计算机组成原理【1】

灰太狼 2024-03-30 16:39 77阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  一 计算机的发展
 *   *  1.1 思维导图
     *  1.2 计算机系统的组成
     *  1.3 硬件的发展
     *  1.4 摩尔定律
     *  1.5 计算机的“两极化”发展趋势
 *  二 计算机的硬件组成
 *   *  2.1 思维导图
     *  2.2 早期冯诺依曼机的结构
     *  2.3 冯诺依曼计算机的特点
     *  2.4 现代计算机的结构
 *  三 主要硬件的工作原理
 *   *  3.1 思维导图
     *  3.2 主存储器的基本组成
     *  3.3 存储器的基本组成
     *  3.4 控制器的基本组成
     *  3.5 计算机的工作过程

## 一 计算机的发展 ##

### 1.1 思维导图 ###

![在这里插入图片描述][1d2c955035aa4f19bc1db92f43a23f70.png]

### 1.2 计算机系统的组成 ###

*  计算机系统=硬件+软件
    
     *  硬件：计算机的实体，如主机、外部设备、硬盘
     *  软件：由具体各类特殊功能的程序组成
 *  计算机性能的好坏取决于“软”“硬”件功能的综合  
    ![在这里插入图片描述][0904425ce10f490e98634e9be8b3bfa6.png]

### 1.3 硬件的发展 ###

*  第一台电子数字计算机：ENIAC(1946)；逻辑元件电子管

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>发展阶段</th> 
   <th>时间</th> 
   <th><em><strong>逻辑元件</strong></em></th> 
   <th>速度（次/秒）</th> 
   <th>内存</th> 
   <th>外存</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>第一代</td> 
   <td>1946-1957</td> 
   <td>电子管</td> 
   <td>几千~几万</td> 
   <td>汞延长线、磁鼓</td> 
   <td>穿孔卡片、纸带</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>第二代</td> 
   <td>1958-1964</td> 
   <td>晶体管</td> 
   <td>几万-几十万</td> 
   <td>磁芯存储器</td> 
   <td>磁带</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>第三代</td> 
   <td>1964-1971</td> 
   <td>中小规模集成电路</td> 
   <td>几十万-几百万</td> 
   <td>半导体存储器</td> 
   <td>磁带、磁盘</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>第四代</td> 
   <td>1972-现在</td> 
   <td>大规模、超大规模集成电路</td> 
   <td>上千万-万亿</td> 
   <td>半导体存储器</td> 
   <td>磁盘、磁带、光盘、半导体存储器</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 1.4 摩尔定律 ###

- 集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加 1倍。整体性能也将提升一倍。

### 1.5 计算机的“两极化”发展趋势 ###

- 一端是微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展。
    - 另一端是巨型机向巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展。

## 二 计算机的硬件组成 ##

### 2.1 思维导图 ###

![在这里插入图片描述][158a13a7e7144b02b000a11646f38998.png]

### 2.2 早期冯诺依曼机的结构 ###

![在这里插入图片描述][5b648481cc304158865ad1a33aa436e8.png]

*  ***存储程序***：是指**将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的储存储器，然后按其在存储器中的守地址执行程序的第一条指令以后，以后就按该程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束。**
 *  第一台采用冯诺依曼结构的计算机EDVAC
 *  早期冯诺依曼机的逻辑结构  
    ![在这里插入图片描述][7ada66c2f2e645e8bcf3b0076d617198.png]

### 2.3 冯诺依曼计算机的特点 ###

![在这里插入图片描述][d25cb8d80545468d9e6bbf3a59390916.png]

1.  计算机有五大部件组成
2.  指令和数据及同等地位存于存储器，可按地址寻访
3.  指定和数据用二进制表示
4.  指令由操作码和地址码组成
5.  存储程序
6.  以运算器为中心【输入、输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成；现在一般以存储器为中心】

### 2.4 现代计算机的结构 ###

![在这里插入图片描述][76dce01b8d594edb959b9516ea997b4e.png]  
![在这里插入图片描述][c0a1fe1c849f47c6899b241e1a6beaca.png]

*  ***注意，这里的主存是指内存；辅存是指硬盘等外部存储设备***

## 三 主要硬件的工作原理 ##

### 3.1 思维导图 ###

![在这里插入图片描述][790dd6d288bd4c5caa7575476dbb43ae.png]

### 3.2 主存储器的基本组成 ###

![在这里插入图片描述][6548a45713024c4698fad72d2680a242.png]

*  MAR：地址存储器
 *  MDR：数据存储器  
    ![在这里插入图片描述][7cafdaebfb334e10ab906d472e9b89d5.png]
 *  **存储元**：存储二进制的**电子元件**，**每个存储元可存1bit**
 *  **存储单元**：多个存储元的集合 一般应具有**存储数据和读写数据**的功能，以8位二进制作为一个存储单元，也就是一个字节
 *  **存储字(word)**：存储单元中二进制代码的**组合**
 *  **存储字长**：存储单元中二进制的**位数**

### 3.3 存储器的基本组成 ###

*  运算器：用于实现算术运算（如：加减乘除）、逻辑运算（如：与或非）  
    ![在这里插入图片描述][cbc668d6f3534bdfb67ab82c4c9e239b.png]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>运算器结构</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>ACC</td> 
   <td><strong>累加器</strong>，用于存放操作数，或运算结果</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MQ</td> 
   <td><strong>乘商寄存器</strong>，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>X</td> 
   <td>通用的<strong>操作数寄存器，用于存放操作数</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ALU</td> 
   <td><strong>算术逻辑单元</strong>，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![在这里插入图片描述][a4bcdcc724df44b5ac215a361976f737.png]

### 3.4 控制器的基本组成 ###

![在这里插入图片描述][233559dfb3204d988a7d57deecb56840.png]

*  CU:【Control Unit】控制单元，分析指令、给出控制信号
 *  IR:【Instruction Register】指令寄存器，存放当前执行的指令
 *  PC:【Program Counter】程序计数器，存放下一条指令地址，有自动+1功能

![在这里插入图片描述][7ed78141e4bf4a98957feb6a048c940c.png]

### 3.5 计算机的工作过程 ###

![在这里插入图片描述][adfaa96749944527bc1564d7ff0317f0.png]  
![在这里插入图片描述][66544b3c222045a8a1ff28a81a2930b7.png]  
![在这里插入图片描述][098506d563dc473f9d51bd3624525624.png]  
![在这里插入图片描述][70a06195736145ddb8ba37a00ffa91cb.png]  
![在这里插入图片描述][602819909a09407eaac95fa3ea96ebbd.png]  
![在这里插入图片描述][89b24401259e48abae8152885308a0f8.png]  
![在这里插入图片描述][23dc0c0dbc524cacb1691b09981b697c.png]

*  CPU区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段

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[adfaa96749944527bc1564d7ff0317f0.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/c5293c25b43c46c3b187a56ddb9eefa5.png
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[602819909a09407eaac95fa3ea96ebbd.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/30/32ee58cede1a4cbc848b7248960b5f17.png
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