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。

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

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

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。