【计组】概述

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计算机组成原理归纳
1. 概述
2. 数的表示与计算
3. 存储器
4. 指令系统
5. 处理器
6. 总线
7. IO系统

0.0 计算机发展历程

0.0.1 计算机系统

计算机系统=硬件+软件

计算机五大功能

• 数据传送
• 数据存储
• 数据处理
• 操作和控制
• 操作判断

0.0.2 硬件的发展

微处理器：摩尔定律

半导体存储：AMD

0.0.3 编程语言的发展

0.0.4 单片机

采用超大规模集成电路技术集成到一块硅片上的卫星计算机系统

0.1 计算机系统层次结构

0.1.1 计算机多级层次结构

上层是下层的扩展，下层是上层的基础

• 指令系统向后兼容：新机器兼容以前机器的指令系统
• 硬件和软件在逻辑上等效，但不等价

M0

微指令

• 取指
• 分子
• 执行

M1

• 取数指令
• 乘法指令

0.1.2 硬件的基本组成

冯诺依曼机

基本工作方式为控制流驱动方式

特点

1. 计算机由五大部件组成：运算器为中心，控制器，存储器，输入输出设备
2. 指令由操作码和地址码组成
3. 指令和数据

   指令和数据在计算机中都是以二进制表示

   指令和数据以同等地位存储在存储器中，按地址寻址

   指令顺序存储在存储器中

4. 数据在控制器控制下经过运算器传送给输入输出设备

程序存储

指令以代码的形式实现存储在存储器中，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后按照该程序规定顺序执行其他指令，直至程序结束

现代计算机组织结构

以存储器为核心，使I/O操作尽可能绕过CPU，直接在I/O设备和存储器之间完成，提高系统的整体效率

MAR与MDR集成与CPU中，但不集成于CU和运算器中

对各类程序员都透明的寄存器：IR、MAR、MDR、指令存储器

计算机体系结构与组成

• 结构研究属性
• 组成原理研究属性实现

指令系统属于结构

• 当两台机器 指令系统相同时，只能说具有相同的结构

  指令实现可以不同（组成方式）

五大功能部件

运算器

功能

• 逻辑运算
• 算数运算

组成

核心：ALU

若干寄存器

• ACC：累加器
• MQ：乘商寄存器
• X：操作数寄存器

程序状态字PSW

• 标志寄存器
• 存放ALU运算得到的标志信息或处理机状态信息

控制器

主存储器

存放程序，存放数据

• CPU可直接访问主存，辅存信息需要调入内存才可被CPU访问

工作方式

按存储单元地址进行存取

概念组成

每个地址对应一个存储单元

硬件组成

MAR：地址寄存器

MDR：数据寄存器

输入设备

将程序和数据以计算机可表示的形式输入

输出设备

将计算机处理结果以人可识别的形式输出

硬件组成概述

• 地址线：CPU发出的地址信息首先存放在MAR中，MAR中的地址信息直接送到地址总线上，从该地址指向的存储单元进行读/写操作
• 读/写信号线指明

  MDR中数据的流向

0.1.3 软件系统

程序+数据+文档

软件分类

系统软件

是保证计算机系统运行的基础软件，作为系统资源提供计算机使用

常见的系统软件

• 操作系统(OS)
• 数据库管理系统(DBMS)
• 语言处理系统
• 网络软件系统
• 标准库程序
• 服务性程序

应用软件

语言分级

机器语言

• 二进制代码
• 计算机可唯一识别和执行的语言

汇编语言

• 符号化的机器指令
• 需要经过汇编程序转化为机器语言

高级语言

• 经编译程序变为汇编程序
• 汇编程序经汇编得到机器语言

0.2 计算机工作过程

1. 将程序和数据装入主存

2. 程序翻译

汇编程序

编译程序

高级语言->机器语言

• 同一高级语言在不同体系结构下，编译成的目标程序不一样

编译过程

.c –> .exe

预处理

.c –> .i

预处理器执行宏替换、条件编译以及对包含的指定文件进行替换

编译

.i –> .s （汇编文件）

用编译器(ccl)进行编译

每条语句以文本格式描述一条低级机器语言指令

汇编

.s –> .o （可重定位文件）

汇编器将 .s 翻译为机器语言

打包为一个可重定位的目标文件 .o

链接

.o –> .exe （二进制文件）

链接器将多个 .o 文件和标准库函数所在的 .o 模块合并，生成 .exe 文件

解释程序

3. 可执行文件逐条执行指令

间接寻址指令 执行过程

计算机如何区分指令和数据：

• 取指阶段访存的是取指令
• 执行阶段访存的是取数据

取指

(PC)->MAR

M(MAR)->MDR

• MAR中国内容送至地址线同时，CPU将 读 信号送至控制线
• 主存根据地址线与控制线上信息，从指定单元读取信息，送到数据线

(MDR)->IR

(PC)+1->PC

分析

OP(IR)->CU

CU根据IR中的操作码，生成相应的控制信号，送至不同执行部件

执行

Ad(IR)->MAR

M(MAR)->MDR

0.3 计算机性能指标

0.3.1 主存容量

$$存储容量=\frac{2^{MAR位数}\ast MDR位数}{8}字节$$

MAR位数

描述主存最多有多少个存储单元

• 表示可寻址的最大地址范围 $2^{MAR位数}=存储单元个数$

MDR

位数和存储字长相等

0.3.2 CPU性能

指令条数

主频

描述计算机速率——10的幂次

描述计算机容量——2的幂次

运算速度

时钟周期(clock)

主频

单位时间有多少时钟周期数

• 数字脉冲振动频率

主频与运算速度无直接关系，受各方面因素影响

• 架构
• 缓存
• 指令集
• CPU位数
• Cache大小

CPI

执行每条指令需要的时钟周期数（Clock Per Instruction）

$$一条指令执行时间=CPI\ast CPU时钟周期时间=\frac{CPI}{f}$$

主频高的CPU一定比主频低的CPU运算快吗？

• 不一定，两个CPU，A的主频2GHZ，平均CPI=10；B的主频1GHZ，平均CPI=1

A，B两个CPU平均CPI相同，哪个更快

• 与指令系统相关，如A不支持乘法指令，需要多次加法实现乘法，而B支持乘法指令

CPU执行时间

$$\begin{array}{rl}CPU执行时间& =\frac{CPU总时钟周期数}{主频}=\frac{指令条数\ast CPI}{主频}\\ & =\frac{n\ast CPI}{f}=n\ast CPI\ast T\end{array}$$

缩短CPU执行时间措施

• 提高主频
• 优化数据通路，可有效提高系统的吞吐量
  • 数据通路：实现CPU内部的运算器及寄存器之间的数据交换
• 对程序进行编译优化，得到更优的指令序列

IPS

1s执行的指令数

$$\begin{array}{rl}IPS& =\frac{指令条数}{执行时间}=\frac{时钟周期数}{一条指令所需时钟周期数}=\frac{主频}{CPI}\\ & \\ & =\frac{f}{CPI}=\frac{1}{T\ast CPI}\end{array}$$

MIPS：衡量标量机性能

MFLOPS：衡量向量机性能；用于科学计算的计算机主要评估指标

0.3.3 系统整体性能

机器字长

计算一次整数运算所能处理的二进制位数

数据通路带宽（数据字长）

数据总线一次性并行传送二进制的位数

吞吐量

单位时间内完成事务的数量

系统在单位时间内处理请求的数量

响应时间

从发起请求到做出相应的时间

周期