计算机组成原理学习笔记（一）

绪论

冯诺依曼计算机特点

1. 计算机有五个部件组成，包括运算器ALU、控制器CU、存储器、输入设备、输出设备
2. 指令和数据以同等地位存储于存储器中，可按地址访问
3. 指令和数据以二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 核心特征是存储程序
6. 以运算器为中心，输入输出设备必须经过运算器

缺点：运算繁忙，框图结构混乱

系统复杂性管理方法

• 层次化（Hierday）：设计的系统分为多个模块
• 模块化（Modularity）：有明确的功能和接口
• 规则性（regularity）：模块更容易被重用

CPU组成

• CU控制器

名称	功能
指令寄存器（IR）	存放当前欲执行的指令
计数器（PC）	存放当前欲执行的指令的地址

• ALU算术逻辑运算器

名称	功能
累加器（ACC）	存放被加数及和、被减数及差、乘积高位、被除数及余数
操作数寄存器（X）	被乘数、除数、减数
乘商寄存器（MQ）	乘数、乘积低位、商

• 存储寄存器

名称	功能
存储地址寄存器（MAR）	存放从内存中读写数据的地址
存储数据寄存器（MDR）	存放从内存中读写的数据

取数运行过程

• 将程序通过输入设备送至计算机
• 程序首地址送至PC，启动程序运行
• 取指令

PC

MAR

内存

MDR

IR

PC+1

• 分析指令

IR操作码部分

CU

• 执行指令

IR地址码部分

MAR

内存

MDR

ACC

• 完成取数

冯诺依曼结构和哈佛结构区别

• 冯诺依曼结构：指令与数据同等地位存储于内存中，仅有一条数据总线和地址总线

取指

取数

取下一条指令

• 哈佛结构：指令和数据存储于不同内存中，有指令专用的数据总线和地址总线，有数据专用的数据总线和地址总线

取指

取数

取下一条指令

取数

取下一条指令

硬件指标

• 机器字长
  寄存器位数
• 运算速度

	指标
主频
核数
吉普森法
CPI	执行一条指令所需时钟周期数
MIPS	每秒执行百万条指令
FLOPS	每秒浮点数运算次数

• 存储容量
  字节数

总线

总线是各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质

总线分类

片内总线：芯片内部的总线

系统总线：计算机各部件的信息传输线，包括数据总线、地址总线、控制总线

• 数据总线：双向，与机器字长、存储字长有关
• 地址总线：单向，与存储地址、I/O地址有关
• 控制总线：有出有入（存储器读、存储器写、总线允许、中断确认、中断请求、总线请求）

通信总线：用于计算机系统之间过计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信，按照传输方式可分为串行通信总线和并行通信总线

总线物理实现

## 总线特性 - 机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序 - 电气特性：传输方向和有效电平范围 - 功能特性：每根传输线的功能 - 时间特性：信号的时序关系

总线性能指标

• 总线宽度：数据线宽度
• 标准传输率：每秒传输的最大字节数（MBps）
• 时钟同步/异步：同步、不同步
• 总线复用：地址线与数据线复用
• 信号线数：地址线、数据线和控制线综合
• 总线控制方式：负载能力
• 其他指标：突发、自动、仲裁、逻辑、计数

总线标准

总线结构

• 单总线结构

• 双总线结构

• 三总线结构I

• 三总线结构II

• 四总线结构

总线判优控制

• 链式查询：仅有一条总线请求线，查询线串联，每次从IO1开始逐个查询，效率低，多用于微CPU

• 计数器定时查询：仅有一条地址线，但可以根据地址查询，方式灵活

• 独立请求方式：有多根查询请求线，内部排队器判优

总线传输周期

• 申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定
• 寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令
• 传数阶段：主模块和从模块交换数据
• 结束阶段：主模块撤销有关信息

总线通信

• 同步通信：由统一时标控制数据传送
• 异步通信：采用应答方式，没有公共时钟标准
• 半同步通信：同步、异步结合
• 分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力