第一章 计算机系统概论

《计算机组成原理》
计算机——数字电子计算机
组成——计算机硬件系统的逻辑实现（数字电路、数字逻辑、门电路、触发器……）
原理——数字电子计算机硬件系统一般实现的一般原理，不依托任何具体机器，是公共原理

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第一章 计算机系统概论

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1.1计算机系统简介
现代计算机系统由那两部分组成？
答：软件、硬件
硬件：计算机的实体，如主机、外设等（看得见摸得着）
软件：由具有各类功能的信息（程序）组成（看不见，但是存储在计算机当中）

软件：系统软件、应用软件
系统软件：用来管理整个计算机系统（硬件、软件），给计算机使用者提供人机较界面
（早起计算机没有系统软件，后来增加了系统软件，主要是通过系统软件，方便用户对计算机系统的使用）
如：语言处理程序、操作系统、服务性程序。数据库管理系统、网络软件
应用软件：按任务需要编制成的各种程序

计算机系统的层次结构：
软件实现——
虚拟机器M4：用编译程序翻译成汇编语言程序
虚拟机器M3：用汇编程序翻译成机器语言程序
虚拟机器M2：用机器语言来解释操作系统
硬件实现——
实际机器M1：用微指令解释机器指令
微程序机器M0：由硬件直接执行微指令

1.2计算基本组成
一、冯~诺依曼计算机的特点：
1.计算机由五大部件组成（运算器、控制器、存储器、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
（操作码指明这条指令要做什么操作，地址码操作数所在的地址）
5**（核心）.存储程序：程序存放在存储器当中
6.以运算器为中心
冯~诺依曼计算机的硬件框图：
以运算器为中心：
数据的输入输出必须要经过运算器，

改进
以存储器为中心的计算机硬件框图

现代计算机硬件框图


存储器的基本组成：

存储体—存储单元—存储元件（0/1）
大楼----房间-------床位（无人/有人）
存储单元：存放一串二进制代码
存储字：存储单元中二进制代码的组合
存储字长：存储单元中二进制代码的位数，每个存储单元赋予一个地址号
按地址寻访
MAR：存储器地址寄存器，反映存储单元的个数
MDR：存储器数据寄存器，反映存储字长
设：MAR=4位，MDR=8位，
存储单元个数16，存储字长8
（地址是4位，则有0000—1111这16个存储单元，MDR是8位，说明没一个存储单元进行访问时，访问出来的数据是8位，所以每一个存储字的字长是8位）

运算器的基本组成和工作过程：
运算器的主要功能就是完成运算，核心就是ALU

ACC MQ X
加法 被加数、和 加数
减法 被减数、差 减数
乘法 乘积高位 乘数乘积低位 被乘数
除法 被除数余数 商 除数

加法操作过程：
指令：加 M
初态：
ACC 被加数
【M】X (将M这个地址里的数放入X中)
[ACC]+[X]—>ACC(加法操作的结果再保存在ACC当中
减法操作过程；
指令：减 M
初态：
ACC 被减数
【M】X
[ACC]-[X]ACC
乘法操作过程：
指令： 乘 M
初态：
ACC 被乘数
【M】MQ (MQ里放乘数)
【ACC】X
0ACC
[X]*[MQ]—ACC//MQ
除法操作过程：
指令：除 M
初态：
ACC 被除数
【M】X
[ACC]/[X]MQ
余数在ACC中

控制器功能：
解释指令
保证指令的按序执行
控制器的基本组成：

完成一条指令：取指令PC、分析指令IR、执行指令CU
PC存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（PC）+1—>PC
IR存放当前欲执行的指令

主机完成一条指令的过程：
以取数指令为例

取指令：
1.PC把指令地址给MAR
2.MAR送给存储体
3.在控制器的控制下，存储体把指定存储单元当中保存的那条取数指令，取出来，送入MDR
4.MDR将取出来的指令，送入IR，因为IR的功能就是保存当前正在执行的这条指令
分析指令：
5.把指令寄存器IR中保存的操作码送入CU控制单元
执行指令：
6.从IR的地址码部分把地址取出，送入MAR
7.MAR把地址送给存储体
8.在控制器的控制下，从存储体当中，把取数指令要取的数取出来，存入到MDR
9．MDR将数送入到ACC中

以存数指令为例：
取指令：
1.PC把指令地址给MAR
2.MAR送给存储体
3.在控制器的控制下，存储体把指定存储单元当中保存的那条取数指令，取出来，送入MDR
4.MDR将取出来的指令，送入IR，因为IR的功能就是保存当前正在执行的这条指令
分析指令：
5.把指令寄存器IR中保存的操作码送入CU控制单元
执行指令：
6.从IR的地址码部分把地址取出，送入MAR
7.MAR把地址送给存储体
8.把ACC里面的内容送到MDR
9.在控制器的控制之下，把MDR当中的数据保存到存储体当中

程序的运行过程：
将程序通过输入设备送至计算机
程序首地址—>PC
启动程序运行
取指令 PCMARMMDRIR，（PC）+1PC
分析指令 OP(IR)—>CU
执行指令 Ad(IR)MAR—>MMDRACC
打印结果
停机

1.3计算机硬件的主要技术指标
1.机器字长：CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关
2.运算速度：
主频
核数：每个核支持的线程数
吉普森法
CPI：执行每一条指令所需的时钟周期数
MIPS：每秒执行百万条指令
FLOPS：每秒浮点运算次数
3.存储容量
存放二进制信息的总位数
主存容量、辅存容量
主存容量：
存储单元个数存储字长*
如MAR=10,MDR=8
容量2^10 8,即1K8位
MAR=16,MDR=32,容量：64K*32位
字节数
如2^13b=1KB(1B=23b)
2^21b=256KB
辅存容量：
字节数 80GB(1GB=2^30b)