计算机组成原理知识点总结——计算机系统简述

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#硬件架构

于 2025-01-21 12:26:15 首次发布

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本篇文章是博主在学习计算机组成原理后总结的一些知识点，文章中有误或者讲的不太明白请见谅，留言评论，博主看到后查询资料核实后会修改的。

前提须知：

基础单位的换算

位（比特）：计算机中存储的最小单位，一个位的值可以是0或者1。

字节（Byte）：一个字节等于八个位，代表了8个0或者1的数据。

字：一个字的大小并不绝对，大型计算机一般为32-64位，字长是用于衡量计算机的一个重要因素。

下面是一些常见单位的换算：

1.计算机系统的组成

硬件系统和软件系统共同构成了一个完整的计算机系统。硬件是指有形的物理设备，是计算机系统中的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程序和相关的数据及文档。

2. 计算机硬件

冯·诺依曼机的基本思想

冯·诺依曼在研究EDVAC机时提出了“存储程序”的概念，“存储程序”是将指令以二进制代码的形式先输入计算机的主存储器中。以此概念机称为冯·诺依曼机器，该机器的特点如下：

1）采用“存储程序”的工作方式

2）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

3）指令和数据以等同地位存储在存储器中，形式上没有任何区别，但是计算机可以区分他们

4）指令和数据均用二进制代码表示

5）指令由操作码和地址码组成，操作码指出操作的类型，地址码指出操作数的地址。

6）以运算器为中心

补充：CPU=运算器+控制器

3.计算机的功能部件

1.输入设备

类似键盘、鼠标，这边不多介绍

2.输出设备

类似打印机，这边不多介绍

3.存储器

存储器分为主存储器（也称为内存储器或者主存）和辅助存储器（外存储器或外存）。主存储器CPU是可以直接访问的，而辅助存储器是需要把信息调入主存才可以访问。

主存储器一般被称为内存，就类似开启一个应用时，任务管理器显示有一个后台一样的，而辅助存储器存在的意义是用来帮助主存储器记忆更多东西，一般有硬盘、磁盘等。

存储元：存储二进制的电子元件，每个存储元可以存1bit
存储单元：每个存储单元会存放一串二进制代码
存储字：存储单元中二进制代码的组合
存储字长：存储单元中二进制代码的位数
MAR（memory address register）：中文称为地址寄存器，用于存放数据的地址。同时MAR的位数可以反应最多可以寻址的存储单元的个数。
MDR（memory data register）：中文称为数据寄存器，用于在根据MAR中的地址信息进行寻址，寻址取出数据存放到数据寄存器。MDR的位数一般等于存储字长，一般为字节的2次幂的整数倍。

4.运算器（Arithmetic and Logic Unit，ALU）

运算器是计算机的执行部件，可以进行加减乘除等操作。运算器主要由算术逻辑单元和若干的寄存器（如：累加器（ACC）、乘商寄存器（MQ）、操作数寄存器（X）、变址寄存器（IX）、基址寄存器（BR）、程序状态寄存器（PSW）），下面详细介绍这些寄存器的作用：

累加器（ACC）：用于存放操作数、运算的中间结果，作为ALU运算结果的暂存单元。
乘商寄存器（MQ）：在运算过程中，乘商寄存器MQ会存放运算前的乘数，以及运算后的结果数（如乘积低位、商）
操作数寄存器（X）：是一个独立的寄存器，通常包含一个基地址，该基地址可以通过指令送入，主要是根据主存地址寄存器（MAR）的地址从存储器中取数据，然后存到寄存器X中
变址寄存器（IX）：通过将基地址与指令给定的偏移量相加，可以形成操作数的有效地址，从而实现变址寻址。
基址寄存器（BR）：用于存放基地址。执行指令时，基地址寄存器的内容会与相对地址相加，从而得到实际的内存地址。
程序状态寄存器（PSW）：用于存放两类信息，一类是体现当前指令执行结果的各种状态信息（如有无借位进位[Carry Flag，CF]、有无溢出[Overflow，OF]、结果正负[Sign Flag，SF]、结果是否为零[Zero Flag，ZF]等），称为状态标志；另一类是存放控制信息（如允许中断、跟踪标志、方向标志等），称为控制状态。

