王道计组01 —— 计算机系统概述（自用）

专业课复习，参考王道考研资料，主要是自己进行查缺补漏以及系统性地复习。

计算机组成原理主要是研究硬件在底层是如何相互工作的。

参考资料链接：

【B站视频：王道计算机考研 计算机组成原理2023】

前言

我们自己在日常生活中会关注的硬件有：CPU型号（电脑的i7/i9等）、运行内存（手机的16G/32G）、机身存储（手机256G）、显卡、

计算机硬件唯一能识别的数据：二进制0/1；分别表示低电平和高电平；通过电信号来传递数据。

以主板的印刷电路为例：通过多条电路，传递多个二进制数位，每一个数位称为1bit

问题抛出：

1. 数字、文字、图像如何用二进制表示?
2. CPU如何对二进制数进行加减乘除?
3. 如何存储这些二进制数的?
4. 如何从内存中取出想要的数据?
5. CPU如何识别和执行我们写的程序?

1 计算机发展

计算机系统 = 硬件 + 软件

        硬件：计算机的实体，比如主机、外设等。

        软件：app、操作系统等由具有各类特殊功能的程序组成。

                系统软件：用来管理整个计算机系统。如：操作系统、DBMS、标准程序库等

                应用软件：按任务需要，编制成的各种程序。如：各种app

1.1 硬件发展

第一台电子数字计算机于1946诞生，ENIAC，由冯诺依曼作为资深顾问。逻辑元件采用的是电子管。

逻辑元件：用来处理电信号的最小的基本单元。

• 第一代计算机：(电子管)，j机器语言编程时，是在纸带上打孔。有小虫子就会导致问题，所以bug在当时表示的是小虫子的意思。
• 第二代计算机：(晶体管，体积比电子管小了很多)，体积减小、功耗降低。面向过程设计语言FORTRAN，并且有了操作系统的雏形。
• 第三代计算机：(中小规模的集成电路)
• 第四代计算机：(大规模、超大规模的集成电路)

机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数。

1.2 软件发展

机器语言 → 汇编语言 → FORTRAN → PASCAL → C++ → Java

DOS → Windows → Android、IOS...

2 计算机硬件基本组成

早起的ENIAC在执行指令时，需要工作人员手动接线来控制计算机。因此，冯诺依曼提出“存储程序”的概念。

存储程序：将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器。然后按照在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按该程序的规定顺序执行其他命令直到程序执行结束。

 冯诺依曼计算机的特点：

1. 由五大部件组成（I/O设备、运算器、控制器、存储器）。
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（执行什么操作）和地址码（所操作的数据存在哪）组成。
5. 存储程序（将指令以二进制代码的形式事先输入计算机的主存储器）。
6. 以运算器为中心（I/O设备与存储器之间的数据传输通过运算器完成）。

但是很明显，输入和输出都需要通过运算器作为一个中转，效率很低，所以引出现代计算机结构。以存储器为中心就好了。

 

计组中的主机指的是：CPU+主存（运算器+控制器和主存储器）

手机中安装的app实际上是放在辅存里面，app需要启动运行的时候，把辅存里面的app相关代码数据读到主存里面，所以辅存属于IO

3 各个硬件工作原理

3.1 主存储器

主存储器组成：存储体（由一系列存储元件构成，存放二进制0/1）、MAR（Memory Address Register）、MDR（Memory Data Register）

存储体用来存放数据，CPU将想要的数据的地址写入MAR、主存储器根据MAR的地址找到数据，并把该数据写入到MDR中，最后CPU根据数据线路从MDR中取走数据。整体思路类似下图的取包裹：

注：CPU还可以写入数据，把需要写入的数据放在MDR，需要写入的地址在MAR中，告诉存储体自己要执行“写”操作即可。

数据在存储体内是按照地址存储，一个存储体会被分为多个存储单元，每一个存储单元会存放一串二进制代码，这些二进制代码的组合被称为“存储字”，二进制代码的位数被称为“存储字长”（8k bit，8的整数倍，如8、16、32等）

地址被写入MAR中，如下图右边中的0、1、2等；

3.2 运算器

用来实现算术运算如加减乘除、逻辑运算如与或非

ACC：累加器，用于存放操作数、运算结果

MQ：乘商寄存器，在乘除运算时存放操作数和运算结果

x：通用的操作数寄存器，存放操作数（有可能会有多个）

ALU：算术逻辑单元，核心部件，内部复杂的电路可以实现算术运算和逻辑运算

3.3 控制器

        根据PC记录的地址，从内存中取出那一条指令，放入IR中，CU进行分析，配合其他部件完成指令的执行。

3.4 计算机工作流程

取a至ACC中

乘b得ab存于ACC

加c得ab+c存于ACC

ab+c存于主存单元

4 计算机软件

应用软件：抖音、QQ等app，为了解决某个应用领域的问题编写的程序

系统软件：操作系统、DBMS等，负责管理硬件资源，向上层应用程序提供基础服务

5 计算机系统的层次结构

6 计算机系统工作原理

7 计算机的性能指标

7.1 存储器的性能指标

 

7.2 CPU 性能指标

CPU主频：CPU数字脉冲信号振荡的频率。类似于广播体操的口号。

7.3 系统整体的性能指标（静态&动态测试，了解即可）