计算机组成原理学习笔记（1）：概述

课程笔记导览

计算机组成原理学习笔记（1）：概述
计算机组成原理学习笔记（2）：发展
计算机组成原理学习笔记（3）：总线
计算机组成原理学习笔记（4）：存储器
计算机组成原理学习笔记（5）：I/O
计算机组成原理学习笔记（6）：数字
计算机组成原理学习笔记（7）：指令系统
计算机组成原理学习笔记（8）：CPU的结构和功能
计算机组成原理学习笔记（9）：控制单元的功能
计算机组成原理学习笔记（10）：控制单元的设计

附录：英语解释

CPU——Central Processing Unit，中央处理机(器)
PC——Program Counter，程序计数器，存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址的计数器
IR——Instruction Register，指令寄存器，存放当前正在执行的指令的寄存器
CU——Control Unit，控制单元(部件)，控制器中产生微操作命令序列的部件，为控制器的核心部件
ALU——Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部件
ACC——Accumulator，累加器，运算器中运算前存放操作数、运算后存放运算结果的寄存器
MQ——Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器
X——此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数
MAR——Memory Address Register，存储器地址寄存器，内存中用来存放欲访问存储单元地址的寄存器
MDR——Memory Data Register，存储器数据缓冲寄存器，主存中用来存放从某单元读出、或写入某存储单元数据的寄存器
I/O——Input/Output equipment，输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换与传送
MIPS——Million Instruction Per Second，每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位

第一章 概述

1.0 计算机系统简介课程简介（p1）

讲授内容

基本部件的结构和组织方式

基本运算的操作原理

基本部件和单元的设计思想

特色

特色
·计算机组成的一般原理，不以具体机型为依托
·采用自顶向下的方式、层层细化

课程内容组织

1.1 计算机系统简介

现代计算机的多态性，种类较多，较为复杂

计算机的组成及软硬件概念

计算机系统组成

硬件：计算机的实体，算|如主机、外设等机系统

软件：由具有各类特殊功能的信息（程序）组成

软件

系统软件：用来管理整个计算机系统

• 语言处理程序（高级语言编译）
• 操作系统（管理软硬件资源，提供人机交互，协调执行）
• 服务型程序（库）
• 数据库管理系统
• 网络软件

应用软件：按任务需要编制成的各种程序

计算机系统的层次结构

软硬件层次结构

计算机组成与计算机体系结构从研究内容上来说的区别

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）

计算机体系结构：

机器语言程序员所见到的计算机系统的属性（所编写程序能正确执行所必须了解的计算机属性，一般指指令集、寄存器文件的组织、内存的编址单位、指令集能都对那些数据类型进行操作。这些统称为数据表示），概念性的结构与功能特性

（指令系统、数据类型、寻址技术、l/o机理）

定义软硬件的交界面，定义具体那些功能由软件实现，那些功能由硬件实现，上层软件编写和硬件交互的接口

举个例子

计算机组成：

• 如何实现乘法指令（逻辑实现）

计算机体系结构：

• 规定和定义的内容有无乘法指令，对什么类型的数据进行乘法操作，数据长度是多长

1.2 计算机的基本组成

冯·诺依曼计算机的特点

五大组成部分

• 输入设备（将信息转换成机器能识别的形式）

• 输出设备（将结果转换成人们熟悉的形式）

• 运算器（核心）（算术运算、逻辑运算）

• 控制器（指挥控制程序运行）

• 存储器（存放程序和数据）

  

指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访

指令和数据用二进制表示

指令由操作码（所做操作）和地址码（所存地址）组成

存储程序

以运算器为中心

计算机硬件框图

以运算器为核心的结构容易因为运算器工作量巨大繁忙成为瓶颈，且不具有层次化的特征

改进第一步：以存储器为核心

改进第二步：提高层次化

系统复杂性管理的方法（3’Y）

• 层次化（Hierachy）：将被设计的系统划分为多个模块或子模块
• 模块化（Modularity）：有明确定义（well-defined）的功能和接口
• 规则性（regularity）：模块更容易被重用

