计算机组成原理

计算机的基本组成

冯·诺依曼计算机的特点

其中五大部件分别为：运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。

冯·诺依曼计算机硬件框图

1. 计算机硬件框图

实线：数据线 虚线：控制线和反馈线

运算器：算术运算、逻辑运算

存储器：存放数据和程序

控制器:指挥控制程序的运行

输入设备：将信息转换成机器能识别的形式

输出设备：将结果转换成人们熟悉的形式

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   以存储器为中心的计算机硬件框图

3. 现代计算机硬件框图

• ALU：Arithmetic Logic Unit，算术逻辑单元
• CU：Control Unit，控制单元
• CPU：中央处理器

4. 系统复杂性管理的方法（3’Y）

• 层次化（Hierarchy）：将被设计的系统划分为多个模块或子模块

• 模块化（Modularity）：有明确定义（well-defined）的功能和接口

• 规则性（regularly）：模块更容易被重用

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计算机的工作步骤

上机前的准备

1. 建立数学模型

2. 确定计算方法

3. 编制解题程序

   • 程序 ——运算的全部步骤

   • 指令 ——每一个步骤

     指令格式举例 ACC(累加器)

     取数 α [α]→ACC

     000001 0000001000

     操作码 指令码

     存数 β [ACC]→β

     加 γ [ACC]+[γ]→ACC

     乘 θ [ACC][θ]→ACC*

     打印 φ [φ]→打印机

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计算机的解题过程

存储器的基本组成

• MAR：存储器地址寄存器，反映存储单元的个数
• MDR：存储器数字寄存器，反映存储字长
• M：存储体

运算器的基本组成

运算器的核心是ALU

MQ：乘商寄存器

操作过程

操作符	指令	初态	具体操作
加法	加 M	ACC 被加数	[M]→X，[ACC] + [X] →ACC
减法	减 M	ACC 被减数	[M]→X，[ACC] - [X] →ACC
乘法	乘 M	ACC 被乘数	[M]→MQ，[ACC]→X，0→ACC,【X】【MQ】→ACC//MQ
除法	除 M	ACC 被除数	[M]→X,[ACC]÷[X]→MQ

注： []表示地址M的内容;//表示两个寄存器之间的连接

控制器的功能和基本组成

控制器的功能

• 解释指令
• 保证指令的按序执行

PC：程序计数器

IR：指令寄存器

控制器的基本组成

1. PC：存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能(PC)+1→PC
2. IR:存放当前欲执行的指令
3. CU​：发出各种控制信号

主机完成一条指令的过程

1. 以取数操作为例

2. 以存数指令为例

• 无论是取数还是存数，都进行了1-4步
• 几乎每一步都在CU控制单元作用下完成
• 起点均为PC，它存放当前欲执行指令的地址

ax²+bx+c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

• 启动程序执行（此处以程序的第一步——取x为例）

• 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
  .
  .
  .

  注：OP()表示取操作码部分，Ad()表示取地址码部分

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计算机硬件的主要技术指标

机器字长

• 定义：CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关（相等）

  某CPU能够对两个八位二进制数做加法，结果还是一个八位二进制数，则该CPU一次能处理的位数为八位

• 影响：一般来说，机器字长越长，机器的性能越好

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运算速度

• 主频
• 核数，每个核支持的线程数
• 吉普森法 （采用加权平均的方法计算指令平均运行时间）
• CPI ：执行一条指令所需时钟周期数
• MIPS：每秒执行百万条指令
• FLOPS：每秒浮点运算次数（较以上最为合理）

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存储容量

• 定义：存放二进制信息的总位数

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计算机的发展及应用

计算机的发展史

• 世界上第一台电子计算机ENIAC（1946）

• 冯·诺依曼结构的计算机

• IBM System/360 系列产品

• 微型计算机的出现和发展（1970）

• 目前，芯片上可集成超过30亿个晶体管

• Moore定律：微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番
  ​ ——Intel公司的缔造者之一Gordon Moore提出

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软件技术的兴起和发展

各种语言

系统软件

• 语言处理程序：汇编程序 编译程序 解释程序
• 操作系统： DOS、UNIX、Windows、Linux、Kylin Linux
• 服务性程序：装配 调试 诊断 排错
• 数据库管理系统： 数据库和数据库管理软件
• 网络软件：使计算机与网络连接

软件发展的特点

• 开发周期长
• 制作成本昂贵
• 检测软件产品质量的特殊性

软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档

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计算机的应用

• 科学计算和数据处理

• 工业控制和实时控制

• 网络技术：
  电子商务 网络教育 敏捷制造

• 虚拟现实

• 办公自动化和管理信息系统

• CAD/CAM/CIMS

• 多媒体技术

• 人工智能

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  计算机的展望

• 计算机具有类似人脑的一些超级智能功能 要求计算机的速度要足够快

• 芯片集成度的提高受以下三方面的限制：
  ①芯片集成度受物理极限的制约 ②按几何级数递增的制作成本 ③芯片的功耗、散热、线延迟

• ？替代传统的硅芯片：
  ①光计算机：利用光子取代电子进行运算和存储
  ②DNA生物计算机：通过控制DNA分子间的生化反应
  ③量子计算机：利用原子所具有的原子特性

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计算机中数的表示和运算

数据的表示方法

无符号数和有符号数

无符号数

• 寄存器的位数反映无符号数的表示范围

有符号数

• 真值：带符号的数
• 机器数：符号数字化的数

没有专门的硬件用于存储小数点，其都是以约定俗成的方式存在

原码表示法

• 整数定义

  

• 小数定义

  

正数的原码符号位为0；数值位为其真值
负数的原码符号位为1；数值位为其真值

• 原码的特点

  1. 简单直观
  2. 但是用原码做加法时，会出现以下问题：

补码表示法

• 整数定义

• 小数定义

  

正数的补码符号位为0；数值位为其真值
负数的补码符号位为1；数值位为其真值对应位求反后末位加1

反码表示法

• 整数定义

• 小数定义

  

正数的补码符号位为0；数值位为其真值
负数的补码符号位为1；数值位为其真值对应位求反

三种机器数的小结

• 最高位为符号位，书写上~~用“，”（整数）~~或“.”（小数）将数值部分和符号位隔开

• 对于正数，原码=补码=反码

• 对于负数，符号位为1，其数值部分原码除符号位外每位按位取反末尾加1→补码 不加一→反码

• 表示范围

  

tips：[y]补 连同符号在内，每位取反，末位加1，即得[-y]补

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数的定点表示和浮点表示

定点表示

• 定义：小数点按约定方式标出

浮点表示

• 浮点数的一般形式：N=S×r的j次方

在计算机中，S是小数、可正可负；j是整数、可正可负

• 表示范围