计算机基本原理及相关系统概述

目录

一，计算计发展历程

  1，计算机发展史

  2，冯诺依曼体系

二，计算机基本原理

1，计算机的工作原理

2，计算机系统组成

3，8位（bits）数加法器的制作流程

4，cpu的基本原理

5，cpu的基本工作流程

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一，计算机发展历程

1，计算机发展史

计算的需求在人类的历史中是广泛存在的，发展大体经历了从一般计算工具到机械计算机到目前的电子 计算机的发展历程。

 2，冯诺依曼体系

冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构，数学家冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则，即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），这套理论被称为冯·诺依曼体系结构

CPU 中央处理器: 进行算术运算和逻辑判断.

存储器: 分为外存和内存, 用于存储数据(使用二进制方式存储)

输入设备: 用户给计算机发号施令的设备.

输出设备: 计算机个用户汇报结果的设备 

二，计算机基本原理

       现代计算机，大部分都是基于冯诺依曼体系结构，而我们这里谈论的也是此问前提。冯诺依曼的核心是：存储程序，顺序执行。所以不管计算机如何发展，基本原理是相同的。计算机程序实际上是告诉计算机做什么

1，计算机的工作原理

对于我们现代计算机来说，最关键的2个部件就是CPU和内存。内存存储了要执行的程序指令，而CPU就是用来执行这些指令。CPU首先要知道这些指定存放在存储器的那个区域，然后才能执行，并且把执行的结果写入到执行区域。

2，计算机系统组成

计算机系统是由硬件系统和软件系统两大部分组成

计算机硬件是构成计算机系统各功能部件的集合。是由电子、机械和光电元件组成的各种计算机部件和设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础。计算机硬件是看得见、摸得着的，实实在在存在的物理实体。

计算机软件是指与计算机系统操作有关的各种程序以及任何与之相关的文档和数据的集合。其中程序是用程序设计语言描述的适合计算机执行的语句指令序列。

3，8位（bits）数加法器的制作流程

逻辑门 电子开关 —— 机械继电器

通过电子开关，我们可以实现 1 位(bit) 的看似无用的逻辑运算 

门电路

 

 

算术逻辑单元 

ALU 是计算机中进行算数、逻辑运算的核心部件，是计算机的数学大脑。接下来，我们用上面所构建的逻辑门来完成自己的一个 ALU，去理解它的工作模式，以便作我们进一步理解现代计算机工作原理。 

算术单元

负责计算机里的所有数字操作，比如四则运算，当然它能做的远远不止这些。接下来我们会实现一个 8 位（bits）的加法器（adder）来，以演示整个过程。

 

 至此，一个 8 位（bits) 加法器就被我们从无到有制作了出来。算术单元支持的操作当然远不止这些，通过继续组合逻辑门，算数单元可以做到加减乘除甚至更多的算术运算，但一个加法器作为演示已经足够了。

 4，cpu的基本原理

CPU内部由ALU（算术逻辑单元）、CU（控制器）、寄存器（PC、IR、PSW、DR、通用寄存器等）、中断系统组成，外部通过总线与控制总线、数据总线、地址总线进行相连，对数据和程序进行相关的操作。

 CPU的功能：
（1）指令控制：按照顺序进行取指操作，由控制器CU完成取指和分析指令的操作。
（2）操作控制：能对指令进行译码、寄存、执行的有关操作。
（3）时间控制：对各种操作进行的时间实施定时。
（4）数据加工：能够进行算术运算和逻辑运算，该功能的实现由ALU寄存器（算术逻辑单元）完成。
（5）处理中断：能够响应输入输出设备发出的中断请求。

                              CPU是计算机的核心，而ALU是CPU的核心
在计算机中，算术逻辑单元（ALU）是专门执行算术和逻辑运算的数字电路。 ALU是计算机中央处理器的最重要组成部分，甚至连最小的微处理器也包含ALU作计数功能。 在现代CPU和GPU处理器中已含有功能强大和复杂的ALU；一个单一的元件也可能含有ALU。

 5，cpu的基本工作流程

首先可以区分为三个阶段，取码阶段，解码阶段，执行阶段

1,取码阶段：CU根据PC寄存器的值，去内存的响应位置，把数据（指令）读取到IR寄存器中，正常情况下，PC寄存器中的值自动会+1

2,解码阶段：CU按照预先设定的指令集解读指令数据（opcode+操作数）

例如：0010  1110

            人为规定：0010是opcode

            查询指令表，知道0010代表的意思：从后边地址指定内存处，将数据读取到A寄存器

            地址：0b1110- >14

3,执行阶段：LOAD指令应该由CU执行，所以按照规定执行指令，从内存的14地址处，将数据读取到A寄存器中

• 1.由于硬件中PC在自动 + 1，所以我们的代码变成的指令才能顺序的往下去执行。
• 2.代码中的一条语句，很可能是需要多条指令才能完成, 语句是一组指令的封装抽象, 变量是一段内存空间的封装抽象。
• 3.PC寄存器中的值在这个指令周期中很关键，可以控制执行哪里的指令               

 CPU的运算快慢，就是看CPU执行指令周期的频率

 CPU主频可以粗略地看作：每秒钟CPU能执行多少个指令周期。

 CPU的正常工作流程  ：

取码->编码->执行周期        CPU会不断执行这个周期          
 CPU的中断模式：

正常模式下，CPU可以顺序执行，可以分支执行。但总归只能按照既定顺序去执行。
但现实中，很多时候，需要暂时中断CPU的当前执行流，先让CPU去做其他工作，再回过头继续原来的执行流。 CPU硬件中提供了一种机制（中断）让CPU停下来
    1.保存当前的PC的值到内存的某个位置
    2.修改PC的值，让执行其他执行流
    3.其他执行流结束之后，通过将刚才保存的PC值恢复到PC寄存器
    4.继续原来的执行流