学习笔记——计组—计算机系统

野性酷女 2023-07-24 11:53 11阅读 0赞

### 一、概念 ###

1946年，世界上第一台电子数字计算机—ENIAC。

计算机的五代变化：电子管—>晶体管—>中小规模集成电路—>大规模和超大规模集成电路—>巨大规模集成电路

计算机的性能指标：

1)吞吐量：计算机某一时间间隔内能够处理的信息量。主要取决于内存的存取周期。

2)处理机字长：处理机运算器中一次能处理的二进制数运算的位数，如32位、64位。与CPU中的寄存器位数有关

3)响应时间：完成一个任务的全部时间，从输入开始到得到结果为止。

4)利用率：给定时间内，系统使用的时间。

5)总线宽度：CPU中运算器与存储器之间进行互连的二进制位数。

6)存储器容量：存储器中所有存储单元的总数。包括主存容量和辅存容量

7)存储器的带宽：单位时间内从存储器读出的二进制信息量。

8)主频/时钟周期：CPU的工作受主时钟的控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率叫CPU主频（f）,单位Hz，主频的倒数叫CPU时钟周期（T）。T=1/f

9)CPU执行时间：CPU执行时间=CPU时钟周期数\*CPU时钟周期，执行一般程序所占用的时间。

10)CPI：每条指令周期数，执行一条指令所需的平均时钟周期数。CPI=CPU时钟周期数/程序指令条数。

11)MIPS（Million Instruction Per Second）：平均每秒执行多少百万条定点指令数。MIPS=指令数/（程序执行时间\*![10^\{6\}][10_6]）

12)MFLOPS：每秒执行多少百万条定点指令数，FLOPS=程序中的浮点操作数/程序执行时间

### 二、计算机的硬件与软件 ###

**1.计算机系统基本构成**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**2.计算机的基本构成**

（1）冯.诺依曼计算机

基本思想：存储程序并按地址顺序执行。

其与哈弗结构的区别：前者指令与数据放在同一个存储器内；后者指令和数据放在两个存储器内。后者速度快。

六大特点：

1)计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件构成；

2)指令和数据以同等地位存放在存储器内，并可按地址寻访；

3)指令和数据均用二进制数表示；

4)指令由操作码和地址码组成，操作码表示操作的性质，地址码表示操作数在存储器中的位置；

5)指令在存储器内按顺序存放。通常，指令顺序执行，特定条件下，可改变执行顺序；

6)机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。

（2）计算机的硬件框图

冯.诺依曼计算机，以运算器为中心：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

现代计算机，以存储器为中心：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

各部件功能如下：

运算器：完成算数运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内；

存储器：存放数据和程序；

控制器：用来控制、指挥程序和数据的输入、运行及处理运算结果；

输入设备：人类能识别的信息转换成机器能识的形式，如鼠标、键盘等；

输出设备：将机器运算结果转换为人类熟悉的信息形式，如打印机、显示器等。

器件概念合并后的现代计算机通用框图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

其他部件功能如下：

算数逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）用来完成算数逻辑运算；

控制单元（Control Unit，CU）用来解释存储器中的指令，并发出各种操作指令来执行指令。

**3.计算机基本解题过程**

![20200411181458297.png][]

**4.更细化的计算机框图**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

各部件组成：

（1）主存储器

主存储器由存储体M、各种逻辑部件及控制电路等构成。存储体由许多存储单元构成，每个存储单元又包含若干个存储元，每个存储元能寄存一位二进制代码“0”或“1”。可见，一个存储单元可存储一串二进制代码，称这串二进制代码为一个存储字，其位数称为存储字长。可为8、16、32、64位等。

![20200413213543435.png][]

主存容量指主存中存放二进制代码的总数。即存储容量=存储单元个数\*存储字长。图中，MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储字长。如MAR为16位，表示存储体内有![^\{^\{2 ^\{^\{^\{^\{ 16\}\}\}\}\}\}][2 _ 16]=65536个存储单元，即64K个存储字；MDR为32位，表示存储容量为![^\{^\{2 ^\{^\{^\{^\{ 16\}\}\}\}\}\}][2 _ 16]\*32=2M位，通常表示方法：64K\*32位。

