【计算机组成原理 - 第一章】计算机系统概论（完结）

本章参考王道考研相关课程：

【2021版】1.2.1_计算机硬件的基本组成_哔哩哔哩_bilibili

【2021版】1.2.2_认识各个硬件部件_哔哩哔哩_bilibili

【2021版】1.2.3_计算机系统的层次结构_哔哩哔哩_bilibili

【2021版】1.3_计算机的性能指标_哔哩哔哩_bilibili

目录

一、计算机的发展

二、计算机软硬件概念

三、计算机系统层次结构

1、三个级别的语言

2、翻译程序、汇编程序、编译程序、解释程序有什么差别？各自的特性是什么？

四、计算机的基本组成

1、冯诺依曼计算机特点

2、计算机硬件框图

（1）主存储器（cpu可以直接访问）、辅助存储

（2）运算器

（3）控制器

五、计算机工作过程

1、取数指令 ​编辑

2、乘法指令

 3、加法指令

4、存数指令

5、计算机工作过程总结

1、取指阶段（必经阶段）

2、分析阶段（必经阶段）

3、执行阶段（根据不同指令步骤不同）

六、计算机性能指标 

1、机器字长

2、存储器的性能指标

3、CPU的性能指标

4、系统整体性能指标

5、主频高的CPU一定比主频低的CPU快吗？为什么？

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一、计算机的发展

• 第一代：电子管计算机
• 第二代：晶体管计算机
• 第三代：较小规模集成电路
• 第四代：较大规模集成电路

二、计算机软硬件概念

• 系统软件：标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务程序、数据库管理系统、网络软件等
• 应用软件：科学计算类程序，工程设计类程序，数据统计与处理程序

三、计算机系统层次结构

1、三个级别的语言

• 机器语言：二进制代码，计算机唯一可以直接识别和执行的语言
• 汇编语言：用英文单词或其缩写代替二进制指令，必须经过一个称为汇编程序的系统软件翻译，将其转换为机器语言，才能在计算机的硬件系统上执行
• 高级语言：为方便程序员处理问题，经过编译程序编译成汇编语言，然后通过汇编程序转换成机器语言，或直接由高级语言程序翻译成机器语言

• 高级语言 ——编译——> 汇编语言 ——汇编——> 机器语言
• 边翻译边执行叫做解析

2、翻译程序、汇编程序、编译程序、解释程序有什么差别？各自的特性是什么？

翻译程序：包括编译程序和解释程序

• 编译程序：将高级语言一次全部翻译成目标程序
• 解释程序：翻译一句执行一句，并且不会生成目标程序

汇编程序：将汇编语言翻译成机器语言

四、计算机的基本组成

1、冯诺依曼计算机特点

• 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备组成
• 指令和数据以同等地位存放于存储器内，并按地址寻访
• 数据和指令均用二进制数表示
• 指令由操作码和地址码组成
• 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成

• 早期冯诺依曼机最根本特征是【程序存储】，即按照地址访问并顺序执行指令
• 计算机五大功能：数据传送功能、数据存储功能、数据处理功能、操作控制功能、操作判断功能

2、计算机硬件框图

（1）主存储器（cpu可以直接访问）、辅助存储

存储体含有许多存储单元，每个存储单元包含若干个存储元，每个存储元可以0或1

• 存储字：一个存储单元存储一串二进制代码
• 存储字长：这串二进制代码的位数

为了实现按地址存取，主存配置两个寄存器：

• 地址寄存器MAR：指明要读/写哪个存储单元。位数=存储单元的个数
• 数据寄存器MDR：暂存要读/写的数据。位数=存储字长

（2）运算器

• 运算器最少包括3个寄存器和一个算数逻辑单元ALU
• 寄存器：ACC累加器、MQ乘商寄存器、X操作数寄存器

（3）控制器

• 完成一条指令操作：取指阶段PC、分析阶段IR、执行阶段CU
• 控制器由PC程序计数器、IR指令寄存器、CU控制单元组成

• (Program Counter)PC程序计数器：存放下一条指令的地址，将指令传给MAR，有自动+1功能
• (Instruction Register)IR指令寄存器：存放当前执行的指令，拆分出操作码传给CU，拆分出地址码传给MAR，MAR在主存储体中取出数据传给MDR
• (Control Unit)CU控制单元：分析指令，给出控制信号

