組成原理（一）計算機系統概述

第一章 計算機系統概述

1.1 計算機基本概念

1. 計算機按照指令和資料流的分類：

   （1）單指令單資料流：SISD，傳統馮諾依曼體系

   （2）單指令多資料流：SIMD，

   （3）多指令單資料流：這種計算機實際上不存在

   （3）多指令多資料流：MIMD，

2. 軟硬體邏輯上等效：

   如果一個功能，既能用軟體實作，又能用硬體實作，則稱其為軟硬體邏輯等效

3. 進階語言-類自然語言 -> 虛拟機器M4

   彙編語言-符号語言 -> 虛拟機器M3

   ----------------------------------

   作業系統 - 虛拟機M2

   （一開始計算機并沒有設計這一層，後來為了把每次程式設計都需要用到的檔案管理，記憶體管理等抽取出來而形成）

   ----------------------------------

   機器語言-二進制 -> 實際機器M1

   微指令系統 -> 微程式機器M0

   【注】一條機器指令就是一條微程式，這條微程式是由多條微指令構成的，每個微指令發送一個微指令進行一個微操作讓計算機前行。

4. 計算機硬體基本組成：馮諾依曼機器

   （1）運算器，控制器，存儲器，輸入輸出裝置

   （2）采用存儲程式的方式執行，資料用二進制形式表示

   （3）指令由操作碼和位址碼組成

   （4）指令在存儲器中按照執行順序存放，由PC緻命要執行的指令的存儲單元。一般為按順序遞增

   （5）馮諾依曼機以運算器為核心，而現代機器以存儲器為核心(總線結構能看出來)

5. CPU：運算器ALU+控制器CU

   主機：CPU+主存

   硬體：外存

   IO裝置：輸入輸出裝置

1.2 馮諾依曼結構中的5大部件

1. 運算器

   運算器的長度x表明，一次最多可以對2個x位的資料進行操作

2. 存儲器

   （1）存儲器由多個小房間組成，一個小房間存儲8bit資料，也就是1byte

   （2）\(2^{10}\)差生一個機關遞進

   （3）MAR：存儲位址的寄存器

            MDR：存儲資料的寄存器

   （4）MAR的位數和MDR的位數可以算出整個主存的大小。

   MAR的位數給出了主存中有幾個小房間，而MDR的位數給出了每個小房間的大小是多少。eg：MAR10位，MDR8位，則主存總共\(2^10 * 8bit\) 3. 控制器

   （1）任務：按照一定順序逐條取指令，對指令譯碼，然後執行指令的操作

   （2）控制器在一個取值周期到來後從記憶體讀取資訊流（指令流），流向執行器

   （3）執行器再周期的從記憶體中讀取資訊流（資料流），流向運算器

3. 計算機的全過程

   （1）輸入程式和資料

   （2）程式首位址放到pc

   （3）啟動應用程式

   （4）把PC寄存器的值放到MAR寄存器中

   （5）按照MAR的位址從主存取得資料放到MDR

   （6）此時取得的資料是指令，是以再把MDR的資料放到IR(指令寄存器)

   （7）分析指令OP(IR)：分解開操作數和操作碼，把IR的操作碼放到CU(控制碼)

   （9）執行指令：把IR的操作數(需要操作的數的位址)部分拿出來放到mar，按照mar的位址去主存取數放到MDR，再把MDR的資料放到ACC（ALU中的累加器）

   （10）最後執行PC+1放到PC

   （11）列印結果

   （12）解除安裝程式

1.3 計算機性能名額

1. 機器字長：參與運算的資料的基本位數。也是加法器，寄存器的位數
2. 資料總線一次傳輸的資料位數稱作資料同路的寬度
3. 吞吐量：指的是系統在機關時間内處理的請求數量

4. 響應時間：系統對請求做出響應的時間=CPU時間+等待時間

   1）CPU時間為運作程式所花的時間

   2）等待時間：用于磁盤通路，存儲器通路，IO操作，作業系統的開銷時間

5. CPU主頻又稱時間頻率，表示數字脈沖信号振蕩的頻率。機關是時鐘周期/s
6. 主頻的倒數就是時鐘周期
7. CPI是每條指令執行時所需的時鐘周期數。CPI往往使一個平局數，使用機率論算出來的機率和
8. IPC是每個時鐘周期執行的指令數，和CPI成倒數關系