计算机组成原理知识点汇总（考研用）——第一章：计算机系统概述

计算机组成原理知识点汇总（考研用）——第一章：计算机系统概述

 本文参考于《2021年计算机组成原理考研复习指导》（王道考研），《计算机组成原理》

 思维导图：

  计算机组成和计算机体系结构的区别：计算机体系结构是指机器语言或汇编语言程序员所看得到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术等，大都属于抽象的属性
  计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含许多对程序员来说透明的硬件细节。例如，指令系统属于结构的问题，但指令的实现即如何取指令、分析指令、取操作数、如何运算等都属于组成的问题。因此，当两台机器指令系统相同时，只能认为它们具有相同的结构，至于这两台机器如何实现其指令，完全可以不同，即可认为它们的组成方式是不同的。例如，一台机器是否具备乘法指令是一个结构的问题，但实现乘法指令采用什么方式则是一个组成的问题。许多厂商提供一系列体系结构相同的计算机，但它们的组成却有相当大的区别。
  计算机组成原理的内容包括：基本部件的结构和组织方式、基本运算的操作原理、基本部件和单元的设计思想等

1.计算机系统概述

1.1 计算机发展历程（此部分大纲已删除）

 1.1.1 计算机硬件的发展

  1.计算机的四代变化

  从1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC问世以来，计算机的发展已经经历4代：

• （1）第一代计算机——电子管时代。特点：逻辑元件采用电子管，使用机器语言进行编程
• （2）第二代计算机——晶体管时代。特点：逻辑元件采用晶体管，软件开始使用高级语言，有了OS的雏形
• （3）第三代计算机——中小规模集成电路时代。特点：逻辑元件采用中小规模集成电路，半导体存储器取代磁心存储器，开始有了分时操作系统
• （4）第四代计算机——超大规模集成电路时代。特点：逻辑元件采用大规模集成电路和超大规模集成电路，产生了微处理器

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每一代的划分依据是逻辑元件的不同

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  2.计算机元件的更新换代

  摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目，每隔18个月便增加一倍（每三年翻两番）

 1.1.2 计算机软件的发展

  计算机语言的发展：机器语言、汇编语言（面向机器）——>高级语言（面向问题）

 1.1.3 计算机的分类与发展方向

  电子计算机可分为电子模拟计算机和电子数字计算机
  数字计算机又可按用途分为专用计算机和通用计算机，通用计算机又分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机、单片机

  计算机按指令和数据流可分为：

• （1）单指令流和单数据流系统（SISD），即传统冯诺依曼体系结构
• （2）单指令流和多数据流系统（SIMD），包括阵列处理器和向量处理器系统
• （3）多指令流和单数据流系统（MISD），这种计算机实际上不存在
• （4）多指令流和多数据流系统（MIMD），包括多处理器和多计算机系统

  计算机的发展趋势是“两级分化”：微型计算机向更微型化、网络化、高性能、多用途方向发展；另一极是巨型机向更巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展

1.2 计算机系统层次结构

 1.2.1 计算机系统的组成

  硬件系统和软件系统共同构成一个完整的计算机系统。硬件是指有形的物理设备，是计算机系统中实际物理装置的总称。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档。
  对某一功能来说，其既可以用软件实现，又可以用硬件实现，则称为软硬件在逻辑上是等效的。在计算机系统中，许多功能既能由硬件直接实现，又可在硬件的配合下由软件实现。（例如，乘法运算既可用专门的乘法器实现，也可由乘法程序实现）在设计计算机系统时，要进行软/硬件的功能分配。一个功能若使用较为频繁且用硬件实现的成本较为理想，则使用硬件解决可以提高效率。而用软件实现可以提高灵活性，但效率往往不如硬件实现高

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  例题：下列叙述中，正确的是（）
  A.寄存器的设置对汇编语言是透明的
  B.实际应用程序的测试结果能全面代表计算机的性能
  C.系列机的基本特性是指令系统向后兼容
  D.软件和硬件在逻辑上是等价的

  答案：C；向后兼容又称向下兼容（Backwards compatibility），指的是时间上向后兼容，即新机器兼容使用以前机器的指令系统，例如较高档的计算机可以运行较为低档计算机所开发的程序。对于B，全面代表计算机性能的是实际软件的运行情况。对于D，软件和硬件在逻辑上是等效的，但不是等价的

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 1.2.2 计算机硬件的基本组成

  1.早期的冯诺依曼机

  以存储程序为基础的各类计算机通称为冯诺依曼机，其特点为：

• （1）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部件组成
• （2）指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻访
• （3）指令和数据均用二进制代码表示
• （4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置
• （5）指令在存储器内按顺序存放（通常，指令是顺序执行的，在特定条件下可根据运算结果或设定的条件改变执行顺序）
• （6）早期的冯诺依曼机以运算器为中心，输入/输出设备通过运算器与存储器传送数据

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存储程序的概念是指将指令以代码形式事先输入计算机的主存储器，然后按其在存储器中的首地址执行程序的第一条指令，以后就按程序的规定顺序执行其他指令，直至程序执行结束

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  典型的冯诺依曼计算机结构：（虚线为控制线和反馈线，实线为数据线）

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  例题：冯诺依曼机的基本工作方式是：
A.控制流驱动方式  B.多指令多数据流方式  C.微程序控制方式  
D.数据流驱动方式

  答案：A；冯·诺依曼机工作方式，可称为控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令，然后根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。B属于多处理机，冯诺依曼机是单指令流和单数据流系统；数据流驱动方式指：只有当一条或一组指令所需的操作数全部准备好时，才能激发相应指令的一次执行，执行结果又流向等待这一数据的下一条或一组指令，以驱动该条或该组指令的执行。因此，程序中各条指令的执行顺序仅仅是由指令间的数据依赖关系决定的。

  例题：冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU区分它们的依据是（）
A.指令操作码的译码结果  B.指令和数据的寻址方式  
C.指令周期的不同阶段  D.指令和数据所在的存储单元

  答案：C；虽然指令和数据都以二进制存放在存储器中，