前言
本文介绍计算机的组成，主要包括计算机的系统构成、计算机的基本组成、计算机的的工作过程等。
1.0 课程简介
1.0.1 课程的地位
1.0.2 课程学习思路
自顶向下的学习方法
1.0.3 课程组成
- 计算机组成原理之机器
- 计算机系统的基本概念
- 总线
- 存储器
- 输入输出系统
- 计算机组成原理之数字
- 计算机中数的表示
- 计算机的运算方法和运算器
- 计算机组成原理之CPU
- 指令系统
- CPU的结构和功能
- 控制单元
- 控制单元的设计
1.1 计算机系统简介
1.1.1 计算机组成
1.计算机的类型
传感器、纽扣计算机、手机、台式计算机、超级计算机
2.计算机的组成
- 硬件：计算机实体，如主机、外设等
- 软件：由具有各种特殊功能的信息（程序）组成
3.软件组成
- 系统软件：用来管理整个计算机系统系统软件
- 语言处理程序
- 操作系统软件
- 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
1.1.2 计算机系统的层次结构
1.物理层方面
2.程序员角度
1.1.3 计算机体系结构与计算机组成
计算机体系结构：程序员所见到的计算机系统的属性，是一种概念性的结构与功能特性。（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）
计算机组成：实现计算机体系结构所体现的属性组成达（具体指令的实现）
1.2 计算机的基本组成
1.2.1 冯诺·依曼计算机的特点
- 计算机由五大部件
（输入设备、输出设备、控制器、存储器、运算器）组成 - 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
- 指令和数据用二进制表示
- 指令由操作码和地址码组成
- 设备存储程序
- 设备以运算器为中心
- 输入设备：将输入信息转换为机器能识别的形式；
- 存储器： 存放数据和程序；
- 运算器：进行算数运算与逻辑运算；
- 输出设备：将运算结果转化为人们熟悉的形式；
- 控制器：指挥程序的运行
1.2.2计算机硬件框图
1. 以存储器为中心的计算机硬件框图
2. 现代计算机硬件框图
系统复杂性管理的方法
- 层次化（Hierachy）：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（regularity）：模块更容易被重用。
1.2.3 计算机工作步骤
1. 上机前的准备
- 建立问题的数学模型
- 确定问题的数学计算方法
- 编制解题程序
编程举例：
计算 a x 2 + b x + c ax^2 + bx + c ax2+bx+c
| 计算 | ax^2 + bx + c | (ax+b)x+c |
|---|---|---|
| 指令1 | 取x 至运算器中 | 取x 至运算器中 |
| 指令2 | 乘以x 在运算器中 | 乘以a 在运算器中 |
| 指令3 | 乘以a 在运算器中 | 加b 在运算器中 |
| 指令4 | 存ax^2 在存储器中 | 乘以x 在运算器中 |
| 指令5 | 取b 至运算器中 | 加c 在运算器中 |
| 指令6 | 乘以x 在运算器中 | |
| 指令7 | 加ax2 在运算器中 | |
| 指令8 | 加c 在运算器中 |
指令码格式: [操作码 | 地址码]
2. 计算机的解题过程
(1) 存储器的基本组成
存储器由大到小依次为存储体、存储单元、存储元件(0/1)类似于大楼中的房间，房间中的床位（无人/有人）
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。
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。
(2) 运算器的基本组成及操作过程
运算器结构：
运算器运算过程：
(3) 控制器的基本组成
完成一条指令需要取指令PC、分析指令IR、执行指令CU三个过程。
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。
(4) 主机完成一条指令的过程
取数指令过程：
存数指令过程
(5) a x 2 + b x + c ax^2 + bx + c 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
- 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。
- 运算速度
- 存储容量
存放二进制信息的总位数
总结
本文从多个角度介绍了计算机的组成。