计算机组成原理笔记（一）-------计算机系统概论

第一章 计算机系统概论

1.1 计算机系统简介

1.1.1计算机的软硬件概念

计算机系统由“硬件”和“软件”组成。

1.硬件

• 硬件是指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件等实物组成。

2.软件

• 软件是指由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。

• 分为系统软件和应用软件

  系统软件：用来管理整个计算机系统

  • 标准程序库（eg:数学库）
  • 语言处理程序
  • 操作系统
  • 数据库管理系统
  • 网络软件

  应用软件：用户根据任务需要所编制的各种程序

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1.1.2计算机系统的层次结构

1.四级层次的结构的计算机系统

• M0：微指令系统

  ​ M1中的每条机器指令翻译成一组微指令，由于指令有先后执行顺序，所以把每一个时间点上执行的操作放到一个微指令中，通过微指令的执行顺序来控制操作的先后顺序。

• M1：实际机器。

  ​ 机器语言程序直接在M1上执行，由于机器语言很难编写，所以有了汇编语言。

• M2：汇编语言机器

  ​ 汇编语言机器也比较难理解，所以有了高级语言机器

• M3：高级语言机器

2.多级层次结构的计算机系统

1.1.3 计算机组成和计算机体系结构

1.2 计算机的基本组成

1.2.1 冯·诺依曼计算机特点

1. 计算机由五大部件组成。运算器、计算器、控制器、输入设备和输出设备。

2. 指令和数据用二进制表示

3. 指令由操作码和地址码组成。操作码用来表示操作的实质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。

4. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访。

5. 指令在存储器内按顺序存放。（存储程序）

6. 以运算器为中心，I/O设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

7. 冯诺依曼计算机硬件框图

1.2.2 计算机的硬件框图

1. 以存储器为中心的计算机硬件框图。

   

   • 运算器:用来完成算术运算和逻辑运算，并将中间结果暂存其中。
   • 存储器：用来存放数据和程序
   • 控制器：用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果。
   • 输入设备：将人们熟悉的信息形式转化为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标.
   • 输出设备:将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式,如打印机输出、显示器输出等…

2. 现代计算机硬件框图

   

   • ALU(算术逻辑单元):用来完成算术逻辑运算.
   • CU(控制单元):用来解释存储器中的指令,并发出各种操作命令来执行指令.
   • I/O设备也受CU控制,用来完成相应的输入、输出操作。

1.2.3计算机的工作步骤

1. 上机前的准备

   • 建立数学模型

   • 确定计算方法

   • 编制解题程序

     • 程序：机器运算的全部步骤
     • 指令：每一个步骤使用一一对应的机器指令描述

   • 编程举例：

     

     

     • 操作码：表示机器所执行的各种操作，如取数、存数、加、减、乘除、停机、打印等
     • 地址吗：表示参与运算的数在存储器内的位置
     • 指令 = 操作码+地址码

2. 计算机的工作过程。

   （1）存储器的基本组成。

• 存储体（大楼）—>存储单元(房间）—>存储元件(0/1)（有人/无人）

• 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，按地址访问)

• MAR：存储器地址寄存器，反映存储单元的个数,也是用二进制数据表示

• MDR：存储器数据寄存器，反映存储字长

  

（2）运算器的基本操作和操作过程。

​

1. 加法
   

2. 减法

   

3. 乘法

   

4. 除法

   

(3)控制器

• 功能：指挥各部件自动、协调的工作，完成控制指令的读取、解释和执行，中断事件的处理等。

• 组成：

  • ​ IR：用来存放当前的指令，IR的内容来自于主存的MDR。IR中的操作码（OP）送至CU，记作OP（IR）---->CU ，用来分析指令。地址码（Ad）作为操作数的地址送至存储器的MAR，记作Ad—>MAR。
  • CU：用来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，用以控制所有被控对象。

（4）主机完成一条指令的过程。

​ 以取数指令为例

• 取指令为前四步：PC–>MAR–>M–>MDR–>IR,PC+1

• 分析指令：OP(IR中的操作码)–>CU,

• 执行指令：Ad(IR中的操作数地址)=N–>MAR–>M–>MDR–>ACC

  ​ 1、将程序计数器PC中的指令地址送至地址寄存器MAR中

  ​ 2、根据MAR的地址找到存储器中的指定的存储单元。

  ​ 3、将存储单元中的数据送至数据寄存器MDR中（在控制器的控制下执行）

  ​ 4、将MDR中的指令送至指令寄存器IR中。

  =前四步为取指令操作==========

  ​ 5、将IR中的指令操作码部分送至控制器（CU），CU经过译码之后控制相应的部件,并控制IR把指令的地址部分**（操作数的地址）**送至MAR中

  第五步为分析指令操作==========

  ​ 6、将IR中的指令的地址部分**（操作数的地址）**送至MAR中。

  ​ 7、根据MAR的地址，指定存储器的存储单元

  ​ 8、将存储单元中的数据送至数据寄存器MDR中

  ​ 9、把MDR中的数据送入到ACC中。

  6~9步为执行指令操作==========

• 存数指令

  

（5）ax ² + 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 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。

1.3.1机器字长

• 机器字长：CPU一次能够处理的数据的位数，通常与CPU中寄存器的位数有关
• 说明：字长位数越多，精度越高，运算速度也越快，字长通常是8的整数倍，使得能够存放整数个字符的编码。例如：字长为8、16、32、64位等。

1.3.2 存储容量

**存储容量：**存放二进制信息的总位数

1.3.3 运算速度

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1.4 本书结构