计算机组成原理学习笔记(1)

计算机系统概述

计算机硬件

1.冯诺依曼计算机的特点

• “存储程序”的工作方式 p:将实现编制好的程序和原始数据送入主存储器后才能执行，一旦程序被启动，无需人员干预，计算机自动逐条执行，直到结束。
• 硬件系统五大部分：运算器，存储器，控制器，输入设备，输出设备
• 指令数据等地位存在存储器中，形式上无区别，但计算机能分辨
• 指令数据均用二进制代码组成
• 指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址

2.计算机的功能部件

• 输入设备：将程序与数据以机器能接受的形式输入计算机
• 输出设备：将计算机结果以人类能接受的形式输出
• 存储器：分为主存储器（内存储器或主存）和辅助存储器（外存储器或外存）。CPU能直接访问的为主存，辅助存储器的内容必须进入主存才能访问。主存储器的工作方式为按存储单元的地址进行存取，称为按地址存取。MAR用于存放访存地址，位数反映最多可寻址的存储单元的个数。MDR用于暂存要从存储器读或写的信息，位数通常为存储字长
• 运算器：用于算术和逻辑运算。核心为ALU（算术逻辑单元）。运算器包含若干寄存器，其中ACC（累加器），MQ（乘商寄存器），X（操作数寄存器）是必须的
• 控制器：由PC（程序计数器），IR（指令寄存器），CU（控制单元）组成。PC存当前指令地址，会自动加1，即可自动形成下一条指令的地址。与MAR有直接通路。IR存放当前的指令，内容来自MDR，指令中的操作码OP送至CU，用于分析指令发出各种操作命令，而地址码AD送往MAR用于取数。
• p：运算器和控制器集成在芯片中称为CPU，CPU+主存称为主机，其余部件统称外设。
  

计算机硬件组成框图

记忆方法：控制器对其余设备有控有反馈，数据线必须经过存储器

计算机软件

1.系统软件和应用软件

按照功能分，可分为系统软件和应用软件。

系统软件是一组保证计算机系统高效正确运行的软件，主要有操作系统、数据库管理系统、语言处理程序、分布式软件系统等。应用软件是指用户解决某个应用领域而编制的软件。

2.三个级别的语言

• 机器语言：二进制代码语言，计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
• 汇编语言：用英语单词和缩写代替二进制的指令代码，必须进过汇编程序的翻译才能执行。
• 高级语言：方便设计人员解决问题的处理方案和解题过程的程序。通常先翻译成汇编语言再翻译成机器语言，但也可直接翻译成机器语言。

3.硬件和软件的等价性

有些功能硬件和软件均可以完成，如浮点数计算，硬件完成通常比软件完成效率高。

计算机系统的工作原理

1.存储程序工作方式

while 程序结束
{
	根据PC取指令
	指令译码，PC=PC+1
	取操作数执行
	送结果 
}

2.从源程序到可执行文件

3.指令执行过程

1. 取指令：PC-MAR-M-MDR-IR
   根据PC取指令到IR。PC将内容送到MAR，MAR送到地址线，同时控制器将读写信号送读/写信号线，主存通过地址线上的地址和读信号，从指定存储单元读出指令，送到数据线，MDR从数据线接受信息，送到IR中。
2. 分析指令：OP(IR)-CU
   指令译码送出控制信号。控制器根据IR中指令的操作码，生成对应的控制信号，送到不同的执行部件。
3. 执行指令：Ad(IR)-MAR-M-MDR-ACC
   取数。将IR指令中的地址码送到MAR，MAR中的内容送地址线，同时控制器将读信号送读写信号线，从主存取出操作数并通过数据线送到MDR，再送到ACC中。

计算机的性能指标

1.机器字长

字长是指计算机进行一次整数运算所嗯呢处理的二进制数据的位数，通常与CPU寄存器的位数，ALU有关。

2.数据通路带宽

数据总线一次能并行传送信息的位数。

3.主存容量

主存储器能存储信息的最大容量，可用字数*字长表示。MAR的位数反映存储单元的个数（2的幂次），MDR的位数反映了存储单元的字长。

4.运算速度

主频和CPU时钟周期

• 主频：时钟周期的倒数，直观理解即每秒多少个时钟周期
• CPU时钟周期：机器内部时钟脉冲信号的宽度，CPU的最小时间单位。

CPI,即一条指令所需的时钟周期（注：不同指令不同，所以CPI是个平均

IPS，每秒执行多少指令，即主频/CPI

MIPS，每秒执行多少百万条指令