计算机组成原理第一章

第一章—绪论

1.1冯诺依曼体制中那些至今仍广泛采用的要点

1.采用二进制代码表示数据和指令（信息数字化）。

2.采用存储程序工作方式（事先编制程序，事先存储程序、自动并连续的执行程序）。

3.由存储器、运算器、输出和输入设备、控制器。

1.1.1存储程序工作方式（冯·诺依曼思想核心）的三点含义

1.事先编制程序

2.事先存储程序

3.自动、连续地执行程序

以上是计算机的基本工作方式，冯·诺依曼机的这种工作方式被称为控制流驱动方式。逐步发出的控制信息成为一种控制信息流，简称控制流，它是驱动计算机工作的因素。以此处理的数据信息成为一种数据信息流，简称数据流，属于被驱动的部分。

1.1.2信息的数字化表示

数据作为计算机加工处理的对象和结果，分为两大类：数值型数据(数值大小及正负之分)和非数值型数据(字符、文字、图像、声音以及条件、命令、状态等逻辑信息)

数字化表示信息方法

(1) 在计算机中各种信息用数字代码表示

例：二进制数字代码表示数字大小和正负

用数字代码表示中、西文字符，和二进制表示数字大小的方法相同01000001表示A，01000010表示B

用数字代码表示图像，例如一个数字代码表示一个像素点，例如用1表示一个亮点，一个0表示暗点。只要像素点即数字代码足够多，那么在人眼里，图像就是连续的。

表示逻辑型信息

例：

用数字代码表示机器指令每条机器指令用一组数字代码表示，一条指令往往分为几个字段，如操作码字段(0000表示传送，0001表示相加，0010表示相减)、地址字段等。

用数字代码表示设备状态，例如用00表示设备现在空闲，用01表示设备忙。

(2) 用数字型电信号表示数字代码

电信号分为两类：模拟信号和数字信号

模拟信号：例：用电信号的幅值去模拟数值的大小，所以称为模拟信号、模拟量。许多物理量，例如：压力、温度等等，需要先通过传感器变为模拟信号，再转换为数字信号。

数字信号：分为两种形式：电平信号和脉冲信号。换句话说，一位数字信号表示一位数字代码

使用数字化方法表示信息的优点：

1.抗干扰能力强。假定电源为+5V，高电平表示1，低电平表示0，1和0之间还是有比较大的差别的。

2.依靠多为数字信号的组合，表示数值时可以获得更宽的范围和更高的精度。理论上，只要使用者愿意付出一定的代价，那么表示信息的位数就没有限制。

3.数字化信息容易存储，消息传送也比较容易实现。

4.可以表示的信息类型和范围极其广泛。

5.能用逻辑代数等数字逻辑技术进行信息处理，这成了计算机硬件设计的基础。

1.2计算机系统的硬、软件组成

1.2.1计算机硬件系统

#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .label text,#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .node rect,#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .node circle,#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .node ellipse,#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .node polygon,#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-6zEVSNUk8CcJ8abH :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;}

CPU

ALU算术逻辑部件

控制器

寄存器及连接

存储器

主存储器即内存

外存储器如U盘

主机

CPU由控制器、ALU算术逻辑部件、寄存器及连接等组成

主存储器中指令是按照执行顺序依次存放在连续的存储单元中，CPUS直接读出或写入

外存储器略

输入输出设备略

总线：是一组能为多个部件分时共享的信息传输线，分为三组：地址总线、数据总线、控制总线

接口：用于数据交互

1.2.2计算机软件系统

1.系统软件

操作系统：Windows、Linux、鸿蒙、Unix等等

编译程序与解释程序：一台计算机可以执行的各种指令的集合，称为这种计算机的指令系统。计算机硬件只能识别机器语言(机器指令代码)

各种软件平台

2.应用软件(略)

1.3层次结构模型

1.3.1计算机系统组成角度划分的层次结构模型：

#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .label text,#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .node rect,#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .node circle,#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .node ellipse,#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .node polygon,#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-QLuJpvN0zjeXNtZp :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;}

汇编语言层-通过汇编器向下

操作系统层-通过操作系统部分解释向下

指令系统层-直接执行或解释微程序向下

1面向问题语言层-通过编译器向下

5微体系结构层

指令系统层是计算机软件与硬件之间的一种接口，它是一直硬件和编译器都能理解的语言。

操作系统层又称混合层，本层新增指令由操作系统解释，而其他指令由微体系结构层直接执行

1.3.2从语言功能角度划分层次结构

#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .label text,#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .node rect,#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .node circle,#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .node ellipse,#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .node polygon,#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-OI18F17H2yGXl3tB :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;}

