24考研 王道计算机组成原理笔记

前言

改文章笔记来源于2023年王道计算机组成原理网课。为了方便参考学习，大家也可参考相应书籍。

计算机基本概念：

编程语言编写程序(源程序，不能直接执行，需要机器指令去转)->通过输入设备->到存储器（程序，需处理的数据）

计算机通过（执行程序（指令序列））来实现对数据的加工处理

计算机信息：

           控制信息->指令序列，微命令序列

           数据信息->数值型，非数据型

计算机主要部件：（由逻辑电路/电子电路）构成

• 用数字代码表示各种信息
• 数字信号表示数字代码

数字化表示信息优点：

• 在物理上容易实现信息的表示与存储
• 抗干扰能力强，可靠性高
• 数值表示范围大
• 可表示的信息类型及其广泛
• 能用数字逻辑技术进行信息处理

          

1.1计算系统的概述

1. 软件系统：
   • 系统软件：

操作系统（OS）

语言处理程序（BAISIC，pascal, c）

数据库管理系统（DBMS）

各种服务性支撑软件

各种标准程序库

• • 应用软件：抖音，QQ，王者等

 1.2计算机硬件的发展

  （1）硬件发展历程（逻辑元件）：

              电子管

              晶体管—面向过程语言出现

              中小规模集成电路--（CPU）--操作系统（Windows等）

              大规模集成电路

      体积减小，功耗降低

      目前发展趋势：“两极”分

微型计算机更微型，网络化，高性能，多用途

巨型机更巨型化，超高速，并行处理，智能化方向发展

 1.3计算机硬件的基本组成

   1.3.1（1）冯·诺依曼结构核心思想：

              二进制信息（数据，指令）

              程序存储

              五大硬件系统（存储器，运算器（中心），控制器，输入，输出设备）

知识点：程序存储：

• • 事先编写程序
  • 存储程序
  • 计算机自动的，连续的执行程序，除了人机对话，外部请求干预

(2)冯·诺依曼特点：

           1.计算机5大部件组成

           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.指令组成：操作码（运算），地址码（操作数据的位置）

           5.存储程序

           6.以运算器为中心（输入、输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器   完成）

1. 现代计算机结构： 以存储器为中心

     

   1.3.2主存储器的基本组成：

                       相类似     

        （1）存储体：

                            

               存储单元：里面放一串二进制代码（每个存储单元相当于每个抽屉）

               存储字(word)： 存储单元中二进制代码组合（抽屉里放的整个东西）

               存储字长 存储单元中二进制代码的位数（8bit的倍数：16,32…）

               存储元：存二进制的电子元件，每个存储元可存1bit（存放东西的包包）

              

              

（2）MAR:MAR位数反映存储单元的个数（抽屉的层数）

（3）MDR  ：MDR=存储字长（位数）(每个抽屉可以放多少东西)

            MAR=4位——>总共有2^4个存储单元

            MDR=16位——>每个存储单元可存16bit，1个字(word)=16bit

        注意：1个字节(Byte)=8bit

              1B=1个字节，1b=1个bit

1.3.3运算器基本组成

 （1）运算器：实现算术运算（加减），逻辑运算（与非）

      ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果

      MQ：乘商寄存器，用于存放操作数，或运算结果（乘，除）

      X:通用操作数寄存器，用于存放操作数

      ALU：算数逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算，逻辑运算

1.3.4控制器的基本组成

 CU：控制单元，分析指令，给出宏志信号

  IR：指令寄存器，存放当前执行的指令

  PC：程序计数器，存放下一条指令地址，+1功能

  

   1.3.5计算机工作过程

①首先写入高级语言

Int a=2,b=3,c=1,y=0;

Void main(){

Y=a*b+c;

}

②通过编译装入主存

初：(PC)=0,指向第一条指令的存储地址

#1：(PC)->MAR,导致(MAR)=0

#3：M(MAR)->MDR，导致（MDR）=000001 0000000101

#4：（MDR）->IR,导致（IR）=000001 0000000101

#5：OP(IR)->CU,指令的操作码送到CU，CU分析后得知，这是“取数”指令

#6：Ad(IR)->MAR,指令的地址码送到MAR,导致MAR=5

#8：M(MAR)->MDR,导致(MDR)=0000000000000010=2

#9：（MDR）->ACC，导致（ACC）=0000000000000010=2

 同理PC从1~4依次执行主存地址的相关指令

取指令：（#1~#4）

分析指令（#5）

执行取数指令（#6~#9）

  

总结：

M:主存中某存储单元

ACC,MQ,X,MAR,MDR…：相应寄存器

M(MAR)：取存储单元中的数据

ACC：取相应寄存器中的数据

指令：操作码---地址码

OP（IR）：取操作码

Ad(IR)：取地址码

“取数”指令执行：（从主存中指定地址处取数）

(PC)->MAR

M(MAR)->MDR

(MDR)->IR

取指令结束（PC）+1->PC

OP(IR)->CU

分析指令结束

Ad(IR)->MAR

M（MAR）->MDR

(MDR)->ACC

执行指令结束

1.4计算机系统层次结构：

• 软硬件组成
• 语言功能角度
• 软硬件划分和逻辑等价

• 软硬件组成

软件部分：

     系统级分析级（数字模型，算法）

     用户程序级（用户程序）

     语言处理程序（解释，编译）

     操作系统级（OS）

软，硬界面部分：

      传统机器级（指令系统）

硬件部分：

微程序级（微程序控制器）

逻辑部件级（硬逻辑部件）

从上到下：求解问题过程

从下到上：计算机系统逐级生成

• 语言功能角度：

  

• 软硬件划分和逻辑等价

   随着大规模集成电路技术和软件硬化趋势，计算机系统的软硬件界限变得模糊

   任何操作，指令可由软件，硬件来实现

   实体硬件功能扩大

   固件概念（功能是软件，形态是硬件）

   总体来说，是以硬件为基础，用软件扩充功能，用执行程序体现功能

1.5计算机性能的指标：

（1）存储器的性能指标：（与MAR，MDR有关）

总容量=存储单元个数*存储字长bit

      =存储单元个数*存储字长/8 Byte

1Byte=8bit

MAR=32位，MDR=8位

总容量=2^32*8bit=4GB

  n个二进制位能表示出（2^n）种不同的状态

（2）CPU的性能指标：（CPU主频）

CPU主频：（时钟频率）CPU内数字脉冲信号振荡的频率

CPU时钟周期：主频的倒数（微秒，纳秒）

CPI：每条指令的时钟周期（赫兹，HZ）

例如：某CPU主频为1000HZ，某程序包含100条指令，平均来看指令的CPI=3，该程序在该CPU 上执行需要多久？

      100*3*（1000/1）=0.3s

CPU执行时间（整个程序的耗时）=CPU时钟周期/主频=（指令条数*CPI）/主频

IPS：每秒执行多少条指令

IPS=主频/平均CPI

（3）系统整体的性能指标

数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）

吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量

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它所需要的结果的等待时间

（4）动态测试：

基准程序 是用来测量计算处理速度的一种实用程序