组成原理（一）：基本概述

原理（一）：基本概述"/>

组成原理（一）：基本概述

系列文章目录

 组成原理（一）：基本概述
组成原理（二）：总线
组成原理（三）：存储器（上）
组成原理（四）：存储器（中）

---

目录

前言

（一）计算机的基本组成

1.冯·诺伊曼计算机的特点

1.1.改进，以存储器为中心

1.2.现代计算机硬件框架

1.3.系统复杂性管理的方法

2.存储器的基本组成

3.运算器的基本组成及操作过程

3.1.各寄存器作用

3.1.1.减法

3.1.2.加法

3.1.3.乘法

3.1.4.除法

3.控制器的基本结构

3.1.功能

3.2.完成一条指令

3.3.完成一条指令具体过程

3.3.1.取数指令

3.3.2.存数指令

3.4.完成ax2 + bx + c程序的运行过程

（*二）计算机硬件的主要技术指标

1.机器字长

2.运算速度

3.存储容量

（三）计算机发展史

1.计算机的产生

2.现代计算机发展的驱动力

2.1.需求、需求、还是需求（重要的事情说三遍）

2.2.技术发展

3.典型计算机举例

4.微型计算机的出现和发展

4.1.微处理器

4.2.微型计算机

4.3.微处理器发展

4.4.Moore定律

5.计算机软件的发展

5.1.各种语言

5.2.系统软件

5.3.软件发展的特点

6.计算机的应用

---

前言

哈工大计组网课的笔记，教材是《计算机组成原理》(唐朔飞)

---

（零）导论

计算机组成与计算机体系结构从研究内容上来说的区别

• 计算机组成：实现计算机体系结构所体现的属性（具体指令的实现）

• 计算机体系结构：机器语言程序员所见到的计算机系统的属性（所编写程序能正确执行所必须了解的计算机属性，一般指指令集、寄存器文件的组织、内存的编址单位、指令集能都对那些数据类型进行操作。这些统称为数据表示），概念性的结构与功能特性（指令系统、数据类型、寻址技术、l/o机理）定义软硬件的交界面，定义具体那些功能由软件实现，那些功能由硬件实现，上层软件编写和硬件交互的接口

举个例子

• 计算机组成：如何实现乘法指令（逻辑实现）
• 计算机体系结构：规定和定义的内容有无乘法指令，对什么类型的数据进行乘法操作，数据长度是多长
   

（一）计算机的基本组成

1.冯·诺伊曼计算机的特点

• 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成。
• 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访。
• 指令和数据用二进制表示。
• 指令由操作码和地址码组成。
• 存储程序。
• 以运算器为中心。

• 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）

• 运算器（核心）（算术运算、逻辑运算）

• 控制器（指挥控制程序运行）

• 存储器（存放程序和数据）

存在问题：整个冯·诺依曼计算机以运算器为中心，输入、输出都要运算器来处理，而运算器本身还要处理算数与逻辑运算，这样运算器会非常繁忙，会使运算器会成为整个计算机的瓶颈。

1.1.改进，以存储器为中心

1.2.现代计算机硬件框架

由上图的层次划分，可以画出现代计算机的硬件框架

1.3.系统复杂性管理的方法

• 层次化（Hierarchy）：将被设计的系统划分为多个模块或子模块。
• 模块化（Modularity）：有明确定义的功能与接口。
• 规则化（Reguarity）：使规范化，模块间更容易被重用。

不仅是计算机硬件遵循设计这个方法，在整个计算机技术中，大部分复杂设计都会据此考虑设计，比如计算机网络体系结构的OSI七层参考模型等等。

2.存储器的基本组成

• MAR：存储器地址寄存器，保存存储单元的地址（编号），反映存储单元的个数。
• MDR：存储器数据寄存器，保存了要存入存储体的数据，或者是刚刚从存储体取出来的数据，反映了存储字长。

举个栗子：设MAR=4位，MDR=8位，则存储单元的个数为16，存储字长为8位。

3.运算器的基本组成及操作过程

• ALU——Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部件;
• ACC——Accumulator，累加器，运算器中运算前存放操作数、运算后存放运算结果的寄存器;
• MQ——Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。

