計算機組成原理（1）

計算機系統概論

計算機系統簡介

現代計算機系統由硬體（計算機的實體如主機、外設等）和軟體構成（由具有各類特殊功能的資訊（程式）組成

計算機軟體

• 系統軟體：用來管理整個計算機系統

  -語言處理程式：Basic、C、Pascal

  -作業系統：DOS、UNIX

  -服務性程式：Word、PCTOOLS

  -資料庫管理系統：SQL、Oracle

  -網絡軟體：Windows NT

• 應用軟體：按任務需要編織成的各種程式、

計算機系統的層次結構

• 處理系統複雜的方法

  -抽象：指進階的模型和低級的實體相對

• 層次結構

微指令系統：微程式機器M0
                ↑
硬體    機器語言：實際機器M1
                ↑
--------------------------------------------------------------        
        作業系統：虛拟機器
                ↑
軟體    彙編語言：虛拟機器M2
                ↑   
        進階語言：虛拟機器M3
           

計算機的基本組成

馮諾依曼計算機（第一台1949年）特點

• 五大組成部分：運算器、存儲器、輸入裝置、輸出裝置、控制器
• 指令和資料以同等地位存于存儲器，可按位址尋訪
• 指令和資料用二進制表示
• 指令由操作碼和位址碼組成
• 存儲程式（重點）：程式存在存儲器當中
• 以運算器為中心

馮諾依曼計算機硬體框圖（以運算器為中心）

以存儲器為中心的計算機硬體框圖

現代計算機硬體框圖

系統複雜性管理的方法(3Y)

• 階層化(Hierachy)：将被設計的系統劃分為多個子產品或子子產品
• 子產品化(Modularity)：有明确定義的功能和接口
• 規則性(regularity)：子產品更容易被重用

計算機的工作步驟

1、上機前的準備

• 建立數學模型
• 确定計算方法
• 編制解題程式
  • 程式——運算的全部步驟
  • 指令——每一個步驟

程式設計舉例：

計算ax^2+bx+c
  
  取x至運算器中
  乘以x在運算器中
  乘以a在運算器中
  将ax^2存儲在存儲器中
  取b至運算器中
  乘以x在運算器中
  加ax^2在運算器中
  加c在運算器中
-----------------------------------------------
轉化為（ax+b)x+c （算法中的改進）

  取x至運算器中
  乘以a在運算器中
  加b在運算器中
  乘以x在運算器中
  加c在運算器中
           

指令格式舉例

取數 α              [α]->ACC
操作碼  記憶體單元位址
000001  0000001000

存數 β              [ACC]->β

加法 γ              [ACC]+[γ]->ACC

乘法 Ω              [ACC]*[Ω]->ACC

列印

停機
           

存儲器的基本組成

存儲體-存儲單元-存儲元件

• 存儲單元：存放一串二進制代碼
• 存儲字：存儲單元中二進制代碼的組合
• 存儲字長：存儲單元中的二進制代碼（存儲字）位數，存儲字長可以是8位、16位、32位等。
• 按位址尋訪
  • MAR:存儲位址寄存器，反映存儲單元的個數
  • MDR:存儲器資料寄存器，反映存儲字長

運算器的基本組成及操作過程

功能為加減乘除

控制器的基本組成

功能：解釋指令、保證指令的按序執行

主機完成一條指令的過程

以取數指令為例子

ax^2+bx+c程式的運作過程

• 将程式通過輸入裝置送至計算機
• 程式首位址->PC
• 啟動程式運作
• 取指令放入IR PC->MAR->M->MDR->IR， (PC)+1->PC
• 分析指令 OP(IR)->CU
• 執行指令 Ad(IR)->MAR-> M->MDR->ACC
• …
• 列印結果
• 停機

計算機硬體的主要激素名額

• 機器字長：CPU一次能處理資料的位數，與CPU中的寄存器位數有關
• 運算速度
  • 主頻
  • 核數，每個核支援的線程數
  • 吉普森法
  • CPI 執行一條指令所需時鐘周期數
  • MIPS 每秒執行百萬條指令
  • FLOPS 每秒浮點運算次數
• 存儲容量 存放二進制資訊的總位數
  • 主存容量
    • 存儲單元個數*存儲字長
    • 位元組數
  • 輔存容量