一、计算机系统简介

1.计算机软硬件概念

总结如下：

（1）硬件进行了相应的封装，对软件提供了接口。

比如提供了指令集。

（2）软件可以利用这些指令集编写能够完成这些指令功能的软件。

系统软件为硬件提供了接口，完成自己的功能。比如说对系统中的软硬件资源进行管理，为用户提供人机交互界面。

应用软件应用系统软件提供的接口，调用系统软件的功能，实现自己的功能。

2.计算机系统的层次结构

（1）现代计算机

（2）发展

多层次结构：

微指令之间有一定的先后顺序，多条微指令构成了一个微程序，一个微程序对应一个机器指令。

（3）软硬件分布

（虚线为软硬件的接口）

3.计算机组成和计算机体系结构

区别如下：

二、计算机的基本组成

1.冯诺依曼计算器

特点：

以运算器为中心：

2.计算机硬件框图

以存储器为中心：

现代计算机组成：

3.计算机工作

（1）指令

（2）计算机组成框图

（3）思维导图（重点）

这里我将这些概念都整合在了一张思维导图里面，可能有不全的地方。

如下：

（4）加减乘除操作

约定

步骤

这里不做过多解释了，图里面写的很清楚。

记得对照框图分析。（有点糊，不懂的可以去看书或者视频）

4.分析

（1）主机完成 一条指令

有三个步骤：

主机结构包含了运算器、控制器和存储器。

①运算器的核心是ALU，还有三个寄存器（ACC\X\MQ）。

②控制器包含了CU，还有两个寄存器（IR\PC）。

③存储器主要包含三部分，存储体、MAR、MDR。

主机+I\O --> 计算机的硬件系统

记住这个图：

取数指令

==取数指令的功能==

把保存在内存单元M中的数据，取到ACC寄存器中。

为了完成这个操作，在控制器（CU）的控制之下，需要把指令中的地址部分（PC）送给存储器（MAR）。以便我们将数据从存储体中取出来。

<1> 取指令

刚才对控制器进行分析的时候，已经指出，要执行的指令的地址，保存在PC中。

指令是保存在存储体中的。

所以取指令的第一个操作，就是PC要把指令的地址送给MAR。

①PC将指令的地址送给MAR；再由MAR送给存储体。

②在控制器的控制下，存储体把指定存储单元中保存的那一条”取数指令”取出来，送入MDR中。

③此时指令已经在MDR中了。取出来的指令最终送入IR里面。因为IR的功能，就是保存当前正在执行的指令。

<2> 分析指令

把指令寄存器中保存的“指令操作码”部分送给CU。

在图上表示是非常简单的。

实际上大量的操作是在控制单元内部进行的。

后面再慢慢探讨。

经过译码以后，可以看见，在CU上面，有很多信号，就是有由这些信号，去控制相应的执行部件去执行指令、要求。

现在从IR开始，因为IR中保存了当前指令，同时也保存了当前这条指令操作数的地址。（IR中有指令的操作码也有地址码）

把IR的地址码部分把地址取出，送入MAR。

再由MAR将地址送入存储体。

在控制器的控制之下，从存储器中，把取数指令要取的数取出来，存入MDR中。

然后送入ACC。

解释：

第一次从PC中取指令，交给IR。

IR反馈给CU，CU经过分析发现该指令是取数指令。

数的地址在IR的取数指令中存着，然后CU告诉IR去取数，所以第二次从IR开始是取数并把数存到ACC中。

存数指令

==功能==

将ACC中保存的数据放入存储体中指定的单元。

要执行的指令的地址保存在PC中，指令保存在存储体中。

<1> 取指令

把指令从存储体中取出来。

必须要知道指令的地址（指令的地址保存在PC中）。

所以还是从PC开始。

①把指令的地址送给MAR

②由MAR送给存储体

③在控制单元CU的控制下，从存储体指定的存储单元中，把指令取出来，放入MDR中。

④再次由控制单元控制下，把MDR取出来的指令送入IR（控制器）中。

<2> 分析指令

将IR中保存的指令的操作码部分，送给CU。由CU对指令进行分析。

通过分析，就能知道指令要做什么样的操作。

CU就会发出相应的控制信号来完成指令要求的操作。

现在的指令是存数指令。

<3> 存数

①在CU的控制下，把IR中地址码部分送入MAR。

②再由MAR送入送入存储体，告诉存储体现在有一个数据要存进来，地址是多少。

③将ACC中的内容送入MDR。

因为ACC中保存了从存储体中输入和输出的数据。

④在控制器的控制下，将MDR中的数据，保存到存储体中。

除此之外，还有加法减法乘数指令等。可以自行试一下，在这里如何进行的。

（2）完成编写的程序

下面再来看一下编写的程序是如何运行的。

比如：

将程序和数据保存到计算机（内存）中，是通过输入设备来做的。

控制器要知道程序的首地址，所以要把程序的首地址送到指定寄存器中（PC）。

PC中就保存了要执行指令的地址。 然后启动机器，开始执行程序。 程序是由一条一条指令构成的。执行程序的过程，实际上就是执行多条指令的过程总和。

