计算机组成原理1-概论

1. 计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成

2. 计算机系统的层次结构

   
   
   

3. 计算机组成
   传统机器的属性：指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理

5. 冯·诺依曼计算机计算机以运算器为中心

   
   
   

6. 硬件组成框图

   
   
   
   
   

   进一步细化的计算机组成框图：

   
   
   

7. 算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）
   简称算逻部件；
   用于完成算术逻辑运算；

8. 控制单元CU（Control Unit）
   解释存储器中的指令，发出各种操作命令来执行指令；

9. 运算器
   由ACC、MQ、X、算逻电路ALU组成；
   累加器ACC（Accumulator）
   乘商寄存器MQ（Multiplier-Quotient Register）
   操作数寄存器X

   
   
   
   
   

   运算器可将运算结果从ACC送至寄存器的MDR；
   存储器可将MDR送至运算器的ACC、MQ或X；

10. 主存储器
    简称主存或内存，包括存储体、各种逻辑部件和控制电路等；
    存储体由许多存储单元组成，每个存储单元包括若干个存储元件（存储基元、存储元），每个存储元件能寄存一位二进制代码“0”或“1”；
    一个存储单元可存储一串二进制代码，一串二进制代码 >> 一个存储字；
    存储字长：一串二进制代码的个数，可以是8位、16位、32位等；
    工作方式：按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取（读出）；
    按地址存取 >> 按地址访问存储器 （简称 访存）
    指令和数据由存储单元地址号反映；

11. 存储器地址寄存器MAR（Memory Adress Register）
    存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数（MAR为10位，则有2^10=1024个存储单元，记为1K）

12. 存储器数据寄存器MDR（Memory Data Register）
    存放从存储体某单元取出的代码或准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等；

（MAR和MDR集成在CPU芯片中）

13. 控制器
    指挥各部件自动、协调地工作；
    由程序计数器PC（Program Counter），指令寄存器IR（Instruction Register）以及控制单元CU组成
    命令存储器读出一条指令--取指过程
    对指令进行分析，按寻址特征指明操作数的地址--分析过程
    根据操作数所在的地址，去除操作数并完成某种操作--执行过程
    13.1 程序计数器PC
    存放当前欲执行指令的地址，与主存的MAR之间由一条直接通路，且具有自动加1的功能，可自动形成下一条指令的地址。
    13.2 指令寄存器IR
    存放当前的指令；
    内容来自主存的MDR；
    IR中的操作码（OP（IR））送至CU（OP（IR）->CU），用来分析指令；
    其地址码（Ad（IR））作为操作数的地址送至存储器的MAR（记作Ad（IR）->MAR）；
    13.3 控制单元CU
    分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象；

14. I/O
    包括外部设备及相应的接口；
    每一种设备都是由I/O接口与主机联系的，接受CU发出的各种控制命令完成相应的操作；

15. 计算机硬件的主要技术指标

15.1 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；
字节越长，数的表示范围越大，精度也越高；
直接影响加法器（ALU）、数据总线、存储字长的位数；

15.2 存储容量
包括主容存量和辅存容量；

• 主存容量：主存中存放二进制代码的总位数；
  存储容量=存储单元个数 X 存储字长
  MAR的位数反映存储单元的个数；
  MDR的位数反映存储字长；
  现代计算机用字节数描述容量的大小，一个字节被定义为8位二进制代码；
  字节数反映主存容量；
  2M=2^18字节=218B=256KB（B表示一个字节）
  辅助容量用字节数表示；

15.3 运算速度
吉普森（Gibson）法，综合考虑每条指令的执行时间以及它们在全部操作中所占的百分比。

MIPS（Million Instruction Per Second）每秒执行百万条指令
CPI（Cycle Per Instruction）执行一条指令所需的时钟周期
FLOPS（Floating Point operation Per Second）每秒浮点运算次数