计算机组成原理概述
0.0 计算机发展历程
0.0.1 计算机系统
计算机系统=硬件+软件
计算机五大功能
- 数据传送
- 数据存储
- 数据处理
- 操作和控制
- 操作判断
0.0.2 硬件的发展
微处理器：摩尔定律
半导体存储：AMD
0.0.3 编程语言的发展
0.0.4 单片机
采用超大规模集成电路技术集成到一块硅片上的卫星计算机系统
0.1 计算机系统层次结构
0.1.1 计算机多级层次结构
上层是下层的扩展，下层是上层的基础
指令系统向后兼容：新机器兼容以前机器的指令系统
硬件和软件在逻辑上等效，但不等价
M0
微指令
- 取指
- 译码
- 执行
M1
- 取数指令
- 乘法指令
0.1.2 硬件的基本组成
冯诺依曼机
基本工作方式为控制流驱动方式
特点
计算机由五大部件组成：运算器为中心，控制器，存储器，输入输出设备
指令由操作码和地址码组成
指令和数据
指令和数据在计算机中都是以二进制表示
指令和数据以同等地位存储在存储器中，按地址寻址
指令顺序存储在存储器中
数据在控制器控制下经过运算器传送给输入输出设备
程序存储
指令以代码的形式实现存储在存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后按照该程序规定顺序执行其他指令，直至程序结束
现代计算机组织结构
以存储器为核心，使I/O操作尽可能绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成，提高系统的整体效率
MAR与MDR集成与CPU中，但不集成于CU和运算器中
对各类程序员都透明的寄存器：IR、MAR、MDR、指令存储器
计算机体系结构与组成原理
- 体系结构研究属性
- 组成原理研究属性实现
指令系统属于体系结构
- 当两台机器指令系统相同时，只能说具有相同的结构
指令实现可能不同（组成原理）
五大功能部件
运算器
功能
- 逻辑运算
- 算数运算
组成
核心：ALU
若干寄存器
- ACC：累加器
- MQ：乘商寄存器
- X：操作数寄存器
程序状态字PSW
- 标志寄存器
- 存放ALU运算得到的标志信息或处理机状态信息
控制器
主存储器
存放程序，存放数据
- CPU可直接访问主存，辅存信息需要调入内存才可被CPU访问
工作方式
按存储单元地址进行存取
概念组成
每个地址对应一个存储单元
硬件组成
MAR：地址寄存器
MDR：数据寄存器
输入设备
将程序和数据以计算机可表示的形式输入
输出设备
将计算机处理结果以人可识别的形式输出
硬件组成概述
地址线：CPU发出的地址信息首先存放在MAR中，MAR中的地址信息直接送到地址总线上，从该地址指向的存储单元进行读/写操作
读/写信号线指明
MDR中数据的流向
0.1.3 软件系统
程序+数据+文档
软件分类
系统软件
是保证计算机系统运行的基础软件，作为系统资源提供计算机使用
常见的系统软件
- 操作系统(OS)
- 数据库管理系统(DBMS)
语言处理系统
网络软件系统
- 标准库程序
- 服务性程序
应用软件
语言分级
机器语言
- 二进制代码
- 计算机可唯一识别和执行的语言
汇编语言
- 符号化的机器指令
- 需要经过汇编程序转化为机器语言
高级语言
- 经编译程序变为汇编程序
- 汇编程序经汇编得到机器语言
0.2 计算机工作过程
1. 将程序和数据装入主存
2. 程序翻译
汇编程序
编译程序
高级语言->机器语言
- 同一高级语言在不同体系结构下，编译成的目标程序不一样
编译过程
.c —> .exe
预处理(Preprocessing)
.c—>.iE
预处理器执行宏替换、条件编译以及对包含的指定文件进行替换
编译(Compilation)
.i—>.s（汇编文件）Source Code
用编译器(ccl)进行编译
每条语句以文本格式描述一条低级机器语言指令
汇编(Assembly)
.s—>.o（可重定位文件）Object Code
汇编器将 .s 翻译为机器语言
打包为一个可重定位的目标文件 .o
链接(Linking)
.o—>.exe（二进制文件）
链接器将多个 .o 文件和标准库函数所在的 .o 模块合并，生成 .exe 文件
解释程序
3. 可执行文件逐条执行指令
间接寻址指令 执行过程
计算机如何区分指令和数据：
- 取指阶段访存是取指令
- 执行阶段访存是取数据
A. 取指
(PC)->MAR
M(MAR)->MDR
- MAR中的内容送至地址线同时，CPU将
读信号送至控制线 - 主存根据地址线与控制线上信息，从指定单元读取信息，送到数据线
(MDR)->IR
(PC)+1->PC
B. 分析
OP(IR)->CU
CU根据IR中的操作码 OP(IR) ，生成相应的控制信号，送至不同执行部件
C. 执行
Ad(IR)->MAR
M(MAR)->MDR
0.3 计算机性能指标
0.3.1 主存容量
MAR位数
描述主存最多有多少个存储单元
- 表示可寻址的最大地址范围 $2^{MAR位数}=存储单元个数$
MDR
位数和存储字长相等
0.3.2 CPU性能
指令数
主频
描述计算机速率——10的幂次
描述计算机容量——2的幂次
运算速度
时钟周期(clock)
完成一个动作(微指令)至少需要一个时钟周期
主频
单位时间有多少时钟周期数
- 数字脉冲振动频率
主频与运算速度无直接关系，受各方面因素影响
- 架构
- 缓存
- 指令集
- CPU位数
- Cache大小
CPI
执行每条指令需要的时钟周期数（Clock Per Instruction）
主频高的CPU一定比主频低的CPU运算快吗？
- 不一定，两个CPU，A的主频2GHZ，平均CPI=10；B的主频1GHZ，平均CPI=1
A，B两个CPU平均CPI相同，哪个更快
- 与指令系统相关，如A不支持乘法指令，需要多次加法实现乘法，而B支持乘法指令
CPU执行时间
缩短CPU执行时间措施
- 提高主频
- 优化数据通路，可有效提高系统的吞吐量
- 数据通路：实现CPU内部的运算器及寄存器之间的数据交换
- 对程序进行编译优化，得到更优的指令序列
IPS
1s执行的指令数
MIPS：衡量标量机性能
MFLOPS：衡量向量机性能；用于科学计算的计算机主要评估指标
0.3.3 系统整体性能
机器字长
计算一次整数运算所能处理的二进制位数
与数据寄存器位数有关
数据通路带宽（数据字长）
数据总线一次性并行传送二进制的位数
吞吐量
单位时间内完成事务的数量
系统在单位时间内处理请求的数量
响应时间
从发起请求到做出相应的时间