程序

专用语言虚拟机

高级语言虚拟机

汇编语言虚拟机

实际机器

1.3.3在逻辑上的等价

有许多功能既可以直接由硬件实现，也可以在硬件支持下靠软件实现，对用户来说是等价的。

1.4计算机的工作过程

1.4.1处理问题的步骤

1.系统分析

2.建立数学模型与设计算法

3.编写应用程序

4.编译为目标代码

5.由硬件执行目标程序

1.4.2指令执行过程

#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .label text,#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .node rect,#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .node circle,#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .node ellipse,#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .node polygon,#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-i1hYPal9S3F8oFOA :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;}

程序计数器+读取指令后PC的内容将自动修改

地址寄存器通过地址总线访问

地址译码

存储体

寄存器

指令

操作数

暂存器

ALU

1.取指令与指令分析

2.读取操作数：另一个操作数存放在CPU的AX寄存器中，运算后AX改存运算结构，原存放操作数不再保留

3.运算

4.后继指令地址。在读取指令时PC的内容已自动修改

1.5数字计算机的特点与性能指标

1.5.1数字计算机的特点

(1)能在程序控制下自动连续地工作

(2)运算速度快

(3)运算精度高。只要增加位数，理论上就可以使运算精度提高。

(4)具有较强的信息存储能力

(5)通用性强、应用领域广泛

1.5.2计算机的性能指标

1.基本字长

CPU的基本字长是指参与一次运算的二进制数的位数

2.数据通路宽度

数据总线一次所能并行传送的二进制数的位数称为数据通路宽度

3.运算速度

CPU时间：程序中所有指令的时钟周期数之和×T

CPI×P(指令条数)×时钟周期

指令条数/(MIPS×10^6)

(1)CPU时钟频率与主频

CPI指执行每条指令平均需要的时钟周期数

**时钟周期=1/f;**一个时钟周期只完成一个基本动作

*主频=外频(总线速度)倍频所以主频是时钟频率的整数倍，并且绝大多数微机采用CPU主频值作为速度指标。

(2)每秒平均执行指令的条数,常用单位是MIPS(每秒执行百万条指令)

MIPS=指令条数/执行时间×10^6=IPC×f

(3)分别标明几种典型四则运算所需时间

4.主存储器容量

两种表示方法：

(1)字节数

(2)单元数(字数)*位数

   在16位的系统中（比如Intel 8086）1字节（byte） = 8位（bit）在32位的系统中（比如win32） 1字（word）= 4字节（byte）=32（bit）在64位的系统中（比如win64）1字（word）= 8字节（byte）=64（bit）

5.外存容量

6.配置的外围设备及其性能

7.系统软件配置

1.6计算机的发展与应用

1.6.1计算机的发展历程

1.计算机的换代。

第一代(电子管计算机)

第二代(晶体管计算机)

第三代(中、小规模集成电路计算机)

第四代(大规模、超大规模集成电路计算机)

2.Intel 80*86系列微处理器的进展

3.分类

20世纪80年代以前，人们按功能、体积、价格等因素将计算机分为微型机、小型机、大中型机和巨型机。

现代计算机分为桌面计算机、服务型计算机、嵌入式计算机。

4.计算机网络

1.6.2提高计算机性能的若干技术

目前，计算机性能的提高主要有两个方面的因素：一是改进芯片，包括电子器件和电路的制造工艺，提高芯片的集成度与工作频率；更重要的手段是改进计算机的系统结构。(冯诺依曼)

1.提高单CPU性能的若干技术

(1)流水线处理技术

在CPU内部设置与指令不同执行阶段相对应的独立部件，以构成多级流水线结构。

(2)RISC(精简指令系统计算机)技术

不仅仅简化了指令系统，还简化了指令。

(3)超标量技术

标量CPU是指具有一条通用的指令执行流水线的处理机。超标量CPU则是指具有多条相互独立的指令执行流水线，可同时执行数条指令的处理机。

(4)平衡不同子系统的数据吞吐率

组成计算机的三个主要子系统(CPU系统、存储系统和I/O系统)之间存在不同的数据吞吐率和存储要求，而且差异很大，这就导致了它们之间寻求性能平衡的需要，调整组织结构，以补偿各子系统之间的能力不匹配，提高整个计算机系统的效率。

2.并行计算机

一个并行计算机是多个处理部件的集合。处理部件可以是CPU，也可以是计算机。

由多个处理器及存储器模块构成的并行计算机被称为多处理系统。处理器之间的通信通过共享存储器进行。将多个处理器集成在一块芯片上，称为多核芯片，从结构上看，多核芯片仍属于多处理器系统。

由多个计算机构成的并行计算机被称为多计算机系统。每个计算机只能访问自己的私有存储器，计算机之间的通信只能通过消息传递进行。

1.6.3计算机应用举例

1.科学计算

2.信息管理中的数据处理

3.科技工程中的数据处理

4.自动控制

5.计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助改造(CAM)、计算机模拟、计算机辅助教学CAI

6.人工智能

7.娱乐活动