5.控制器

控制器是计算机的指挥中心，其指挥各部件自动协调的进行，主要由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）和控制单元（CU）组成。下面是这三个部件的作用：

程序计数器（PC）：程序计数器是用来存放当前执行的指令的地址，并且具有自动形成下一条指令的功能，存放入PC中，有时候会被称为“自动＋1”。
指令寄存器（IR）：指令寄存器是用来存放当前指令，其中的内容主要来自于MDR。指令中的操作码OP（IR）会送到CU处对操作码进行分析，而Ad（IR）会送到MAR，用以取得操作数。
控制单元（CU）：分析指令，给出控制信号。

4.计算机的加法乘法的工作过程

（1）取数的工作流程：

首先：PC指向某条取数指令的存储地址

1）：（PC）→MAR，使得MAR为PC的值（即地址值），PC+1

2与3）：M（MAR）→MDR，完成对于地址值的取值，取出来的指令放至MDR

4）：（MDR）→IR，把MDR中的指令传给IR

5）：OP（IR）→CU，把指令的操作码交给CU分析，分析得出是一个“取数”指令

6）：Ad（IR）→MAR，把指令的地址码部分重新交给MAR

7与8）：M（MAR）→MDR，完成对于地址码的取值，去出来的数放至MDR

9)：M（MDR）→ACC，将MDR中的数传递给ACC

（2）加法的工作流程：

前提中ACC中存放被加数，通用寄存器X中存放加数。

在当前有ACC中有数值的情况下，假设ACC中数值为3，再一次重复取数的指令部分，将数值存入X通用寄存器中。

1）：（PC）→MAR，使得MAR为PC的值（即地址值），PC+1

2与3）：M（MAR）→MDR，完成对于地址值的取值，取出来的指令放至MDR

4）：（MDR）→IR，把MDR中的指令传给IR

5）：OP（IR）→CU，把指令的操作码交给CU分析，分析得出是一个“加法”指令

6）：Ad（IR）→MAR，把指令的地址码部分重新交给MAR

7与8）：M（MAR）→MDR，完成对于地址码的取值，去出来的数放至MDR

9)：M（MDR）→X，将MDR中的数传递给X通用寄存器，假设数值为2.

10）：（ACC）+（X）→ACC，导致ACC最后结果为3+2=5，其中是ALU实现加法的运算。

在当前有ACC中有数值的情况下，假设ACC中数值为3，再一次重复取数的指令部分，将数值存入MQ乘商寄存器中，然后需要通过ACC中的数值转移到X通用寄存器中，最后通过X中的数值和MQ中的数值相乘，存入ACC累加寄存器中。

1）：（PC）→MAR，使得MAR为PC的值（即地址值），PC+1

2与3）：M（MAR）→MDR，完成对于地址值的取值，取出来的指令放至MDR

4）：（MDR）→IR，把MDR中的指令传给IR

5）：OP（IR）→CU，把指令的操作码交给CU分析，分析得出是一个“乘法”指令

6）：Ad（IR）→MAR，把指令的地址码部分重新交给MAR

7与8）：M（MAR）→MDR，完成对于地址码的取值，去出来的数放至MDR

9)：M（MDR）→MQ，将MDR中的数传递给MQ乘商寄存器，假设数值为2.

10）：（ACC）→X，使得ACC中的值转移至X通用寄存器中，使得X通用寄存器值为3。

10）：（MQ）*（X）→ACC，导致ACC最后结果为3*2=6，若乘积太大，则需要MQ辅助存储。

（3）指令执行过程的描述

1）取指令：PC→MAR→M→MDR→IR

2）分析指令：OP（IR）→CU

3）执行指令：Ad（IR）→MAR→M→MDR→ACC

ps：上述中的M是Memory的意思，是存储器的意思。

5. 计算机软件一些其他的知识点

(1)系统软件和应用软件

系统软件支撑计算机系统运行，管理硬件资源；应用软件满足用户特定需求，提供多样化服务。

(2)三个级别的语言

机器语言。也称作二进制代码语言，机器语言是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。
汇编语言。汇编语言使用英文单词或者缩写代替二进制的指令代码，使用汇编语言编辑的程序，必须经过一个称为汇编程序的系统软件的翻译，将其转换为机器语言后才能在计算机硬件系统上执行。
高级语言。类似C、C++等语言，需要经过编译程序编译成汇编语言程序，然后经过汇编操作得到机器语言程序，或直接由高级语言程序翻译成机器语言程序。

