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文章目录

1. 概述
- 1.1 发展历程
- 1.2 计算机系统层次结构
- - 1.2.1 五大部件
  - - 1) 存储器
    - 2) 运算器
    - 3) 控制器
    - 4) 输入设备
    - 5) 输出设备
  - 1.2.2 指令完成
- 1.3 计算机硬件指标
- - 1.3.1 字长
  - - 机器字长
    - 存储字长
    - 指令字长
    - 编址
  - 1.3.2 运算速度
  - - 1) 各种周期比较
    - 2) CPI
    - 3) 主要的计算
  - 1.3.3 存储容量
  - 1.3.4 专业术语
  - - 兼容

1. 概述

1.1 发展历程

1.2 计算机系统层次结构

1.2.1 五大部件

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-IldidAp3-1609145991290)(picture/3007300-9560bf42265d71eb.png)]

1) 存储器

类比：

存储体 — 存储单元 — 存储原件(0/1)
大楼 — 房间 — 床位 (有人/没人)

重要概念：

存储单元：存放一串二进制代码(可能是指令，也可能是数据)
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(32位/64位)

每个存储单元赋予一个地址号，每个存储单元中存放一个存储字；存储单元按地址寻访

MAR(Memory Address Register)存储器地址寄存器：存地址的，反映存储单元的个数
MDR(Memory Data Regester)存储器数据寄存器：存数据的，反映存储字长

设MAR=4位说明存储单元个数是2的4次方=16个（反映存储单元的个数）;

MDR=8位，说明存储字长8位

解释：计算机中的主存数据寄存器(MDR)，与主存地址寄存器(MAR)帮助完成CPU和主存储器之间的通信：

MAR用来保存数据被传输到的位置的地址或者数据来源位置的地址；
MDR保存要被写入地址单元或者从地址单元读出的数据。

2) 运算器

运算器的功能是什么，如何工作？

加法运算
乘法运算
或与非

运算器结构：

ALU（Arithmetic Logic Unit）：算数逻辑单元，核心运算单元；通常是个组合电路，其特点是如果输入撤销，那么输出结果也会撤销，所以如果要保存结果需要在输入输出端加上相应的寄存器（ACC，X）；
ACC（Accumulator）：累加器；
X：数据寄存器；
MQ：乘商寄存器（在乘法过程中，产生的结果是操作数的两倍）为了把乘法结果都保存下来，需要此寄存乘法增加的部分；

	ACC	MQ	X
加法	被加数、和		加数
减法	被减数、差		减数
乘法	乘法结果的高位	乘数、乘法结果的低位	被乘数
除法	被除数、余数	商	除数

乘法：加法+移位操作 (这里有点不太清楚)

除法：减法+移位操作 (这里有点不太清楚)

(回去看看《编码》、《CSAPP》第二章理解理解，再回过来看看)

3) 控制器

功能：

解释指令

保证指令按顺序执行

基本结构：

完成一条指令：

取指令(PC)
分析指令(IR)
执行指令(CU)

结构：

CU：核心控制单元，执行指令
PC：程序计数器，用来存放当前要执行指令的地址，具有计数功能(PC) + 1 —> PC(不同的机型，这里不一定+1，即相邻两个指令的物理地址不一定相邻)
IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指令

4) 输入设备

5) 输出设备

1.2.2 指令完成

这里要好好理解每一个指令步骤，理解了每一个步骤就相当于理解了这一章。

(1)主机完成一条取数指令的步骤

取数指令的功能：把存储体(主存/内存)中的数存到ACC中

完成一条指令的三个阶段：

取指令
分析指令
执行指令

（注：指令：操作码+地址码）

取数操作步骤分析（如图）：

要执行的指令的地址保存在PC中，指令保存在存储体中；第一步将PC中要执行的指令的地址放入MAR;
MAR将指令地址送给存储体M；
在控制器的控制下，存储体M将指令地址中的指令送给MDR;
在控制器的控制下，将MDR中的指令存到IR中；(到此，取指令的操作完成；PC—>MAR—>M—>MDR—>IR)
分析指令：将IR中指令的操作码部分给CU，由CU去分析控制执行；
把IR中指令中待取的数的地址部分送到MAR；
MAR将数的地址送给存储体M；
在控制器的控制下，存储体M将数的地址中的数送给MDR;
在控制器的控制下，MDR中的数交给ACC保存。

