计算机组成原理笔记 (1)：计算机组成概述

1 计算机的发展

1. 计算机系统=硬件+软件，其中硬件指计算机的实体，软件则是由各类特殊功能的程序组成。
2. 软件=系统软件+应用软件，其中系统软件用来管理整个计算机系统，应用软件是按任务需要编制成的各种程序。
3. 第一台电子数字计算机：ENIAC (1946)。
4. 逻辑元件发展：电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路。
5. 计算机目前发展趋势：1）微型多用途；2）巨型超高速。

2 计算机硬件的基本组成

6. 总体类别：1）早期冯诺依曼结构；2）现代计算机的结构。
7. 存储程序是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直到程序执行结束。
8. 世界上第一台采用冯诺依曼结构的计算机：EDVAC。
9. 早期冯诺依曼机：
   
10. 冯诺依曼机的特点：1）计算机包含五大部件；2）指令和数据以同等地位存储于存储器，可以按地址寻访；3）指令和数据用二进制表示；4）指令由操作码和地址码组成；5）存储程序；6）以运算器为中心
11. 现代计算机的结构：
    
    简化结构为：
    

3 硬件的工作原理

12. 主存储器=存储体+存储地址寄存器 (MAR, memory address register)+存储数据寄存器 (MDR, memory data register)。
13. 数据在存储体内按地址存储。
14. 存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码。
15. 存储字 (word)：存储单元中二进制代码的组合。
16. 存储字长：存储单元中二进制代码的位数。
17. 一个重要的例子：MAR=4位$\to$总共有$2^4$个存储单元；MDR=16位，每个存储单元可存放16bit (b)，即1word；一个字节 (B, Byte)=8b。
18. 运算器：用于实现算数运算、逻辑运算，包含ACC、MQ、X和ALU。
19. ACC：累加器，存储操作数或运算结果。
20. MQ：乘商寄存器，应用于乘、除运算。
21. X：操作数寄存器。
22. ALU：算数逻辑单元，实现复杂的算数运算和逻辑运算。
23. 控制器=CU+IR+PC
24. CU：控制单元，分析指令，给出控制信号。
25. IR：指令寄存器，执行指令。
26. PC：程序计数器，存放指令。

4 计算机系统的层次结构

27. 微程序机器M0 (微指令系统)–>传统机器M1 (用机器语言的机器)–>虚拟机器M2 (操作系统机器)–>虚拟机器M3 (汇编语言机器)–>虚拟机器M4 (高级语言机器)，具体如下图：
    
28. 编译程序：将高级语言编写的源程序一次性翻译为机器语言，而后在执行。
29. 解释程序：将源程序逐条翻译并立即执行，如此往复。

5 存储器的性能指标

30. 文件大小：$2^{10}$：K；$2^{20}$：M；$2^{30}$：G；$2^{40}$：T。
31. CPU主频：CPU内数字脉冲信号振荡的频率。
32. CPU主频 (时钟频率)=1/CPU时钟周期。
33. CPI：执行一条指令所需的时钟周期数。
34. 执行一条指令的耗时：CPI$\times$CPU时钟周期。
35. 例题：某CPU主频为1000Hz，某程序包含100条指令，指令的平均CPI=3，则该程序的CPU执行时间为？答：$100\ast 3/1000=0.3s$
36. IPS：每秒执行的指令数，且IPS=主频/平均CPI。
37. FLOPS：每秒执行多少次浮点运算，单位为$2^3$：K；$2^6$：M；$2^9$：G；$2^{12}$：T。
38. 数据道路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数。
39. 吞吐量：系统在单位时间内处理请求的数量。
40. 响应时间：用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得它所需要的结果的等待时间。
41. 基准程序 (跑分软件)：测量计算机处理速度的一种实用程序，以便被测量的计算机性能可以与运行相同程序的其他计算机进行性能比较。