计算机组成原理---计算机系统概述

1. 本书围绕的思考点

2. 计算机发展历程（408大纲已删）

• 机器字长： 计算机一次整数运算所能处理的二进制位数

总结：

3. 计算机硬件的基本组成

3.1 早期冯 · 诺依曼机的结构

• “存储程序” 概念是由冯 · 诺依曼首次提出的，即是指将指令以二进制代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，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
• 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来实现，也可以用软件的方式，执行多次加法来实现

冯 · 诺依曼计算机的特点：

• 1. 计算机由输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器五大部件组成
• 2. 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访。即都是二进制存储，不存在谁的二进制串就特殊一些
• 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. 采用存储程序的设计
• 6. 以运算器为中心，即输入/输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成

3.2 现代计算机的结构

注意：

• 1. 现代计算机以存储器为中心
• 2. CPU = 运算器 + 控制器

3.3 总结

3.4 补充：各个硬件的工作原理

注意：

• 1. 存储体由许多存储单元组成，而每个存储单元包含若干个存储元件，且每个存储元件存储一位二进制数
• 2. 存储单元中存储的一系列二进制串被称为存储字
• 3. 存储单元中存储的二进制串的位数被称为存储字长
• 4. 现代计算机一般把MAR和MDR都给集成到了CPU中
• 5. MAR反映存储单元，MDR反映存储字长，存储容量 = 存储单元 × 存储字长

• ACC可以用于存放操作数，也可以用于存放运算结果；x一般存放操作数；MQ一般只存放根乘除运算相关的操作数和运算结果

注意：

• CPU = 运算器 + 控制器；而现代计算机中MAR和MDR都集成到了CPU中，且在CPU中，IR、MAR和MDR对各类程序员都是透明的

下面将以上图分析计算机的工作过程，这里只是简单叙述，更多详细内容会在指令系统中提到

解释：

• 0. PC内容为0，指向第一条指令的存储地址；PC是指向下一条将要处理指令的地址
• 1. 将PC的内容（存放的指令地址）通过数据线送入MAR中，此时MAR=0
• 2. MAR开始解析这条地址，控制线发出读信号并通过地址线去存储体中找到对应地址处，将该地址存放的 二进制数（指令） 通过数据线放入MDR中
• 3. MDR通过数据线将该二进制数传入IR中
• 4. IR把该二进制串对应的操作码通过数据线传入CU中，CU分析后得知此为 “取数” 指令
• 5. 经CU译码后，控制线发出读信号，同时IR中的地址码经数据线传入给MAR，此时MAR=5
• 6. MAR接收到控制线发出的读信号，于是通过地址线去地址5处将存储的二进制数读入至MDR中，此时MDR=2
• 7. 然后MDR通过数据线将该二进制数传入ACC中

解释：

• 0. 每取完一条指令，PC自动指向下一条将要执行的指令处；于是，上一条指令执行完，导致PC=1，ACC=2
• 1. 去指令的步骤都是类似的，这里不再赘述，直接跳到分析指令处
• 2. 此时经分析得出，该指令是“乘法”指令
• 3. 继续将IR中的地址码传入MAR中，此时MAR=6，然后去地址6处取数，并存入MDR中，此时MDR=3
• 4. 由于是乘法指令，MDR的二进制数会通过数据线传入MQ中，此时MQ=3
• 5. 再将ACC中原来的数字2传入X中，此时x=2
• 6. 然后X寄存器和MQ寄存器中的数经过ALU执行乘法运算后，将结果输入到ACC中，此时ACC=6

• 与上述雷同，交给感兴趣的读者自己解释

解释：

• 1. CU分析得知此为“存数”指令，然后让控制线发出写信号
• 2. 当IR中地址传入MAR中时，MAR=8，写信号会先让ACC中的数传入MDR中，此时MDR=7
• 3. 然后写信号会让MAR进行地址解析，找到对应地址8处，最后通过数据线让MDR中的数写入地址8处，此时地址8处值为7

• 交给感兴趣的读者自己完成

总结：

4. 了解知识

4.1 计算机软件

【2016 统考真题】将高级语言源程序转换为机器级目标代码文件的程序是（C）
A. 汇编程序 B. 链接程序 C. 编译程序 D. 解释程序

解答：编译程序是将高级语言源程序一次全部翻译成目标程序，其会生成目标代码文件；解释程序是将高级语言翻译一句执行一句，不会生成目标代码文件。

• 记住一句话，软件和硬件在逻辑功能上是等价的

总结：

4.2 计算机系统的多级层次结构

总结：

4.3 计算机系统的工作原理

总结：

5. 计算机的性能指标

• 总容量 = 存储单元个数 × 存储字长（单位bit）

• 描述存储文件和容量大小时，常用2的幂次表示

• IPC：一个时钟周期内可以执行多少条指令。其与CPI互为倒数
• 描述速率、频率等时，常用10的幂次来表示

例题：

解答：

• ①计算主频率：主频率 = 1/时钟周期 = 1/2ns = 1/2×10^-9=500MHz
• ②计算平均CPI：序列一平均CPI=(1×1+2×1+3×4)÷(1+1+4)=15÷6=2.5；序列二平均CPI=(1×2+2×1+3×2)÷(2+1+2)=10÷5=2
• ③计算MIPS，IPS=主频/平均CPI： 序列一MIPS=(500MHz÷2.5÷10⁶)=200；序列二MIPS=(500MHz÷2÷10⁶)=250
• ④计算CPU执行时间，CPU执行时间=CPU时钟周期数/主频=(指令条数×CPI)÷主频=(指令条数×CPI)×时钟周期： 序列一CPU执行时间=6×2.5×2ns=30ns；序列二CPU执行时间=5×2×2ns=20ns
• ⑤总结，序列二的MIPS数比序列一多50，序列二的执行速度比序列一快10ns，选D

总结：

第一章是整本书的概要，相当于简单了解下计算机组成原理这门课在讲什么，着重注意计算机的性能指标，在后面章节也会出现对应的计算。

参考：《王道计算机考研 计算机组成原理》
https://www.bilibili.com/video/BV1ps4y1d73V?t=0.5&p=2