计算机组成原理学习-第一章 概论(详细、系统、人话)

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计算机组成原理【专栏】

须知

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参考学习资料：《计算机组成原理(蒋本珊 编著) 第三版》

1.1 电子计算机与存储程序控制

电子计算机是不需要人工直接干预，就能够自动、高效、精确地对各种信息进行处理和存储的电子设备。电子计算机分为：电子模拟计算机和电子数字计算机。一般我们说的电子计算机指的就是电子数字计算机。

  1.1.1 电子计算机的发展

  1. 计算机的发展历史
  （1）.1946–1958年，采用电子管作为基本器件的电子计算机，使用延迟线作为存储器。
  （2）.1958–1964年，采用晶体管作为基本器件的晶体管计算机，采用磁芯存储器。
  （3）.1964–1971年，小、中规模集成电路（SSI、MSI）计算机，采用小、中规模集成电路作为基本器件。
  （4）.1971–至今，大、超大规模集成电路（LSI、VLSI）计算机，采用微处理器为核心，存储器采用半导体存储器。
  2. 计算机的发展趋势
  朝着两个方向发展，一个是微型计算机朝着更微型化、网络化、高性能、多用途发展；另一个是朝着巨型化、超高速、并行处理、智能化发展，这个是体现一个国家的科技水平。

 1.1.2 存储程序概念

  世界上第一台计算机ENIAC研制的同时，就有了以存储程序控制这种思想为核心研发的计算机EDVAC，由于种种原因，这计算机1951年问世了，但这还不是第一台冯诺伊曼计算机，真正的冯诺依曼计算机是1949年的EDSAC。
  冯诺依曼计算机简要概括为以下几点：
  （1）.计算机（硬件）应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。
  （2）.计算机内部用二进制来表示指令和数据。
  （3）.将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储程序的基本含义。

1.2 计算机硬件组成

原始的冯诺依曼计算机在结构上是以运算器为核心的，但是随着不断发展，已经逐渐转向了以存储器为中心了。
CPU=运算器+控制器
主机=中央处理器（CPU）+主存存储器（主存）。除主机之外的设备为外部设备：输入输出设备、辅助存储器等。

 1.2.1 计算机的主要部件

  1.输入设备
  将人们编好的程序和原始数据送到计算机中。按照输入信息的形态：字符输入、图形输入等。常见的输入设备：键盘、鼠标等。辅助存储设备（磁盘、磁带）也可以视为输入设备。
  2.输出设备
  将计算机的处理结果以数字、字符、图形等方式送出计算机。常见的有打印机、显示器等。辅助存储器也可以视为输出设备。关于输入输出设备的详细讲解在(第九章 输入输出设备)。
  3.存储器
  用来存放程序和数据的，是实现计算机存储程序控制的基础（个人感觉是核心，没有存储的地方何谈存储程序控制一说？）。
  常见的三级存储系统：

  4.运算器
  运算器是对信息进项处理和运算的部件，详细的在（实验一 运算器实验）中有对运算器的详细制作和操作，帮助大家理解运算器。
  运算器的核心是加法器（很多运算都可以用加法来实现），他还有很多寄存器和累加寄存器来暂存操作数并存放运算结果的。
  5.控制器
  是计算机的指挥中心（类似于人脑，将人的每一个活动划分成几个步骤，安排顺序，执行），他按照人们确定的步骤，控制整个计算机有条不紊地自动工作。
  控制器从主存中取出指令进行分析，根据指令安排操作的顺序，然后执行。

 1.2.2 计算机各大部件之间连接

将前面的各大基本部件按照某种方式连接起来就构成了计算机的硬件系统，而连接的方式有两种：总线结构和大、中型计算机的典型结构。

  1.总线结构(小、微型机的典型结构)
  总线（BUS）是一组能为多个设备服务的公共线路，他能分时地发送和接受各部件的信息。
  系统中有：单总线、双总线、以及三总线机构，具体会在后面详细讲解（第七章 总线）。