(3)各种翻译的概念

汇编程序（汇编器）：将汇编语言程序翻译成机器语言程序。

解释程序（解释器）：将源程序中的语句按执行顺序逐条翻译成机器指令并立即执行，翻译一句执行一句。

编译程序（编译器）：将高级语言程序翻译成汇编语言或机器语言程序，一次性翻译完成。

二、计算机性能指标

1.机器字长

通常说该机器是某16位或者32位机器，其中的16位和32位就是指的是机器字长，简称字长。字长是计算机进行一次整数运算（即定点整数的运算）所能处理的二进制数据的位数。通常与CPU的寄存器位数、ALU有关。因此，字长一般等于通用寄存器位数或者ALU的宽度，字长越长，数字表示范围越大，计算精度越高。计算机字长通常选定位字节（8位）的整数倍。

2.数据通路带宽

数据通路带宽是指数据总线一次所能并行传递信息的位数。

3.主存储量

主存储量是指主存储器所能存储信息的最大容量，通常用字节来衡量，也可以用字数×字长来表示。其中MAR的位数反映了存储单元的个数，MDR的位数反应了存储单元的字长。

4. 运算速度

吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量
响应时间：指用户向计算机发出请求，到系统对该请求做出响应并获得所需结果的等待时间。
主频：机器内部的时钟周期频率，即时钟周期数量。更加详细的说，应该是CPU内数字脉冲信号震荡频率，1个脉冲信号称为一个时钟周期。CPU时钟周期=1/主频。主频一般以Hz（赫兹）为单位，10Hz代表每秒10次。
CPU时钟周期：机器内部主时钟脉冲的宽度，它是CPU工作的最小时间单位
CPI：执行一条指令的平均时钟周期数。其中不同的指令，CPI不同，甚至相同的指令，CPI也有可能发生变化。执行一条指令的耗时=CPI×CPU时钟周期数。
ISP：每秒执行多少条指令，ISP=主频/平均CPI。
CPU执行时间：指运行一个程序所花费的时间。CPU的性能（CPU的执行时间）取决于三个因素：主频、CPI和指令条数。

                CPU执行时间=CPU时钟周期数/主频=（指令条数×CPI）÷主频

MIPS是对不同机器的一个性能比较，实际意义是每秒处理百万级的指令数

                MIPS=指令条数÷（执行时间× $10^{^{6}}$ ）=主频÷（CPI× $10^{^{6}}$ ）

FIOPS：即每秒执行多少次浮点运算。（1京=1亿亿= $10^{^{16}}$ ）

                MFLOPS（Million FLOPS），即每秒执行多少百万（ $10^{^{6}}$ ）次浮点运算。

                GFLOPS（Giga FLOPS），即每秒执行多少十亿（ $10^{^{9}}$ ）次浮点运算。

                TFLOPS（Tera FLOPS），即每秒执行多少万亿（ $10^{^{12}}$ ）次浮点运算。

                PFLOPS（Peta FLOPS），即每秒执行多少千万亿（ $10^{^{15}}$ ）次浮点运算。

                EFLOPS（Exa FLOPS），即每秒执行多少百京（ $10^{^{18}}$ ）次浮点运算。

                ZFLOPS（Zetta FLOPS），即每秒执行多少十万京（ $10^{^{21}}$ ）次浮点运算。

三、博主做题时碰到的易错点

IR、MAR、MDR是CPU内部工作寄存器，对程序员不可见，则透明（即程序员看不见，无法操控）；而程序员可以通过代码来设置PC的值，因此PC是可见的，同样的还有PSW和通用寄存器。
CPU中的CPI的影响因素不包括时钟频率，因为CPI表示的意思是一条指令需要花费多少时钟数和CPU中一秒产生多少时钟数没有关系。但是时钟频率的加快会导致指令的执行速度加快。
从用户观点看，评价计算机性能的综合指标是吞吐量
计算机的机器字长与运算的精确度指标最为相关