计算机组成原理笔记

一、计算机系统概述

1、冯诺依曼计算机的特点

1. 计算机硬件系统由五大部件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备；
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，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。
5. 指令在存储器内按照顺序存放，通常，指令是顺序执行的，在特定的条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序。
6. 早期的冯诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器和存储器传送数据。(不太合理，花费大量时间用于数据传输，降低了运算器数据运算的效率)

典型的冯诺依曼计算机结构

 

 

现代计算机结构

 2、计算机语言级别

• 机器语言：二进制语言，计算机唯一可以直接识别和执行的语言；
• 汇编语言：用英文单词或者其缩写代替二进制的指令代码，易于人们的记忆和理解；
• 高级语言：为方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序；

3、计算机的工作过程

• 把程序和数据装入主存储器；
• 将源程序转换成可执行文件；
• 从可执行文件的首地址开始逐条执行指令；

4、计算机的性能指标

• 机器字长：计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数、加法器有关；
• 数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数；（指外部数据总线的宽度，它与CPU内部的数据总线宽度（内部寄存器的大小）有可能不同）；
• 主存容量：主存储器所能存储信息的最大容量，通常用字节来衡量，也可用字长*字数来表示存储容量；
• 运算速度：

        1）吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量

        2）响应时间：指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间，通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等的时间）；

        3）主频（CPU时钟频率）：机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数；

        4）CPU时钟周期：通常为节拍脉冲或T周期，即主频的倒数；

        5）CPI（Clock cycle Per Instruction），即执行一条指令所需的时钟周期数；

        6）CPU执行时间：指运行一个程序所花费的时间

                CPU执行时间 = CPU时钟周期数/主频 = （指令条数*CPI）/主频；

        7）MIPS、MFLOPS、GFLOPS和TFLOPS

 

本章知识架构

     

 二、中央处理器

中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。其中，控制器的功能是负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，包括取指令、分析指令和执行指令；运算器的功能是对数据进行加工。

CPU的具体功能包括：

1. 指令控制：完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制；
2. 操作控制：CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作；
3. 时间控制：对各种操作加以时间上的控制，时间控制要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。
4. 数据加工：对数据进行算术和逻辑运算；
5. 中断处理：对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊情况进行处理；

CPU的基本结构

CPU的组成

CPU的五级流水

MIPS五级流水线就是将指令分为：取指(IF)，译码(ID)，执行(EX)，访存(MEM)，写回(WB) 。