
……….
.
输入选择门
……….
通用寄存器组.
I/O设备把待处理的数据输入到ALU。
控制单元:控制器的基本功能就是时序控制和执行控制。根据当前运行的程序,控制器使CPU按一定的时序关系执行一序列的微操作从而完成程序。
时钟信号:控制器根据时钟电路产生的时钟信号进行定时,以控制各种操作按指定的时序进行。计算机的基本功能是执行程序,而程序由一连串的指令组成;计算机的执行过程由一连串的指令周期组成,每一指
令周期完成一条指令。这些指令周期又可进一步细分为更小的单元,直到微操作uop-----CPU完成的基本的原子操作。时钟脉冲发生器的晶振频率成为机器的主频,它产生的时钟脉冲信号是整个机器的时间基准,其周期T称为该计算机的时钟周期。完成一个微操作的时间就称为CPU周期(机器周期)。执行一条机器指令所需的时间称为一个指令周期。
3、指令系统(精简指令系统):操作类指令
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