(2)主机完成一条存数操作步骤

存数指令的功能：把存放在ACC中的计算结果存到内存单元M中

存数操作步骤分析（如图）：

要执行的指令的地址保存在PC中，指令保存在存储体中；第一步将PC中要执行的指令的地址放入MAR;
MAR将指令地址送给存储体M；
在控制器的控制下，存储体M将指令地址中的指令送给MDR;
在控制器的控制下，将MDR中的指令存到IR中；(到此，取指令的操作完成；PC—>MAR—>M—>MDR—>IR)
分析指令：将IR中指令的操作码部分给CU，由CU去分析控制执行；
把IR中指令中待存的数的地址送到MAR；(从这一步开始不同)
MAR将数的地址送给存储体M，告诉存储体要存进来一个数，其地址是多少；
在控制器的控制下，将ACC中要存的数交给MDR;
在控制器的控制下，将MDR中的数交给存储体。

1.3 计算机硬件指标

1.3.1 字长

机器字长

CPU一次能处理数据的位数（如可以对两个8位二进制数进行加法，就是8位），与CPU中的寄存器（ACC,X,MQ）的位数有关。

一般来说，机器字长越长性能越好。

机器字长反映了计算机的运算精度，即字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。

存储字长

一个存储单元存储一串二进制代码（存储字专），这属串二进制代码的位数称为存储字长，存储字长可以是8位、16位、32位等。

指令字长

一个指令字中包含二进制代码的位数。

编址

按字编址，就是机器字长编址，机器为32 位，4B就是一个单位，机器字长为64 位，8B就是一个单位
按字节编址，1B就是一个单位

1.3.2 运算速度

前两个是硬件指标；后四个是从指令执行的角度来衡量的。

1) 各种周期比较


时钟周期	时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位	[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-39NdjQE4-1609145991302)(picture/37d3d539b6003af3e3559f24382ac65c1138b683)]
机器周期(cpu周期)	机器周期也称为CPU周期。在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段（如取指、译码、执行等），每一阶段完成一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个时钟周期组成
指令周期	一般由若干个机器周期组成，是从取指令，分析指令到执行完所需的全部时间。取指周期间址周期执行周期中断周期
存储周期	存储器进行一次“读”或“写”操作所需的时间称为存储器的访问时间（或读写时间），而连续启动两次独立的“读”或“写”操作（如连续的两次“读”操作）所需的最短时间，称为存取周期（或存储周期）。
存取时间	存储访问时间，也可以称之为存取时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。
总线周期	总线周期通常指的是CPU完成一次访问MEM或I/O端口操作所需要的时间。一个总线周期由几个时钟周期组成。

将机器周期定为单位1ns，则指令周期为1~4ns，时钟周期为1/6s,总线周期为2/3ns(一个总线周期一般包含bai4个时钟周期)。

存取时间<存储周期

时钟周期<机器周期<指令周期

2) CPI

CPU 执行一条指令所需的时钟周期数

系统结构，指令集，计算机组织都会影响CPI,而时钟频率不会

3) 主要的计算


MIPS=主频CPI,如果主频是GHz的话，需要乘以1000，因为GHz=109Hz,而MIPS的单位是106MIPS=\frac{主频}{CPI},如果主频是GHz的话，需要乘以1000，因为GHz=10^9Hz,而MIPS的单位是10^6MIPS=CPI主频,如果主频是GHz的话，需要乘以1000，因为GHz=109Hz,而MIPS的单位是106
时钟周期=1主频,时间单位换算为GHz=ns(纳秒),MHz=μs(微秒),KHz=ms(毫秒)时钟周期=\frac{1}{主频},时间单位换算为 GHz=ns(纳秒) ,MHz=\mu s(微秒),KHz= ms(毫秒)时钟周期=主频1,时间单位换算为GHz=ns(纳秒),MHz=μs(微秒),KHz=ms(毫秒)

1.3.3 存储容量

存放二进制信息的总位数

1.3.4 专业术语

兼容

软件或者硬件上的通用
通常在同一系列不同型号的计算机间通用

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