计算机组成原理：一、计算机系统概述

参考视频：王道计算机考研 计算机组成原理_哔哩哔哩_bilibili

1. 硬件的发展

2. 硬件的基本组成

2.1 冯诺依曼结构

逻辑结构：

特点：

• 指令和数据以同等地位存储在存储器中，可以按照地址寻访。
• 指令由操作码和地址码组成。
• 以运算器为中心。这会带来一个问题：运算器本身是用来计算的工具，但如数据和代码的输入和输出都必须经过它，这显然会让效率降低，现代计算机结构对这一点进行了改进。

2.2 现代计算机结构

逻辑结构：

特点：

• 以存储器为中心。避免了数据和指令的输入输出都要经过运算器的造成的损耗。

逻辑部件的现实实现：

其中：

• CPU=运算器+控制器
• 主存储器=内存
• IO设备：包括输入和输出。此外：辅存（如硬盘）虽然是存储器的一种，但属于IO设备。

3. 硬件的工作原理

3.1 主存储器

整体构成：存储体结构：

解析：

• 存储体：数据存放处
  • 数据在存储体中是按照地址存储的。
  • 一些关键概念：
    • 存储单元：用于存储二进制数据的单位容器。存放位数取决于CPU的机器实现，但一般是8的倍数。（因为1Btye=8bits）
    • 存储字（word）：存储在存储单元中的二进制数据。
    • 存储字长：存储单元可以存放二进制数据的位数。
    • 存储元：就是存储体的基本单位，每个存储元可以存储1bit的数据，通过电容实现。
• MAR（memory address register 存储地址寄存器）：记录地址，其位数与存储体的存储单元个数相对应。（如4位，说明存储体中有$2^4=16$个存储单元）
• MDR（memory data register 存储数据寄存器）：是存储和读取数据的媒介。具体逻辑如下：
  • 存储数据时：IO设备在MAR中存放数据在存储体中的地址，在MDR中存放要存放数据，随后数据被从MDR同步到指定地址的存储单元中。
  • 取出数据时：IO设备在MAR中存放要取出的数据的地址，随后数据将会从存储体指定位置的存储单元中取出，并存放在MDR中，IO设备将会从MDR中读取数据。
  • 因此，MDR位数=存储单元位数，因为它每次接收或发送一个存储单元的数据。

3.2 运算器的基本组成

构成图：

解析：

• ACC（Accumulator 累加寄存器）：用于存放操作数，或操作结果。
• MQ（Multiple-Quotient Register 乘商寄存器）：在乘除运算时，用于存放操作数或操作结果。
• X（通用操作数寄存器）：用于存放操作数。
• ALU（Arithmetic and Logic Unit 算数逻辑单元）：通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算。

3.3 控制器的基本组成

组成图：

解析：

• CU（Control Unit 控制单元）：分析指令（也就是当前指令的操作码），从而给出控制信号（例如指出要进行加法操作）。
• IR（Instruction Register 指令寄存器）：存放当前执行的指令（指令由操作码和地址码组成）。
• PC(Program Counter 程序计数器)：存放下一条指令的地址，有自动+1的功能。默认为0。

