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
- 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）
- 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