一、计算机系统简介

1.1 冯-诺依曼计算机的特点

  1. 计算机由五大部件组成
  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

冯诺依曼计算机硬件框图

  • 运算器 ALU：算术运算，逻辑运算
  • 存储器 CU（Contro Unit）：存放数据和程序
  • 控制器：指挥程序运行
  • 输入设备：将信息转换成机器能识别的形式
  • 输出设备：将结果转换成人们熟悉的形式

存在问题：

  1. 数据的输入和输出都要经过运算器，所以运算器可能比较繁忙，会成为系统的瓶颈。
  2. 层次结构不明显

做出改进:

  1. 以存储器为中心的计算机硬件框图

1.2 现代计算机硬件框图


编程举例

指令格式举例

编程举例的程序清单

存储器的基本结构


存储体 - 存储单元 - 存储元件（0/1）

大楼 - 房间 - 床位（无人/有人）

存储单元：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，每个存储单元赋予一个地址

MAR ：存储器地址寄存器，反映存储单元的个数

MDR：存储器数据寄存器，反映存储字长。保存从存储体中输入输出的数据。

存储容量 = 存储单元个数（MAR） X 存储字长（MDR）

MAR MDR 容量
4 8 16 X 8位
10 8 1k X 8位
16 32 64k X 32位

运算器的基本结构

ACC、X、MQ（乘商寄存器） 三种寄存器搭配 ALU 完成基本的加减乘除。

ACC MQ X
加法 被加数/和 加数
减法 被减数/和 减数
乘法 乘积高位 乘数/乘积低位 被乘数
除法 被除数/余数 商 除数

加法操作过程

  • 执行加法操作前，需要先将被加数通过取数指令，将其从内存读取到 ACC 中
  • 执行加法指令，通过操作码得知是加法指令，通过地址码知道被加数的内存地址，将加数读取到 X 中
  • ALU 对 ACC 与 X 进行加法的操作，并将结果保存到 ACC中

减法操作过程

乘法操作过程

  • 将内存中M的值保存到 MQ 寄存器中，并将 ACC 寄存器中的值保存到 X 寄存器中。这两步操作没有先后顺序，具体的执行先后可以由 CU（控制器）来控制。

  • 将 ACC 寄存器清空

  • ALU（运算器）对 X 和 MQ 进行乘法操作，乘法操作的原理和加法不同，加法是直接将二进制位相加，而乘法则需要移位和相加，乘法的结果由 ACC 和 MQ 共同保存，ACC 保存高位，MQ保存低位，因为发生了移位，单凭 ACC 可能无法保存完整的位，比如，9x9=81，个位数相乘，结果就变成两位数了。

    二进制乘法表

    x 0 1
    0 0 0
    1 0 1

    该表和十进制乘法表类似，只有位数都是1的时候，结果才为1，否则为0。

    （十进制）2x3 《=》 （二进制）10 x 11，参考下图。

除法操作过程

控制器的基本结构

控制器的功能

  • 解释指令
  • 保证指令的按序执行

控制器的基本组成


PC 存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（PC）+1 ——》 PC
IR 存放当前欲执行的指令，并通过指令的操作码来分析指令

主机完成一条指令的过程

存储器、运算器和控制器 这三者就构成了主机。

存储器 包含 存储体、MAR和MDR。

运算器 主要由 ALU 和 ACC 、X 、MQ 这三个寄存器构成。

控制器 主要由 CU 、IR （指令寄存器 ）PC（程序计数器）构成。

主机加IO就构成了计算机的硬件系统。

取数指令

  1. PC 中保存了将要执行指令的地址，将该地址送入 MAR
  2. MAR 将地址 送入 存储体
  3. 在 CU 的控制下，从 存储体 中指定的存储单元将该指令取出，放入到 MDR
  4. 将 MDR 取出的指令送入到 IR 中
  5. 将 IR 中的操作码送入 CU 中进行分析，分析后 CU会发出对应的控制信号来完成指令
  6. 将 IR 中的地址码送入 MAR
  7. MAR 将地址码送入存储体中
  8. 存储体 通过地址码读取到对应存储单元中对应数据，并保存到 MDR
  9. 通过 CU 的控制，将 MDR 中数据写入到 ACC 寄存器中

存数指令

  1. PC 中保存了将要执行指令的地址，将该地址送入 MAR
  2. MAR 将地址 送入 存储体
  3. 在 CU 的控制下，从 存储体 中指定的存储单元将该指令取出，放入到 MDR
  4. 将 MDR 取出的指令送入到 IR 中
  5. 将 IR 中的操作码送入 CU 中进行分析，分析后 CU会发出对应的控制信号来完成指令
  6. 将 IR 中的地址码送入 MAR，IR 中的地址码表示保存到的内存地址
  7. MAR 告诉 存储体 现在有一个数据要保存进来，保存的地址是多少
  8. 将 ACC 保存的数据 送入到 MDR，MDR 保存了从 存储体 中输入和输出的数据
  9. 将 MDR 中的数据保存到 存储体 中

编程举例的运行过程

  • 将程序通过输入设备送至计算机

  • 程序首地址——》PC

  • 启动程序运行

  • 取指令 PC——》MAR——》M——》MDR——》IR，（PC）+1——》PC

  • 分析指令 OP（IR中的操作码）——》CU

  • 执行指令 AD（IR中的地址码）——》MAR——》M——》MDR——》ACC

    …

  • 打印结果

以上是编程举例中的第一条指令的执行过程，PC现在指向下一条指令的地址。

1.3 计算机硬件的主要技术指标

机器字长

CPU一次能处理数据的位数与CPU中的 寄存器位数 有关

运算速度

  • 主频
  • 核数，每个核支持的线程数
  • CPI 执行一条指令所需要
  • MIPS
  • FLOPS