至今头条

计算机组成原理【1】： 计算机系统概述

2024-08-21 04:06 由 SXWisON 发表于 #其他

注意：
本文更偏向于考试复习，如果初学，建议配合教材，谢谢！

概述

计算机系统层次结构

  • 计算机系统的基本组成
  • 计算机硬件的基本组成
  • 计算机软件和硬件的关系
  • 计算机系统的工作原理
    计算机性能指标
    吞吐量；响应时间；CPU时钟周期；主频；CPI；CPU执行时间；MIPS；MFLOPS

计算机系统层次结构

计算机系统的组成

  1. 硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统。硬件是指有形的物理设备，是计算机系统中实际物理装置的总称。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。
  2. 对某一功能来说，若既可以用软件实现，又可以用硬件实现，则称为软/硬件在逻辑功能上是等价的。
  3. 一个功能若使用较为频繁且用硬件实现的成本较为理想，则使用硬件解决可以提高效率。

冯·诺伊曼机

“存储程序”的思想奠定了现代计算机的基本结构，以此概念为基础的各类计算机统称冯·诺伊曼机，其特点如下：

  1. 采用“存储程序”的工作方式。
  2. 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成。
  3. 指令和数据以同等地位存储在存储器中，形式上没有区别，但计算机应能区分它们。
  4. 指令和数据均用二进制代码表示。
  5. 指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址。

计算机的功能部件

输入设备/输出设备：略

存储器

  1. 存储器分为主存储器（也称主存）和辅助存储器（也称外存）。
  2. CPU能够直接访问的存储器是主存储器。
  3. 辅助存储器用于帮助主存储器存储更多的信息。
  4. 存储器的工作方式是按存储单元的地址进行存取，这种存取方式称为按地址存取方式。

存储器组成

  1. 存储体：存放二进制信息
  2. 存储器地址寄存器（MAR）：存放访存地址。
  3. 存储器数据寄存器（MDR）：用于暂存要从存储器中读或写的信息。
  4. 时序控制逻辑：产生存储器操作所需的时序信号。

MAR & MDR

  • MAR用于寻址，其位数反映最多可寻址的存储单元个数。MAR长度与PC长度相等。
  • MDR的位数通常等于存储字长。
  • 现代计算机中，MAR、MDR和Cache（高速缓存）均存在于CPU中，而非存储器。

运算器

  1. 运算器是计算机的执行部件，用于进行算术运算和逻辑运算。
  2. 算术运算：加、减、乘、除等。
  3. 逻辑运算：与、或、非、异或、比较、移位等。
  4. 核心：算术逻辑单元（ALU）
  5. 运算器包含若干通用寄存器，用于暂存操作数和中间结果，如：累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（X）、变址寄存器（IX）、基址寄存器（BR）等，其中前三个寄存器是必须具备的。
  6. 程序状态寄存器（PSW），也称标志寄存器，用于存放ALU运算得到的一些标志信息或处理机的状态信息。

控制器

  1. 控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）和控制单元（CU）组成。
  2. 程序计数器(PC)：存放当前欲执行的指令的地址，可自动形成下一条指令的地址，它与贮存期的MAR之间有一条直接通路。
  3. 指令寄存器(IR)：存放当前的指令，其内容来源于主存储器的MDR。指令中的操作码OP(IR)送至CU，用以分析指令并发出各种微操作命令序列；地址码Ad(IR)送至MAR，用以取操作数。
  4. 一般将运算器和控制器集成到一个芯片上，称为中央处理器（CPU）。CPU和主存储器共同构成主机，除主机之外的其它硬件装置统称外部设备，简称外设。

计算机软件

系统软件和应用软件

1.软件根据功能分类，可分为系统软件和应用软件。
2. 系统软件：保证计算机系统高效、正确运行的基础软件。主要有：操作系统（OS）、数据库管理系统（DBMS）等。
3. 应用软件：为解决某个应用领域中的各类问题而编制的程序。

语言

  1. 机器语言：也称二级制代码语言。是计算机唯一可以识别和执行的语言。
  2. 汇编语言：用英文单词或其缩写代替二进制的指令的指令代码。
  3. 高级语言：方便程序设计人员写出解决问题的处理方案和解题过程的程序。

