计算机组成原理——第一章计算机系统概论

1.1 计算机系统简介

一、计算机软硬件概念

1.计算机系统

• 硬件\(\to\)计算机实体
  • 主机
  • 外设
  • ……
• 软件\(\to\)由具有各类特殊功能的信息（程序）组成
  • 系统软件\(\to\)用来管理整个计算机系统
    • 语言处理程序
    • 操作系统
    • 服务性程序
    • 数据库管理系统
    • 网络软件
    • ……
  • 应用软件\(\to\)按任务需要编制成的各种程序

二、计算机系统的层次结构

三、计算机体系结构和计算机组成

1. 计算机体系结构

计算机系统的属性，概念性的结构与功能特性\(\to\)可见的

• 指令系统
• 数据类型
• 寻址技术
• I/O机理

2.计算机组成

实现计算机体系结构所体现的属性

• 具体指令的实现

1.2计算机的基本组成

一、冯·诺依曼计算机的特点

1. 计算机由五大部件组成

   • 运算器:算术运算+逻辑运算

   • 控制器:指挥控制程序运行

   • 存储器:存放数据和程序

   • 输入设备:将信息转换成机器能识别的信息

   • 输出设备:将结果转化为人们熟悉的形式

2. 指令和数据以同等地位存于存储器,可按地址寻访

3. 指令和数据用二进制表示

4. 指令由操作码和地址码组成

5. 存储程序

6. 以运算器为中心

冯·诺依曼计算机硬件框图

二.计算机硬件框图

1. 以存储器为中心的计算机硬件框图

   

2. 现代计算机硬件框图

\[ \left. \begin{array}{1} \text{$ \left. \begin{array}{1} \text{$ \left. \begin{array} \text{运算器 ALU}\\ \text{控制器 CU} \end{array} \right\}$ CPU}\\ \text{存储器$ \begin{cases} \text{主存}\\ \text{辅存} \end{cases} $} \end{array} \right\} 主机 $}\\ \text{$ \left. \begin{array}{1} \text{输入设备}\\ \text{输出设备} \end{array} \right\} I/O设备 $} \end{array} \right\} 硬件 \]

　三．计算机的工作步骤

1.上机前的准备

1. 建立数学模型
2. 确定计算方法
3. 编制解题程序
   • 程序——运算的全部步骤
   • 指令——每一个步骤

指令格式:操作码+地址码

2.计算机的解题过程

(1) 存储器的基本组成

• 存储体 \(\to\) 存储单元 \(\to\) 存储元件 (0/1)

  • 存储元件：用来存放一位二进制信息
  • 存储单元: 存放一串二进制代码(字长)
  • 存储体：许多个存储单元可组成存储矩阵
  • 存储字:存储单元中二进制代码的组合，可表示
    • 数值
    • 指令
    • 地址
    • 逻辑数……
  • 存储字长: 每个存储单元中二进制代码的位数
  • 按地址寻访

• MAR 存储器地址寄存器 （A-Address）

  • 反应存储单元的个数
  • \(存储单元个数=2^\text{MAR位数}\)

• MDR 存储器数据寄存器（D-Data）

  • 反应存储字长
  • \(存储字长=MDR位数\)

（2）运算器的基本组成及操作过程

基本组成

操作过程

	ACC	MQ	X
加法	被加数&和		加数
减法	被减数&差		减数
乘法	乘积高位	乘数&乘积低位	被乘数
除法	被除数&余数	商	除数

• 加法操作过程

  

• 减法操作过程

  

• 乘法操作过程

  

• 除法操作过程

（3）控制器基本组成

• PC——程序计数器
  • 存放当前欲执行指令的地址
  • 具有计数功能
  • \((PC)+1\to PC\)
• IR——指令寄存器
  • 存放当前欲执行的指令
• 功能
  • 解释指令
  • 保证指令的按序执行

（4）主机完成一条指令的过程

\[ \text{完成一条指令} \begin{cases} \text{取指令——PC}\\ \text{分析指令——IR}\\ \text{执行指令——CU}\\ \end{cases} \]

取数指令

1. 取指令1-4
   1. 指令地址从PC放入MAR
   2. 指令地址由MAR送至存储体
   3. 指令被存储体送入MDR
   4. 指令由MDR送至IR
2. 分析指令5
   1. 指令由IR送至CU进行分析
3. 执行指令6-9
   1. 数据地址由IR传到MAR
   2. 数据被存储体送到MDR
   3. 数据被MDR送到ACC

存数指令（执行指令不同）

（5） \(ax^2+bx+c\) 程序的运行过程

1. 将程序通过输入设备送至计算机

2. 程序首地址\(\to\)PC

3. 启动程序运行

4. 取指令 PC\(\to\)MAR\(\to\)M\(\to\)MDR\(\to\)IR, (PC) + 1\(\to\)PC

5. 分析指令OP(IR)\(\to\)CU

6. 执行指令Ad(IR)\(\to\)MAR\(\to\)M\(\to\)MDR\(\to\)ACC

   ……

7. 打印结果

8. 停机

1.3 计算机硬件的主要技术指标

1. 机器字长\(\to\)CPU一次能处理数据的位数
   • 通常与CPU的寄存器位数有关
2. 运算速度
   • 主频
   • 核数\(\to\) 每个核支持的线程数
   • 吉普森法 \(\to\) \(T_M=\sum_{i=1}^{n}f_it_i\)
   • CPI $\to $ 执行一条指令所需时钟周期数（平均值）
   • MIPS $\to $ 每秒执行百万条指令（还取决于指令复杂程度）
   • FLOPS \(\to\) 每秒浮点运算次数
3. 存储容量\(\to\)存放二进制信息的总位数
   • 主存容量
     • 存储单元个数×存储字长
       • MAR10，MDR8\(\to\) 1K×8位
       • MAR16，MDR32\(\to\) 64K×32位
       • \(1K=2^\text{10}\)
     • 字节数
       • \(2^\text{13}b=1KB\)
       • \(2^\text{21}b=256KB\)
   • 辅存容量
     • 字节数\(1GB=2^\text{30}b\)

疑难点

1. 三个字长

   字长	定义
   存储字长	每个存储单元中二进制代码的位数
   机器字长	CPU一次能处理数据的位数	与CPU的寄存器位数有关
   指令字长	一条指令的位数（操作码+地址码）	与指令寄存器位数有关

2. 如何区分存放在存储器中的指令和数据

   完成一条指令有三个步骤\(\begin{cases}\text{取指令}\\\text{分析指令}\\\text{执行指令} \end{cases}\)，其中需要两次访问内存，可依此分为两个阶段：取指阶段\(\begin{cases}\text{取指令}\\\text{分析指令}\end{cases}\)取出指令、执行阶段\(\begin{cases}\text{执行指令}\end{cases}\)取出操作数，CPU根据阶段的不同可以判断取出的是指令还是数据：
   \[ 取指阶段取出：指令\\ 执行阶段取出：数据 \]