计算机完成指令的操作三个步骤,计算机组成原理——第一章计算机系统概论

1.1 计算机系统简介

一、计算机软硬件概念

1.计算机系统

硬件\(\to\)计算机实体

主机

外设

……

软件\(\to\)由具有各类特殊功能的信息(程序)组成

系统软件\(\to\)用来管理整个计算机系统

语言处理程序

操作系统

服务性程序

数据库管理系统

网络软件

……

应用软件\(\to\)按任务需要编制成的各种程序

二、计算机系统的层次结构

三、计算机体系结构和计算机组成

1. 计算机体系结构

计算机系统的属性，概念性的结构与功能特性\(\to\)可见的

指令系统

数据类型

寻址技术

I/O机理

2.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

1.2计算机的基本组成

一、冯·诺依曼计算机的特点

计算机由五大部件组成

运算器:算术运算+逻辑运算

控制器:指挥控制程序运行

存储器:存放数据和程序

输入设备:将信息转换成机器能识别的信息

输出设备:将结果转化为人们熟悉的形式

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

指令由操作码和地址码组成

存储程序

以运算器为中心

冯·诺依曼计算机硬件框图

二.计算机硬件框图

以存储器为中心的计算机硬件框图

现代计算机硬件框图

\[

\left.

\begin{array}{1}

\text{$

\left.

\begin{array}{1}

\text{$

\left.

\begin{array}

\text{运算器 ALU}\\

\text{控制器 CU}

\end{array}

\right\}$

CPU}\\

\text{存储器$

\begin{cases}

\text{主存}\\

\text{辅存}

\end{cases}

$}

\end{array}

\right\}

主机

$}\\

\text{$

\left.

\begin{array}{1}

\text{输入设备}\\

\text{输出设备}

\end{array}

\right\}

I/O设备

$}

\end{array}

\right\}

硬件

\]

三．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

程序——运算的全部步骤

指令——每一个步骤

指令格式:操作码+地址码

2.计算机的解题过程

(1) 存储器的基本组成

存储体 \(\to\) 存储单元 \(\to\) 存储元件 (0/1)

存储元件：用来存放一位二进制信息

存储单元: 存放一串二进制代码(字长)

存储体：许多个存储单元可组成存储矩阵

存储字:存储单元中二进制代码的组合，可表示

数值

指令

地址

逻辑数……

存储字长: 每个存储单元中二进制代码的位数

按地址寻访

MAR 存储器地址寄存器 (A-Address)

反应存储单元的个数

\(存储单元个数=2^\text{MAR位数}\)

MDR 存储器数据寄存器(D-Data)

反应存储字长

\(存储字长=MDR位数\)

(2)运算器的基本组成及操作过程

基本组成

操作过程

ACC

MQ

X

加法

被加数&和

加数

减法

被减数&差

减数

乘法

乘积高位

乘数&乘积低位

被乘数

除法

被除数&余数

商

除数

加法操作过程

减法操作过程

乘法操作过程

除法操作过程

(3)控制器基本组成

PC——程序计数器

存放当前欲执行指令的地址

具有计数功能

\((PC)+1\to PC\)

IR——指令寄存器

存放当前欲执行的指令

功能

解释指令

保证指令的按序执行

(4)主机完成一条指令的过程

\[

\text{完成一条指令}

\begin{cases}

\text{取指令——PC}\\

\text{分析指令——IR}\\

\text{执行指令——CU}\\

\end{cases}

\]

取数指令

取指令1-4

指令地址从PC放入MAR

指令地址由MAR送至存储体

指令被存储体送入MDR

指令由MDR送至IR

分析指令5

指令由IR送至CU进行分析

执行指令6-9

数据地址由IR传到MAR

数据被存储体送到MDR

数据被MDR送到ACC

存数指令(执行指令不同)

(5) \(ax^2+bx+c\) 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\(\to\)PC

启动程序运行

取指令 PC\(\to\)MAR\(\to\)M\(\to\)MDR\(\to\)IR, (PC) + 1\(\to\)PC

分析指令OP(IR)\(\to\)CU

执行指令Ad(IR)\(\to\)MAR\(\to\)M\(\to\)MDR\(\to\)ACC

……

打印结果

停机

1.3 计算机硬件的主要技术指标

机器字长\(\to\)CPU一次能处理数据的位数

通常与CPU的寄存器位数有关

运算速度

主频

核数\(\to\) 每个核支持的线程数

吉普森法 \(\to\) \(T_M=\sum_{i=1}^{n}f_it_i\)

CPI $\to $ 执行一条指令所需时钟周期数(平均值)

MIPS $\to $ 每秒执行百万条指令(还取决于指令复杂程度)

FLOPS \(\to\) 每秒浮点运算次数

存储容量\(\to\)存放二进制信息的总位数

主存容量

存储单元个数×存储字长

MAR10，MDR8\(\to\) 1K×8位

MAR16，MDR32\(\to\) 64K×32位

\(1K=2^\text{10}\)

字节数

\(2^\text{13}b=1KB\)

\(2^\text{21}b=256KB\)

辅存容量

字节数\(1GB=2^\text{30}b\)

疑难点

三个字长

字长

定义

存储字长

每个存储单元中二进制代码的位数

机器字长

CPU一次能处理数据的位数

与CPU的寄存器位数有关

指令字长

一条指令的位数(操作码+地址码)

与指令寄存器位数有关

如何区分存放在存储器中的指令和数据

完成一条指令有三个步骤\(\begin{cases}\text{取指令}\\\text{分析指令}\\\text{执行指令} \end{cases}\)，其中需要两次访问内存，可依此分为两个阶段：取指阶段\(\begin{cases}\text{取指令}\\\text{分析指令}\end{cases}\)取出指令、执行阶段\(\begin{cases}\text{执行指令}\end{cases}\)取出操作数，CPU根据阶段的不同可以判断取出的是指令还是数据：

\[

取指阶段取出：指令\\

执行阶段取出：数据

\]