计算机组成原理 第一章 计算机系统概述

# 计算机系统概述
## 计算机系统
### 计算机系统的组成
- 硬件系统
- 软件系统

### 计算机硬件
#### 冯·诺依曼机基本思想
##### 特点
- 1）采用存储程序的工作方式
- 2）硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备5大部件组成
- 3）指令和数据以同等地位存储，形式上无区别，但计算机可以区分
- 4）指令和数据军用二进制代码表示
##### 注意
- 提出了“存储程序”概念
- 该思想奠定了现代计算机的基本结构

#### 功能部件
##### 运算器
###### 功能
- 算术运算：加减乘除
- 逻辑运算：与或非等
###### 组成
- 算数逻辑单元（ALU）**核心**
- 累加器（ACC）**必备**
- 乘商寄存器（MQ）**必备**
- 操作数寄存器（X）**必备**
- 变址寄存器（IX）、基址寄存器（BR）等
- 程序状态寄存器（PSW）
##### 存储器
###### 主存储器（CPU可直接访问）
- MAR：寻址。位数对应存储单元的个数，并且长度等于PC长度。
- MDR：位数等于存储字长。
- 时序控制逻辑：产生存储器操作所需的各种时序信号
###### 外存储器（必须调入主存才能被CPU访问）

##### 控制器
- 指令寄存器（IR）：当前指令，内容来住mdr
- 程序计数器（PC）：欲执行的指令地址，与mar有一条直接通路
- 控制单元（CU）

##### 输入设备：键盘鼠标等
##### 输出设备：显示器打印机等

### 计算机软件
#### 系统软件：操作系统、数据库管理器系统、语言处理程序等
#### 应用软件：工程设计类程序等

### 计算机语言
#### 机器语言：二进制，计算机唯一可以识别和执行的语言
#### 汇编语言：翻译转化称机器语言
#### 高级语言：编译称汇编语言

### 层次结构（不唯一）
#### 微程序机器层：机器硬件直接执行微指令
#### 传统机器语言层：微程序解释机器指令系统
#### 操作系统层：机器语言姐hi操作系统
#### 汇编语言层：汇编翻译机器语言
#### 高级语言层：编译程序翻译称汇编语言


## 工作原理
### 程序的的执行：周而复始地执行一条又一条指令
### 指令的执行
- 从主存取指
- 指令译码
- 计算下一条指令地址
- 取操作数并执行
- 将结果送回存储器
### 指令执行描述
#### 取指令：PC->MAR>M>MDR>IR
- 将PC内容送到MAR
- MAR的内容直接送到地址线
- 控制器将读讯号送读/写信号线
- 主存根据地址线上的地址和读信号，从指定存储单元读出指令，送到数据线，MDR从数据线接收指令信息，并送到IR中
#### 分析指令：OP(IR)->CU
- 控制器根据IR中指令的操作码，生成对应的控制信号
- 送到执行部件
#### 执行指令：Ad(IR)-?MAR->M->MDR->ACC


## 性能指标
### 字长
- 越高，表示范围越大，精度越高

### 数据通路带宽
- 指数据总线一次所能并行传送信息的位数
- 指外部数据总线的宽度

### 主存容量
- MAR位数表示存储单元的个数
- 用字节衡量，或者字数*字长
- 例如:
- ```
  512K * 16位 解释：
  16位 -> 2^16 = 65536 -> 有65536个存储单元，也可以称64K内存
  若MDR32位 -> 表示容量为64K * 32位 = 16MB
### 运算速度
#### 吞吐量：单位时间内处理请求的数量
#### 主频和CPU时钟周期
- 常见主频：1.8GHz
- CPU时钟周期 = 1 / 主频 = 1 / 1.8GHz = 0.0018秒
#### CPI：执行一条指令所需的时钟周期数
#### CPU执行时间
- CPU执行时间 = CPU时钟周期数 / 主频
- CPU执行时间 = (指令条数 * CPI) / 主频
#### MIPS：每秒执行指令多少百万条数量
## 细节
- 机器字长、存储字长、指令长度、数据长度
- CPU = 运算器 + 控制器