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[读书笔记] 计算机组成原理唐朔飞（一）基本概念

时间：2024-03-13 01:49:28

概论

一、计算机系统简介硬件、软件计算机系统的层次结构计算机体系结构和计算机组成二、计算机的基本组成冯诺依曼计算机的特点计算机硬件框图计算机的工作过程计算机硬件的主要技术指标总结

一、计算机系统简介

硬件、软件

硬件：电子元器件软件：系统软件、应用软件

系统软件：管理计算机系统，监视服务，合理调度系统资源，高效运行。

标准程序库语言处理程序（汇编程序：汇编语言→机器语言）（编译程序：高级语言→机器语言）操作系统（批处理系统、分时系统、实时系统）服务程序（诊断程序、调试程序、连接程序）数据库管理系统网络软件

应用软件：用户根据需求所编制的各种程序

计算机系统的层次结构

计算机体系结构和计算机组成

1. 计算机体系结构

能被程序员见到的计算机系统的属性（概念性的结构与功能与功能特性），不同机器属性，如指令集、数据类型、寻址技术，都不相同，因此不同属性机器的结构各不相同。（有什么指令）

2. 计算机组成

指如何实现计算机体系结构所体现的属性，对程序员而言是透明的硬件细节，如指令的实现（如何取指令、分析指令、取操作数、运算、送结果）都属于计算机组成问题。（如何实现指令）

二、计算机的基本组成

冯诺依曼计算机的特点

存储程序运算器存储器控制器输入输出设备五大部件组成计算机指令和数据以同等的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，通常按顺序执行，但是可通过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（现代计算机以存储器为中心）

计算机硬件框图

中央处理器（CPU - Central Processing Unit）：运算器＋控制器输入/输出设备（I/O Equipment）主存储器（Main Memory）CPU和主存储器结合可称为主机，I/O设备可称为外设主存储器：可与CPU直接交换信息算术逻辑单元（ALU）Arithmetic Logic Unit：算逻部件，完成算术逻辑运算控制单元（CU）Control Unit：解释存储器中的指令，并发出各种操作命令来执行指令。ALU和CU是CPU的核心I/O设备也受CU控制

计算机的工作过程

操作码表示指令所执行的操作，地址吗表示参加运算的数在存储器内的位置

主存储器（主存或内存）：包括存储体M、逻辑部件及控制电路。存储体由许多存储单元组成、每个存储单元包含若干个存储元件(存储基元、存储元)，一个存储元件可存储1bit，一个存储单元可存储一串二进制代码，并称这串二进制代码为一个存储字，这串二进制代码的位数成为存储字长，存储字长可以是8位，16位，32位等。（存储体 → （每个存储单元都有一个地址号）存储单元（存储字长位的一串二进制代码）→ 存储元件（0/1）），

主存工作方式为按地址访问存储器，为了能实现按地址访问的方式，主存中还配置两个寄存器MAR（Memory Address Register）和MDR（Memory Data Register），MAR是存储器地址寄存器，用来存放将要访问的存储单元地址，位数为对应存储器单元的个数（10位的MAR对应210=1024个存储单元）。MDR是存储器数据寄存器，用来存放从某存储单元取出的代码或是准备存入的代码，位数和存储字长相等。

运算器：最少包括3个寄存器（ACC Accumulator 累加器， MQ Multiplier-Quotient Register 乘商寄存器， X 操作数寄存器）和一个算数逻辑单元（ALU），不同机器运算器结构也不同。

控制器：计算机的神经中枢，指挥各部件。

命令存储器读指令（取指），分析指令，指出指令完成什么操作，并按地址寻访操作数（分析），根据操作数的地址以及指令的操作码完成某种操作（执行）。

控制器由**程序计数器（Program Counter PC）、控制单元（Control Unit CU）、指令寄存器（Instruction Register IR）**组成。

PC -> 存放当前欲执行指令的地址，与主存的MAR有一条直接通路，且能自动加一（形成下一条指令的地址）

IR -> 存放当前的指令，IR内容来自主存的MDR，IR中的操作码送至CU分析指令（OP(IR) -> CU），其地址码作为操作数的地址送至MAR（AD(IR) -> MAR）

CU -> 分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，控制所有被控对象

I/O：I/O子系统包括各种I/O设备由接口与主机联系，接收CU的控制命令，完成相应操作。

计算机硬件的主要技术指标

机器字长：指CPU一次能处理数据的位数，与CPU的寄存器位数有关。机器字长也会影响运算速度（机器字长短，运算位数较多时，需经过两次或多次运算）存储容量：包括主存容量和辅存容量，主存容量指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的位数表示存储单元个数，MDR位数表示存储字长，（MAR为16位，216 = 65535 表示有216个存储单元，既64K个存储字，MDR为32位，表示存储容量为216 × 32 = 221 = 2M位）。

现代计算机中以字节数描述主存和辅存容量大小（1Byte = 8bit），2M位存储容量也就是218byte， 256KB。运算速度：现代计算机普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，并用MIPS（Million Instruction Per Second 百万条指令每秒）作为计量单位，（每秒执行200万条指令就是2MIPS）。也可用CPI（Cycle Per Instruction）执行一条指令所需的时钟周期（机器主频的倒数），或是FLOPS（Floating Point Operation Per Second）浮点运算次数每秒来衡量。