计算机原理——计算机系统概论（笔记）

第一章 计算机系统概论

1.1计算机系统简介

1.1.1计算机软硬件概念

计算机系统由软件和硬件两大部分组成
硬件：指计算机的实体部分，如各种电子元器件，主机，外部设备等
软件：由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成
计算机软件又分为系统软件和应用软件两类

1.1.2计算机系统的层次结构

多层次结构的计算机系统
虚拟机器m4（高级语言机器）用编译程序翻译成汇编语言程序
——>虚拟机器m3（汇编语言机器）用汇编程序翻译成机器语言程序
——>虚拟机器m2（操作系统机器）用机器语言解释操作系统
——>虚拟机器m1（机器语言机器）用微程序解释机器指令
——>虚拟机器m0（微程序指令）由硬件直接执行微指令

1.1.3计算机组成和计算机体系结构

计算机体系结构：指能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性
计算机系统的属性通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集，数据类型，存储器寻址技术，I/O机理等，大多属于抽象概念

1.2计算机的基本组成

1.2.1冯·诺伊曼计算机的特点

（1）计算机由运算器，存储器，控制器，输入设备和输出设备五大部分组成。
（2）指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。
（3）指令和数据均用二进制数表示。
（4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置
（5）指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
（6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传输通过运算器完成。

1.2.2计算机的硬件框图

图中各部件功能如下：
（1）运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。
（2）存储器用来存放数据和程序。
（3）控制器用来控制，指挥程序和数据的输入，运行以及处理运算结果。
（4）输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘鼠标等。
（5）输出设备可将机器运算结果转换成人们熟悉的信息形式，如打印机输出，显示器输出等。
由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路工艺出现后，这两大部件往往集成在同一芯片上，因此，通常将他们合起来统称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）。把输入设备和输出设备简称为I/O设备（Input/Output Equipment），这样，现代计算机可认为由三大部分组成：CPU,I/O设备及主存储器（Main Memory,MM）,CPU与主存储器合起来又可称为主机，I/O设备又可称为外部设备。

算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）简称算逻部件，用来完成算术逻辑运算
控制单元（Control Unit，CU）用来解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令
ALU和CU是CPU的核心部件
I/O设备也受CU控制，用来完成相应的输入，输出操作

1.2.3计算机的工作步骤

计算机解决一个实际问题通常包含两大步骤：一是上机前的各种准备，二是上机运行。
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
2. 计算机的工作过程

（1）主存储器
主存储器包括存储体M，各种逻辑部件及控制电路等。存储体由许多存储单元组成，每个存储单元又包含若干个存储元件，每个存储元件能寄存一位二进制代码0或1，可见，一个存储单元可存储一串二进制代码，称这串二进制代码为一个存储字，这串二进制代码的位数称为存储字长。存储字长可以是8位，16位，32位，等，一个存储字可代表一个二进制数，也可带表一串字符。
主存的工作方式就是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）。这种存取方式称为按地址存取方式，即按地址访问存储器（简称访存）
为了能实现按地址访问的方式，主存中还必须配置两个寄存器MAR和MDR。MAR（Memory Address Register）是存储器地址寄存器,用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的的个数。MDR（Memory Data Register）是存储器数据寄存器,用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往存储单元，其位数与存储字长相等。1个字节（Byte）被定义为由8位（bit）二进制代码组成。存储字长，指令字长，数据字长三者各不相同，但必须是字节的整数倍。
（2）运算器
运算器最少包括三个寄存器和一个算数逻辑单元（ALU）。
其中ACC（Accumulator）为累加器，MQ为乘商寄存器，X为操作数寄存器
这三个寄存器在完成不同的运算时，所存放的操作数类别也各不相同

（3）控制器
控制器是计算机的神经中枢，由它指挥各部件自动，协调的工作。总体而言，它首先要命令存储器读出一条指令，称为取经过程（也指取指阶段）。接着对这条指令进行分析，指出该指令要完成什么操作，并按寻址特征指明操作数的地址，称为分析过程（也称分析阶段）。最后根据操作数所在地址以及指令的操作码完成某种操作，称为执行过程（也称执行阶段），这就是完成一条指令所需的三个阶段

控制器由程序计数器（Program Computer，PC），指令寄存器（Instruction Register，IR） 以及 控制单元（CU） 组成。PC用来存放当前欲执行指令的地址，它与主存MAR之间有一条直接的通路，且具有自动加1的功能，即可自动形成下一条指令的地址。IR用来存放当前指令，IR的内容来自主存的MDR。IR中的操作码（OP（IR））送至CU，记作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，CU用来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。
（4）I/O
I/O子系统包括各种I/O设备及其相应的接口。每一种I/O设备都由I/O接口与主机联系，它接受CU发出的控制命令，并完成相应的操作。

1.3计算机硬件的主要技术指标

1.3.1机器字长

机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
机器字长会影响机器的运算速度。

1.3.2存储容量

存储器的容量应该包括主存容量和辅存容量。
主存容量是指主存中存放二进制代码的总位数。
即存储容量=存储单元个数*存储字长
MAR的位数反应了存储单元的个数，MDR的位数反应了存储字长
（1k=1024=2^10）

1.3.4运算速度

现在机器的运算速度普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并用**MIPS（Million Instruction Per Second,百万条指令每秒）作为计量单位，也可以用CPI（Cycle Per Instruction）即执行一条指令所需的时钟周期数，或用FLOPS（Floating Point Operation Per Second，浮点运算次数每秒）**来衡量运算速度