计算机组成原理之机器

1.1 计算机系统概论

1.1 计算机系统简介

• 把感应器嵌入和装备到电网，铁路，桥梁等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，然后将“物联网”与现代计算机网络联合起来，实现人类社会和物体实体的整合，形成智慧地球。
• 计算机系统由硬件和软件组成。软件分为系统软件和应用软件，前者包括操作系统，语言处理程序，服务性程序等。
• 计算机编程的层次结构：微指令系统->机器语言->操作系统->汇编语言->高级语言，前两者属于硬件编程层次。
• 计算机体系结构指的是程序员所能看到的计算机系统的属性，概念性的结构和功能特性（指令系统，数据类型，寻址技术，I/O处理，逻辑实现）
• 计算机组成指的是实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令的实现，物理实现）

1.2 计算机的基本组成

• 冯诺依曼计算机的特点（存储程序结构的计算机）

  • 计算机由五大部分组成（运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备）
  • 指令和数据以同等地位存储在存储器中，可按地址寻访
  • 指令和数据用二进制描述
  • 指令由操作码和地址码组成
  • 存储程序
  • 以运算器为核心

• 冯诺依曼计算机的问题：运算器工作负载大，存在瓶颈。层次化特征差。

• 解决前一问题，通过以存储器为核心解决。

• 后者则演化成了现代计算机硬件结构。

• 操作码指明了需要执行的操作，地址码指明了需要取出数据在内存中的地址

• 存储器有以下结构：存储体->存储单元->存储元件。存储单元存放一串二进制代码。每个存储单元赋予一个地址，这样就可以在执行指令的时候找到这个存储单元。

• 运算器由ALU,ACC,X,MQ组成。ALU是运算单元，ACC和X是输入数据寄存器，MQ是额外的数据寄存器。ACC和X进行加减运算，ACC和MQ进行乘除运算。

• 控制器的功能包括解释指令和保证指令的按序运行。结构包括PC（取指令，程序计数器，存放当前欲执行指令的地址）,IR（分析指令，存放当前欲执行的指令）,CU（执行指令）。

• 运算器，控制器，存储器构成了一条指令在计算机上的完成过程，以及指明了程序在主机上是如何运行的。

• 取指令->分析指令->执行指令
  

• 取指令->分析指令->执行指令
  

• 取指令：PC-MAR-M-MDR-IR

• 分析指令：IR（OP操作码）-CU

• 执行指令：IR（AD地址码，也就是需要取数的地址）-MAR-M-MDR-ACC（以取数指令为例）

• 以上三步来看，MAR和MDR实际上是接口寄存器。

1.3 计算机硬件主要性能指标

• 机器字长：CPU一次能够处理的数据的位数，与CPU的寄存器位数有关
• 运算速度：主频（外频*倍频），核数，CPI(执行一条指令需要的时钟周期)，MIPS(每秒执行百万次指令)，FLOPS（每秒浮点数运算）
• 存储容量：主存容量+辅存容量。

3. 系统总线
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   3.1 总线的基本概述

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• 总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。
• 总线上信息的传输方式分为并行和串行。

3.2 总线的分类

• 片内总线：芯片内部的总线
• 系统总线：计算机各个部件之间的信息传输
• 系统总线又可以分为三类：
  • 数据总线（在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据）
  • 地址总线（用来指定在RAM（Random Access Memory）之中储存的数据的地址）
  • 控制总线（将微处理器控制单元（Control Unit）的信号，传送到周边设备，一般常见的为USB Bus和1394 Bus。）。
• 通讯总线：计算机系统之间或者计算机系统与其他系统之间的信息传输
• 还包括两种总线，扩展总线和局部总线。
  • 扩展总线（Expansion Bus）：可连接扩展槽和电脑。
  • 局部总线（Local Bus）：取代更高速数据传输的扩展总线，如cpu和高速缓存间。