第一章计算机系统概论

计算机组成原理第一章随堂笔记

采用自顶向下的方式，层层细化。

课程内容组织分为四篇：

第一：概论；

第二：计算机系统的硬件结构

第三篇：CPU

第四篇：CU

1.1 计算机系统简介

计算机系统由软件和硬件两部分组成。软件可以划分为系统软件和应用软件两种。

计算机系统结构是指程序员所见到的计算机系统的属性，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）。比如有无乘法指令

计算机组成主要是实现计算机体系结构所体现的属性。（具体指令的实现）。比如如何实现乘法指令

1.2 计算机的基本组成

一、冯诺依曼计算机特点

有5大组成部分：运算器(ALU)、控制器(CU)、存储器、输入设备、输出设备。
指令和数据以同等的地位存于存储器，可以按地址寻访
指令和数据用二进制表示
指令由操作码和地址码组成（操作码指明指令具体要做什么操作，地址码指明要操作的数在内存中的地址。）
存储程序，程序存储在存储器中（核心特征）
以运算器为中心

冯诺依曼计算机硬件框图

存在的问题：以运算器为中心，运算器的性能成为这个系统的瓶颈；其次层次化结构不够清晰。

二、计算机硬件框图

现代计算机硬件框图

层次化结构：

系统复杂性管理的方法：（3Y）
层次化：Hierachy,将被设计的系统划分为多个模块或子模块。
模块化：Modularity,有明确定义的功能和接口
规则性：Regularity,模块更容易被复用

三、计算机的工作步骤
上机前的准备
- 建立数学模型
- 确定计算方法
- 编制解题程序
计算机的解题过程

2.1. 存储器的基本组成：

存储器的核心结构是存储体，存储体由若干个存储单元组成，存储单元由对个存储元件组成。

存储单元存放了一串二进制代码，指令和数据都是存储在存储单元中。

存储单元中二进制代码的组合称为存储字。存储单元中二进制代码的位数称为存储字长。

每个存储单元都会有一个地址。通过这个地址实现对存储单元的访问。一个存储单元中存放了一个存储字。

MAR：存储器地址寄存器，反映存储单元的个数。

MDR：存储器数据寄存器，反映了存储字长。

举个例子：

假如MAR=4位，MDR=8位。那么存储单元个数为16（0000到1111）个，存储字长为8位。

2.2 远算器的基本结构

远算器最基本的功能就是完成运算，因此其核心为算术逻辑单元（ALU）。

ACC:累加器，专门用来存放操作数或运算结果；X：操作数寄存器；MQ：乘商寄存器

2.2.1 加法操作过程

指令：操作码（加） + 内存地址（M）

初态： ACC中存入被加数

其次：在内存地址中取出加数存入X寄存器。[M] → X

然后：在运算器(ALU)中执行加法操作，并将结果存入累加器ACC中。[ACC] + [X] → ACC

2.2.2 减法操作过程（基本同上）

2.2.3 乘法操作过程

指令：操作码（乘） + 内存地址（M）

初态： ACC中存入被乘数

其次：在内存地址中取出乘数存入MQ寄存器。[M] → MQ

然后：将ACC中的内容存入X寄存器。 [ACC] → X

然后：由于乘法运算是通过累加和移位的方式实现的。因此需要一个寄存器来保存累加的内容。并且在累加之前，把这个寄存器清零。这个寄存器就是ACC。因此：0 → ACC。

然后：在ALU中进行乘法操作，并且结果保存在两个寄存器里面。[x] * [MQ] → ACC // MQ

2.2.4 除法操作过程

指令：操作码（除） + 内存地址（M）

初态： ACC中存入被除数

其次：在内存地址中取出除数并存入X寄存器。[M] → X

然后：在运算器中进行除法操作。商保存在MQ寄存器中，余数保存在ACC寄存器中。[ACC] ÷ [x] → MQ

2.3 控制器的基本结构

控制器的功能：解释指令、保证指令的按序执行。

完成一条指令过程：首先是取指令（把内存单元中的指令取出来送到控制器中），然后是分析指令（把操作码部分送到控制单元进行分析），然后是执行指令（由控制单元控制相应的执行部件完成这条执行所需要的操作）。

功能决定结构，完成这些功能需要什么样的硬件结构：

首先是取指令：PC(程序计数器)中存放了当前欲执行指令的地址，具有计数功能。

然后是分析指令：IR(指令寄存器)存放当前欲执行的指令。控制单元可以从IR寄存器中把指令的操作码取出来进行分析。

然后是执行指令：CU(控制单元)，控制指令的执行顺序。

因此控制器由3大部分组成：PC、IR、CU。核心是控制单元CU。

由前面知道存储器、运算器、控制器共同组成了主机。那么主机完成一条指令的过程是什么呢？

2.4主机完成一条指令的过程

以取数指令为例

取数指令的功能是将保存在存储体中的数据取到ACC中。

由前面知道指令和数据存放在存储体中，当前欲执行的指令地址存放在PC中。因此:

第一步：PC要把指令的地址送给MAR，
第二步：再由MAR(存储器地址寄存器)送给存储体，
第三步：在控制器的控制下，存储体把指定存储单元中保存的那条取数指令取出来送入到MDR(存储器数据寄存器)，
第四步：将取出来的指令送到IR中。
第五步：将指令寄存器中保存的指令的操作码部分送给CU。经过译码以后CU就会有相应的信号控制执行部件去执行指令要求的操作。

我们这条指令是取数指令，取数指令的功能是把保存在内存单元M当中的数据取到ACC寄存器。为了完成这个操作，在控制器的控制下要把指令当中的地址部分送给存储器，以便我们把存储的数据取出来。这个应该还是从IR出发。因为IR中保存了指令，包括操作码和内存地址。
第六步：在IR(指令寄存器)中取出地址部分送到MAR
第七步：再由MAR将地址送入到存储体
第八步：在控制单元的控制下将指定存储单元中保存的数据取出来送入到MDR
第九步：然后将MDR中保存的数据送入到ACC。

第一步到第四步：取指令

第五步：分析指令

第六步到第九步：执行指令

以存数指令为例

存数指令是将ACC中的数据保存到存储体中。

首先还是取指令：
第一步：PC要把指令的地址送给MAR，
第二步：再由MAR(存储器地址寄存器)送给存储体，
第三步：在控制器的控制下，存储体把指定存储单元中保存的那条取数指令取出来送入到MDR(存储器数据寄存器)，
第四步：将取出来的指令送到IR中。

然后是分析指令：
第五步：将指令寄存器中保存的指令的操作码部分送给CU。经过译码以后CU就会有相应的信号控制执行部件去执行指令要求的操作。

然后是执行指令：
第六步：在控制单元的控制下将IR中保存的指令的地址部分取出来送到MAR
第七步：再由MAR将地址送入到存储体（告诉存储体要有一条数据存进来，地址是多少）
第八步：将ACC中的内容送入到MDR
第九步：在控制器的控制下把MDR中的数据保存到存储体中。

这样就知道了一个程序在计算机上的运行过程：
将程序通过输入设备送至计算机
程序首地址送入到PC
启动程序运行
取指令：PC=>MAR=>M=>MDR=>IR, (PC) + 1 → PC
分析指令：OP(IR) => CU
执行指令：AR(IR)=>MAR=>M=>MDR=>ACC
…
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