  2.大、中型计算机的典型结构
  大、中型计算机系统连接上分为四级：主机、通道、设备控制器和外部设备(第九章 9.5通道控制方式)。

 1.2.3 不同对象观察到的计算机硬件系统

  1.一般用户观察到的计算机硬件系统
  一般用户观察到的只是计算机的用户界面：键盘鼠标、显示器，用于存储信息的磁盘、光盘等。
  2.专业用户观察到的计算机硬件系统
  专业用户比一般用户更深入，他们更注重了解计算机机箱内部的结构和组成：微处理器、内存条、外部高速缓冲器、显卡、磁盘控制器等。
  3.计算机设计者观察到的计算机硬件系统
  计算机设计者看到的是计算机硬件系统由：控制器、运算器、存储器、外设组成，这是系统级的。系统级的又由寄存器级的组成，而寄存器又由门级别组成，门级别由晶体管级组成，而晶体管主要有两种：金属氧化物半导体（MOS）和晶体管-警惕逻辑（TTL）组成。

 1.2.4 冯诺依曼结构和哈佛结构的存储器设计思想

此处说的是存储器的设计思想，前面讲的是计算机的设计思想，注意区分。

  1.冯诺依曼结构：也称为普林斯顿结构，核心就是将数据和指令放到一个存储器中，共享数据总线。

  2.哈佛结构：由哈佛大学提出，特点是将指令和数据分开，分别放到两个存储器中。
  目前的计算机，在CPU内部的高速缓冲存储器采用了哈佛结构，在主存储器上采用了冯诺依曼结构。

1.3 计算机系统

一个完整的计算机系统包含硬件和软件两大部分。

  硬件是计算机系统的物质基础，软件是计算机系统的灵魂。软件与硬件之间的界线随着发展在逐渐模糊(由于软硬件之间的渗透，导致硬件可以实现软件的功能，软件能实现硬件的功能)，而固件（具有软件功能的硬件）将成为计算机发展的一个趋势。

1.4 计算机的工作过程和主要性能指标

为使计算机按照预定的内容就工作，就需要给他进行编程，程序就是一个特定的指令序列，一个个指令告诉计算机要做什么，按上面步骤去做。

 1.4.1 计算机的工作过程

  例如计算a+b-c=？：
  （1）.执行取数指令，从主存5号单元取出数字，送入累加寄存器中
  （2）.执行加法指令，将累加寄存器中的内容a与主存6号单元取出的数b一起经过ALU进行相加，结果a+b继续保存在累加寄存器中。
  （3）.执行减法指令，将累加寄存器中的内容a+b与主存7号单元中的数据c一起经过ALU进行相减，结果a+b-c继续保存在累加寄存器中。
  （4）.执行存数指令，把累加寄存器中的内容保存到主存第8号单元中。
  （5）.执行停机指令，让计算机停止工作。

 1.4.2 计算机的主要性能指标

  1.机器字长
  机器字长指的是参与运算的基本位数，一般等于内部寄存器的大小(就好比我的电脑是64位的，我的电脑的内部寄存器大小也应该是64位的)。字长标志着精度，字长越长，计算的精度越高。
  注意区分字(数据字)和字长(机器字长)的区别，字是一个度量，而字长则是衡量一个计算机处理信息的能力的，他俩可以相等，也可以不一样。
  2.数据通路宽度
  数据线一次所能并行传送信息的位数，称为数据通路宽度。
  3.主存容量
  一个主存储器所能存储的全部信息量。
  4.运算速度
  一般和许多因素有关：主频、执行什么操作、主存本身速度等。
  （1）.吞吐量和响应时间
   系统单位时间处理请求的数量
  （2）.主频和CPU时钟周期
   CPU主频又称为时钟频率，表示在CPU内数字脉冲信号振荡的速度。主频的倒数是CPU的时钟周期，CPU中每个动作至少需要一个时钟周期。
  （3）.CPI
   每条指令执行所用的时钟周期数。IPC就是CPI的倒数，代表这每个周期执行的指令数。
  （4）.CPU执行时间
   CPU执行时间=CPU时钟周期数/时钟频率=(指令数×CPI)/时钟频率
  （5）.MIPS和MFLOPS
   MIPS表示每秒执行多少百万条指令。
   MIPS=指令条数/（执行时间×10⁶）=主频/CPI=主频×IPC。
   MFLOPS表示每秒执行多少百万次浮点运算。
   MFLOPS=浮点操作次数/（执行时间×10⁶）。这个常用来衡量向量机的性能。

后话

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