第1章 计算机组成原理概述

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前言

本文介绍计算机的组成，主要包括计算机的系统构成、计算机的基本组成、计算机的的工作过程等。

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1.0 课程简介

1.0.1 课程的地位

1.0.2 课程学习思路

自顶向下的学习方法

1.0.3 课程组成

1. 计算机组成原理之机器
   • 计算机系统的基本概念
   • 总线
   • 存储器
   • 输入输出系统
2. 计算机组成原理之数字
   • 计算机中数的表示
   • 计算机的运算方法和运算器
3. 计算机组成原理之CPU
   • 指令系统
   • CPU的结构和功能
   • 控制单元
   • 控制单元的设计

1.1 计算机系统简介

1.1.1 计算机组成

1.计算机的类型

传感器、纽扣计算机、手机、台式计算机、超级计算机

2.计算机的组成

• 硬件：计算机实体，如主机、外设等
• 软件：由具有各种特殊功能的信息（程序）组成

3.软件组成

• 系统软件：用来管理整个计算机系统系统软件
  • 语言处理程序
  • 操作系统软件
  • 服务性程序
  • 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

1.1.2 计算机系统的层次结构

1.物理层方面

2.程序员角度

1.1.3 计算机体系结构与计算机组成

计算机体系结构：程序员所见到的计算机系统的属性，是一种概念性的结构与功能特性。（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）
计算机组成：实现计算机体系结构所体现的属性组成达（具体指令的实现）

1.2 计算机的基本组成

1.2.1 冯诺·依曼计算机的特点

1. 计算机由五大部件（输入设备、输出设备、控制器、存储器、运算器）组成
2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
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. 设备存储程序
6. 设备以运算器为中心

冯诺·依曼计算机框架图

• 输入设备：将输入信息转换为机器能识别的形式；
• 存储器： 存放数据和程序；
• 运算器：进行算数运算与逻辑运算；
• 输出设备：将运算结果转化为人们熟悉的形式；
• 控制器：指挥程序的运行

1.2.2计算机硬件框图

1. 以存储器为中心的计算机硬件框图

2. 现代计算机硬件框图

硬件

主机

CPU

存储器

主存

辅存

ALU运算器

CU控制器

I/O设备

输入设备

输出设备

系统复杂性管理的方法

• 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。

1.2.3 计算机工作步骤

1. 上机前的准备

• 建立问题的数学模型
• 确定问题的数学计算方法
• 编制解题程序

编程举例：
计算 $a{x}^2+bx+c$

计算	ax^2 + bx + c	(ax+b)x+c
指令1	取x 至运算器中	取x 至运算器中
指令2	乘以x 在运算器中	乘以a 在运算器中
指令3	乘以a 在运算器中	加b 在运算器中
指令4	存ax^2 在存储器中	乘以x 在运算器中
指令5	取b 至运算器中	加c 在运算器中
指令6	乘以x 在运算器中
指令7	加ax2 在运算器中
指令8	加c 在运算器中

指令码格式: [操作码 | 地址码]

2. 计算机的解题过程

(1) 存储器的基本组成

存储器由大到小依次为存储体、存储单元、存储元件(0/1)类似于大楼中的房间，房间中的床位（无人/有人）

MAR：存储器地址寄存器，反映存储单元的个数；
MDR：存储器数据寄存器，反映存储字长。

存储单元:存放一串二进制代码；
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,每个存储单元赋予一个地址号，按地址寻访。

(2) 运算器的基本组成及操作过程

运算器结构：

运算器运算过程：

(3) 控制器的基本组成

完成一条指令需要取指令PC、分析指令IR、执行指令CU三个过程。
PC :存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（PC）+1→PC；
IR ：存放当前欲执行的指令。

(4) 主机完成一条指令的过程

取数指令过程：

存数指令过程

(5) $a{x}^2+bx+c$ 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→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；
• 执行指令 Ad(IR)→MAR→M→MDR→ACC；
• ……
• 打印结果；
• 停机。

1.3 计算机硬件的主要技术指标

1. 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。
2. 运算速度

运算速度

主频

核数以及每个核支持的线程数

吉普森法Tm=F1T1+F2T2+...FnTn

CPI:执行一条指令所需时钟周期数

MIPS:每秒执行百万条指令

FLOPS:每秒浮点运算次数

3. 存储容量
   存放二进制信息的总位数

存储容量

主存容量

辅存容量

存储单元个数MAR*存储字长MDR

字节数

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总结

本文从多个角度介绍了计算机的组成。