【计算机组成原理/笔记+习题】第一章 概论

一、计算机系统简介

现代计算机系统构成：
1.多态性
2.复杂性

1、计算机系统的软硬件概念

1.计算机系统

硬件 计算机的实体，如主机、外设等

软件 由具有各类特殊功能的信息（程序）组成

        系统软件 用来管理整个计算机系统，如语言处理程序，操作系统，服务性程序，数据库管理系统，网络软件
        应用软件 按任务需要编制成的各种程序

2.计算机的解题过程

2、计算机系统的层次结构

软硬件逻辑关系

硬件通过封装，提供接口，如指令集。软件通过指令集编写能够完成一定功能的软件。软件包括应用软件、系统软件。

抽象：将复杂系统封装成简单的层次结构，隐藏系统中不重要的细节

硬件角度抽象

1.最底层（ Physics ）

2.系统（ Devices ）

3.模拟电路层 （ Analog Circuits)

4.数字电路层（ Digital Circuits ）

5.逻辑层 （ Logic ）和微体系结构层（ Micro-architecture）：计算机组成原理学习内容。

程序员视角抽象：

3、计算机体系结构和计算机组成

计算机体系结构：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）

计算机组成：实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令的实现）

二、计算机的基本组成

1、冯·诺依曼计算机的特点

1.计算机由五大部件组成

2.指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访

3.指令和数据用二进制表示

4.指令由操作码和地址码组成

5.程序顺序存储在内存中（存储程序是核心特征）

6.以运算器为中心

冯诺依曼计算机硬件框图，以运算器为中心

五大部件功能：

运算器：用来完成算术运算和逻辑运算，并暂存运算的中间结果

存储器：用来存放数据和程序

控制器：控制指挥程序和数据的输入，运行以及处理运算结果

输入设备：将人们熟知的信息形式转换为机器能识别的信息形式

输出设备：将机器运算结果转换为人们熟知的信息形式

2、计算机硬件框图

1.现代计算机以存储器为中心

2.现代计算机硬件框图

3、计算机的工作步骤

2.计算机的工作过程

计算机组成框图：

（1）存储体的基本组成

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，反映存储字长

（2）运算器的基本组成及操作过程

ACC：累加器；ALU算数逻辑单元；X操作寄存器；MQ乘商寄存器。

核心为ALU
ACC和X为两个寄存器，用于数据的输入，ACC也能保存结果
由于乘法操作结果较长，会把增加出来的部分放到MQ

（3）控制器的基本组成

PC：程序计数器，用于存储指令的执行地址，即下一条将要执行的指令的地址。程序计数器具有自动加1的功能

IR：指令寄存器，负责存储当前正在执行的指令。它是程序执行的起点

CU：控制单元

（4）主机完成一条指令的过程

PC将指令地址给MAR

MAR将指令地址给存储体

在控制器控制下，将存储体中的取数指令取出并保存到MDR

取出的MDR中的指令存储到IR中

分析指令

IR中操作码部分到CU中

执行指令

在控制器的控制下IR的地址码部分取出放在MAR中

MAR将指令地址给存储体

在控制器控制下，将存储体中的数据取出并保存到MDR

在控制器的作用下，将MDR中的数据存放在ACC中

PC将指令地址给MAR

MAR将指令地址给存储体

在控制器控制下，将存储体中的取数指令取出并保存到MDR

取出的MDR中的指令存储到IR中

分析指令

IR中操作码部分到CU中

执行指令

在控制器的控制下IR的地址码部分取出放在MAR中

MAR将指令地址给存储体

在控制器的作用下，将ACC中的数据存放在MDR中

在控制器的作用下，将MDR的数据存放到存储体中

汇编程序猿小哥哥可见到哪个寄存器小姐姐？MAR/MDR/IR/PC

PC，程序员只能控制PC

三、计算机硬件的主要技术指标

1.机器字长 CPU 一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位有关

机器字长是指CPU一次能够处理的二进制位数，它决定了CPU寄存器、算术逻辑单元（ALU）和数据总线的宽度。机器字长越长，CPU一次能处理的数据就越多，计算速度也就越快。

2.运算速度

CPI：执行一条指令所需时钟周期数

MIPS：每秒执行百万条指令

FLOPS：每秒浮点运算次数

该计算机MIPS值为？

平均CPI=3，MIPS = ((1.2*10^9) / 3) / 10^6 = 400

3.存储容量

存放二进制信息的总位数

指令和数据都存于存储器，计算机如何区分他们？

通过不同时间段来区分指令和数据，即在取指令阶段（或取值微指令）取出的为指令，在执行指令阶段（或相应微程序）取出的即为数据。

将高级语言程序转换为机器级目标代码的程序是？

翻译程序

关于冯诺依曼计算机，叙述错误的是？

A.程序的功能都通过CPU执行指令实现

B.指令和数据都用二进制数表示，形式上无差别

C.指令按地址访问，数据都在指令中直接给出

D.程序执行前，指令和数据需预先存放存储器中

C

高级语言程序转换为可执行目标代码的主要过程是？

A.预处理-编译-汇编-链接

B.预处理-汇编-编译-链接

C.预处理-编译-链接-汇编

D.预处理-汇编-链接-编译

A

预处理是编译之前的一系列文本替换和处理操作；编译是将源代码变为汇编语言；汇编是将汇编语言变为机器码；链接是将多个目标文件以及所需的库文件合并成一个可执行文件的过程

2017年公布的全球超级计算机排名中，"神威太湖之光"蝉联第一，浮点运算度为93.0146 PFLOPS, 说明每秒完成浮点数操作次数约为

A.93*10^13次

B.9.3*10^15次

C.9.3千万亿次

D.9.3亿亿次

D

一个 MFLOPS (megaFLOPS) 等于每秒1百万 (=10^6) 次的浮点运算，

一个 GFLOPS (gigaFLOPS) 等于每秒10亿 (=10^9) 次的浮点运算，

一个 TFLOPS (teraFLOPS) 等于每秒1万亿 (=10^12) 次的浮点运算，

一个 PFLOPS (petaFLOPS) 等于每秒1千万亿 (=10^15) 次的浮点运算。

C

首先他们必须都是字节的整数倍

存储字长：一个存储单元中的二进制代码的位数，存储字长等于MDR位数

机器字长：计算机能够直接处理的二进制位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小

指令字长：一个指令字包含的二进制代码位数

其中，指令字长一般会取存储字长的整数倍

如果指令字长等于存储字长的2倍，则表明需要2次访存才可以取出一条指令。将导致取指周期是机器周期的2倍

A

D

 

D

C

地址译码器在主存中。CPU包括运算器和控制器，也集成了MARMDR。

C

A。汇编语言可以对寄存器进行操作

B。应该是实际软件的运行情况

D。软件和硬件在逻辑功能上等效