【计算机组成原理】第一章 计算机系统概述

1.1 计算机硬件的基本组成

（1）早期冯诺依曼机

• 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位存于存储器，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：程序运行之前会把指令和数据提前存入主存中
  6. 以运算器为中心
     数据的传输需要运算器作为中转

（2）现代计算机结构

• 以存储器为中心

1.2 各个硬件的工作原理

（1）主存储器

• MAR：表示存储器地址寄存器（Memory Address Register），用于存放要访问的内存地址。
• MDR：表示存储器数据寄存器（Memory Data Register），用于存放从内存中读取或要写入内存的数据。

（2）运算器

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 (Addition)	减 (Subtraction)	乘 (Multiplication)	除 (Division)
ACC	被加载、和	被减数、差	乘积高位	被除数、余数
MQ			乘数、乘积低位	商
X	加载	减数	被乘数	除数

（3）控制器

• 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，有存放下一条指令地址，自动加1功能

（4）计算机的工作过程

• M：表示主存储器（Main Memory），也就是计算机的内存。
• M(MAR)：表示主存储器中地址为MAR的内容。
• M(MAR) → MDR：表示将主存储器中地址为MAR的数据读取到MDR中。
• OP(IR)：表示取操作码
• AD(IR)：表示去操作数

1.3 计算机软件

1.3.1 三种级别的语言

解释性语言与编译性语言

1.3.2 软件和硬件的逻辑功能等价性

• 软件和硬件的逻辑功能等价性：同一个功能，既可以用硬件实现（性能高成本高），也可以用软件实
  现（性能低成本也低）
• 指令集体系结构(ISA)：软件和硬件之间的界面，设计计算机系统的ISA，就是要定义一台计算机可以支持哪些指令，以及每条指令的作用是什么、每条指令的用法是什么。
  

1.4 计算机系统的层次结构

1.5 计算机性能指标

（1）总容量

$$总容量＝存储单元个数\ast 存储字长bit=存储单元个数\ast 存储字长/8Byte$$
$$K=2^{10},M=2^{20},G=2^{30},T=2^{40}$$

Eg:MAR为32位，MDR为8位
总容量= 2^(32)*8 bit = 4GB

（2）CPU性能

• CPU主频：CPU内数字脉冲信号振荡的频率。
  $$CPU主频（时钟频率）=1/CPU时钟周期$$

• CPI（Clock cycle Per Instruction)：执行一条指令所需的时钟周期数
• 执行一条指令的耗时=CPI*CPU时钟周期
• IPs（Instructions Per Second）：每秒执行多少条指令

（3）系统整体性能指标

• 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
• 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。
• 基准程序是用来测量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
  同权子的其它计算机性能进行比较。（跑分软件）