王道计算机组成原理(笔记自用)

王道计算机组成原理(一)

一、概述

0.计算机系统 = 硬件 + 软件

​ 硬件决定性能，软件发挥实力

​ 比如苹果系统的软件生态很好，能充分发挥出硬件的实力。

软件分为：

​ 系统软件：操作系统、数据库管理系统、标准程序库、网络软件、语言处理程序、服务程序；

​ 应用软件：Steam

硬件的发展历程：

1946——电子管时代——第一台电子数字计算机 冯诺依曼

​ 逻辑元件——用来处理电信号的最基本单元

​ 内存——泵延迟线、磁鼓、磁带磁盘

1947——贝尔实验室发明了晶体管

1955——威廉肖克利 创建了实验室

1957——仙童创立

1959——仙童半导体发明集成电路

1968——摩尔建立Intel

摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月增加一倍，整体性能提升一倍

半导体存储器也几乎符合摩尔定律

1969——桑德斯创立AMD

1958——晶体管时代——贝尔

​ 体积能耗降低，出现了面向过程的程序设计语言：FORTRAN，出现了操作系统雏形

1964——中小规模集成电路时代

​ 将元件集成在基片上，出现了各种高级语言，操作系统

1972——大规模集成电路、超大规模集成电路时代——个人计算机 personal computer （PC）

​ 出现了微处理器

​ 机器字长——计算机一次整数运算所能处理的二进制数 （64位）

软件的发展历程：

机器语言

汇编语言

FORTRAN PASCAL C++

Java Python

DOS Windows ANDROID

两级分化的发展趋势：

一：微型计算机更像微型化、网络化、高性能、多用途方向发展

二：巨型机

1.计算机硬件：

​ CPU，内存，主板，显卡，硬盘

2.硬件识别的数据：

​ 二进制数 0/1，每一位称为：bit（比特）

​ 表示方法：高低电平 接受路径：金属针脚，印刷电路

3.几个问题

cpu如何对二进制数进行运算？

如何取出想要的数据？

cpu如何识别和执行我们写的程序？

数字文字图像如何用二进制表示？

二、计算机硬件的基本组成

两种结构：

1.冯诺依曼结构：

提出了存储程序概念，将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器中，然后按照其在主存储器中的首地址执行程序的第一条指令

输入设备：将信息转换为机器识别的二进制数

存储器：存放数据和程序

运算器：算术运算和逻辑运算

输出设备：将结果转换为人们熟悉的结果

控制器： 指挥程序的运行

在计算机系统中，软件和硬件在逻辑上是等效的。

特点：

1.计算机由五大部件构成

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.存储程序

6.以运算器为中心

2.现代计算机结构

特点：以存储器为中心

cpu = 运算器 + 控制器

主机：cpu+主存

主存和cpu进行数据交换

主存和辅存，辅存是一种 I / O 设备

三、各个硬件的组成

1.主存的基本组成

存储体、MAR（存储地址寄存器）、MDR（存储数据寄存器）

数据在存储体内按地址存储

存储单元

存储字

存储字长

存储元：存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit

MAR：反映存储单元的个数

MDR：反映存储字长

这两个元器件也通常被集成在CPU中

一个字 不等

1字节 = 8bit

1b=1个bit

2.运算器的基本组成

ACC: 累加器，存放操作数、运算结果

MQ: 乘商寄存器

X：通用寄存器、存放操作数

ALU:算术逻辑单元，通过内部复杂电路实现算术运算、逻辑运算

3.控制器的基本组成

CU：控制单元

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，有自动加一功能

取指令（PC）-> IR -> CU

计算机工作过程：

int a=2 ,b=3 c=1,y=0;

void main(){

}

（取指令）

1.PC取到地址，给 MAR 发地址，MAR访问存储体，指令数据存储在MDR中，MDR 将指令 给 指令寄存器 IR

2.IR 将指令操作码给CU，CU分析，得知取数指令

（执行指令）

3.分析完指令操作码让IR给MAR地址码，MAR收到地址，MDR得到数据

4.ACC存储MDR的运算数据，ACC存加数和乘数 以及结果

主存存数据的方法：接收MAR和MDR的数据，MAR地址来自IR，MDR来自ACC

停机：利用中断机制通知操作系统中止该进程

5.运行完该指令，PC++

四、计算机系统的层次结构

层次结构：

虚拟机器 M4 用编译程序翻译成汇编语言程序

（高级语言机器）

虚拟机器 M3 用汇编程序翻译成机器语言程序 汇编语言指令和机器语言指令一一对应

（汇编语言机器）

虚拟机器M2 向上提供“广义指令”（系统调用）

（操作系统机器）

传统机器 M1 执行二进制机器指令

（用机器语言的机器）

微程序机器 M0 由硬件直接执行微指令 微指令1、3、7

（微指令系统）

三种级别语言：

汇编语言：助记符

高级语言：C/C++、Java

（编译程序：只需要翻译一次、解释程序，解释器：边解释边执行）

如：脚本语言：JavaScript、Python、Shell

机器语言：二进制代码

五、计算机的性能指标

存储器

MAR位数反映了存储单元的个数（最多支持多少个）

MDR位数=存储字长=每个存储单元大小

CPU（主频、CPI、指令系统）

CPU主频 ：CPU内数字脉冲信号振荡的频率

GHz ： 越高越好

每个脉冲信号时间称为CPU时钟周期：单位：纳秒、微秒

CPI ：执行一条指令所需要的时钟周期

越低越好，但是影响因素过多，平均值最多

执行不同的指令CPU需要的时钟周期可能不同

eg：某CPU主频为 1000Hz，100条指令 CPI为3，多久？

0.3s

IPS：每秒执行多少指令

= 主频/CPI均值

FLOPS：每秒执行多少次浮点运算

PS：衡量性能所用的数量单位K、M、G、T是 10^3这种

系统整体性能指标

数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数（各个硬件部位通过数据总线传输数据）

吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量。

取决于信息能多快的输入内存，CPU能多快地取指令，数据能多快地从内存中取出还有输出

响应时间：用户向计算机发送一个请求，到系统对该请求做出响应并获得他所需要的结果的等待时间，通常包括IO操作

基准程序（跑分软件）：基准程序中的语句存在频度差异，运行结果也不能完全说明问题

六、进位计数值

进制转换：

二进制 B

八进制 O

十进制 D

十六进制 H

BCD码

无符号整数表示和运算

带符号整数的表示和运算

原反补码的特性对比

移码

定位小数

奇偶校验码

加法器

并行进位加法器

补码加减运算器

加减运算和溢出判断

标志位生成

定点数的移位运算

原码的乘法运算

补码的乘法运算

原码的除法运算

补码的除法运算

七、C语言类型转换

C语言中定点整数是用“补码”存储的

无符号数和有符号数：不改变数据内容，改变解释方式。

y=（unsigned short）x ；

short x = -4321

y=61215

长整数变短整数：高位截断，保留低位。

int a=165537

short c= (short) a

短整数变长整数：符号扩展。

八、数据的存储和排列

大小端模式

地址：从左往右，从小到大

大端存储：数据高位字节存在左边，便于阅读

小端存储：反之，地址低，存低字节数据，便于机器处理

边界对齐

现在计算机通常是按 字节编址，1个字节对应一个地址

支持 按 字、半字、按字节寻址。

字节地址的转换：逻辑左移