比如现在执行第一条指令（取数指令），要进行三步。（把X的值从内存单元中取出来，保存在ACC中。）

<1> 取指令

将指令从给定的内存单元中取出，放在IR中。

具体操作：

PC给出“取数指令”这个指令所在内存单元的地址，PC将该地址送给MAR。

然后MAR将地址送给M（存储体）。

M存储体将指令拿出来之后，送入MDR，再由MDR送入IR。

<2> 分析指令

将指令的操作码部分，送给CU。

IR是指令寄存器，里面保存了指令。可以将它的操作码用OP表示。即：OP(IR)。

将操作码部分送给CU，就是这样写：OP(IR)->CU。

由CU对操作码进行分析。

<3>执行指令

这是一个取数指令。要取的数据的地址保存在IR的地址码部分。

AD表示地址码部分：AD(IR)。

将地址送给MAR。

再由MAR送给存储体M。

把数据从给定的存储单元中取出之后，再放入MDR寄存器。

（MDR和MAR实际上是接口寄存器。）

MDR获得数据之后，要完成取数指令的功能，就要把数据送入ACC。

经过这三步，取数指令就完成了。

剩下的乘法指令，从取指令、分析、执行，具体应该做什么操作。大家可以自己试一下。

如果直接进行下一条乘法指令，是取不出来的。

因为当前PC中，保存的地址，还是第一条指令（取数指令）的地址。

执行完取数指令之后，需要对PC的值进行调整。

实际上，在取址操作结束以后，PC的值在分析指令和执行指令中没有用到。

所以，在取指令结束之后，就可以对PC的值进行调整了。

让PC加1，再送到PC中。

其他的指令都可以用这种方式进行分析。

每三条对应完成一条指令的过程。

最后保存指令之后，就可以进行打印。

当然打印指令也要进行取指令、分析和执行三步。

最后停机。

三、硬件技术指标

1.机器字长

CPU一次能够处理数据的位数。（8位）

与CPU中的寄存器位数有关。

在之前介绍的模型机中，机器字长和ACC寄存器、X寄存器、MQ寄存器的长度相同。

为了简化问题，存储单元的长度（存储字长）和寄存器的长度也是相同的。

并不是所有计算机都是这样，这里是之前模型机的假设而已。

一般来说，机器字长越长，机器的性能越好。

比如：

64位操作：两个64位相加，它们的和保存在64位寄存器中。

如果机器字长是8位，寄存器的位数也是8位。那么要完成64位加法，就要做8次加法运算。

如果机器字长是64位，寄存器的位数也是64位。那么要完成64位加法，就要做1次加法运算。

2.运算速度

（1）主频和核数

主频和核数并不是机器速度的直接指标。

（2）吉普森法

机器是用来执行指令的。

机器的速度，可以用指令执行的速度来进行衡量。

一台机器的指令集中可能有很多指令，这些指令，哪一条指令可以代表计算机的速度呢？

①把指令集中每一条指令的执行时间加在一起，然后计算平均值。

有问题！

不同指令的执行频率不一致，有的指令虽然执行很慢，但是出现频率非常低。它对整个机器执行性能影响并不大。

②按照每一条指令出现的频率，来计算指令执行时间的加权平均值。即吉普森法。

fi：每一条指令在程序中出现的频率。

动态使用频率（执行后，计算在执行过程中，每一条指令出现的频率）、静态使用频率（直接计算每一条指令出现的频率，不用执行）

（3）时钟周期数

时钟周期数：越少越好。最好一条指令只需要一个时钟周期就可以完成。

计算机里面的时间是离散的，机器由时钟来进行驱动。

CPI指标是指：执行一条指令需要多少个时钟周期。

C：时钟周期 P：每一个 I：指令

也需要计算平均值。

把指令集中所有的指令的CPI计算出来，然后根据它的静态使用频率或者动态使用频率，采用加权平均的方法来计算每一条指令需要多少使用周期。

现代计算机（比如超标量计算机），同时可以有多条指令进入流水线。每一个周期可以完成多条指令。为了衡量这种指令的机器性能。另外的指标叫做IPC，就是和CPI相反，指一个时钟周期能够完成多少条指令。

（4）MIPS

MIPS：每秒执行百万条指令

M：百万

I：指令

P：每

S：秒

每秒执行的指令数越多，说明机器速度越快。

这里面其实还要看每一条指令，具体执行了多少算数运算，或者多少逻辑运算，指令的复杂程度如何等。

（5）FLOPS

以上都是从指令执行的角度来衡量计算机的速度。

实际上，在执行程序的时候。执行指令只是一个手段，目的是要完成算数或者逻辑运算。

衡量机器的运行速度，一个更合理的指标是在相同时间里面，完成了多少算数或者逻辑运算。

FLOPS：每一秒完成了多少浮点运算。

（机器能够做多少操作的角度来进行衡量。）

3.存储容量

存储容量：越大越好。

用存放二进制信息的总位数进行衡量。

四、写在最后

《计算机组成原理》系列参考书籍：

参考视频：

计算机组成原理（哈工大刘宏伟）