主存的工作方式是按存储单元的地址号来实现对存储字各位的存（写入）、取出（读出）。称为按地址存取方式。由于指令和数据都由存储单元号来反映，因此，取一条指令和取一个数据的操作可完全视为等同。

为了实现按地址访问的方式，主存中还必须配置两个寄存器MAR和MDR。

MAR（Memory Address Register）是存储器地址寄存器，用来存放预访问的存储单元地址；

MDR（Memory Data Register）是存储器数据寄存器，用来存放从存储体某单元取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码，其位数与存储字长相等。

现代计算机的存储字长、指令字长及数据字长可各不相同，但必须都是字节的整数倍。

（2）运算器

运算器最少包括3个寄存器（现代计算机内部往往设有通用寄存器组）和一个算数逻辑单元（ALU）。其中ACC（Accumulator）为累加器，MQ（Multiplier-Quotient Register）为乘商寄存器，X为操作数寄存器。

（3）控制器

取指周期+执行周期反复执行。每取出一条指令，控制器的PC自动加1，为取下一条指令做好准备。

取指周期从内存中读出的是指令流，流向控制器；执行周期从内存中读出的是数据流，由内存流向运算器。

控制器由程序计数器（Program Counter，PC）、指令寄存器（Instruction Register，IR）以及控制单元（CU）组成。

PC用于存放当前欲执行指令的地址，它与主存的MAR之间有一条直接通路，且具有自动加1功能，即可自动形成下一条指令地址。

IR用来存放当前的指令，IR的内容来自主存的MDR。IR中的操作码OP送至CU，用来分析指令，记作OP(IR)—>CU；IR中的地址码AD作为操作数地址送至存储器的MAR，记作AD(IR)—>MAR。

CU用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。

（4）I/O

每一种I/O设备都通过I/O接口与主机联系，接受CU发出的各种控制命令，完成相应的操作。如键盘接口、打印机接口等。

**5.指令执行全过程**

取指令—>分析指令—>执行指令，

以取数指令为例：

因为指令和操作数均存放在存储体当中，所以取数指令涉及两次访存：第一次取指令送到IR，第二次取数据送到ACC

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

1)PC—>MAR图中1（指令地址在PC中，而指令内容在存储体中，将指令地址送到内存地址寄存器MAR中）

2)根据MAR中的地址取出存储体内指定存储单元的内容，放到内存数据寄存器MDR中图中2、3

3)MDR—>IR（操作码+地址码—>指令寄存器IR中）图中4：其中操作码送到CU中，指定做什么操作；地址码为涉及的地址

4)OP(IR)—>CU，AD(IR)—>MAR图中5、6：OP为取数指令；AD为要取数的存储地址

5)根据MAR中的地址取出存储体内指定存储单元的内容，放到内存数据寄存器MDR中图中7、8

6)将取出的数放入ACC中图中9

以存数指令为例：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

**6.C语言执行**

**![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]**

**7.计算机重要部件**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

[10_6]: https://private.codecogs.com/gif.latex?10%5E%7B6%7D
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230528/5a1d96bf6a2b4abdaaca89baadfccd89.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20230528/e54efc56a1d74f1a8fbcaf98bab8c880.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20230528/278e584d5dad44efbfa4fe35b7c591b9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20230528/3ab78ac0f14148bcbb16f84bb710ea22.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20230528/158fdfa98d7842df8c41b915daec6568.png
[20200411181458297.png]: /images/20230528/9ef3527b73f04548925be9f4a97000b6.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20230528/71c87429faad4755b0b3130a805a1aa5.png
[20200413213543435.png]: /images/20230528/7409621bbf664ce0ba8d9a2066d2b512.png
[2 _ 16]: https://private.codecogs.com/gif.latex?%5E%7B%5E%7B2%20%5E%7B%5E%7B%5E%7B%5E%7B%2016%7D%7D%7D%7D%7D%7D
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20230528/ec271c59a5474817af4e9c6b64bf5606.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20230528/fb004067e59b4ae18d3bb666739a9c83.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: /images/20230528/964ae7799ad74fbf8e5cfd82b6877a91.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0xZXzYyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]: /images/20230528/e82d8b26a9c84fd299a2d35d86b95e48.png