计算机组成原理(唐朔飞) 知识点总结 第一章

第一章 计算机系统概论

计算机组成原理(唐朔飞) 知识点总结

1.1 计算机系统简介

1.1.1计算机的软硬件概念

从整体上看,计算机系统主要由软件和硬件两部分组成。计算机组成原理主要是来研究计算机硬件。

硬件:计算机的实体部分
经过几十年的发展,从电子管计算机,发展为晶体管计算机,再到后来的集成电路计算机,到如今的超大规模集成电路计算机。
软件:由人们事先编制好的具有特殊功能的程序组成,通常把这类程序寄寓于各类媒体(如RAM、ROM、磁带、磁盘、光盘等)

1.1.2计算机系统的层次结构

现代计算机一般分为五个层次,分别为高级语言机器M4、汇编语言机器M3、操作系统机器M2、机器语言机器M1、微程序机器M0,奇中M4M3和M2为虚拟机器,硬件研究对象主要为M1和M0,软件的研究对象主要为操系统以上的各级虚拟机。随着大规模集成电路的发展,软硬件交界面正在从M0向上发展。
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1.1.3计算机组成与计算机体系结构的区分

计算机体系结构是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。

计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性,它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节

说人话就是,计算机体系结构是指计算机的基本组成部分,计算机组成为基本组成部分的实现细节。

1.2 计算机的基本组成

1.2.1冯诺依曼计算机特点

1)计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成
2)指令和数据以同等地位存放于存储器 中,并可按地址访问
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,操作码表示操作的性质,地址码表示操作时在存储器中的位置
5)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

现代计算机已转变为以存储器为中心
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1.2.2计算机硬件框图

其中运算器和控制器通常集成在同一块芯片上,统称为中央处理器,即CPU;输入输出设备统称为I/O设备,顾现代计算机认为由三大部分组成,CPU、I/O设备及主存储器(简称MM),CPU与MM合称主机,I/O设备成为外部设备
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1.2.3主存

主存是存储器子系统中的一类,可与CPU交换信息,另一类称为辅助存储器(简称辅存),又称外存。

主存包括存储体、各种逻辑部件及控制电路,存储体由许多存储单元组成,存储单元由若干存储元件组成,每个存储元件能存储一位二进制代码。

主存为能实现按地址访问,必须配置两个寄存器MAR(存储地址寄存器)和MDR(存储器数据寄存器)。MAR位数对应存储单元的个数,MDR位数与存储字长相等。现代计算机为使指令字长和数据字长可变,指令字长和数据字长由字节来确定。

运算器
运算器至少包含三个寄存器(现代计算机内部往往设有通用寄存器组)和一个算数逻辑单元。ACC寄存器为累加器,MQ寄存器为乘商寄存器,X为操作数寄存器。不同机器的运算器结构是不同的。

控制器
控制器由程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)及控制单元(CU)组成。控制器的工作流程为 取指–> 分析–>执行

I/O
I/O子系统包括各种I/O设备及其相应的接口

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一次处理数据的位数,通常与CPU的寄存器位数有关。

1.3.2存储容量

存储容量包括主存和辅存
存储容量 = 存储单元个数 x 存储字长
MAR的位数反应了从存储单元的个数,MDR的位数反应了存储字长

1.3.3运算速度

早期使用普通法(即完成一次加法或乘法所需要的时间)衡量运算速度。后来用吉普森法衡量。现代用单位时间内执行指令的条数来衡量,以MIPS(百万条指令每秒)为单位。也可用CPI(执行一条指令所需要的时钟周期)或FLOPS(每秒浮点运算次数)来衡量运算速度。

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