计算机组成原理【1】初识硬件

目录

考点1:硬件发展————————————————————————————

一.计算机硬件的基本组成

1.早期冯诺依曼机

(1)冯.诺依曼计算机的特点:

2.现代计算机的结构

3.总结图

二.各个硬件的工作原理

1.寄存器MAR,MDR

2.主存储器(内存)

考点2:以下定义————————————————————————————

3.运算器

4.控制器

5.运行实例

题目:解析这段C语言的CPU运行

 (0)PC指向0地址处的取数操作:取地址5中的a放入ACC中。

(1)执行 a*b

(2)执行 ab+c

 (3)将 ab+c 执行完的结果存入地址8处

(4)执行内存4中的停机指令

 (5)总结

三.计算机系统的层次结构

1.五层结构

2.编译型语言,解释型语言

3.总结

4.计算机体系结构vs计算机组成原理

四.计算机性能指标

1.CPU性能指标

(1)CPU主频,CPI

(2) IPS,FLOPS

2.系统整体的性能指标

(1)静态指标


摩尔定律:揭示了信息技术进步的速度
集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,整体性能也将提升一倍

考点1:硬件发展————————————————————————————

第一代:电子管时代
第二代:晶体管时代
第三代:中小规模集成电路时代
第四代:大规模、超大规模集成电路时代

一.计算机硬件的基本组成

早期冯诺依曼机的结构:
(1)计算机硬件的基本组成
(2)现代计算机的结构
 

1.早期冯诺依曼机

(1)冯.诺依曼计算机的特点:

1.计算机由 五大部件组成
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.指令由操作码和地址码组成
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作为中转完成)

2.现代计算机的结构

冯诺依曼需要以运算器作为中转完成效率低,现代计算机的结构就直接把书数据放入存储器了

CPU=运算器+控制器

因为CPU=运算器+控制器,所以上图可简化为下图:

 主存是主存储器(内存),辅存(硬盘)

 

3.总结图

二.各个硬件的工作原理

1.寄存器MAR,MDR

 数据就是计算机想要的货物,CPU不同于菜鸟驿站的地方:CPU不仅可以取数据也可以写数据

MAR:地址寄存器,用于指明要读/写哪个存储单元。其位数反映存储单元数量
MDR:数据寄存器,用于暂存要读/写的数据。其位数=存储字长

注意:MAR、MDR逻辑属于主存,但是现在的计算机通常把MAR、MDR也集成在CPU内

2.主存储器(内存)

MAR :指明存储单元的地址。

考点2:以下定义————————————————————————————

存储单元:每个存储单元存放一串二进制代码
存储字(word):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
存储元:即存储二进制的电子元件,每个存储元可存1bit

例:
MAR=4位——>总共有2^4个存储单元
MDR=16位——>每个存储单元可存放16bit,
1个字(word) = 16bit
易混淆: 1个字节(Byte) = 8bit
1B=1个字节,1b=1个bit

举例:下载速度100Mbps(100Mb percent second 每秒100兆比特),1Byte= 8bit,100Mbps/8=12MB/s

3.运算器

运算器:用于实现算术运算(如: 加减乘除)、逻辑运算(如: 与或非)

ACC:累加器,用于存放操作数或运算结果
MQ:乘商寄存器,在乘、除运算时,用于存放操作数或运算结果
X:通用的操作数寄存器,用于存放操作数(可以有多个,但是理论上一个就够用)
ALU:算法逻辑单元,通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算

4.控制器

CU:控制单元,分析指令,给出控制信号
IR:指令寄存器,存放当前执行的指令
PC:程序计数器,存放下一条指令地日,有自动加1功能
Control Unit
Instruction Register
Program Counter

5.运行实例

题目:解析这段C语言的CPU运行

 (0)PC指向0地址处的取数操作:取地址5中的a放入ACC中。

下面的第一个指令分为了9个微指令

PCC执行完“取指令”操作后会+1,指向1号地址

(1)执行 a*b

(2)执行 ab+c

 (3)将 ab+c 执行完的结果存入地址8处

(4)执行内存4中的停机指令

 (5)总结

 

三.计算机系统的层次结构

1.五层结构

汇编和二进制机器指令一一对应,每个二进制机器指令在硬件上需要执行多个微指令。上三层属于软件,下两层属于硬件(计组关注下两层)。

2.编译型语言,解释型语言

C,C++叫做编译型语言。如: JavaScript、Python、Shell叫做解释型语言。编译型语言一步到位,整体翻译成机器语言(编译程序类似于我们把中文文章全部翻译成英文文章);而解释型语言一条一条翻译成机器语言(解释程序类似于说一句翻译一句)。所以编译型语言效率高。

注: 编译、汇编、解释程序,可统称“翻译程序”,作用都是把高级语言翻译成低级语言

3.总结

4.计算机体系结构vs计算机组成原理

 

四.计算机性能指标

1.CPU性能指标

(1)CPU主频,CPI

10Hz=10个脉冲/s,则CPU主频表示每秒CPU的脉冲数或时钟周期(1个脉冲=1个时钟周期)

(2) IPS,FLOPS

IPS=主频 / 平均CPI,主频:表示每秒CPU的时钟周期,平均CPI:执行一条指令所需的时钟周期数,则IPS就是每秒执行多少指令

(文件大小用二进制单位,上面的硬件处理速率是十进制单位,例如主频3GHZ=3*10^9HZ=30亿HZ )

例子:

2.系统整体的性能指标

(1)静态指标

 问:主频高的CPU一定比主频低的CPU快吗?
不一定,还有CPI这个指标,例如:两个CPU,A的主频为2GHz,平均CPI=10;B的主频1GHz,平均CPI=1。

A:IPS=2/10=0.2G条指令/s;B:IPS=1/1=1G条指令/s,则此处B机器更快

问:若A、B两个CPU的平均CPI相同,那么A一定更快吗?
也不一定,还要看指令系统,如A不支持乘法指令,只能用多次加法实现乘法;而B支持乘法指令。

问:(基准程序执行得越快说明机器性能越好吗?
基准程序中的语句存在频度差异,运行结果也不能完全说明问题

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