计算机组成原理完整学习笔记(一):计算机系统概论
前言
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文章目录
- 前言
- 第一章 计算机系统概论
- 1.1 课程导学
- 1.1.1 为什么要学习计组?
- 1.1.2 如何才能学好计组?
- 1.1.3 全书知识点概括
- 1.1.4 本章知识点概括
- 1.1.4 书本推荐
- 1.2 冯·诺伊曼计算机结构
- 1.2.1 冯·诺伊曼
- 1.2.2 冯·诺伊曼计算机的工作原理
- 1.2.3 冯·诺伊曼计算机的硬件结构
- 1.2.4 冯·诺伊曼计算机的软件结构
- 1.2.5 冯·诺伊曼计算机层次结构
- 1.2.6 冯·诺伊曼计算机的工作过程
- 1.2.7 主存储器的构成
- 1.2.8 运算器的组成
- 1.2.9 控制器的组成
- 1.2.10 指令执行举例
- 1.3 计算机系统性能指标
- 1.3.1 机器字长
- 1.3.2 存储容量
- 1.3.3 速度
第一章 计算机系统概论
1.1 课程导学
1.1.1 为什么要学习计组?
核心专业基础课,在课程体系中承上启下的作用。
课程主要内容:介绍运算器、控制器、存储器的结构、工作原理、设计方法及互连构成整机的有关技术。(设计方法是课程关键)
1.1.2 如何才能学好计组?
构造观 —— 掌握设计方法(基本编码/解码器、运算器、控制器、存储器,简单计算机系统)
系统观 —— 各部分之间的相互影响,牵一发而动全身
工程观 —— 系统实现视角(成本、节能、可靠)
1.1.3 全书知识点概括
1.1.4 本章知识点概括
1.1.4 书本推荐
《深入理解计算机系统》—— 大学毕业前一定要认真读一遍
1.2 冯·诺伊曼计算机结构
1.2.1 冯·诺伊曼
1945年,冯·诺伊曼发表了《关于EDVAC的报告草案》,提出了 “离散变量自动电子计算机方案(EDVAC)”,即冯·诺伊曼结构。并因此结构被称为 “计算机之父”,该结构也沿用至今。
1.2.2 冯·诺伊曼计算机的工作原理
两个主要部分,分别是存储程序和程序控制。
存储程序
将程序存放在计算机存储器中,只有放入存储器中的程序才能被执行。
程序控制
按指令地址访问存储器并取出指令,经译码依次产生指令执行所需的控制信号,实现对计算的控制,完成指令的功能。
1.2.3 冯·诺伊曼计算机的硬件结构
硬件结构主要分为三个部分:
- 主机:CPU(运算器+控制器)、内存
- 外设:输入设备、输出设备、外存储器
- 总线:地址线、数据线、控制线
五大器件的功能:
- 运算器:算术运算与逻辑运算,且能保存运算结果。
- 控制器:产生指令执行过程所需要的所有控制信号,控制相关功能部件执行相应操作。(电平信号、脉冲信号)
- 存储器:存储原程序、原数据、运算中间结果。
- 输入设备:向计算机输入数据(键盘、鼠标、网卡、扫描仪等)
- 输出设备:输出处理结果(显示器、声卡、网卡、打印机等)
从中也可以看出部分设备既可能是输入设备,也可能是输出设备。
1.2.4 冯·诺伊曼计算机的软件结构
对于软件的理解:
- 软件本质:可运行的思想(算法)和内容(图像、声音、文字)的数字化
- 软件的表现形式:程序和数据(以二进制表示的信息)
- 软件的核心:算法
软件系统的分类:
- 系统软件(操作系统、网络系统和编译系统等)
- 支持软件(开发工具、界面工具等)
- 应用软件(字处理软件、游戏软件等)
软件和硬件的关系:
- 相互依存:硬件是软件运行基础,软件运行时硬件发挥作用的重要途径。
- 逻辑等效性:某些功能既可由硬件实现,也可由软件实现。
- 协同发展:软件随硬件发展而发展,软件的发展也会带来硬件的更新。
1.2.5 冯·诺伊曼计算机层次结构
