计算机组成原理(1)--计算机系统概论

一、计算机系统简介

1.计算机系统软硬件概念

计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。
所谓“硬件”，是指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机
设备的实物组成，如主机、外部设备等。
所谓“软件”，它看不见摸不着，由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。（摘自计算机组成原理第3版 唐朔飞 ）

a.计算机系统的组成

b.硬件系统

计算机硬件系统的一种构成形式：

c.软件系统

2.计算机系统的层次结构

a.计算机的解题过程

b.计算机的层次结构

3.计算机体系结构和计算机组成

在学习计算机组成时，应当注意如何区别计算机体系结构与计算机组成这两个基本概念。

a.计算机体系结构

计算机体系结构是指那些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
功能特性。
计算机系统的属性通常是指用机器语言编程的程序员（也包括汇编语言程序设计
者和汇编程序设计者）所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、 I/O
机理等，大都属千抽象的属性。
指令系统体现了机器的属性，这是属千计算机结构的问题。
有无乘法指令

b.计算机组成

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。
但指令的实现，即如何取指令、分析指令、取操作数、运算、送结果等，这些都属于计算机组成问题。
如何实现乘法指令。

二、计算机的基本组成

1.冯·诺依曼计算机的特点

1945 年，数学家冯·诺依曼 (von Neumann) 在研究 EDVAC 机时提出了“存储程序”的概念。
以此概念为基础的各类计算机通称为冯·诺依曼机。它的特点可归结如下：

• 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成。

• 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址寻访。

• 指令和数据均用二进制数表示。

• 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。

• 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。

• 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成

2.计算机的硬件框图

典型的冯·诺依曼计算机结构框图：

运算器：用来完成 算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内。
存储器：用来 存放数据和程序。
控制器：用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果（ 指挥程序运行）。
输入设备：用来 将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠
标等。
输出设备： 可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出、显示器输
出等。

以存储器为中心的计算机硬件框图：

现代计算机硬件框图：

CPU：ALU（运算器）、CU（控制器）
存储器：主存、辅存
主机：CPU、存储器
I\O设备：输入设备、输出设备
硬件：主机、I\O设备

3.计算机的工作步骤

a.上机前的准备

建立数学模型
确定计算方法
编制解题程序

b.计算机的工作过程

细化的计算机组成框图：

几个基本概念
存储器：是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
存储元：存储器的最小组成单位，用以存储1位二进制代码。
存储单元：是CPU访问存储器基本单位，由若干个具有相同操作属性的存储元组成。
单元地址：在存储器中用以标识存储单元的唯一编号，CPU通过该编号访问相应的存储单元。
字存储单元：存放一个字的存储单元，相应的单元地址叫字地址。
字节存储单元：存放一个字节的存储单元，相应的单元地址叫字节地址
存储体：存储单元的集合，是存放二进制信息的地方
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

三、计算机硬件的主要指标

1.机器字长

指的是CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
字长越长，数的表示范围越大，精度越高。
机器字长也会影响机器的运算速度。若CPU字长较短，但要运算位数较多的数据，那么需要经过两次或多次的运算才能完成，影响机器的运算速度。
机器字长对硬件造价有影响。

2.存储容量

存储容量包括主存容量和辅存容量。
主存容量指的是主存中存放二进制代码的总位数。
{存储容量=存储单元个数*存储字长}
MAR的位数表明存储单元的个数；
MDR的位数表明存储字长。
例：MAR为16位，其存储单元有65536个=216
64K 1K=1024= 210
MDR为32位，表示存储容量为216*32= 221=2M位
辅存容量通常用字节数表示，硬盘容量为80G

3.运算速度

存储容量：是存储器可以容纳的二进制信息量.
以字节（byte简写为B）为单位。常用的单位还有KB、MB、GB等。1Byte＝8bit；1KB=1024B；1MB=1024KB；1GB=1024MB；1TB=1024GB
指令执行时间：是指取指令和执行指令所花时间的总和。
可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。
兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。
性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标