1.计算机系统概论

计算机组成原理

讲解：数字计算机硬件系统的逻辑实现一般原理

讲授内容

1. 基本部件的结构和组织方式
2. 基本运算的操作原理
3. 基本部件和单元的设计思想
   

1.计算机系统简介

HPC：很牛的计算机

1.1 计算机系统的软硬件概念

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1.2 计算机系统的层次结构

• 系统复杂性管理的方法1：抽象

根据物理结构抽象出9层

程序员里的层次结构：

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1.3 计算机体系结构和计算机组成

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2.计算机的基本组成

2.1 冯.诺依曼计算机的特点

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硬件框图

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实线：数据通路

虚线：控制和状态反馈通路

运算器:逻辑运算和数学运算

存储器：存储程序

控制器：指挥程序运行，完成指令先后顺序

输入设备：将信息转换成计算机能识别的形式

输出设备：将计算机的处理结果转换成人们能够识别的形式

问题

1. 以运算器为核心，导致运算器成为发展瓶颈
2. 体系混乱

2.2 解决冯诺依曼计算机问题 ==>现代计算机

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-LaPuN5it-1614954486796)(C:\Users\LENOVO\Desktop\机组\assets\image-20210305115611243.png)]

但还是乱

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[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tkRjuH5P-1614954486798)(C:\Users\LENOVO\Desktop\机组\assets\image-20210305115910163.png)]

系统复杂性管理的方法2（3Y）：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cZv59mO0-1614954486799)(C:\Users\LENOVO\Desktop\机组\assets\image-20210305131401599.png)]

2.3 利用计算机解决现实问题

可计算性

是否可以用计算机来解决

计算机工作步骤：

上机前的准备

• 建立数学模型
• 确定计算方法
• 编写程序
  • 程序——运算的全部步骤
  • 指令——每一个步骤

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tosyBGrn-1614954486800)(C:\Users\LENOVO\Desktop\机组\assets\image-20210305132934706.png)]

ACC：寄存器

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-8SWsXtmF-1614954486801)(C:\Users\LENOVO\Desktop\机组\assets\image-20210305133723757.png)]

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-LWs1fND4-1614954486802)(C:\Users\LENOVO\Desktop\机组\assets\image-20210305134025388.png)]

2.4 存储器的基本组成

指令和数据保存在存储器中

核心结构

存储体

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[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-h0HOvcDg-1614954486804)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305164523758.png)]

MAR：存储器地址寄存器：反应存储单元的个数

MDR：存储器数据寄存器：反应存储字长

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-WTaSZ4oW-1614954486805)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305165153374.png)]

每个存储单元存放的数据称为存储字

每个存储单元存放数据的长度称为存储字长

2.5 运算器

2.5.1 基本组成

核心：ALU（算逻运算单元）

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Gwn6fe5j-1614954486806)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305201114290.png)]

图中的字母均是寄存器

注

如果设计的计算机不是累加型的计算机，那么寄存器数量会发生变化。

2.5.2 操作

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-bLLzVy7g-1614954486807)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305202323126.png)]

2.5.3 加法操作过程

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-MdkhugWU-1614954486808)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305202629152.png)]

2.5.4 减法操作过程

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-dZ5N4WgE-1614954486808)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305202852638.png)]

2.5.5 乘法操作过程

通过累加和移位方式实现，在累加前进行清零！

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0d0uLUhv-1614954486809)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305203148524.png)]

第一个操作和第二个操作顺序可换

由控制器控制顺序

2.5.6 除法操作过程

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HSV7vMhu-1614954486810)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305203645703.png)]

MQ：乘商寄存器

2.6 控制器

功能：

• 解释指令
• 保证指令的按序执行

解释（完成）一条指令过程：

1. 取指令：把内存单元中保存的指令取出来送到控制器
2. 分析指令：把操作码部分送给控制单元进行分析
3. 执行指令：由控制单元控制相应部件执行操作

CU是核心

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-LSLKB5dc-1614954486810)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305205443858.png)]

IR PC 也是寄存器

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-de7zXrjb-1614954486811)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305205512738.png)]

2.6.1 练习

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wGmhBZEB-1614954486812)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305205708279.png)]

2.7 主机完成一条指令的过程

主机：运算器+控制器+存储器

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qAU6VBca-1614954486813)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305210017815.png)]

2.7.1 以取数指令为例：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-zuK9ekT8-1614954486814)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305210557419.png)]

2.7.2 以存数指令为例：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-3NNykUQL-1614954486815)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305211319156.png)]

2.8 综合案例

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PJTXyxlY-1614954486816)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305212523508.png)]

每条指令运行结束后，需要对PC进行加一处理

本图片上显示的是取指令，在取——分析——执行过程中，并没有用到PC，所以可以直接在取完指令后进行加一处理

3. 计算机硬件的主要技术指标

• 机器字长：CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关。一般而言机器字长越长，机器性能越好

在我们模型机里，机器字长、存储字长、 指令字长都一样

• 运算速度

  • 主频
  • 核数，每个核支持的线程数

  这俩不是机器速度的直接指标

  • 吉普森法 f是指令出现的频率、t是指令执行的时间

  • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ow7L71ck-1614954486816)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305215450535.png)]

  • CPI：执行一条指令所需时钟周期数 它的倒数是IPC

  • MIPS：每秒执行百万条指令

  • FLOPS：每秒浮点运算次数

• 存储容量：存放二进制信息的总位数

指令字长都一样

- 运算速度

  - 主频
  - 核数，每个核支持的线程数

  ```这俩不是机器速度的直接指标```

  - 吉普森法 f是指令出现的频率、t是指令执行的时间
  - [外链图片转存中...(img-ow7L71ck-1614954486816)]

  - CPI：执行一条指令所需时钟周期数 它的倒数是IPC
  - MIPS：每秒执行百万条指令
  - FLOPS：每秒浮点运算次数



- 存储容量：存放二进制信息的总位数

   [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-TTTx1h73-1614954486817)(C:\Users\LENOVO\Desktop\学习笔记\机组\assets\image-20210305220648939.png)]