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计算机组成原理(计算机系统概述)

news 2026/1/29 8:07:20

一. 计算机的发展

计算机系统 = 硬件 + 软件

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第一台电子计算机：ENIAC(1946)

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硬件的发展

发展阶段	逻辑元件	优缺点
第一代	电子管	体积超大，耗电量超大
第二代	晶体管	体积、功耗降低，出现面向过程的程序设计语言：FORTRAN，有了操作系统雏形
第三代	中小规模集成电路	计算机主要用于科学计算等专业用途，高级语言迅速发展，开始有了分时操作系统
第四代	超大规模集成电路	开始出现 “微处理器”、微型计算机、个人计算机（PC）萌芽，操作系统：window、MacOS、Linux

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微处理器的发展

微处理器的定义:
微处理器是由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。
微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围电路芯片组成微型计算机。

微型计算机的发展以微处理器技术为标志
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机器字长: 一次整数运算所能处理的二进制位数
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故事是这样的:
肖克利发明了晶体管, 创建了公司卖晶体管
后来那八个人慕名加入了肖克利公司
由于肖克利管理公司能力欠佳, 那八人离开了肖克利公司,
被称为八叛徒的他们创立了仙童半导体公司
…
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摩尔定律

摩尔定律揭示了信息技术进步的速度, 集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,整体性能也将提升一倍

也就是说
就是说我现在买了个2000元的晶体管, 过了18个月后,还用两千元就可以买到性能是之前两倍的晶体管

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计算机目前的发展趋势

“两极分化”:
1.是微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展(智能手表,手机)
2.是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展（神威.太湖之光）

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二. 计算机硬件的基本组成

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2.1 早期冯诺依曼机

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“存储程序” 的概念是指将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器, 电脑再一条一条的去执行, 而不是像之前的每执行一条程序就要手动接线
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程序指令的解析是由控制器来决定的
控制器指挥程序运行
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在计算机系统中, 软件和硬件在逻辑上是等效的

Eg: 对于乘法运算, 可以设计一个专门的硬件电路实现乘法运算, 也可以用软件的方式, 执行多次加法运算来实现

软件和硬件都可以实现某个功能
软件实现的话,性能更低, 当然成本也更低
硬件实现的话(可以设计运算器的结构),性能更高, 成本也更高

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效率低的原因就是输出设备要从存储器里取出数据还需要通过运算器来完成
以运算器为中心

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2.2 现代计算机的结构

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现代计算机以存储器为中心
CPU=运算器+控制器

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需要注意的是: 主机=内存+CPU, 而不是包含风扇和其他的
主存就是内存, 辅存是机械硬盘和固态硬盘

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三. 各硬件的工作原理

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3.1 主存储器的基本组成

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MAR是地址寄存器
MDR是数据寄存器

CPU的读写操作与我们取快递类似
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存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码
存储字长：存储单元中二进制代码的位数
存储字（word）：存储单元中二进制代码的组合
（一个存储字可代表一个二进制数，也可代表一串字符，如存储字为0011011001111101，既可表示为由十六进制字符组成的367DH（ASCII码），又可代表16位的二进制数，此值对应十进制数为13 949，还可代表两个ASCII码：“6”和“}”。一个存储字还可代表一条指令。）
存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit

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例如：
MAR=4位 $\quad$ ->总共可以有2⁴个存储单元
MDR=16位 $\quad$ ->每个存储单元可以存放16bit

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1字节（Byte） = 8位（bit）固定的，注意B与b的区别
在16位的系统中（比如8086微机） 1字（word）= 2字节（Byte）= 16（bit）
在32位的系统中（比如win32） 1字（word）= 4字节（Byte）=32（bit）
在64位的系统中（比如win64）1字（word）= 8字节（Byte）=64（bit）

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3.2 运算器的基本组成

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运算器：用于实现算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非）的

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ACC(累加器)：用于存放操作数或运算结果
MQ(乘商寄存器)：在乘除运算时，用于存放操作数或运算结果
X(通用操作数寄存器)：用于存放操作数
ALU(算术逻辑单元)：通过内部复杂的电路实现算术运算、逻辑运算，是运算器的核心部件

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3.3 控制器的基本组成

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CU(控制单元)：分析指令，给出控制信号，是控制器的核心部件
IR(指令寄存器)：存放当前执行的指令
PC(程序计数器)：存放下一条指令地址，有自动加1功能

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四. 计算机的工作过程

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以c语言为例运行y=a*b+c的过程
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指令由操作码和地址码构成
这个是16bit的指令（有16位二进制）
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寄存器名加上括号的意思是寄存器里面的内容（比如（MAR=0））
Memory(存储器)

程序计数器PC指向第一条指令, 主存地址为0, PC存放的内容需要通过地址总线传送到MAR(地址寄存器)中, 也就是说控制器要向主存地址要0号地址的指令,而且是读操作, 那么MAR就去存储体里面找出0号地址所对应的指令取出来放到MDR(数据寄存器)
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IR为指令寄存器, MDR的指令传到IR里面