五、计算机工作过程

【2021版】1.2.2_认识各个硬件部件_哔哩哔哩_bilibili（16min开始）

高级语言的一段代码

int a=2,b=3,c=1,y=0;void main()
{y=a*b+c;
}

1、取数指令 

2、乘法指令

 3、加法指令

4、存数指令

5、计算机工作过程总结

 CPU区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段

1、取指阶段（必经阶段）

• PC存放下一条指令的地址 ——> MAR（存放欲访问的存储单元地址）
• MAR在存储体内找到存储指令的地址 ——> MDR（存放从主存储体取来的数据)
• MDR将指令 ——> IR（存放当前执行的指令）
• 取数阶段结束 PC++

2、分析阶段（必经阶段）

• IR拆分出操作码 ——> CU   
• 分析阶段结束

3、执行阶段（根据不同指令步骤不同）

• IR拆分出地址码 ——> MAR
• MAR在存储体内找到存储的数据的地址 ——> MDR
• MDR ——> ACC
• 执行阶段结束

六、计算机性能指标 

1、机器字长

CPU一次能处理数据的位数，一般等于内部寄存器的大小，决定了计算机的运算精度

2、存储器的性能指标

• MAR：位数反映存储单元的数量
• MDR：位数反映存储字长（存储字长=存储单元二进制码的位数）

总容量 = 存储单元个数×存储字长 bit(b)

            = 存储单元个数×存储字长÷8 byte(B)

1 byte = 8 bit

eg：MAR为32位，MDR为8位

总容量 = 

描述存储容量、文件大小时：

K—        M—        G—        T—        P=

3、CPU的性能指标

1、时钟周期：CPU中最小时间单位（单位：微秒、纳秒）

2、CPU主频（时钟频率）：CPU内数字脉冲信号振荡频率，主频越高的CPU不一定比主频低的CPU快

CPU主频=1/时钟周期 （单位：Hz）

3、CPI：执行一条指令所需的时钟周期数，不同指令CPI不同，相同指令CPI也可能变化

4、CPU执行时间（运行一个程序花费的时间） =（指令条数×CPI）÷主频

eg：某CPU主频为1000Hz，某程序包含100条指令，平均来看指令的CPI=3，问该程序走该CPU上执行需要多久？

100×3÷1000=0.3s

5、IPS：每秒执行多少条指令 IPS=主频÷平均CPI

KIPS、MIPS——比如：2MIPS，即每秒能执行  条指令

6、FLOPS：每秒执行多少次浮点运算

KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS

7、核数——处理器个数（核心数：八核）

描述频率、速度时： 

K=      M=     G=      T=     

4、系统整体性能指标

1、数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数，各硬件部件通过数据总线传输数据

2、吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量，主要取决于主存的存储周期

3、响应时间

4、基准程序（动态测试）：像鲁大师这种跑分软件，一般情况下，基准测试程序能够反映机器性能的好坏。但由于基准程序中的语句存在频度的差异，因此运行结果并不能完全说明问题

5、主频高的CPU一定比主频低的CPU快吗？为什么？

衡量CPU运算速度的指标有很多，不能以单独的某个指标来判断CPU的好坏。

CPU的主频和实际的运算速度存在一定的关系，但目前还没有一个确定的公式能够定量两者的数值关系，因为CPU的运算速度还要看CPU的流水线的各方面的性能指标（架构、缓存、指令集、CPU的位数、 Cache大小等）。由于主频并不直接代表运算速度，因此在一定情况下很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象