计算机组成原理基础第1讲

计算机组成原理基础第1讲 计算机系统概述

考纲要求

考点一：预备知识

1.计算机的组成

由硬件系统和软件系统两部分组成

2.系统软件

$$\mathrm{系}\mathrm{统}\mathrm{软}\mathrm{件}\{\begin{array}{}\text{(1)}& \mathrm{操}\mathrm{作}\mathrm{系}\mathrm{统}\text{(2)}& \mathrm{实}\mathrm{用}\mathrm{程}\mathrm{序}\text{(3)}& \mathrm{编}\mathrm{译}\mathrm{程}\mathrm{序}\end{array}$$

1. 操作系统

   

2. 语言处理程序

   

3.计算机如何工作

4.进制转换

例子：

推广：

$$(X)r=(a_{n-1}{r}^{n-1}+a_{n-2}{r}^{n-2}+\cdots a_0{r}^0+a_{-1}{r}^{-1}+a_{-2}{r}^{-2}+\cdots +a_{-m}{r}^{-m}{)}_{10}$$

基数除法转化为二进制数：除2取余，倒着数

小数情况：乘2取整，正着数

16进制转2进制：每4位2进制转化为一个16进制

5.内存和编址

1. RAM随机存储器

   随时读写速度快，只是程序的临时存储介质，一旦断电所存数据将会丢失。

2. ROM只读存储器

   无法写入，数据稳定，断电也不会丢失数据。

3. 存储单位

   每个地址指向的存储单位可以保存1个字节的数据，也就是8bit（8个二进制位）

   

4. 地址的概念

   数据寄存器：MDR

   地址寄存器：MAR

   

   

5. CPU

   

   

6. I/O设备

   

7. 总线

   

   

考点二：计算机的发展历程与分类

1. 按指令流水线和数据分类

   

考点三：存储程序思想与冯·诺依曼计算机

1. 冯诺依曼架构图

   

2. 冯诺依曼计算机

   

   

3. 计算机的五大部件功能

   运算器：处理来自存储器的数据，常返回给存储器或暂时寄存在运算器中。

   控制器：从存储器中逐条取出指令，分析，并根据分析出的操作，对计算机其他部件发出控制信号。

   存储器：分为主存储器（内存）容量小速度快；辅助存储器（外存）容量大速度慢

   输入输出设备：人或外部与计算机进行交互的装置。

4. 指令的执行过程

   • 取指令阶段：将指令从主存中取到指令寄存器的过程。程序计数器（PC）用于记录当前指令在主存中的位置，每当一条指令被取出后，PC按指令长度自动增加。

   • 指令译码阶段与指令阶段：
     

   • 访存取数阶段：
     

   • 执行指令阶段：
     

   • 结果写回阶段
     

   • 循环阶段：
     

考点四：计算机编程语言体系

1.计算机语言的参差结构

1. 机器语言

   

   特点：

   

2. 汇编语言

   

   能够直接控制硬件的唯一语言

   可读性好，内存占用少

3. 编译系统的工作过程

   

   • 预处理阶段
     
     

   • 编译阶段
     

   • 汇编阶段
     

   • 链接阶段
     

2.计算机系统参差结构的划分

考点五：计算机的性能指标

1.CPU时钟周期

2.主频

CPU时钟频率，兆赫兹（MHz）

$CPU\mathrm{时}\mathrm{钟}\mathrm{频}\mathrm{率}=\frac{1}{CPU\mathrm{时}\mathrm{钟}\mathrm{周}\mathrm{期}}$

3.CPI(Clock Cycle Per Instruction)

执行一条指令所需时钟周期数

$CPI=\frac{\mathrm{执}\mathrm{行}\mathrm{程}\mathrm{序}\mathrm{所}\mathrm{需}\mathrm{的}\mathrm{时}\mathrm{间}\mathrm{周}\mathrm{期}\mathrm{数}}{\mathrm{所}\mathrm{执}\mathrm{行}\mathrm{的}\mathrm{指}\mathrm{令}\mathrm{条}\mathrm{数}}$

4.CPU执行时间

运行一个程序所花费的时间

$CPU\mathrm{执}\mathrm{行}\mathrm{时}\mathrm{间}=\mathrm{指}\mathrm{令}\mathrm{条}\mathrm{数}{L}_n\times CPI\times \mathrm{时}\mathrm{钟}\mathrm{周}\mathrm{期}\mathrm{长}\mathrm{度}{T}_c=\frac{\mathrm{指}\mathrm{令}\mathrm{条}\mathrm{数}{L}_n\times CPI}{\mathrm{主}\mathrm{频}{R}_c}$

5.MIPS和MFLOPS

MIPS：CPU每秒执行的百万条指令数，单位为百万条

$MIPS=\frac{\mathrm{指}\mathrm{令}\mathrm{条}\mathrm{数}{L}_n}{\mathrm{执}\mathrm{行}\mathrm{时}\mathrm{间}\times {10}^6}=\frac{\mathrm{主}\mathrm{频}{R}_c}{CPI\times {10}^6}=\frac{1}{T_c\times CPI\times {10}^6}$

MFLOPS:每秒执行的百万次浮点运算数目

6.吞吐量

计算机吞吐量取决于主存的存取周期

7.响应时间

考点六：并行系统

1.多核处理器

2.SMP系统结构