1.计算机硬件的基本组成

1.1.计算机硬件组成部分

1.存储程序：将指令以二进制代码的形式存入计算机的主存储器，顺序执行

2.输入设备：将程序和数据以机器所能识别的方式输入计算机（信息转化）

存储器：存放程序和数据

运算器：执行算数运算和逻辑运算

输入设备：将计算机运算结果转换为人类所熟悉的方式（信息转化）

控制器：指挥程序运行

①控制器从存储器中取指令（加减乘除）

②对运算器进行控制进行该指令

③将结果放回存储器

3.软件和硬件在逻辑上是等效，但是软件效率低，价格低，硬件效率高，价格高（乘法）

1.2.冯诺依曼计算机的特点

1.计算机由五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

2.指令和数据以同等地位存入存储器，按照地址寻址

3.指令和数据用二进制表示

4.指令由操作码和地址码存放组成

操作码：指明该指令进行的具体操作。加减乘除

地址吗：该指令的操作数存放在存储器中的具体地址，对其进行访存操作

5.存储程序

6.以运算器为中心：输入和输出的数据都需要经过运算器（现代计算机以存储器为中心）

1.3.现代计算机的特点

1.以存储器为中心（提升效率，输入和输出数据无须再必须经过运算器）

2.运算器和控制器集合成CPU

3.控制器控制运算器进行操作（加减乘除），控制主存储器的读写和控制I/O设备启动/停止

4.主存储器和CPU进行数据交换（指令），指令送往控制器，运行期对操作数进行相应操作

5.I/O设备和主存储器直接进行数据交换

6.存储器分为主存（主存储器，算为主机）和辅存（硬盘，算为I/O设备）

2.主存储器的基本组成

2.1.MAR和MDR

1.MAR（Memory Address Register）：存储地址寄存器（存地址）

2.MDR（Memory Data Register）：存储数据寄存器（存数据）

3.取：①将数据的地址存入MAR中

②控制器发出取指令

③根据MAR存放的地址，取出数据放到MDR中

4.存：①将数据想要存放的地址放在MAR中，数据放在MDR中

②控制器发出指令，是存操作

③把MDR中的数据存入MAR相应地址

2.2.存储单元、存储字长和存储字

1.存储体会被分为若干个存储单元，每个地址对应一个存储单元，若MAR想要地址为1的存储单元的数据，存入MAR的地址为1（二进制存储，具体位数根据情况）

2.存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码（外部看）

3.存储字：存储单元存放的二进制代码的组合（内部看）

4.存储字长：存储单元中二进制代码的位数（8bit的整数倍）

5.存储元：存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit，多个存储元构成一个存储单元

6.MAR位数反映存储单元的个数（位数即次方数），MDR位数 = 存储字长（存储单元内的数据取出后需要存放在MDR内，因此大小相同）

eg：MAR为4位→共有2 ^ 4个存储单元（4位最多能表示2 ^ 4个数字）

MDR为16位→每个存储单元可以存放16bit，即一个存储字为16bit，存储字长为16bit

2.3.运算器的基本组成

1.运算器作用：实现逻辑运算（与或非）和算数运算（加减乘除）

2.组成部分：

ACC（Accumulator)：累加器，用于存放操作数或者运行结果

MQ（Multiple-Quotient）：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或者运行结果

