计算机组成原理绪论


1. 一些概念

  • 主机:CPU+MM(主存或内存)
  • CPU:中央处理器。包括运算器和控制器。
  • 主存:存放正在运行的程序和数据,可随机存取
  • 存储单元:可以存放机器字并具有特定存储地址的存储单位
  • 存储元件:存储一位二进制信息的物理元件
  • 存储字:一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位
  • 存储字长:一个存储单元所存二进制代码的位数
  • 存储容量:存储器可存二进制代码的容量
  • 机器字长:CPU一次能处理的数据位数(取决于寄存器位数)
  • 指令字长:一条指令的二进制代码位数

2. 英文缩写的中文含义

  • CPU(Central Processing Unit):中央处理器。运算器+控制器。
  • PC(Program Counter):程序计数器。位于控制器,存放当前欲执行指令地址,并自动计数形成下一条指令的地址
  • IR(Instruction Register):指令寄存器。存放当前正执行执行指令的计数器
  • CU(Control Unit):控制单元。控制器中产生微操作命令序列的部件
  • ALU(Arithmet Logic Unit):算术逻辑运算单元
  • ACC(Accumator):累加器。存放操作数和运算结果
  • MQ(Multiplier-Quotient Register):乘商寄存器。乘法时存放乘数,除法时存放商
  • MAR(Memory Address Register):存储器地址寄存器。内存中存放欲访问存储单元地址的寄存器
  • MDR(Memory Data Register):存储器数据寄存器
  • I/O(Input/Output equipment):输入输出设备
  • MIPS(Million Instruction Pre Second):每秒执行百万条指令
  • CPI(Cycle Per Instruction):执行一条指令所需要的指令周期数
  • FLOPS(Floating Point Operation Per Second):每秒浮点运算次数

3. 冯·诺依曼计算机

3.1 特点(重点)

  • 由五大部件组成,包括运算器、存储器、控制器和输入输出设备
  • 指令和数据以同等地位存于存储器,可按地址寻访
  • 指令和数据均用二进制码表示(如何区分?)
  • 指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数所在存储器中的位置
  • 存储程序:指令在存储器内按顺序存放,通常顺序执行,可跳转(存储程序与PC的关系?)
  • 以运算器为中心,I/O设备与存储器的数据传送要通过运算器

如何理解“存储程序”与PC的关系?

存储程序:指令在存储器内顺序存放、顺序执行,但可以根据运算结果或设定进行跳转。存储器能自动运行依赖于PC,PC存储欲执行指令的地址,并且在指令执行完后自动+1,直至停机。

计算机如何区分同样以0,1代码的形式存储在存储器中的指令和数据?

从时间角度:在取指周期取出的为指令,在执行周期取出的是数据。

从空间角度:访存时地址是由PC给出的,那么取出的是指令;若地址是由指令的地址码给出的,那么取出的是操作数。

3.2 硬件框图

4. 一条指令的执行过程

主机完成一条指令一般需要三个步骤:

  1. 取指令阶段
  2. 分析指令阶段
  3. 执行指令阶段

下面是取数指令的执行过程:

  1. 取指:PC->MAR->M->MDR->IR
  2. 分析:OP(IR)->CU
  3. 执行指令:AD(IR)->MAR->M->MDR->ACC

存数指令的执行过程:

  1. 取指令:PC->MAR->M->MDR->IR
  2. 分析指令:OP(IR)->CU
  3. 执行指令:AD(IR)->MAR->M, ACC->MDR->M

加法指令的执行过程:

  1. 取指令:PC->MAR->M->MDR->IR
  2. 分析指令:OP(IR)->CU
  3. 执行指令:AD(IR)->MAR->M->MAR->X, ACC->ALU, X->ALU, ALU->ACC

存储容量为$256M\times 32$位,256M代表了存储单元的个数,32位代表了存储字长。$256M=2^{28}$,所以地址线有28根。地址线的根数决定了存储单元有多少个。PC和MAR也就是28位。

5. 计算机系统层次结构

  • 硬件和软件的分界线是指令

6. 计算机组成与计算机体系结构

  • 计算机体系结构:是程序员所见到的计算机系统的属性,即概念性的结构与功能特性(指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理等)
  • 计算机组成:如何实现计算机体系结构所体现的属性
  • 一个计算机体系结构对应多个计算机组成,一个计算机组成对应多个计算机实现
  • 硬件和软件在功能上等价

文章作者: 恰醋
版权声明: 本博客所有文章除特別声明外,均采用 CC BY 4.0 许可协议。转载请注明来源 恰醋 !
评论
  目录