计算机组成原理（1）

计算机系统概论

计算机系统简介

现代计算机系统由硬件（计算机的实体如主机、外设等）和软件构成（由具有各类特殊功能的信息（程序）组成

计算机软件

• 系统软件：用来管理整个计算机系统

  -语言处理程序：Basic、C、Pascal

  -操作系统：DOS、UNIX

  -服务性程序：Word、PCTOOLS

  -数据库管理系统：SQL、Oracle

  -网络软件：Windows NT

• 应用软件：按任务需要编织成的各种程序、

计算机系统的层次结构

• 处理系统复杂的方法

  -抽象：指高级的模型和低级的实体相对

• 层次结构

微指令系统：微程序机器M0
                ↑
硬件    机器语言：实际机器M1
                ↑
--------------------------------------------------------------        
        操作系统：虚拟机器
                ↑
软件    汇编语言：虚拟机器M2
                ↑   
        高级语言：虚拟机器M3
           

计算机的基本组成

冯诺依曼计算机（第一台1949年）特点

• 五大组成部分：运算器、存储器、输入设备、输出设备、控制器
• 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
• 指令和数据用二进制表示
• 指令由操作码和地址码组成
• 存储程序（重点）：程序存在存储器当中
• 以运算器为中心

冯诺依曼计算机硬件框图（以运算器为中心）

以存储器为中心的计算机硬件框图

现代计算机硬件框图

系统复杂性管理的方法(3Y)

• 层次化(Hierachy)：将被设计的系统划分为多个模块或子模块
• 模块化(Modularity)：有明确定义的功能和接口
• 规则性(regularity)：模块更容易被重用

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——运算的全部步骤
  • 指令——每一个步骤

编程举例：

计算ax^2+bx+c
  
  取x至运算器中
  乘以x在运算器中
  乘以a在运算器中
  将ax^2存储在存储器中
  取b至运算器中
  乘以x在运算器中
  加ax^2在运算器中
  加c在运算器中
-----------------------------------------------
转化为（ax+b)x+c （算法中的改进）

  取x至运算器中
  乘以a在运算器中
  加b在运算器中
  乘以x在运算器中
  加c在运算器中
           

指令格式举例

取数 α              [α]->ACC
操作码  内存单元地址
000001  0000001000

存数 β              [ACC]->β

加法 γ              [ACC]+[γ]->ACC

乘法 Ω              [ACC]*[Ω]->ACC

打印

停机
           

存储器的基本组成

存储体-存储单元-存储元件

• 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：存储单元中的二进制代码（存储字）位数，存储字长可以是8位、16位、32位等。
• 按地址寻访
  • MAR:存储地址寄存器，反映存储单元的个数
  • MDR:存储器数据寄存器，反映存储字长

运算器的基本组成及操作过程

功能为加减乘除

控制器的基本组成

功能：解释指令、保证指令的按序执行

主机完成一条指令的过程

以取数指令为例子

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
• 取指令放入IR PC->MAR->M->MDR->IR， (PC)+1->PC
• 分析指令 OP(IR)->CU
• 执行指令 Ad(IR)->MAR-> M->MDR->ACC
• …
• 打印结果
• 停机

计算机硬件的主要激素指标

• 机器字长：CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关
• 运算速度
  • 主频
  • 核数，每个核支持的线程数
  • 吉普森法
  • CPI 执行一条指令所需时钟周期数
  • MIPS 每秒执行百万条指令
  • FLOPS 每秒浮点运算次数
• 存储容量 存放二进制信息的总位数
  • 主存容量
    • 存储单元个数*存储字长
    • 字节数
  • 辅存容量