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计算机组成原理（1）王道学习笔记

news 来源：原创 2025/5/9 3:34:54

一、引言

计算机硬件唯一能识别的数据是二进制-----0/1。

用低/高电平表示0/1。

通过很多条电路，可以传递多个二进制数位。

每个二进制数位称为1bit（比特）。

计算机硬件的基本组成

早期的ENIAC计算机是通过手动接线来控制计算。冯·诺依曼首次提出了存储程序的概念。

"存储程序"的概念是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中首地址执行程序中的第一条指令，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。

冯·诺依曼计算机

冯·诺依曼计算机的特点：

1.计算机由五大部件组成

2.指令和数据以同等地址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.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)

图片中实线部分表示数据线，虚线部分表示控制线和反馈线。

输入设备将信息转换成及其能识别的形式。

存储器用于存储数据和程序。

运算器进行算术运算和逻辑运算。

控制器指挥程序运行。

在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的。

eg:对于乘法运算，可以设计一个专门的硬件电路实现惩罚运算，也可以用软件的方式，执行多次加法运算来实现。

现代计算机的结构

现代计算机：以存储器为中心。

CPU=运算器+控制器

二、各个硬件的工作原理

主存储器中，用于存放数据的东西叫做存储体。存储体由一系列的存储元件构成。存放二进制0或者1。除了存储体之外，还有两个重要的寄存器MAR和MDR。

MAR:Memory Address Register(存储地址寄存器)

MDR:Memory Data Register(存储数据寄存器)

MAR位数反映存储单元的个数。

数据在存储体内按地址存储。

MDR位数=存储字长

假设 MAR=4位→ 总共有2的四次方个存储单元

MDR=16位→ 每个存储单元可存放16bit,1个字（word）=16bit

运算器的基本组成

运算器：用于实现算术运算（如：加减乘除、逻辑运算(如：与或非)）

ACC: 累加器，用于存放操作数，或运算结果。

MQ: 乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。

X: 通用的操作数寄存器，用于存放操作数。

ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算。

	加	减	乘	除
ACC	被加数、和	被减数、差	乘积高位	被除数、余数
MQ			乘数、乘积低位	商
X	加数	减数	被乘数	除数

控制器的基本组成

CU:控制单元，分析指令，给出控制信号。

IR：指令寄存器，存放当前执行的指令。

PC：程序计数器，存放下一条指令的地址，有自动加1功能。

完成一条指令分为三个阶段：

1.取指令 PC

2.分析指令 IR

3.执行指令 CU

计算机的工作过程

我们编写高级语言程序，通过编译器将其转换为机器语言。编译器会对高级语言代码进行词法分析、语法分析、语义分析等一系列处理，生成目标机器可执行的指令序列。

指令存储：编译后的机器语言指令以二进制形式存储在外部存储设备（如硬盘）中。当程序运行时，操作系统将这些指令从外部存储设备加载到计算机的主存（内存）中。

主存地址分配：主存由一系列存储单元组成，每个存储单元都有唯一的地址。加载到主存的指令会被分配到特定的主存地址。比如，指令序列可能从主存地址 0x1000 开始依次存放。

取指令：计算机的中央处理器（CPU）中的程序计数器（PC）存储着当前要执行的指令的主存地址。CPU 根据 PC 中的地址，从主存中读取相应的指令到指令寄存器（IR）。例如，若 PC 的值为 0x1000，CPU 就从主存地址 0x1000 处读取指令。

指令译码：存放在指令寄存器中的指令包含操作码和地址码两部分。操作码指明要执行的操作类型，如加法、减法、数据传输等；地址码则指定操作数所在的主存地址或寄存器编号等。指令译码器对操作码进行解析，确定要执行的具体操作。例如，操作码为 0x01 可能表示加法操作。

执行指令：根据指令译码的结果，CPU 执行相应的操作。若为算术运算指令，会从地址码指定的位置获取操作数，在运算器中进行运算；若为数据传输指令，则会在指定的存储单元或寄存器之间传输数据。例如，对于加法指令，CPU 从地址码指定的主存地址或寄存器中取出两个操作数，相加后将结果存放到指定位置。

更新程序计数器：一条指令执行完毕后，程序计数器的值会自动更新，指向下一条要执行的指令的主存地址。通常情况下，程序计数器会增加一个固定的值，该值取决于指令的长度（以字节为单位）。例如，若每条指令长度为 4 字节，程序计数器会在当前值的基础上增加 4，指向下一条指令的地址。

三、计算机系统的多级层次结构

三种级别的语言

机器语言

二进制代码

0000010000000101

0001000000000110

汇编语言

助记符

LOAD 5

MUL 6

高级语言

C/C++、Java

y=a*b+c

编译程序：将高级语言编写的源程序全部语句一次全部翻译成机器语言程序，而后再执行机器语言程序（只需翻译一次）

解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应于机器语言的语句，并立即执行。紧接着在翻译下一句（每次执行都要翻译）。

四、计算机性能指标

MAR位数反映存储单元的个数(最多支持多少个)。

MDR位数=存储字长=每个存储单元的大小

总容量=存储单元x存储字长 bit 1Byte = 8bit

=存储单元个数x存储字长/8 Byte

cpu的性能指标

CPU主频：CPU内数字脉冲信号振荡的频率。

1

CPU主频（时钟频率）=—————— 单位:赫兹，Hz

cpu时钟周期

CPI (Clock cycle Per Instruction):执行一条指令所需的时钟周期数

不同的指令，CPI不同，甚至相同的指令，CPI也可能有变化。

执行一条指令的耗时 = CPI x CPU时钟周期

CPU执行时间（整个程序的耗时）=CPU时钟周期/主频=（指令条数*CPI）/主频

IPS（ Instructions Per Second ）:每秒执行多少条指令（单位：KIPS MIPS）

主频

IPS=——————

平均CPI

FLOPS(Floating-point Operations Per Second): 每秒执行多少次浮点运算

（KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS）

注：此处K、M、G、T为数量单位

K=Kilo=千，M=Million=百万，G=Giga=十亿，T=Tera=万亿

系统整体的性能指标

数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数（各硬件部件通过数据总线传输数据）

吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量。

（它取决于信息能多快的输入内存，CPU能多快地取指令，数据能多快地从内存取出或存入，以及所得结果能多快地从内存送给一台外部设备。这些步骤中的每一步都关系到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。）

响应时间：指从用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得它所需要的结果的等待时间。

通常包括CPU时间（运行一个程序所花费的时间）与等待时间（用于磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等时间）。

系统整体的性能指标（动态测试）

基准程序（例如跑分软件）是用来测试计算机处理速度的一种实用程序，以便于被测量的计算机性能可以与运行相同程序的其他计算机性能进行比较。

问：主频高的CPU一定比主频低的CPU快吗？

答：不一定，如两个CPU，A的主频为2GHz,平均CPI=10;B的主频1GHz，平均CPI=1

一、 引言