计算机组成原理知识点梳理

第一章计算机系统概论

1.1 计算机系统简介

计算机系统结构：主要研究软硬件功能的分配和对软硬件界面的确定。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现是对计算机组成的物理实现。

计算机系统的层次结构

第三级：虚拟机器M4（高级语言机器）用编译程序翻译成汇编语言程序

第二级：虚拟机器M3（汇编语言机器）用汇编语言翻译成机器语言程序

操作系统：虚拟机器M2 （操作系统机器）用机器语言解释操作系统

第一级：传统机器M1（传统机器M1）用微程序解释机器命令

第零级：微程序机器M0 （微指令系统）由硬件直接执行微指令

1.2 计算机的基本组成

冯·诺依曼计算机的特点（机器以运算器为中心）

1. 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成
2. 指令(程序)和数据以二进制不加区别地存储在存储器中
3. 程序自动运行

现代计算机由三大部分组成（已经转化为以存储器为中心）

1. CPU(Central Processing Unit) 中央处理器，核心部件为ALU(Arithmetic Logic Unit,算术逻辑单元)和CU(Control Unit,控制单元)
2. I/O设备(受CU控制)
3. 主存储器(Main Memory,MM)，分为RAM(随机存储器)和ROM(只读存储器)
//CPU与MM合成主机，I/O设备可称为外部设备

一条指令在CPU的执行过程

// 专业术语
1. Ad(Address) 形式地址
2. DR(Data Register) 数据寄存器
3. AR(Address Register) 地址寄存器(MAR)
4. IR(Instruction Register) 指令寄存器
5. BR(Buffer Register) 缓冲寄存器(MBR)
5. ID(Instruction Decoder) 指令译码器
6. PC(ProgramCounter) 程序计数器

CPU内部结构框图

过程详述：

几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：

取指令

指令译码

执行指令

访存取数

结果写回

1.取指令阶段取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增：若为单字长指令，则(PC)+1àPC；若为双字长指令，则(PC)+2àPC，依此类推。//PC -> AR -> Memory//Memory -> IR
2.指令译码阶段取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。在组合逻辑控制的计算机中，指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位，以形成不同的微操作序列；在微程序控制的计算机中，指令译码器用指令操作码来找到执行该指令的微程序的入口，并从此入口开始执行。//                      { 1.Ad//Memory -> IR -> ID ->   { 2.PC变化 //                      { 3.CU（Control Unit）
3.访存取数阶段根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。//Ad -> AR -> AD -> Memory
4.执行指令阶段在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。例如，如果要求完成一个加法运算，算术逻辑单元ALU将被连接到一组输入和一组输出，输入端提供需要相加的数值，输出端将含有最后的运算结果。//Memory -> DR -> ALU
5.结果写回阶段作为最后一个阶段，结果写回（Writeback，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式：结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。//DR -> Memory
6.循环阶段在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。//重复 1~5//遇hlt(holt on)停止

作者：admirersuper
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