	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	乘积/乘积低位	被乘数
除法	被除数/余数	商	除数

3.1.各寄存器作用

3.1.1.减法

指令包含两部分：第一部分减法指令，第二部分内存中减数的地址M

初始状态中被减数已经存放在ACC里面（之前先要有一条指令把数据输入到ACC当中）减数放置在X中

减法法操作使用ALU实现，结果保存在ACC当中

方括号表示地址[ ⋅ ] 的内容
 

3.1.2.加法

指令包含两部分：第一部分加法指令，第二部分内存中加数的地址M

初始状态中被加数已经存放在ACC里面（之前先要有一条指令把数据输入到ACC当中）加数放置在X中

加法操作使用ALU实现，结果保存在ACC当中
 

3.1.3.乘法

指令包含两部分：第一部分乘法指令，第二部分内存中乘数的地址M

初始状态中被乘数已经存放在ACC里面（之前先要有一条指令把数据输入到ACC当中）乘数放置在X中

操作1234顺序是有控制器控制的，12可同时进行或交换顺序

双斜线表示位连接

3.1.4.除法

指令包含两部分：第一部分除法指令，第二部分内存中除数的地址M

初始状态中被除数已经存放在ACC里面（之前先要有一条指令把数据输入到ACC当中）除数放置在X中

商放入MQ 余数放入ACC

3.控制器的基本结构

3.1.功能

• 解释指令，即从取址，到分析 ，到取操作数，到执行，一直到保存结果的全过程。
• 保证指令按顺序地执行。

3.2.完成一条指令

取指令：把内存单元中保存的指令取出来，送入控制器

分析指令：解析出操作码部分，送给控制单元，进行分析

执行指令：由控制单元控制相应的执行部件去完成指令所需要的操作

PC（程序计数器）：存放当前要执行指令的地址，具有计数功能（PC）+1—>PC

IR（指令寄存器）：存放当前要执行的指令

CU（控制单元）：控制有序地执行指令所需的操作

3.3.完成一条指令具体过程（存+取）

        3.3.1.取数过程

        取指令

• PC中存储的地址送入MAR
• MAR根据地址寻找存储体中的存储位置
• 找到的指令数据送入MDR
• MDR将缓存的指令数据送入IR

分析指令

• IR中的指令操作码送入CU，经过译码以后在CU中完成

        执行指令

• 在控制器的控制之下，将指令中的取数所需地址从IR送入MAR
• MAR根据地址寻找存储体中的存储位置
• 找到的数据送入MDR
• MDR将缓存的数据送入ACC

3.3.2.存数过程

        存指令

• PC中存储的地址送入MAR
• MAR根据地址寻找存储体中的存储位置
• 找到的指令数据送入MDR
• MDR将缓存的指令数据送入IR

        分析指令

• IR中的指令操作码送入CU，经过译码以后在CU中完成

        执行指令

• 在控制器的控制之下，将指令中存数的地址从IR送入MAR
• MAR根据地址寻找存储体中的存储位置
• 将ACC的数据送入MDR
• MDR将缓存的数据送入存储体

3.4.完成ax2 + bx + c程序的运行过程

• 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 —> 存储体 —> MDR —> IR，（PC）+ 1 ——> PC（更新PC）
• 分析指令 OP（IR）—> CU
• 执行指令 AD（IR）—> MAR —> 存储体 —> MDR —> ACC

········

• 打印结果（也应该是取指令+分析指令+执行指令）
• 停机

（*二）计算机硬件的主要技术指标

1.机器字长

CPU一次能处理的数据的位数，通常与CPU中的的寄存器位数有关。

2.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的时钟周期数
• IPC：一个时钟周期可以完成的指令数（描述超标量计算机）
• MIPS：每秒执行百万条指令
• FLOPS：每秒浮点运算次数（更科学）
• 吉普森法 ：按照每条指令出现的频率，来计算指令执行时间的加权平均值

fi就是每条指令在程序中出现的频率，分为动态使用频率和静态使用频率

3.存储容量

存放二进制信息的总位数

（三）计算机发展史

1.计算机的产生

1946年 —— 美国 —— ENIAC ——- 十进制运算 —— 1955年退役

18000	多个电子管
1500	多个继电器
150	千瓦功耗
30	吨重量
1500	平方英尺占地
5000	次加法/秒

用手工搬动开关和插拔电缆来编程。

2.现代计算机发展的驱动力

2.1.需求、需求、还是需求（重要的事情说三遍）

2.2.技术发展

• 电子技术的发展（硬件技术的发展是关键）
• 计算机体系结构技术的发展

硬件技术对计算机更新换代的影响

3.典型计算机举例

3.1.IAS

由普林斯顿大学的先进技术研究所于1946开始设计，1952投入运行，是典型的以运算器为中心的冯·诺伊曼结构的机器。

3.2.IBM System / 360

IBM公司50亿的大豪赌，1961年开始研制，1964年研制成功，是IBM公司划时代、里程碑式的产品。（一系统的通用产品）

• 贡献：IBM System / 360研发过程中，提出了计算机系统结构这个概念，给出了计算机系统软硬件的交界面，使软硬件可以同时设计研发，缩短研发时间。当软硬件接口给定后，不同的硬件配置可以执行相同功能，可以根据需求选择不同的硬件配置，也因为有了体系结构这个概念，就有了系列机与兼容机。

4.微型计算机的出现和发展

4.1.微处理器

一般是指用一片大规模的集成电路组成的处理器，这个处理器上集成了运算器和控制器。

4.2.微型计算机

是指使用微处理器的，集成度相当高的大规模集成电路构成的面向个人用户的，体积小重量轻，价格低的计算机。

4.3.微处理器发展

在1970年出现了第一款存储器芯片容量只有256位，随后存储器芯片的存储容量不断增大。在1971年inter公司推出了第一块4位的芯片4004，随后一直发展到今天的64位的芯片，芯片上可集成超过30亿个晶体管。

4.4.Moore定律

Inter公司的缔造者之一Gordon Moore提出：微芯片上集成的晶体管每三年翻两番。

5.计算机软件的发展

5.1.各种语言

• 机器语言 ——- 面向机器
• 汇编语言 ——- 面向机器
• 高级语言 ——- 面向问题

5.2.系统软件

• 语言处理软件：汇编程序、编译程序、解释程序
• 操作系统：DOS、UNIX、Windows、Linux、Kylin Linux
• 服务性程序：装配、调试、诊断、排错
• 数据库管理系统：数据库和数据管理软件
• 网络软件：防火墙

5.3.软件发展的特点

• 开发周期长
• 制作成本高昂
• 检测软件产品质量的特殊性
• 软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档

6.计算机的应用

• 科学计算和数据处理
• 工业控制和实时控制
• 网络技术
• 电子商务
• 网络教育
• 敏捷制造
• 虚拟现实
• 办公自动化和信息管理系统
• CAD（计算机辅助设计）/ CAM（计算机辅助制造）/ CIMS（计算机集成制造系统）
• 多媒体技术
• 人工智能技术
• ............