在层次结构中,指令集架构层为软硬件的分界线,其上为软件,其下为硬件,其自身则为指令操作硬件的入口。
在层次结构中,有两个关键性概念,一个是透明性,一个是系统观。
透明性
- 本来存在的事物或属性,从某个角度去看,却好像不存在。
- 如硬件特性对C语言程序设计者而言具有透明性。
系统观
- 当硬件结构发生变化时要想到可能对软件产生的影响。
1.2.6 冯·诺伊曼计算机的工作过程
- 控制器的控制下,输入设备输入程序和数据,并放入存储器。
- 执行程序时,控制器到存储器中取指令,并执行这条指令。
- 执行过程中如果涉及计算,则会从存储器中读计算所需数据,并将数据送到运算器中进行计算。
- 计算的结果送回存储器,或者送到输出设备上进行显示或打印。
五大硬件之间的关系
1.2.7 主存储器的构成
主存四级结构
主存储器 - 存储体 - 存储字 - 存储字长
主存工作过程
- 地址通过地址总线发送到 MAR 中,经过地址译码后,找到地址实际单元。
- 接下来有读、写两种方式访问地址
- 读操作:主存数据 - MDR - 数据总线
- 写操作:数据总线 - MDR - 主存数据
- 读、写方式由控制总线上 read、write 两条信号线所控制。
1.2.8 运算器的组成
ALU:算术逻辑单元,支持算术运算与逻辑运算
ACC:累加器
MQ:乘商寄存器
X:操作数寄存器
1.2.9 控制器的组成
CU:控制单元,核心部件,功能为根据指令要求发出控制信号
PC:程序计数器(指针),存放指令地址,自动 “+1”
IR:指令寄存器,存放欲执行的指令
ID:指令译码器,分析当前指令的功能
1.2.10 指令执行举例
取数指令
功能:从内存中取得一个数据,并送入CPU累加器中
工作过程:(内存读指令 -> 译码分析 -> 取数)
- 程序计数器发出取址地址,将地址交给MAR
- 经过地址译码,找到对应指令位置
- 把指令取出交给MDR
- 通过数据总线,把数据从MDR传到IR
- 把指令操作码部分交给控制单元 ---------- 取指令
- PC把取数地址给MAR
- 在存储体中寻址
- 将数据交给MDR
- 通过数据总线,MDR把数据给ACC --------- 存数
存数指令
7: 在存储体中找到 MAR 对应的存储单元
8: 将 ACC 中的数据通过数据总线送到 MDR 中
9: 将 MDR 中的数据送到存储体的对应位置中
1.3 计算机系统性能指标
1.3.1 机器字长
概念
CPU一次能处理数据的位数,通常为 CPU 寄存器的长度。
特点
字长越长,数的表示范围越大,精度越高,速度越快,价格越高。
字长可以看成是并行位计算。
1.3.2 存储容量
存储容量分为主存与辅存,其中主存拔电丢失,但辅存不会。
主存容量计算
MAR —— 地址线位数,即寻址范围,存储单元个数
MDR —— 单个存储单元位数,即字长
1.3.3 速度
速度衡量方法
- 「主频」
- 「执行一次加法或乘法所需时间」
- 计算机发展早期所使用的方法
- 「吉普森法」
- TM=∑i=1nfitiT_M=\sum\limits_{i=1}^nf_it_iTM=i=1∑nfiti
- TM:T_M:TM: 机器的运行速度
- n:n:n: 该计算机指令系统中指令的总数
- fi:f_i:fi: 程序在实际执行过程中执行到第 iii 条指令的概率
- ti:t_i:ti: 执行第 iii 条指令所需时间
- 「MIPS:每秒执行的百万条指令数」
- 一般指定点指令的数目
- 「FLOPS:每秒执行的浮点指令数」
- 「CPI:平均每条指令所需时钟周期数」
- CPI 越小,运行速度越快
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