3.4 实例

接下来将通过一个简单的c语言程序来分析这些硬件的工作流程。

题目：

现有程序如下：

int a=2,b=3,c=1,y=0;
void main(){
    y = a*b+c;
}

将其编译后装入主存储器的存储体，结构如下：

计算机结构如下：

现在计算机执行该程序，请分析其执行流程。

解答如下：

1. 第一条指令：起初(PC)=0，指向第一条指令的存储地址

   1. (PC)->MAR，导致(MAR)=0

   2. M(MAR)->MDR（依照MAR中的地址，在存储体中取出数据，存到MDR中），导致(MDR)=00001 0000000101

      （注意：这里之所以直接从1跳到了3，是因为这一句实际上是两步操作合并了。后面的一些跳行也是因为这个原因：

      1. 存储体从MAR中取地址。
      2. 存储体依照取出的地址从自身取值，然后赋给MDR。）

   3. (MDR)->IR（将MDR中的值赋给IR），导致IR=00001 0000000101

   4. OP(IR)->CU（从IR中截取操作码，交给CU），指令中的操作码送到CU，CU分析后得知，这时取数的指令

   5. Ad(IR)->MAR（从IR中截取地址码，交给MAR），指令的地址码交给MAR，导致(MAR)=5

   6. M(MAR)->MDR（依照MAR中的地址，在存储体中取出数据，存到MDR中），导致(MDR)=0000000000000010

   7. (MDR)->ACC（将MDR中的数据交给ACC），导致(ACC)=0000000000000010

2. 第二条指令：上一条指令取值后PC会自动+1，所以现在(PC)=1；且上一步执行后，(ACC)=2

   1. (PC)->MAR，导致(MAR)=1

   2. M(MAR)->MDR，导致(MDR)=000100 0000000110

   3. (MDR)->IR，导致(IR)=000100 0000000110

   4. OP(IR)->CU，指令的操作码送到CU，CU分析得知，这是一条乘法指令。

   5. Ad(IR)->MAR，指令的地址码送到MAR，导致(MAR)=6

   6. M(MAR)->MDR，导致(MDR)=0000000000000011=3

   7. (MDR)->MQ，导致(MQ)=0000000000000011=3

   8. (ACC)->X，导致(X)=2

   9. (MQ)*(X)->ACC，根据ALU实现乘法运算，导致(ACC)=6。如果成绩太大，就需要MQ辅助存储。

3. 第三条指令：上一条指令取指后，(PC)=2，执行后，(ACC)=6

   1. (PC)->MAR，导致(MAR)=2

   2. M(MAR)->MDR，导致(MDR)=000011 0000000111

   3. (MDR)->IR，导致(IR)=000011 0000000111

   4. OP(IR)，指令的操作码送到CU，CU分析得知，这是一条加法指令。

   5. Ad(IR)->MAR，指令的地址码送到MAR，导致(MAR)=0000000000000111=7

   6. M(MAR)->MDR，导致(MDR)=0000000000000001=1

   7. (MDR)->X，导致(X)=1

   8. (ACC)+(X)->ACC，根据ALU实现加法运算。

4. 第四条指令：上一条指令取值后，(PC)=3，执行后，(ACC)=7

   1. (PC)->MAR，导致(MAR)=3

   2. M(MAR)->MDR，导致(MDR)=000010 0000001000

   3. (MDR)->IR，导致(IR)=000010 0000001000

   4. OP(IR)，指令的操作码送到CU，CU分析得知，这是一条存数指令。

   5. Ad(IR)->MAR，指令的地址码送到MAR，导致(MAR)=0000000000001000=8

   6. (ACC)->MDR，导致(MDR)=7

   7. (MDR)->地址为8的存储单元，导致y=7

5. 第五条指令：上一条指令取值后，(PC)=4

   1. (PC)->MAR，导致(MAR)=3

   2. M(MAR)->MDR，导致(MDR)=000110 0000000000

   3. (MDR)->IR，导致(IR)=000110 0000000000

   4. OP(IR)，指令的操作码送到CU，CU分析得知，这是一条停机指令。

      （随后将会利用中断机制通知操作系统终止该进程，那又是另一段程序了）

4. 计算机系统的层次结构

4.1 计算机五层结构

4.2 三种级别的语言

• 高级语言：c/c++、java
• 汇编语言
• 机器语言

编译程序与解释程序的区别：

• 编译程序：一次编译所有代码，以后只需要运行编译出来的文件。
• 解释程序：编译一句，运行一句。每次重新运行都要再次一句一句的编译。shell、python、JavaScript就是采用的这种方式。

5. 计算机性能指标

5.1 存储器的性能指标

• MAR：显示存储单元位数的多少。
• MDR：显示存储单元的大小。

EG：MAR为32位，MDR为8位，那么可以存储的位数为：

$$2^32 * 8 = 32Gb = 4GB$$

5.2 CPU的性能指标

相关概念：

• CPU时钟周期（单位：微秒/纳秒）：表示CPU一个振荡周期耗时时间
• CPU主频（单位：HZ）：CPU内数字脉冲信号震荡的频率。表示在一秒内经过了多少CPU时钟周期。与时钟周期成反比。
• CPI（Clock cycle Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数。（一般都是看平均的）

由上述二者可以推出：

$$执行一条指令的耗时=CPI*时钟周期$$

EG：某CPU主频为1000HZ，某程序包含100条指令，平均来看指令CPI=3，求该程序在CPU上执行所耗时间：

$$100*3/1000=0.3s$$

• IPS(Instructions Per Second)：每秒执行多少条指令。

$$IPS=\frac{1}{CPI*时钟周期}=\frac{主频}{CPI}$$

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

5.3 系统总体性能指标

数据通路带宽：数据总线一次所能并行传递数据的位数。（各个硬件之间通过数据总线来传递数据）

吞吐量：指系统在单位时间内可以处理的请求量。（这是一个抽象的指标，因为请求的单位大小并不确定）。

响应时间：指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：就是跑分软件，里面包含了多种计算机指令。