计算机的工作步骤

1.上机前的准备

• 建立数学模型
• 确定计算方法
• 编制解题程序（运算的全部步骤）

存储器的基本组成

存储体 - 存储单元 - 存储元件（0/1）
大楼 - 房间 - 床位（无人/有人）

存储单元：存放一串二进制代码（每个存储单元赋予一个地址）

存储字：存储单元中二进制代码的组合

存储字长：存储单元中二进制代码的位数

按地址寻找

MAR（Memory Address Register，存储地址寄存器）反映存储单元的个数，保存存储单元的地址或者编号，MAR的位数与存储单元的个数有关

MDR（Memory Data Register，存储数据寄存器）保存了要存入存储体中或刚从存储体中取出来的数据，MDR长度和存储单元的长度相同

举个例子

MAR = 4位

MDR = 8位

==>存储单元个数16个

==>存储字长8位

运算器的结构基本组成和工作过程

ALU——Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部件;

ACC——Accumulator，累加器，运算器中运算前存放操作数、运算后存放运算结果的寄存器;

MQ——Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。

加法操作

指令包含两部分：第一部分加法指令，第二部分内存中加数的地址M

初始状态中被加数已经存放在ACC里面（之前先要有一条指令把数据输入到ACC当中）加数放置在X中

加法操作使用ALU实现，结果保存在ACC当中

方括号表示地址$[\cdot ]$的内容

减法操作

指令包含两部分：第一部分减法指令，第二部分内存中减数的地址M

初始状态中被减数已经存放在ACC里面（之前先要有一条指令把数据输入到ACC当中）减数放置在X中

减法法操作使用ALU实现，结果保存在ACC当中

乘法操作

指令包含两部分：第一部分乘法指令，第二部分内存中乘数的地址M

初始状态中被乘数已经存放在ACC里面（之前先要有一条指令把数据输入到ACC当中）乘数放置在X中

操作1234顺序是有控制器控制的，12可同时进行或交换顺序

双斜线表示位连接

除法操作

指令包含两部分：第一部分除法指令，第二部分内存中除数的地址M

初始状态中被除数已经存放在ACC里面（之前先要有一条指令把数据输入到ACC当中）除数放置在X中

商放入MQ 余数放入ACC

控制器的结构基本组成和工作过程

PC——Program Counter，程序计数器，存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址的计数器;

IR——Instruction Register，指令寄存器，存放当前正在执行的指令的寄存器;

CU——Control Unit，控制单元(部件)，控制器中产生微操作命令序列的部件，控制信号由此发出，为控制器的核心部件;

功能

解释指令

保证指令的按序执行

完成一条指令

取指令：PC存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能，执行完后（PC）+step一PC

分析指令：IR存放当前欲执行的指令

执行指令：CU（）

主机完成一条指令的过程

以取数指令为例

• 取指令

1、PC中存储的地址送入MAR

2、MAR根据地址寻找存储体中的存储位置

3、找到的指令数据送入MDR

4、MDR将缓存的指令数据送入IR

• 分析指令

5、IR中的指令操作码送入CU，经过译码以后

在CU中完成

• 执行指令

6、在控制器的控制之下，将指令中的取数所需地址从IR送入MAR

7、MAR根据地址寻找存储体中的存储位置

8、找到的数据送入MDR

9、MDR将缓存的数据送入ACC

以存数指令为例

• 取指令

1、PC中存储的地址送入MAR

2、MAR根据地址寻找存储体中的存储位置

3、找到的指令数据送入MDR

4、MDR将缓存的指令数据送入IR

• 分析指令

5、IR中的指令操作码送入CU，经过译码以后

在CU中完成

• 执行指令

6、在控制器的控制之下，将指令中存数的地址从IR送入MAR

7、MAR根据地址寻找存储体中的存储位置

8、将ACC的数据送入MDR

9、MDR将缓存的数据送入存储体

程序的运行过程

将程序通过输入设备送至计算机

程序首地址->PC

启动程序运行

取指令PC->MAR->M->MDR->IR，（PC）+1->PC

分析指令OP（IR）->CU操作码给CU

执行指令Ad（IR）->MAR->M->MDR->ACC地址码给MAR

。。。

停机

1.3 计算机硬件的主要技术指标

机器字长：

CPU一次能处理数据的位数与CPU中的寄存器位数有关

运算速度：

主频

核数：每个核支持的线程数

吉普森法：$T_{\mathrm{M}}={\sum }_{i=1}^n{f}_i{t}_i$（对指令出现频率加权平均）

CPI：执行一条指令所需时钟周期数

IPC：一个时钟周期数所执行指令数

MIPS 每秒执行百万条指令

FLOPS每秒浮点运算次数

存储容量：

存放二进制信息的总位数