组成原理（一）计算机系统概述

第一章 计算机系统概述

1.1 计算机基本概念

1. 计算机按照指令和数据流的分类：
   （1）单指令单数据流：SISD，传统冯诺依曼体系
   （2）单指令多数据流：SIMD，
   （3）多指令单数据流：这种计算机实际上不存在
   （3）多指令多数据流：MIMD，

2. 软硬件逻辑上等效：
   如果一个功能，既能用软件实现，又能用硬件实现，则称其为软硬件逻辑等效

3. 高级语言-类自然语言 -> 虚拟机器M4
   汇编语言-符号语言 -> 虚拟机器M3
   ----------------------------------
   操作系统 - 虚拟机M2
   （一开始计算机并没有设计这一层，后来为了把每次编程都需要用到的文件管理，内存管理等抽取出来而形成）
   ----------------------------------
   机器语言-二进制 -> 实际机器M1
   微指令系统 -> 微程序机器M0
   【注】一条机器指令就是一条微程序，这条微程序是由多条微指令构成的，每个微指令发送一个微命令进行一个微操作让计算机前行。

4. 计算机硬件基本组成：冯诺依曼机器
   （1）运算器，控制器，存储器，输入输出设备
   （2）采用存储程序的方式执行，数据用二进制形式表示
   （3）指令由操作码和地址码组成
   （4）指令在存储器中按照执行顺序存放，由PC致命要执行的指令的存储单元。一般为按顺序递增
   （5）冯诺依曼机以运算器为核心，而现代机器以存储器为核心(总线结构能看出来)

5. CPU：运算器ALU+控制器CU
   主机：CPU+主存
   硬件：外存
   IO设备：输入输出设备

1.2 冯诺依曼结构中的5大部件

1. 运算器
   运算器的长度x表明，一次最多可以对2个x位的数据进行操作

2. 存储器
   （1）存储器由多个小房间组成，一个小房间存储8bit数据，也就是1byte
   （2）(2^{10})差生一个单位递进
   （3）MAR：存储地址的寄存器
            MDR：存储数据的寄存器
   （4）MAR的位数和MDR的位数可以算出整个主存的大小。
   MAR的位数给出了主存中有几个小房间，而MDR的位数给出了每个小房间的大小是多少。eg：MAR10位，MDR8位，则主存总共(2^10 * 8bit) 3. 控制器
   （1）任务：按照一定顺序逐条取指令，对指令译码，然后执行指令的操作
   （2）控制器在一个取值周期到来后从内存读取信息流（指令流），流向执行器
   （3）执行器再周期的从内存中读取信息流（数据流），流向运算器

3. 计算机的全过程
   （1）输入程序和数据
   （2）程序首地址放到pc
   （3）启动应用程序
   （4）把PC寄存器的值放到MAR寄存器中
   （5）按照MAR的地址从主存取得数据放到MDR
   （6）此时取得的数据是指令，所以再把MDR的数据放到IR(指令寄存器)
   （7）分析指令OP(IR)：分解开操作数和操作码，把IR的操作码放到CU(控制码)
   （9）执行指令：把IR的操作数(需要操作的数的地址)部分拿出来放到mar，按照mar的地址去主存取数放到MDR，再把MDR的数据放到ACC（ALU中的累加器）
   （10）最后执行PC+1放到PC
   （11）打印结果
   （12）卸载程序

1.3 计算机性能指标

1. 机器字长：参与运算的数据的基本位数。也是加法器，寄存器的位数
2. 数据总线一次传输的数据位数称作数据同路的宽度
3. 吞吐量：指的是系统在单位时间内处理的请求数量
4. 响应时间：系统对请求做出响应的时间=CPU时间+等待时间
   1）CPU时间为运行程序所花的时间
   2）等待时间：用于磁盘访问，存储器访问，IO操作，操作系统的开销时间
5. CPU主频又称时间频率，表示数字脉冲信号振荡的频率。单位是时钟周期/s
6. 主频的倒数就是时钟周期
7. CPI是每条指令执行时所需的时钟周期数。CPI往往使一个平局数，使用概率论算出来的概率和
8. IPC是每个时钟周期执行的指令数，和CPI成倒数关系