翻译程序

  1. 汇编程序（汇编器）：将汇编程序翻译为机器语言程序。
  2. 解释程序（解释器）：将源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并立即执行。
  3. 编译程序（编译器）：将高级语言程序翻译成汇编语言或机器语言程序。

速度上：编译>解释。Python采用解释，而C++采用编译。

计算机的层次结构

  • ⑤高级语言层->④汇编语言层->③操作系统层->②传统机器语言层->①微程序机器层。
  • 没有配备软件的纯硬件系统称为裸机；3~5层称为虚拟机。
  • 软件和硬件之间的界面是指令集体系结构（ISA），其定义了一台计算机可以执行的所有指令。ISA是软件能感知到的部分，也称软件可见部分。

计算机系统的工作原理

“存储程序”工作方式
“存储程序”工作方式规定：程序执行前，需要将程序所含的指令和数据送入主存储器，一旦程序被启动执行，就无须操作人员的干预，自动逐条完成指令的取出和执行任务。

从源程序到可执行程序

  1. 预处理阶段：预处理器(cpp)对源程序中以字符#开头的命令进行处理。hello.c -> hello.i
  2. 编译阶段：编译器(ccl)对预处理后的源程序进行编译，生成汇编语言源程序hello.s
  3. 汇编阶段：汇编器(as)将其翻译成机器语言指令，并打包成可重定位目标文件hello.o
  4. 链接阶段：链接器(ld)将多个可重定位目标文件和标准库函数合并为一个可执行目标文件，简称可执行文件。

hello.c 源程序 -> hello.i 预处理后的源程序 -> hello.s 汇编程序 -> hello.o 可重定位目标程序 -> hello 可执行目标程序

指令执行过程

  1. 取指令：PC->MAR->M->MDR->IR
    根据PC取指令到IR。将PC的内容送至MAR，MAR中的内容送至地址线，同时控制器将信号送至I/O信号线，主存储器根据地址线上的地址读信号，从指定存储单元读出指令，送至数据线上，MDR从数据线接受指令信息，送至IR。

  2. 分析指令：OP(IR)->CU
    指令译码并送出控制信号。控制器根据IR中指令的操作码，生成相应的控制信号，送到不同的执行部件。OP(IR)为取数指令，此时控制信号送至总线的控制线上。

  3. 执行指令：Ad(IR)->MAR->M->MDR->ACC
    取数操作：将IR中的指令的地址码送至MAR，MAR中的内容送至地址线，同时控制器将读信号送至I/O信号线，从主存储器中读出操作数，并通过数据线送至MDR，再送到ACC中。

  4. 每取完一条指令，计算下条指令位置，即：(PC)+1->PC

计算机的主要性能指标

机器字长
机器字长，简称字长，指计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二级制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数、ALU有关。字长一般等于通用寄存器的位数或ALU的宽度，字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高。

数据通路带宽
指数据总线一次所能并行传送信息的位数。指代外部数据总线的宽度，与CPU内部数据总线宽度（内部寄存器大小）可能不同。

主存容量
主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量。也可用字数×字长（512K×16位）来表示存储容量。MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反映了存储单元的字长。

运算速度

  1. 吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量。
  2. 响应时间：从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所需结果的等待时间。
  3. CPU时钟周期：机器内部主时钟脉冲信号的宽度，是CPU工作的最小时间单位。
  4. 主频（CPU时钟频率）：机器内部主时钟的频率，即时钟周期的倒数。
  5. CPI：执行一条指令所需的时钟周期数。注意CPI是一个平均数。
  6. IPS：每秒执行多少条指令，IPS=主频/CPI。
  7. CPU执行时间：执行一个程序所花费的时间。
  8. MIPS：每秒执行多少百万条指令。
  9. FLOPS：每秒执行多少次浮点运算。

其它术语

  1. 基准程序：专门用来进行性能评价的一组程序，能够很好地反应机器在运行实际负载时的性能。
  2. 系列机：具有相同的体系结构，使用相同基本指令系统的多个不同型号的计算机。
  3. 兼容：指软件和硬件的通用性。
  4. 固件：将程序固化在ROM中组成的部件称为固件。