文章目录

  • 前言
  • 1.0 课程简介
    • 1.0.1 课程的地位
    • 1.0.2 课程学习思路
    • 1.0.3 课程组成
  • 1.1 计算机系统简介
    • 1.1.1 计算机组成
      • 1.计算机的类型
      • 2.计算机的组成
      • 3.软件组成
    • 1.1.2 计算机系统的层次结构
      • 1.物理层方面
      • 2.程序员角度
    • 1.1.3 计算机体系结构与计算机组成
  • 1.2 计算机的基本组成
    • 1.2.1 冯诺·依曼计算机的特点
    • 1.2.2计算机硬件框图
      • 1. 以存储器为中心的计算机硬件框图
      • 2. 现代计算机硬件框图
    • 1.2.3 计算机工作步骤
      • 1. 上机前的准备
      • 2. 计算机的解题过程
        • (1) 存储器的基本组成
        • (2) 运算器的基本组成及操作过程
        • (3) 控制器的基本组成
        • (4) 主机完成一条指令的过程
        • (5) a x 2 + b x + c ax^2 + bx + c ax2+bx+c 程序的运行过程
  • 1.3 计算机硬件的主要技术指标
  • 总结

前言

本文介绍计算机的组成，主要包括计算机的系统构成、计算机的基本组成、计算机的的工作过程等。

1.0 课程简介

1.0.1 课程的地位

1.0.2 课程学习思路

自顶向下的学习方法

1.0.3 课程组成

  1. 计算机组成原理之机器

    • 计算机系统的基本概念
    • 总线
    • 存储器
    • 输入输出系统
  2. 计算机组成原理之数字
    • 计算机中数的表示
    • 计算机的运算方法和运算器
  3. 计算机组成原理之CPU
    • 指令系统
    • CPU的结构和功能
    • 控制单元
    • 控制单元的设计

1.1 计算机系统简介

1.1.1 计算机组成

1.计算机的类型

传感器、纽扣计算机、手机、台式计算机、超级计算机

2.计算机的组成

  • 硬件：计算机实体，如主机、外设等
  • 软件：由具有各种特殊功能的信息（程序）组成

3.软件组成

  • 系统软件：用来管理整个计算机系统系统软件

    • 语言处理程序
    • 操作系统软件
    • 服务性程序
    • 数据库管理系统
    • 网络软件
  • 应用软件：按任务需要编制成的各种程序

1.1.2 计算机系统的层次结构

1.物理层方面

2.程序员角度


1.1.3 计算机体系结构与计算机组成

计算机体系结构：程序员所见到的计算机系统的属性，是一种概念性的结构与功能特性。（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）
计算机组成：实现计算机体系结构所体现的属性组成达（具体指令的实现）

1.2 计算机的基本组成

1.2.1 冯诺·依曼计算机的特点

  1. 计算机由五大部件（输入设备、输出设备、控制器、存储器、运算器）组成
  2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
  3. 指令和数据用二进制表示
  4. 指令由操作码和地址码组成
  5. 设备存储程序
  6. 设备以运算器为中心

冯诺·依曼计算机框架图

  • 输入设备：将输入信息转换为机器能识别的形式；
  • 存储器： 存放数据和程序；
  • 运算器：进行算数运算与逻辑运算；
  • 输出设备：将运算结果转化为人们熟悉的形式；
  • 控制器：指挥程序的运行

1.2.2计算机硬件框图

1. 以存储器为中心的计算机硬件框图

2. 现代计算机硬件框图

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硬件
主机
CPU
存储器
主存
辅存
ALU运算器
CU控制器
I/O设备
输入设备
输出设备


系统复杂性管理的方法

  • 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（well-defined）的功能和接口；
  • 规则性（regularity）：模块更容易被重用。

1.2.3 计算机工作步骤

1. 上机前的准备

  • 建立问题的数学模型
  • 确定问题的数学计算方法
  • 编制解题程序

编程举例：
计算 a x 2 + b x + c ax^2 + bx + c ax2+bx+c

计算 ax^2 + bx + c (ax+b)x+c
指令1 取x 至运算器中 取x 至运算器中
指令2 乘以x 在运算器中 乘以a 在运算器中
指令3 乘以a 在运算器中 加b 在运算器中
指令4 存ax^2 在存储器中 乘以x 在运算器中
指令5 取b 至运算器中 加c 在运算器中
指令6 乘以x 在运算器中
指令7 加ax2 在运算器中
指令8 加c 在运算器中

指令码格式: [操作码 | 地址码]

2. 计算机的解题过程

(1) 存储器的基本组成

存储器由大到小依次为存储体、存储单元、存储元件(0/1)类似于大楼中的房间，房间中的床位（无人/有人）

MAR：存储器地址寄存器，反映存储单元的个数；
MDR：存储器数据寄存器，反映存储字长。

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：存储单元中二进制代码的位数,每个存储单元赋予一个地址号，按地址寻访。

(2) 运算器的基本组成及操作过程

运算器结构：

运算器运算过程：

(3) 控制器的基本组成

完成一条指令需要取指令PC、分析指令IR、执行指令CU三个过程。
PC :存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（PC）+1→PC；
IR ：存放当前欲执行的指令。

(4) 主机完成一条指令的过程

取数指令过程：

存数指令过程

(5) a x 2 + b x + c ax^2 + bx + c ax2+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 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。

1.3 计算机硬件的主要技术指标

  1. 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。
  2. 运算速度
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运算速度
主频
核数以及每个核支持的线程数
吉普森法Tm=F1T1+F2T2+...FnTn
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
  1. 存储容量
    存放二进制信息的总位数
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存储容量
主存容量
辅存容量
存储单元个数MAR*存储字长MDR
字节数

总结

本文从多个角度介绍了计算机的组成。

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