ALU（Arithmetic and Logic Unit）：算数逻辑单元，通过电路实现算术运算和逻辑运算

X：通用寄存器，用于存放操作数（可能会有多个）

2.4.控制器的基本组成

1.组成部分：

CU（Control Unit）：控制单元，分析指令，给出控制信号（控制其他部件）

IR（Instruction Register）：指令寄存器，存放当前执行的指令

PC（Program Counter）：程序计数器，存放下一条指令的地址，有自动加“1”的功能

2.完成一条指令的过程：取指令（PC）→分析指令（区分操作码和地址码）（IR）→执行指令（分析操作码，确定具体操作）（CU）

前两个阶段为取指令，第三个阶段为执行

2.5.计算机工作过程

CPU区分指令和数据的依据：指令周期的不同阶段（取指令→分析指令→执行指令）

①初始情况：

1.主存地址为存储单元的编号

2.地址0-4存储机器指令，分为操作码和地址码，共16bit

3.地址5-8分别存储变量a、b、c、y的数据（二进制）

②执行过程

（）为寄存器内的内容，M为主存储器

初始化：（PC）= 0，指向第一条指令的存储位置

1.（PC）→MAR，导致（MAR） = 0：PC的内容通过地址总线存放到MAR中

2.控制器向主存储器表明接下来访问地址为0的数据，并且通过控制总线告诉主存储为读操作

3.M（MAR）→MDR，导致（MDR） = 000001 0000000101：主存储器根据MAR存放的地址从存储体中取出相应数据，并放到MDR中

4.（MDR）→IR，导致（IR）=000001 0000000101 ：MDR通过数据总线将MDR存放的内容存放到IR中

5.OP（IR）→CU，指令的操作码送到CU，CU分析后得知这是“取数”命令

6.Ad（IR）→MAR，指令的地址码送到MAR，导致（MAR）= 5

7.M（MAR）→MDR，导致（MDR）= 0000 0000 0000 0010 = 2

8.（MDR）→ACC，导致（ACC）= 0000 0000 0000 0010 = 2

1-4为取指令，5为分析指令，6-8为执行指令（取指令完成后，PC自动加1，指向下一条指令）

此时，（PC）= 1，（ACC） = 2

1.（PC）→MAR，导致（MAR） = 1

2.M（MAR）→MDR，导致（MDR） = 000100 0000000110

3.（MDR）→IR，导致（IR）= 000100 0000000110（取指令完成，PC + 1）

4.OP（IR）→CU，指令的操作码送到CU，CU分析后得知，这是乘法指令（分析指令完成）

5.Ad（IR）→MAR，指令的地址码送到MAR，导致（MAR）= 6

6.M（MAR）→MDR，导致MDR = 0000 0000 0000 0011 = 3

7.（MDR）→MQ，导致MQ = 0000 0000 0000 0011 = 3

8.（ACC）→X，导致（X） = 2：执行乘法操作时，将操作数放到X寄存器中

9.（MQ）*（X）→（ACC），导致（ACC）= 6：通过CU控制ALU实现（执行指令完成）

此时，（PC） = 2，（ACC） = 6

1.（PC）→MAR，导致（MAR）= 2

2.M（MAR）→MDR，导致（MDR）= 000011 0000000111

3.（MDR）→IR，导致（IR）= 000011 0000000111（取指令完成，PC+1）

4.OP（IR）→CU，指令的操作码送到CU，CU分析后得知，这是加法指令（分析指令完成）

5.AD（IR）→MAR，指令的地址码送到MAR，导致（MAR） = 7（指明C存放的地址）

6.M（MAR）→MDR，导致（MDR）= 0000 0000 0000 0001

7.（MDR）→X，导致（X）= 0000 0000 0000 0001

8.（ACC）+（X）→ACC，导致（ACC）= 7，由ALU实现加法运算（执行指令完成）

此时，（PC）= 3，（ACC）= 7

1.（PC）→MAR，导致（MAR）= 3

2.M（MAR）→MDR，导致（MDR）= 000010 0000001000

3.（MDR）→IR，导致（IR）= 000010 0000001000（取指令完成，PC+1）

4.OP（IR）→CU，指令的操作码送到CU，CU分析后得知，这是存数指令（分析指令完成）

5.AD（IR）→MAR，指令的地址码送到MAR，导致（MAR） = 8

6.（ACC）→MDR，导致（MDR）= 7

7.（MDR）→地址为8的存储单元，导致 y = 7（执行指令完成）

此时，（PC）= 4

1.（PC）→MAR，导致（MAR）= 4

2.M（MAR）→MDR，导致（MDR）= 000110 000000-000

3.（MDR）→IR，导致（IR）= 000110 0000000000（取指令完成，PC+1）

4.OP（IR）→CU，指令的操作码送到CU，CU分析后得知，这是停机指令（分析指令完成）

5.操作系统进行后续操作

3.计算机系统的层次结构

1.高级语言：面向用户。C/C++

2.汇编语言：高级语言通过编译程序翻译成汇编语言

3.机器指令：通过汇编程序将汇编语言翻译成机器指令

4.微指令：机器指令进一步分解为微指令，硬件直接执行微指令

5.汇编语言和机器指令一一对应

6.若需要调库，则需要链接，即将文件和库文件结合

7.预处理→编译→汇编→链接

8.编译程序：将高级语言编写的源程序全部语句一次全部翻译成机器语言程序（.exe文件）（只需翻译一次）

解释程序：将源程序的一条语句翻译成对应的机器语言的语句，并立即执行，接着翻译下一句（每次执行都要翻译）

4.计算机的性能指标

4.1.存储器的性能指标

1.总容量 = 存储单元个数 * 存储字长 bit = 存储单元个数 * 存储字长 / 8 Byte

2.可以通过MAR和MDR计算总容量

MAR代表存储单元个数（最多），MDR代表存储字长

eg：MAR为32位，MDR为8位→总容量 = 2 ^ 32 * 8 = 4GB

4.2.CPU的性能指标

1.主频（HZ）：数字脉冲信号振荡的频率

时钟周期（微妙，纳秒）：主频的倒数，执行指令的每个动作至少需要1个时钟周期

2.CPI（Clock cycle Per Instruction）：每条指令的执行需要几个时钟周期（可能会变化），通常取平均值

3.CPU执行时间：CPU时钟周期数 / 主频 = （指令条数）* CPI / 主频

4.IPS（Instruction Per Second）：每秒执行多少个指令。IPS = 主频 / CPI（MIPS）

5.FLQPS（Floating-point Operations Per Second）：每秒执行多少次浮点运算

K：10 ^ 3→M：10 ^ 6→G：10 ^ 9→T：10 ^ 12→P：10 ^ 15→E：10 ^ 18→Z：10 ^ 21

6.数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送数据的位数

7.吞吐量：单位时间内处理请求的数量

8.响应时间：用户发出请求，到系统对其做出反应并得到结果的时间